基于紅外光柵和紅外熱成像技術(shù)的安全廚房

郭 軍， 楊立茂， 潘 良， 王濱濱， 狄 鵬， 胡 莽

(1.濟(jì)南港華燃?xì)庥邢薰?，山東濟(jì)南250000；2.上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司，上海200120)

1 概述

燃?xì)獗ü娖脚_統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2020年發(fā)生室內(nèi)燃?xì)馐鹿?27起，室外燃?xì)馐鹿?21起，共造成84人死亡，670人受傷。主要事故氣源包括液化石油氣、天然氣、人工煤氣，其中液化石油氣引發(fā)的事故數(shù)量占比最高，達(dá)66%。室內(nèi)燃?xì)馐鹿试蚍治鲆姳?。從室內(nèi)燃?xì)馐鹿式y(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，強(qiáng)化居民室內(nèi)燃?xì)庠O(shè)施運行工況監(jiān)控及異常狀況智能控制迫在眉睫。

表1 室內(nèi)燃?xì)馐鹿试蚍治?/p>

續(xù)表1

2 廚房現(xiàn)有燃?xì)獍踩胧┘安蛔?/h2>

① 表前閥及灶前閥

表前閥及灶前閥均為手動閥門。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，因閥門未關(guān)、未關(guān)閉嚴(yán)密、松動、漏氣等導(dǎo)致的燃?xì)獗ㄊ鹿嗜哉家欢ū壤?/p>

② 家用燃?xì)庑孤﹫缶?/p>

目前家用燃?xì)庑孤﹫缶鞫酁閱螜C(jī)使用，不具備遠(yuǎn)程通信功能。若發(fā)生事故時現(xiàn)場不能及時處理，仍可能造成事故。

③ 自閉閥

自閉閥是在供氣異常情況下自動關(guān)閉的安全裝置，其主體為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無聲光提醒功能，通常安裝在灶具軟管之前。當(dāng)燃?xì)庑孤┌l(fā)生在自閉閥之前時，無法發(fā)揮作用。家用管道燃?xì)庾蚤]閥的額定流量通常有0.6 m3/h 和0.9 m3/h，其過流自動關(guān)閉流量為不大于自身額定流量的兩倍，但對微量泄漏無法有效響應(yīng)。

④ 不銹鋼波紋軟管

不銹鋼波紋軟管具有阻燃、抗老化、防鼠咬、耐高低溫、使用壽命長等特點。雖然不銹鋼波紋軟管可自由彎曲，但多次彎折扭曲仍可能造成金屬疲勞損傷或螺紋連接處漏氣。另外，當(dāng)管壁受到外力擠壓產(chǎn)生機(jī)械損傷后，不易發(fā)現(xiàn)裂紋或應(yīng)力集中點，同樣產(chǎn)生隱患。

⑤ 防干燒燃?xì)庠?/p>

防干燒燃?xì)庠钍峭ㄟ^彈性感溫探頭與鍋底直接接觸實現(xiàn)高溫監(jiān)測，為確保鍋底與感溫探頭接觸良好，對鍋底形狀有一定要求，因此有一定使用局限性。另外，防干燒燃?xì)庠顑r格偏高，居民接受度較低。

3 安全廚房的設(shè)計構(gòu)想

3.1 安全廚房系統(tǒng)

針對上述問題，在廚房現(xiàn)有燃?xì)獍踩胧┗A(chǔ)上，充分利用傳感技術(shù)、電磁轉(zhuǎn)換技術(shù)、聯(lián)動控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)安全廚房系統(tǒng)解決方案(見圖1)，達(dá)到對廚房燃?xì)庠O(shè)施及燃具實時監(jiān)控，實現(xiàn)微小泄漏及時發(fā)現(xiàn)、人為誤操作及時制止、異常情況及時上報控制。在安全廚房系統(tǒng)中起安全作用的主要設(shè)備有：NB-IoT智能切斷型燃?xì)獗?、與燃?xì)獗砺?lián)動的家用燃?xì)庑孤﹫缶?、與燃?xì)獗砺?lián)動的紅外熱像防干燒監(jiān)測器、自閉閥、不銹鋼波紋軟管。

