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荆綎|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_(tái)統(tǒng)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)可知，強(qiáng)化居民室內(nèi)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)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(dòng)閥門。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，因閥門未關(guān)、未關(guān)閉嚴(yán)密、松動(dòng)、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﹫?bào)警器

目前家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器多為單機(jī)使用，不具備遠(yuǎn)程通信功能。若發(fā)生事故時(shí)現(xiàn)場(chǎng)不能及時(shí)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(dòng)關(guān)閉的安全裝置，其主體為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)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(shí)，無(wú)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(dòng)關(guān)閉流量為不大于自身額定流量的兩倍，但對(duì)微量泄漏無(wú)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(zhǎng)等特點(diǎn)。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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)高溫監(jiān)測(cè)，為確保鍋底與感溫探頭接觸良好，對(duì)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(jià)格偏高，居民接受度較低。

3 安全廚房的設(shè)計(jì)構(gòu)想

3.1 安全廚房系統(tǒng)

針對(duì)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(dòng)控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全廚房系統(tǒng)解決方案(見圖1)，達(dá)到對(duì)廚房燃?xì)庠O(shè)施及燃具實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)微小泄漏及時(shí)發(fā)現(xiàn)、人為誤操作及時(shí)制止、異常情況及時(shí)上報(bào)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(dòng)的家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器、與燃?xì)獗砺?lián)動(dòng)的紅外熱像防干燒監(jiān)測(cè)器、自閉閥、不銹鋼波紋軟管。

圖1 安全廚房系統(tǒng)

3.2 實(shí)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?jī)?nèi)將形成多級(jí)安全防控體系，實(shí)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(huì)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?huì)在120 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(shí)主要依靠燃?xì)庑孤﹫?bào)警器來檢測(cè)，報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)把報(bào)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(cè)，檢測(cè)到一段時(shí)間持續(xù)恒流后，判斷為異常用氣，燃?xì)獗頃?huì)關(guān)閥切斷，同時(shí)將該異常狀態(tài)發(fā)送至燃?xì)夤驹破脚_(tái)，提醒運(yùn)維人員及時(shí)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(shí)主要依靠燃?xì)獗淼奈⑿×髁繖z測(cè)功能，通過高精度計(jì)量采樣，短時(shí)間捕獲微小泄漏信號(hào)，當(dāng)信號(hào)累積達(dá)到設(shè)定值后，觸發(fā)報(bào)警或關(guān)閥機(jī)制(根據(jù)燃?xì)夤拘枨?，燃?xì)獗頃?huì)同步將該狀態(tài)發(fā)送至燃?xì)夤驹破脚_(tái)，提醒運(yùn)維人員及時(shí)處理。

4 關(guān)鍵設(shè)備

4.1 具備微小流量檢測(cè)功能的燃?xì)獗?/h3>

采用NB-IoT智能切斷型燃?xì)獗?以下簡(jiǎn)稱燃?xì)獗?，其內(nèi)部設(shè)計(jì)有NB-IoT通信模組，支持和系統(tǒng)平臺(tái)間的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、充值等功能，同時(shí)還具有微小流量檢測(cè)、過流檢測(cè)、恒流檢測(cè)、與家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器聯(lián)動(dòng)、與紅外熱像防干燒監(jiān)測(cè)器聯(lián)動(dòng)等功能。

目前主流智能燃?xì)獗淼牟蓸有盘?hào)通過雙干簧管實(shí)現(xiàn)，干簧管布置在計(jì)數(shù)器字輪的兩側(cè)，對(duì)應(yīng)采樣分辨力最高為5 dm3。若通過軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)微小流量泄漏的判定，必須采集多個(gè)信號(hào)，需要的時(shí)間就會(huì)過長(zhǎng)，中途遇到任何用氣操作都會(huì)對(duì)判定造成影響，因此需要更高采樣分辨力來實(shí)現(xiàn)對(duì)微小流量的檢測(cè)。

智能燃?xì)獗硗ㄟ^引入紅外光柵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)獗碛?jì)數(shù)器前級(jí)傳動(dòng)齒輪的位置檢測(cè)。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(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的計(jì)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(gè)脈沖信號(hào)，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(jì)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(duì)計(jì)數(shù)器的前級(jí)傳動(dòng)齒輪進(jìn)行光電采樣編碼，傳動(dòng)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(duì)或更多紅外發(fā)射管及接收管組成，對(duì)稱分布于傳動(dòng)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(shí)，信號(hào)被對(duì)面的接收管接收，計(jì)為狀態(tài)1。紅外光經(jīng)過未開孔的位置會(huì)被遮擋，信號(hào)不能被對(duì)面的接收管接收，則計(jì)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(dòng)齒輪整圈不同細(xì)分位置都有相應(yīng)的編碼與之對(duì)應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)齒輪位置的精確檢測(cè)。以3對(duì)紅外管組成的紅外光柵為例，傳動(dòng)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(gè)采樣信號(hào)，如果采用更密集的光柵，采樣分辨力還可提高，在更短的時(shí)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(dòng)的泄漏報(bào)警器

