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电磁炉精确测温技术现状与发展方向
程序匠人 发表于 2006-7-23 10:54:00 阅读全文 | 回复(0) | 引用通告 | 编辑 |
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电磁炉精确测温技术现状与发展方向
现代家电
电磁炉作为现代厨具的新成员，自有它独特的一面，现代的电磁炉如果单纯来从它的控制原理来讲的话，也可以说是属于数码产品的一类，众所周知，现代的电磁炉不仅仅只是具有加热的功能了，它还具有很多自动功能，比如说：自动保温、自动烧开水、自动煮饭、还有非常适合南方人喜欢的自动煲汤等功能。所有这些自动功能的实现，是根据什么条件来实现的呢？这就是我要和大家共同来讨论的一个课题“电磁炉的精确测温与控温技术”以及今后此技术的发展方向。
首先，我们需要了解电磁炉的内部控制组件，电磁炉内部基本上可分为两部分来构成，即：一部分是将市电电压转换成频率约为20KHz~40KHz的高频电压，并将此电压送给电磁炉的用于能量交换的一个电子组件“线圈”的模拟电路部分，这一部分就是电磁炉的“加热系统”；另一部分就是电磁炉的控制部分“微电脑处理器”，也是我们常说的“单片机”。现代电磁炉，这两者缺一不可，“加热系统”输出功率的大小，以及何时开始加热，何时停止加热等都受“单片机”的实时控制，另外，“单片机”还具备检测整个“加热系统”的工作状态的功能，有针对性的对电磁炉进行保护，这当然又是另外一个课题了，这里暂不作讨论。精确测温与控温技术的实现，实际上就是靠“单片机”根据炊具表面的温度的大小来控制“加热系统”改变输出功率的大小和控制加热的时间来达到自动烹饪的目的。 现代的测温技术主要分两方面，一是“遥测”，即温度传感器(也叫温度探头)与被测物有一定的距离，通过测量红外线或其它对温度敏感的不可见光线或射线的变化的物理量来作为判断被测物体的温度；另一方面是直接测量，即温度传感器与被测物体直接接确，通过热的传导原理来直接测得被测物体的实际温度。下面我们主要以直接测量为主来阐述一下电磁炉的精确测温技术；如何样才能做到精确的测温呢？根据现代电磁炉测温的基本原理，笔者从以下这六个方面入手来分析。 一是从结构上来分析，要保证温度传感器能正确测量到被测物体的温度，也就是温度传感器要能够紧紧贴住被测物体最能够反映温度变化的那个部位，但作为电磁炉的测温技术，在结构上来说，要做好这一点，存在很大的困难，电磁炉是一个用来煮饭，烧菜的厨具，其必然和水是分不开的，电磁炉的内部是电子部件，最忌讳的是电磁炉内部的电子部件沾染水份而造成内部的电路短路以致烧坏。所以若想在保证在电磁炉在内部不可能进水的情况下，让电磁炉内部的温度传感器直接来测量锅具的温度，几乎是不可能的，当然，我们聪明的工程师们还是想出了种种办法来解决这些矛盾，比如把温度传感器和锅具做在一起，中间通过连接线从电磁炉的侧面与电磁炉内部电路相连接，又比如在电磁炉表面陶瓷板的中间挖一个孔，让温度传感器从孔中间伸出来直接接确锅具来测量锅具的温度，等等！这些方法确实能够解决测量温度的精确性，提高烹饪的质量，达到完善电磁炉的自动功能的目的。但这些方法都有它必然的局限性，象第一种方法，必须要使用与之相配套的专用的锅具才能达到良好的烹饪效果，而且这种电磁炉的锅具或电磁炉本身会携带一根与电磁炉或是锅具相连接的传感器连线，使用时必须将连线插好，这给用户的操作多少会带来一些不方便的地方，再一个用户清洁锅具或电磁炉时也不是很方便，若传感器连接线的插头沾了水分，不但会影响测温的精度，还会使插头连接处产生污垢及氧化而接确不良，也会影响测温的精度，当然也不是说这种方法完全不可用，假如用这种方法来做电磁电饭煲，专用来煮饭，也许是很有前途的呢。