电磁灶多传感融合测温技术研究

电磁灶多传感融合测温技术研究

王云峰任祥喜佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司528300

摘要：传统电磁灶用NTC隔着4mm微晶面板对锅具测温，滞后大反应慢，烹饪容易出现焦糊、干烧保护不及时烧坏锅具等现象。常规红外测温精度受面板衰减、锅具颜色、环境温度影响，黑锅测温精度在±8℃而银锅测温精度在±19℃左右，达不到烹饪性能需求；基于此，设计了多传感融合测温方案，中红外传感器采集锅具和玻璃面板等环境红外信号，长红外传感器采集面板等环境干扰红外信号，NTC采集环境温度干扰信号，同时用红外对管采集锅具颜色信号进行校准，多种信号融合后进行线性回归得到锅具温度信号。从而使得黑锅具测温精度±6℃基础上，实现银锅测温精度±8℃效果。

关键词：电磁灶；红外穿透测温；多传感器信号融合

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0.引言

随着生活水平提高，人们对烹饪性能的追求日益提升，烹饪性能依赖测温技术的发展，这对家电精准测温提出了挑战。电磁灶由于测温NTC隔着4mm玻璃面板间接测锅具温度，滞后大、不灵敏，导致烹饪食物焦糊，且干烧保护不及时造成起火风险威胁生命安全。因此测温不准一直制约着电磁灶行业的发展，研究电磁灶锅具直接精准测温方法至关重要。

国内外许多专家对电磁灶锅具直接测温进行研究，胡国才等研究了蓝牙技术锅具测温方案，虽然可直接测锅具温度，但受结构安装影响无法推广；许雄等研究了红外热电堆在电磁灶测温的可行性，但同时也指出面板对红外信号的衰减是一个难题；Eduardo Imaz等人对电磁灶的穿透性红外测温机理进行研究，但是由于红外测温受锅具颜色影响，锅具颜色多样且随使用时间增长也会出现生锈现象，影响精度，因此该研究无法解决锅具颜色的限制问题。

可看出，电磁灶锅具红外测温的难点有：（1）隔着4mm玻璃面板，红外穿过面板后衰减严重，且工作环境温度高，面板、线盘、磁条等均会产生红外干扰；（2）用户采用锅具颜色千差万别且同一个锅具使用时间不同会出现生锈变色问题。

基于此，提出了多传感融合的测温方案，用NTC和长波红外传感器收集环境温度和环境红外干扰，用中红外传感器采集锅具红外，同时用红外对管区分锅具颜色，对红外信号进行补偿设计以期达到精准测温效果。

1.多传感融合测温方案

多传感融合测温方案中，NTC补偿环境温度影响；基于微晶面板对红外波长透过性规律特点，5-14um红外波长无法穿透微晶面板，选择该长红外传感器做面板和环境其他器件红外干扰源采集模块；选择波长3-4.5um中红外传感器做锅具红外信号采集，此传感器同时会采集锅具、面板及周边环境的红外信号；而波长940nm的短红外传感选用一发一收成对使用，做锅具颜色识别传感器，红外经过锅具反射后再次透过面板被红外接收管接收，根据接收的红外强度与锅具颜色的对应关系可确定锅具颜色种类。

1.1 NTC环境温度红外信号

首先，对环境温度与红外信号强度关系进行线性回归，如公式（1）所示：

其中公式 为不同环境温度t下产生的长红外和中红外信号。

1.2 面板线盘等长红外信号回归

长红外传感器会同时接收线盘和微晶面板长红外信号，在烹饪过程中可以环境物体的长红外信号其求解公式如公式（3）所示：

（2）

其中公式 为不同环境温度x下产生的长红外信号

1.3 锅具红外与温度线性回归

中红外传感器接收到的信号同时包含锅具温度中红外信号、面板中红外信号、和环境其他器件干扰中红外信号，因此，原始信号扣除NTC补偿的环境温度干扰，扣除面板等信号干扰即可得到锅具中红外信号与锅具温度关系，如下公式（3）和（4）所示：

（3）

（4）

其中公式 为锅具产生的中红外信号，q为长红外和中红外转化系数，为锅具底部温度。

1.4 红外对管锅具颜色补偿方案

红外测温直接受被测物体发射率影响，不同颜色锅具发射率有差异，因此采用红外对管接收不同颜色金属发射率，根据发射率对不同颜色金属锅具的测温精度补偿。

对于金属，透射率为0，可通过反射率求得发射率值如公式（5），得到不同锅具发射率后，利用K-means聚类方法对锅具进行分类如公式（6）所示，将现有的锅具分为白锅、黑锅、偏白锅和偏黑锅4大类，针对每类锅具，对温度信号进行补偿，如公式（7）所示。

其中，为发射率，其中，从而有：

（5）

（6）

（7）

，

代表反射强度的倒数。

2.实验分析

为了测试不同锅具测温精度，测试过程中黑锅使用电磁灶专用炒锅，银锅使用430复底汤锅，锅中加入1L油，采用上位机进行测温数据采集，为便于比较，测试选择电磁灶最常用的200℃进行控温测试，等到温度稳定后停止采集数据。其黑色炒锅测试的温度曲线如图(1)（a）（b）所示，数据如表1所示，可以看出，温度稳定后有红外对管可以让黑锅测温精度从8℃提升到6℃，银锅的对比曲线如图（1）（c）（d）所示，温度稳定后有红外对管可以让银锅测温精度从19℃提升到8℃，提升57%，其详细数据如表1所示。

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(a) 无红外对管黑锅测温精度 (b) 有红外对管黑锅测温精度

(c) 无红外对管银锅测温精度　　 (d) 有红外对管银锅测温精度

图1 不同条件下测温精度对比

表1不同条件下平均测温精度对比

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3.结论

（1）为实现电磁灶隔着4mm微晶面板直接测试锅具温度，设计了940nm、3um、5-14um、NTC的多传感器融合测温方案，实现了非开孔条件下非接触穿透玻璃面板测温，同时利用940nm红外对管解决了锅具颜色对测温精度的干扰难题。

（2）经过验证，无红外对管时黑锅平均测温精度8℃，银锅测温精度19℃；加入红外对管后银锅测温精度可提升到8℃，提升57%，同时黑锅测温精度也可提高到6℃。

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参考文献

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