與燃?xì)獗砺?lián)動(dòng)的家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，除具備傳統(tǒng)燃?xì)庑孤﹫?bào)警器對(duì)燃?xì)鉂舛确€(wěn)定監(jiān)測(cè)的功能外，還應(yīng)能對(duì)自身狀態(tài)實(shí)時(shí)診斷，并可通過無(wú)線(如藍(lán)牙)或有線方式，將自身運(yùn)行工況及報(bào)警信息發(fā)送至燃?xì)獗?，燃?xì)獗硎盏綀?bào)警信息后立即關(guān)閉內(nèi)置閥門，并將報(bào)警信息上傳燃?xì)夤驹破脚_(tái)。

4.2.1報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能

① 燃?xì)庑孤﹫?bào)警。當(dāng)燃?xì)庑孤﹫?bào)警器(以下簡(jiǎn)稱報(bào)警器)觸發(fā)泄漏報(bào)警時(shí)，信號(hào)可及時(shí)發(fā)送至燃?xì)獗怼?/p>

② 報(bào)警器離線報(bào)警。報(bào)警器未接通電源或報(bào)警器與燃?xì)獗磉B接線路發(fā)生故障時(shí)，燃?xì)獗砩蟼鲌?bào)警器離線報(bào)警信息。

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

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

4.2.2有線聯(lián)動(dòng)技術(shù)

燃?xì)獗砼c報(bào)警器之間可采用有線連接，并通過特制航空插頭鎖緊。報(bào)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(shí)間隔發(fā)送。

硬件設(shè)計(jì)上采用兩線串行通信方式，并通過光電耦合電路隔離報(bào)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(dòng)技術(shù)

燃?xì)獗砼c報(bào)警器之間也可采用低功耗藍(lán)牙聯(lián)動(dòng)技術(shù)。低功耗藍(lán)牙聯(lián)動(dòng)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(bào)警器與燃?xì)獗碇g為主從通信模式，報(bào)警器為主模式，燃?xì)獗頌閺哪Ｊ健?/p>

4.2.4報(bào)警器與燃?xì)獗淼耐ㄐ帕鞒?/p>

① 燃?xì)獗黹_啟廣播。在報(bào)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(shí)間藍(lán)牙模塊處于睡眠狀態(tài)，以確保低功耗。

② 報(bào)警器開啟掃描。當(dāng)報(bào)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(gè)通道時(shí)，報(bào)警器收到燃?xì)獗淼膹V播信號(hào)。

③ 燃?xì)獗砗蛨?bào)警器建立連接。當(dāng)報(bào)警器接收到燃?xì)獗淼膹V播信號(hào)后，發(fā)送連接請(qǐng)求，燃?xì)獗斫邮盏皆撜?qǐng)求后，發(fā)送1次應(yīng)答包，報(bào)警器接收到應(yīng)答包后，實(shí)現(xiàn)成功連接。

④ 燃?xì)獗砗蛨?bào)警器數(shù)據(jù)交互。當(dāng)無(wú)報(bào)警信息時(shí)，報(bào)警器會(huì)給燃?xì)獗戆l(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包(空包)，燃?xì)獗頃?huì)回1個(gè)數(shù)據(jù)包(空包)，即完成1次交互。為確保燃?xì)獗淼牡凸模細(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(shí)燃?xì)獗砻?0個(gè)連接周期僅應(yīng)答1次，可使功耗大幅降低。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)，從設(shè)備延遲功能關(guān)閉，燃?xì)獗砀鶕?jù)協(xié)議對(duì)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(dòng)的紅外熱像防干燒監(jiān)測(cè)器

4.3.1紅外熱像防干燒監(jiān)測(cè)器工作原理

紅外熱像防干燒監(jiān)測(cè)器通過紅外陣列傳感器對(duì)灶臺(tái)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(shì)時(shí)進(jìn)行報(bào)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(shí)，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(shí)，鍋具溫度迅速上升，檢測(cè)到溫度突變趨勢(shì)時(shí)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(cè)器與燃?xì)獗淼穆?lián)動(dòng)

紅外熱像防干燒監(jiān)測(cè)器與燃?xì)獗硗ㄟ^低功耗藍(lán)牙進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，通信流程與報(bào)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(cè)器校準(zhǔn)好后，開始對(duì)灶臺(tái)區(qū)域溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)灶具發(fā)生干燒時(shí)，紅外熱像防干燒監(jiān)測(cè)器會(huì)發(fā)出蜂鳴報(bào)警，同時(shí)將干燒報(bào)警信號(hào)通過藍(lán)牙發(fā)送給燃?xì)獗?。燃?xì)獗硎盏綀?bào)警信號(hào)后，立即關(guān)閉內(nèi)置閥門切斷氣源，并將報(bào)警信息發(fā)送至燃?xì)夤驹破脚_(tái)，燃?xì)夤就ㄟ^短信方式通知用戶注意用氣安全。當(dāng)干燒報(bào)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(yǔ)

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(duì)廚房燃?xì)庠O(shè)施及燃具的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)各種流量泄漏尤其是微流量泄漏和灶具干燒的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、上報(bào)和處理，將廚房打造成為一個(gè)報(bào)警及時(shí)可控、用氣安全放心、管理簡(jiǎn)單可靠的智能化安全廚房。