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(电磁炉&炒菜机)电磁加热测温技术发展历程及趋势预判

07/29 09:19
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      从98年开始,特别是2003年以后,电磁加热产品的代表作电磁炉遍布千家万户,很好的满足了打工族迁徙生活的烹饪需求(火锅场景更是如虎添翼)。2010年以后特别是2014年以后,随着智能家居的趋势发展,出现了很多应用IH电磁加热技术的IH饭煲以及自动炒菜机等产品,满足了用户更高的烹饪品质需求及智能化的便利性需求。
      电磁加热技术具有加热效率高等不可替代的先天优势,但是随着产品的普及及社会实践,也存在很多无法突破的行业技术壁垒,这些壁垒往往严重限制了产品功能性的突破。下面我们就要谈谈关于电磁加热产品中至关重要的测温技术历程及可能存在的变革性突破趋势。
     不管是电磁炉还是IH炒菜机,对烹饪过程中目标温度的控制是机器安全可靠运行的基础。很多用户都有过这样的体验,在使用电磁炉过程中,经常不是糊锅就是感觉火力跟不上节奏/不足,体验感较差,更麻烦的是,偶尔不注意的时候可能锅具干烧至发红,锅具和机器都可能产生不可逆的损坏,甚至引起火灾等严重安全事故;目前的电磁炉设计的功能大多是爆炒、蒸煮、火锅、煎炸等,都需要较多的人为参与度去保障工作过程的可控安全性,像中西式常用的自动煎饺/煎包/煎蛋/烙饼/花生米/牛排/煎烤等食谱都别提了,根本不可能安全省心的完成,这全都是因为测温效果无法达到及时精确的响应而导致的。
     IH电磁加热测温技术应用经历了以下几个技术方案阶段:(声明:下文图片大多来自于网页,仅供参考,仅为了配合阐述说明方案的现状,无其他用意)
1、简易接触式测温
 

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                                                     图1 传统电磁炉内部面板温度传感器结构设置

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                                                       图2 面板NTC温度传感器常用的样品样式
   

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                                               图3 面板传感器示意图(白色为导热硅脂)
     如上图1所示,这些年以来,市面上95%以上电磁炉都一直采用的是面板NTC温度传感器,该NTC温度传感器大多为负温度系数的电阻型传感器,即随着温度的升高/降低,传感器的电阻值参数则发生对应的变小/变大,进而反应到电路上就是电压等参数的变化,最终由芯片程序检测处理成对应的温度数值对工作过程进行控制。
     如图2和3所示,面板传感器组件一般都由NTC传感器、硅胶支架套、线束接插件等组成,安装在线盘架的中间通孔位置,当整机微晶面板上盖安装到位后,面板传感器与微晶面板内表面存在一定的接触压缩量,面板传感器顶面一般会打上一定量的白色导热硅脂,导热硅脂提高了面板的温度传递给NTC温度传感器的导热系数,由此可见,该方案温度传感器实际测量的是锅具锅底本身热量传递给微晶面板、再由微晶面板传递给导热硅脂或者微晶面板部分直接传导给温度传感器的热量,故温度传感器的测温效果存在严重不及时的诟病,而且更不能体现出锅具本身的温度,如果锅具对应NTC接收热量面板位置发生锅具凹凸变形,则很容易发生温度失控的风险,因为热量接收的变少了;反过来讲,如果温度传感器温度已经过高保护了,锅内的温度加水加菜快速降下来后,面板的温度如果还是很高,则会出现滞后提升功率的现象,这也就是为什么用户反馈的容易糊锅及火力不足的体验问题,根本原因就是因为温度传感器测量的不是锅具的温度,而是严重响应错位滞后的面板温度。
      由于技术发展和产品综合设计因素的性价比限制,该温度测量方式一直沿用至今,暂时还不会出现大面积的取消应用,毕竟作为终极的非正常测温保护,还是满足国标3C认证的强制性可靠性要求的,但对于功能性的烹饪效果提升,只能说发挥不了太大的作用。当然了,通用品量大,价格便宜是比较大的优势。有些厂商为了增加卖点,往往会设置多个位置的组合测量方案,但往往实际烹饪效果还是起不了太大的突破性优化。
2、复杂接触式测温