第二种方法也可以很好解决测温的精度问题，但这种方法最大的缺点是不方便用户清洁电磁炉，和电磁炉内部容易进水或油等，影响电磁炉的稳定性和缩短电磁炉的使用寿命。现在市场上普遍使用的电磁炉都是内藏式温度传感器来检测锅具的温度，这个传感器也是非直接接触锅具的，其中间是通过陶瓷面板后再测量锅具的温度的，这种方法的优点是方便，易于生产，能用于电磁炉加热的任何锅具，从外观上是看不到传感器的，因此也适合用户的清洁保养与使用，缺点是不能及时测到锅具的温度，如果锅具的底部变形后，会导致测温的精度大大降低。 二是从材料上来分析，这包括传感器本身的精度，陶瓷板的热传递的速度，以现在的材料方面的技术，温度传感本身的精度已经做到很高了，如果换算成测量温度来说的话，误差的范围在1℃以内，如果以这个误差用在烹饪上，已是绰绰有余了，所以说温度传感器已不是关键的问题了；剩下的就是陶瓷板了，现在的用在电磁炉上陶瓷板的厚度都大约在4mm左右，陶瓷板具有垂直方向的热传递能力远大于平行方向的热传递能力，但陶瓷材料也是热的不良导体，热传递能力较差，因此，陶瓷板底部的传感器所测量出的温度并不是锅具底部的实际温度，是与锅具的实际温度有较大差值的温度，再一个，陶瓷板若将锅具底部的温度传递给温度传感器是需要一定的时间的，这个跟陶瓷板的材料本身是具有很大关系外，还与陶瓷板的厚度也是分不开的，大家知道陶瓷板越薄热传递的速度就越快，更能及时反映锅具底部的温度，但若陶瓷板太薄的话，其机械强度达不到要求，容易损坏。 三是从电磁炉内部工艺设计来分析，这个主要是想说一下怎么样防止线盘的温度辐射到温度传感器，以及传感器怎样才能准确测量到锅具的实际温度，一个合格的线盘在正常工作的时候，其表面温度约在120℃左右，而在电磁炉内部，温度传感器和线盘靠得非常近，根据不同的结构方式，在几个毫米十几个毫米不等，而且在正常使用时，温度传感器在线盘的上方，线盘的温度很容易通过空气对流和热辐射方式将其本身的温度传递给温度传感器，这样的话，温度传感器所测量出的温度就不是锅具的实际温度了。
所以现代电磁炉针对这些问题也想了不少的办法，按其工艺来分，大致可分为两种，第一种是用多点测温法，这多点测温法也分为两种情况，第一种情况是只有一个温度传感器，但这个温度传感器会安装在一个面积较大的导热能力很强的电磁炉很难对其加热的叉形金属合金上，将这个特制的传感器紧紧贴着陶瓷板，在传感器与线盘之间用隔热绵隔离线盘与锅具的温度；第二种情况是用两个以上温度传感器，分别安装在陶瓷板不同的位置，用来测量锅具底部不同点的温度，温度传感器与线盘也是用隔热绵来进行热隔离的。第二种为单点测温法，单点测温法，顾名思义也就是只测一个点温度，现代的电磁炉，绝大多数为这种测温方法，因为这种方法简单，成本低，对于底部平整的锅具，效果与多点测温法差不多，单点测温法是把温度传感器的探头装在一个用隔热材料做的胶座中间，然后再把胶座安装在陶瓷板的正中央，让温度传感器充分与陶瓷板接确，为了加强热传递效果，通常在胶座与陶瓷板之间涂少许硅脂。 四是从电磁炉PCB的布线技巧来分析，做电子的应该都知道，我们平常用的各种传感器，它的最终目的是将外界物理量的变化转化为和电压或电流成一定比例关系的模拟量变化，同样，我们用在电磁炉上的温度传感器实际上是将温度的变化转化为电压的变化，温度传感器实际上就是一个负温度系数的热敏电阻，其电阻值会随着其本身的温度升高而下降，反之亦然。