圖1 安全廚房系統(tǒng)

3.2 實現(xiàn)各種泄漏流量防護(hù)

通過以上燃?xì)獍踩胧┙M合使用，廚房內(nèi)將形成多級安全防控體系，實現(xiàn)各種流量泄漏防護(hù)。

① 大流量(大于3 m3/h)泄漏防護(hù)

大流量泄漏指膠管脫落或閥門損壞等情況。由于自閉閥的過流閾值小于燃?xì)獗淼倪^流閾值，一旦出現(xiàn)大流量泄漏，自閉閥會先在3 s內(nèi)完全關(guān)閉，如果自閉閥出現(xiàn)異常，燃?xì)獗頃?20 s內(nèi)關(guān)閥切斷，達(dá)到雙重保護(hù)。

② 中小流量(0.03～3.00 m3/h)泄漏防護(hù)

中小流量泄漏指管道有較大裂縫等情況。此時主要依靠燃?xì)庑孤﹫缶鱽頇z測，報警器發(fā)出聲光報警，同時把報警信息發(fā)送至燃?xì)獗?，燃?xì)獗黻P(guān)閥切斷。此外，燃?xì)獗碇С趾懔鳈z測，檢測到一段時間持續(xù)恒流后，判斷為異常用氣，燃?xì)獗頃P(guān)閥切斷，同時將該異常狀態(tài)發(fā)送至燃?xì)夤驹破脚_，提醒運維人員及時處理。

③ 微小流量(小于0.03 m3/h)泄漏防護(hù)

微小流量泄漏指管道有微小裂縫等情況。此時主要依靠燃?xì)獗淼奈⑿×髁繖z測功能，通過高精度計量采樣，短時間捕獲微小泄漏信號，當(dāng)信號累積達(dá)到設(shè)定值后，觸發(fā)報警或關(guān)閥機(jī)制(根據(jù)燃?xì)夤拘枨?，燃?xì)獗頃綄⒃摖顟B(tài)發(fā)送至燃?xì)夤驹破脚_，提醒運維人員及時處理。

4 關(guān)鍵設(shè)備

4.1 具備微小流量檢測功能的燃?xì)獗?/h3>

采用NB-IoT智能切斷型燃?xì)獗?以下簡稱燃?xì)獗?，其內(nèi)部設(shè)計有NB-IoT通信模組，支持和系統(tǒng)平臺間的遠(yuǎn)程通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、充值等功能，同時還具有微小流量檢測、過流檢測、恒流檢測、與家用燃?xì)庑孤﹫缶髀?lián)動、與紅外熱像防干燒監(jiān)測器聯(lián)動等功能。

目前主流智能燃?xì)獗淼牟蓸有盘柾ㄟ^雙干簧管實現(xiàn)，干簧管布置在計數(shù)器字輪的兩側(cè)，對應(yīng)采樣分辨力最高為5 dm3。若通過軟件算法實現(xiàn)對微小流量泄漏的判定，必須采集多個信號，需要的時間就會過長，中途遇到任何用氣操作都會對判定造成影響，因此需要更高采樣分辨力來實現(xiàn)對微小流量的檢測。

