基于红外光栅和红外热成像技术的安全厨房

2022-10-25杨立茂王滨滨

煤气与热力 2022年10期

郭军，杨立茂，潘良，王滨滨，狄鹏，胡莽

(1.济南港华燃气有限公司，山东济南250000；2.上海飞奥燃气设备有限公司，上海200120)

1 概述

燃气爆炸公众平台统计数据显示：2020年发生室内燃气事故327起，室外燃气事故221起，共造成84人死亡，670人受伤。主要事故气源包括液化石油气、天然气、人工煤气，其中液化石油气引发的事故数量占比最高，达66%。室内燃气事故原因分析见表1。从室内燃气事故统计数据可知，强化居民室内燃气设施运行工况监控及异常状况智能控制迫在眉睫。

表1 室内燃气事故原因分析

续表1

2 厨房现有燃气安全措施及不足

① 表前阀及灶前阀

表前阀及灶前阀均为手动阀门。根据数据统计，因阀门未关、未关闭严密、松动、漏气等导致的燃气爆炸事故仍占一定比例。

② 家用燃气泄漏报警器

目前家用燃气泄漏报警器多为单机使用，不具备远程通信功能。若发生事故时现场不能及时处理，仍可能造成事故。

③ 自闭阀

自闭阀是在供气异常情况下自动关闭的安全装置，其主体为纯机械结构，无声光提醒功能，通常安装在灶具软管之前。当燃气泄漏发生在自闭阀之前时，无法发挥作用。家用管道燃气自闭阀的额定流量通常有0.6 m3/h 和0.9 m3/h，其过流自动关闭流量为不大于自身额定流量的两倍，但对微量泄漏无法有效响应。

④ 不锈钢波纹软管

不锈钢波纹软管具有阻燃、抗老化、防鼠咬、耐高低温、使用寿命长等特点。虽然不锈钢波纹软管可自由弯曲，但多次弯折扭曲仍可能造成金属疲劳损伤或螺纹连接处漏气。另外，当管壁受到外力挤压产生机械损伤后，不易发现裂纹或应力集中点，同样产生隐患。

⑤ 防干烧燃气灶

防干烧燃气灶是通过弹性感温探头与锅底直接接触实现高温监测，为确保锅底与感温探头接触良好，对锅底形状有一定要求，因此有一定使用局限性。另外，防干烧燃气灶价格偏高，居民接受度较低。

3 安全厨房的设计构想

3.1 安全厨房系统

针对上述问题，在厨房现有燃气安全措施基础上，充分利用传感技术、电磁转换技术、联动控制技术及网络通信技术，实现安全厨房系统解决方案(见图1)，达到对厨房燃气设施及燃具实时监控，实现微小泄漏及时发现、人为误操作及时制止、异常情况及时上报控制。在安全厨房系统中起安全作用的主要设备有：NB-IoT智能切断型燃气表、与燃气表联动的家用燃气泄漏报警器、与燃气表联动的红外热像防干烧监测器、自闭阀、不锈钢波纹软管。

图1 安全厨房系统

3.2 实现各种泄漏流量防护

通过以上燃气安全措施组合使用，厨房内将形成多级安全防控体系，实现各种流量泄漏防护。

① 大流量(大于3 m3/h)泄漏防护

大流量泄漏指胶管脱落或阀门损坏等情况。由于自闭阀的过流阈值小于燃气表的过流阈值，一旦出现大流量泄漏，自闭阀会先在3 s内完全关闭，如果自闭阀出现异常，燃气表会在120 s内关阀切断，达到双重保护。

② 中小流量(0.03～3.00 m3/h)泄漏防护

中小流量泄漏指管道有较大裂缝等情况。此时主要依靠燃气泄漏报警器来检测，报警器发出声光报警，同时把报警信息发送至燃气表，燃气表关阀切断。此外，燃气表支持恒流检测，检测到一段时间持续恒流后，判断为异常用气，燃气表会关阀切断，同时将该异常状态发送至燃气公司云平台，提醒运维人员及时处理。

③ 微小流量(小于0.03 m3/h)泄漏防护

微小流量泄漏指管道有微小裂缝等情况。此时主要依靠燃气表的微小流量检测功能，通过高精度计量采样，短时间捕获微小泄漏信号，当信号累积达到设定值后，触发报警或关阀机制(根据燃气公司需求)，燃气表会同步将该状态发送至燃气公司云平台，提醒运维人员及时处理。

4 关键设备

4.1 具备微小流量检测功能的燃气表

采用NB-IoT智能切断型燃气表(以下简称燃气表)，其内部设计有NB-IoT通信模组，支持和系统平台间的远程通信，实现远程抄表、充值等功能，同时还具有微小流量检测、过流检测、恒流检测、与家用燃气泄漏报警器联动、与红外热像防干烧监测器联动等功能。

目前主流智能燃气表的采样信号通过双干簧管实现，干簧管布置在计数器字轮的两侧，对应采样分辨力最高为5 dm3。若通过软件算法实现对微小流量泄漏的判定，必须采集多个信号，需要的时间就会过长，中途遇到任何用气操作都会对判定造成影响，因此需要更高采样分辨力来实现对微小流量的检测。