如果我们将它与一个适当阻值的电阻串联再接在一个稳定的电压上，那么这个热敏电阻两端的电压值就会随着其本身的温度的变化而变化，我们将这个变化的电压值送入单片机，就可以达到测量锅具底部温度的目的，因单片机实际测量的是热敏电阻两端的电压值，因此要保证单片机能够正确的测量到热敏电阻两端的电压，所以就要确保热敏电阻两端的电压在输送到单片机的过程中不能串入其它干扰的信号，这就是要看我们每一位工程师经验与技巧了，但我认为有三点是值得注意的：一是走线尽可能短、平、直；二是给热敏电阻的供电源要纯净，不能有异常杂波；三是热敏电阻的电路的回路的面积尽可能小。 五是从写软件的技巧来进行分析，这个也只能取决于软件工程师的水平了，因为硬件电路再怎么样合理，到最后从温度传感器送给单片机的电压还是会有很多的不规则的毛刺和杂波，这主要是由于线盘工作在高电压，强电流的情况下，会对其周围的电路产生强大干扰的缘故。到底怎么样才能正确读到传感器送来的电平呢？不同的软件工程师会有不同的方法来做，我这里给大家提供一个方法，仅供参考：连续N次读取传感器送来电压，然后去掉最大值与最小值，最后将N-2次的数据进行累加后再平均，以此值作为最终的传感器送来电压值。 六是从选择单片机的角度来进行分析，现代用在做电磁炉上单片机基本上都是带有AD转换端口的，但不同的单片机性能上也存在较大差别，就AD转换部分来说，主要表现在AD的精度上，有12位AD的，有11位AD的，也有8位AD的,其实在现有的条件下用在电磁炉的测温上，有8位以上就可以了，其精度就可以达到±1℃。 已经了解了电磁炉是怎么样来对锅具进行测温的原理后，我们就可以有针对性的想办法来提高电磁炉的精确测温了，从结构上来讲，只能是根据电磁炉的实际用途来选择怎样的方式了；从材料上来说，是有潜力可挖的，可着重在材料的纵向导热能力，机械强度，膨胀系数方面着手去研究，研制出更适合于电磁炉用的面板，现在高档电磁炉一般都采用肖特基面板就是一个很大的进步；从工艺上来讲，要从两方面来做好这一点，其一是从外部条件来讲，使用的锅具要规范，能不能发挥电磁炉的优越性能，与电磁炉所使用的锅具是密不可分的，这个包括锅具的材料，锅具加工的工艺(主要为锅具底部加工的平整度)，一般来说，锅具底部以304#钢为主材料的复合底锅具是比较适合于电磁炉的，这种锅具的底部由于是复合材料的，底部较厚，所以加工成平整后，使用后不容易变形，能够与陶瓷板紧贴在一起，陶瓷板底部的温度传感器也就能实时的测到锅具的相对温度，可以明显的提高温度测量的精度。另一方面是从电磁炉内部工艺来讲了，传感器安装的位置，也很重要，能否将传感器紧紧贴在陶瓷板上，热敏电阻与线盘隔热做得好不好是否成功是关键；从选择单片机的角度来讲，其实际意义不大，现在单片机的AD转换精度都优于8位，一般都在9-11位之间，这个精度中以满足电磁炉的测温要求了；剩下的就是PCB的布线技巧和写软件的技巧了，这个就完全靠一个硬件工程师或是软件工程师对电路的理解程度与实战经验了。但原则是有一个，任何比较理想的结果，是和亲身的，反复的试验是分不开的，一个新的方案产生，是必须要作无数次的实验去调试，修改，最终才能被确定或是否定。
今后电磁炉精确测温的研究方向 就我个人认为还是从两方面来发展的，即材料与技术；材料主要为锅具、陶瓷板、线盘，技术最主要的还是在于软件的测温技术技巧以及无连接线短距离测温的研究与应用。现代电磁炉的测温技术还远远不能满足广大消费者的需要，现在就有很多消费者反映，为什么电磁炉煮出来的饭的口感没有电饭煲煮出来的饭好？为什么用电磁炉自动烧开水的时候，水开了要两三分钟才能停下来？但换另一个烧水壶烧水，有时水还没有烧开却就自动停止了呢？等等！这些实实在在的问题，既然电磁炉是有微电脑控制的现代厨具，我们就得把她做好，做精，满足现代人们快节奏生活的需要。 |
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