智能燃?xì)獗硗ㄟ^引入紅外光柵技術(shù)，實現(xiàn)對燃?xì)獗碛嫈?shù)器前級傳動齒輪的位置檢測。該技術(shù)從硬件層面將采樣分辨力從現(xiàn)有的5 dm3提高至1 dm3以下，即每個脈沖信號對應(yīng)的計量體積低至1 dm3以下。在微小泄漏流量為6 dm3/h情況下，燃?xì)獗碓? h內(nèi)至少可采集到6個脈沖信號，這樣可有效判定是否有微小流量泄漏。該方案采用雙通道采樣方案，負(fù)責(zé)計量的干簧管采樣通道保持不變，新增微流量采樣通道，用于監(jiān)控微流量泄漏。其原理(見圖2)是采用紅外光柵對計數(shù)器的前級傳動齒輪進(jìn)行光電采樣編碼，傳動齒輪上按照一定規(guī)則開設(shè)相應(yīng)的透光孔，紅外光柵由3對或更多紅外發(fā)射管及接收管組成，對稱分布于傳動齒輪的上下兩側(cè)。發(fā)射管按照設(shè)定的頻率發(fā)出紅外光，經(jīng)過透光孔時，信號被對面的接收管接收，計為狀態(tài)1。紅外光經(jīng)過未開孔的位置會被遮擋，信號不能被對面的接收管接收，則計為狀態(tài)0，狀態(tài)1和0即為編碼。如此就形成了一組二進(jìn)制編碼，傳動齒輪整圈不同細(xì)分位置都有相應(yīng)的編碼與之對應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)對傳動齒輪位置的精確檢測。以3對紅外管組成的紅外光柵為例，傳動齒輪位置可被細(xì)分為8等分，即齒輪每轉(zhuǎn)過45 °就有1個采樣信號，如果采用更密集的光柵，采樣分辨力還可提高，在更短的時間內(nèi)給出判定結(jié)果。

圖2 紅外光柵系統(tǒng)原理

4.2 與燃?xì)獗砺?lián)動的泄漏報警器

與燃?xì)獗砺?lián)動的家用燃?xì)庑孤﹫缶?，除具備傳統(tǒng)燃?xì)庑孤﹫缶鲗θ細(xì)鉂舛确€(wěn)定監(jiān)測的功能外，還應(yīng)能對自身狀態(tài)實時診斷，并可通過無線(如藍(lán)牙)或有線方式，將自身運行工況及報警信息發(fā)送至燃?xì)獗?，燃?xì)獗硎盏綀缶畔⒑罅⒓搓P(guān)閉內(nèi)置閥門，并將報警信息上傳燃?xì)夤驹破脚_。

4.2.1報警聯(lián)動功能

① 燃?xì)庑孤﹫缶?。?dāng)燃?xì)庑孤﹫缶?以下簡稱報警器)觸發(fā)泄漏報警時，信號可及時發(fā)送至燃?xì)獗怼?/p>

② 報警器離線報警。報警器未接通電源或報警器與燃?xì)獗磉B接線路發(fā)生故障時，燃?xì)獗砩蟼鲌缶麟x線報警信息。

③ 報警器內(nèi)氣體傳感器故障報警時，故障信息可發(fā)送至燃?xì)獗怼?/p>

④ 超期報警。報警器內(nèi)氣體傳感器達(dá)到使用年限時，超期報警信息可發(fā)送至燃?xì)獗怼?/p>

4.2.2有線聯(lián)動技術(shù)

燃?xì)獗砼c報警器之間可采用有線連接，并通過特制航空插頭鎖緊。報警器與燃?xì)獗碇g為單向通信，其上行數(shù)據(jù)發(fā)送方式分為事件觸發(fā)和定時間隔發(fā)送。

硬件設(shè)計上采用兩線串行通信方式，并通過光電耦合電路隔離報警器和燃?xì)獗淼墓╇娤到y(tǒng)，確保燃?xì)獗肀举|(zhì)安全。

4.2.3低功耗藍(lán)牙聯(lián)動技術(shù)

燃?xì)獗砼c報警器之間也可采用低功耗藍(lán)牙聯(lián)動技術(shù)。低功耗藍(lán)牙聯(lián)動技術(shù)采用與傳統(tǒng)藍(lán)牙相同的工作頻率(2.400～2.483 GHz)，但使用的信道不同，數(shù)據(jù)使用高斯頻移調(diào)制傳輸[1]，比特率為1 Mb/s，最大發(fā)射功率為10 mW。報警器與燃?xì)獗碇g為主從通信模式，報警器為主模式，燃?xì)獗頌閺哪Ｊ健?/p>

4.2.4報警器與燃?xì)獗淼耐ㄐ帕鞒?/p>

① 燃?xì)獗黹_啟廣播。在報警器與燃?xì)獗斫⑦B接之前，燃?xì)獗韮?nèi)部的藍(lán)牙模塊需要先進(jìn)行廣播。燃?xì)獗碇挥性趶V播期間才打開藍(lán)牙模塊，其余時間藍(lán)牙模塊處于睡眠狀態(tài)，以確保低功耗。