智能燃气表通过引入红外光栅技术，实现对燃气表计数器前级传动齿轮的位置检测。该技术从硬件层面将采样分辨力从现有的5 dm3提高至1 dm3以下，即每个脉冲信号对应的计量体积低至1 dm3以下。在微小泄漏流量为6 dm3/h情况下，燃气表在1 h内至少可采集到6个脉冲信号，这样可有效判定是否有微小流量泄漏。该方案采用双通道采样方案，负责计量的干簧管采样通道保持不变，新增微流量采样通道，用于监控微流量泄漏。其原理(见图2)是采用红外光栅对计数器的前级传动齿轮进行光电采样编码，传动齿轮上按照一定规则开设相应的透光孔，红外光栅由3对或更多红外发射管及接收管组成，对称分布于传动齿轮的上下两侧。发射管按照设定的频率发出红外光，经过透光孔时，信号被对面的接收管接收，计为状态1。红外光经过未开孔的位置会被遮挡，信号不能被对面的接收管接收，则计为状态0，状态1和0即为编码。如此就形成了一组二进制编码，传动齿轮整圈不同细分位置都有相应的编码与之对应，进而实现对传动齿轮位置的精确检测。以3对红外管组成的红外光栅为例，传动齿轮位置可被细分为8等分，即齿轮每转过45 °就有1个采样信号，如果采用更密集的光栅，采样分辨力还可提高，在更短的时间内给出判定结果。

图2 红外光栅系统原理

4.2 与燃气表联动的泄漏报警器

与燃气表联动的家用燃气泄漏报警器，除具备传统燃气泄漏报警器对燃气浓度稳定监测的功能外，还应能对自身状态实时诊断，并可通过无线(如蓝牙)或有线方式，将自身运行工况及报警信息发送至燃气表，燃气表收到报警信息后立即关闭内置阀门，并将报警信息上传燃气公司云平台。

4.2.1报警联动功能

① 燃气泄漏报警。当燃气泄漏报警器(以下简称报警器)触发泄漏报警时，信号可及时发送至燃气表。

② 报警器离线报警。报警器未接通电源或报警器与燃气表连接线路发生故障时，燃气表上传报警器离线报警信息。

③ 报警器内气体传感器故障报警时，故障信息可发送至燃气表。

④ 超期报警。报警器内气体传感器达到使用年限时，超期报警信息可发送至燃气表。

4.2.2有线联动技术

燃气表与报警器之间可采用有线连接，并通过特制航空插头锁紧。报警器与燃气表之间为单向通信，其上行数据发送方式分为事件触发和定时间隔发送。

硬件设计上采用两线串行通信方式，并通过光电耦合电路隔离报警器和燃气表的供电系统，确保燃气表本质安全。

4.2.3低功耗蓝牙联动技术

燃气表与报警器之间也可采用低功耗蓝牙联动技术。低功耗蓝牙联动技术采用与传统蓝牙相同的工作频率(2.400～2.483 GHz)，但使用的信道不同，数据使用高斯频移调制传输[1]，比特率为1 Mb/s，最大发射功率为10 mW。报警器与燃气表之间为主从通信模式，报警器为主模式，燃气表为从模式。

4.2.4报警器与燃气表的通信流程

① 燃气表开启广播。在报警器与燃气表建立连接之前，燃气表内部的蓝牙模块需要先进行广播。燃气表只有在广播期间才打开蓝牙模块，其余时间蓝牙模块处于睡眠状态，以确保低功耗。

② 报警器开启扫描。当报警器的射频接收窗口与燃气表广播发送的发射窗口匹配成功，且为同一个通道时，报警器收到燃气表的广播信号。

③ 燃气表和报警器建立连接。当报警器接收到燃气表的广播信号后，发送连接请求，燃气表接收到该请求后，发送1次应答包，报警器接收到应答包后，实现成功连接。

④ 燃气表和报警器数据交互。当无报警信息时，报警器会给燃气表发送1个数据包(空包)，燃气表会回1个数据包(空包)，即完成1次交互。为确保燃气表的低功耗，燃气表蓝牙模块可以开启从设备延迟，例如设置slave latency = 10，此时燃气表每10个连接周期仅应答1次，可使功耗大幅降低。当出现报警信息时，从设备延迟功能关闭，燃气表根据协议对接收到的数据包进行解析，并执行相关策略。

4.3 与燃气表联动的红外热像防干烧监测器

4.3.1红外热像防干烧监测器工作原理

红外热像防干烧监测器通过红外阵列传感器对灶台区域的温度进行采集，然后根据专门的算法进行分析，当判断温度存在突变趋势时进行报警。工作原理是：在烹饪过程中，当锅内温度上升到一定程度时，通过水分的不断蒸发带走热量，锅具温度基本保持恒定；当水分快要蒸发完时，锅具温度迅速上升，检测到温度突变趋势时即判断锅内出现干烧，存在火灾隐患。

4.3.2红外热像防干烧监测器与燃气表的联动

红外热像防干烧监测器与燃气表通过低功耗蓝牙进行联动，通信流程与报警器、燃气表之间的通信流程基本一致。红外热像防干烧监测器校准好后，开始对灶台区域温度实时监测。当灶具发生干烧时，红外热像防干烧监测器会发出蜂鸣报警，同时将干烧报警信号通过蓝牙发送给燃气表。燃气表收到报警信号后，立即关闭内置阀门切断气源，并将报警信息发送至燃气公司云平台，燃气公司通过短信方式通知用户注意用气安全。当干烧报警状态解除后，用户通过短按燃气表上按键打开内置阀门，恢复正常用气。