② 報警器開啟掃描。當(dāng)報警器的射頻接收窗口與燃?xì)獗韽V播發(fā)送的發(fā)射窗口匹配成功，且為同一個通道時，報警器收到燃?xì)獗淼膹V播信號。

③ 燃?xì)獗砗蛨缶鹘⑦B接。當(dāng)報警器接收到燃?xì)獗淼膹V播信號后，發(fā)送連接請求，燃?xì)獗斫邮盏皆撜埱蠛螅l(fā)送1次應(yīng)答包，報警器接收到應(yīng)答包后，實現(xiàn)成功連接。

④ 燃?xì)獗砗蛨缶鲾?shù)據(jù)交互。當(dāng)無報警信息時，報警器會給燃?xì)獗戆l(fā)送1個數(shù)據(jù)包(空包)，燃?xì)獗頃?個數(shù)據(jù)包(空包)，即完成1次交互。為確保燃?xì)獗淼牡凸?，燃?xì)獗硭{(lán)牙模塊可以開啟從設(shè)備延遲，例如設(shè)置slave latency = 10，此時燃?xì)獗砻?0個連接周期僅應(yīng)答1次，可使功耗大幅降低。當(dāng)出現(xiàn)報警信息時，從設(shè)備延遲功能關(guān)閉，燃?xì)獗砀鶕?jù)協(xié)議對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并執(zhí)行相關(guān)策略。

4.3 與燃?xì)獗砺?lián)動的紅外熱像防干燒監(jiān)測器

4.3.1紅外熱像防干燒監(jiān)測器工作原理

紅外熱像防干燒監(jiān)測器通過紅外陣列傳感器對灶臺區(qū)域的溫度進(jìn)行采集，然后根據(jù)專門的算法進(jìn)行分析，當(dāng)判斷溫度存在突變趨勢時進(jìn)行報警。工作原理是：在烹飪過程中，當(dāng)鍋內(nèi)溫度上升到一定程度時，通過水分的不斷蒸發(fā)帶走熱量，鍋具溫度基本保持恒定；當(dāng)水分快要蒸發(fā)完時，鍋具溫度迅速上升，檢測到溫度突變趨勢時即判斷鍋內(nèi)出現(xiàn)干燒，存在火災(zāi)隱患。

4.3.2紅外熱像防干燒監(jiān)測器與燃?xì)獗淼穆?lián)動

紅外熱像防干燒監(jiān)測器與燃?xì)獗硗ㄟ^低功耗藍(lán)牙進(jìn)行聯(lián)動，通信流程與報警器、燃?xì)獗碇g的通信流程基本一致。紅外熱像防干燒監(jiān)測器校準(zhǔn)好后，開始對灶臺區(qū)域溫度實時監(jiān)測。當(dāng)灶具發(fā)生干燒時，紅外熱像防干燒監(jiān)測器會發(fā)出蜂鳴報警，同時將干燒報警信號通過藍(lán)牙發(fā)送給燃?xì)獗?。燃?xì)獗硎盏綀缶盘柡?，立即關(guān)閉內(nèi)置閥門切斷氣源，并將報警信息發(fā)送至燃?xì)夤驹破脚_，燃?xì)夤就ㄟ^短信方式通知用戶注意用氣安全。當(dāng)干燒報警狀態(tài)解除后，用戶通過短按燃?xì)獗砩习存I打開內(nèi)置閥門，恢復(fù)正常用氣。

5 結(jié)語

安全廚房系統(tǒng)充分利用紅外光柵技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)及低功耗藍(lán)牙通信技術(shù)等，達(dá)到對廚房燃?xì)庠O(shè)施及燃具的實時監(jiān)控，實現(xiàn)各種流量泄漏尤其是微流量泄漏和灶具干燒的及時發(fā)現(xiàn)、上報和處理，將廚房打造成為一個報警及時可控、用氣安全放心、管理簡單可靠的智能化安全廚房。