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                                                      图4 某米电磁炉接触式传感器设计示意图

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                                                                 图5 微晶面板需开孔设置

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                                                               图6 设置防水硅胶结构示意图
 

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                                                                  图7 多组接触式感温测温
      行业经过对用户体验的重视及产品升级的竞争性卖点需要,有一些厂家在2010年以后针对测温技术进行一定的优化,如上图4-图7所示,暂称呼这一设计为复杂接触性测温吧,因为该方案采用的依旧是NTC温度传感器,只不过面板进行了开孔设计,然后将NTC温度传感器通过与金属、胶等耐磨/导热性材料进行结构性封装组件化设计,最终通过结构的弹力接触锅具底部及防水耐温安装设计,进而跳过了上文所讲的微晶面板导热介质,一定程度的提升了NTC温度传感器对锅具温度测量的导热系数和响应度。之前有项目进行过锅具干烧时的温度响应实测,当NTC检测到的温度达到200℃时,锅具的部分温度实际已经超过300℃以上,速率差距还是很大的。
     但该种方式治标不治本,采用的还是热传导的原理,只不过传到介质及系数的优化而已,如果锅具存在变形等非正常现象,同样存在控温失控的痛点。该方案2成本同比方案1有了不少的提升,况且面板开孔牺牲了一定的面板强度且还需要考虑通孔周围安装的密封防油防水问题;NTC组件还需考虑外壳及胶水耐高温、导热系数高等问题(环氧树脂胶用的最多,导热系数高一点,但不耐高温;陶瓷胶耐高温,但导热系数低一些;外壳一般采用铝、铜等高导热系数材质),综上所述,该方案2设计选材的复杂度同比方案1都要高很多。
3、非接触式红外热感应测温

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                                                     图8 非接触式红外热感应测温模组参考示意图
    近几年,在方案2面板开孔的基础上,如图8所示,出现了极少数应用红外测温方案的厂商,其应用的红外传感器大多为热释电或者热电堆等红外传感集成器件。但经过实践检验,该方案未能有效可靠的大面积应用推广可能依旧存在以下几个方面的原因:
    a、面板依旧需要开孔设计,这就无法避免依旧存在密封防水以及耐温等复杂设计问题。因为微晶面板只能透过波段大于2.8um以上的红外光波段,如果不开孔,热释电等传感器就无法响应其能感应到的波段,无法实现测温。
    b、由于采用的是半导体集成化传感器件,成本自然同比上述方案又要高出一个等级以上,特别是开孔位置可能需要增加一定的特殊滤光材质配件,传感器自身及配套电路也需要一定成本,该类光学传感在生产出厂等过程中往往需要补偿校准等操作,过程成本自然也要高一些。
    c、在上述a、b开孔及滤光、防水、耐温等都满足的情况下,经过实验实践及售后反馈,该方案在长期使用过程中,如果传感测量感应窗口区域内存在一定的油污或者杂质以及锅具本身表面发射率发生明显变化(不锈钢锅具及黑色喷漆锅具表面或者油污表面,发射率是相差比较大的),则传感器测量的数据误差会比较大,故存在测量精度稳定可靠性的问题。
      综上abc所述,也就不难看出,测量响应度和精度都提升的前提下,要想同时保障其他结构设计因素的简单、测温长期性能可靠性以及成本性价比,真的很难很难,这也是这几年为什么电磁炉产品不温不火、走价格战等原因,终究是大家都没有好的技术突破,不能产生行业差异化功能性重大变革。
      趋势预判:希望新星——新一代红外测温模组
      经过上文对电磁加热测温技术的现有应用方案历程对比阐述,相信大家也有一定的了解和产生了一定的纠结疑问,难道就真的不能很好的各方面平衡解决掉测温又快又准的问题了吗?
答案是:突破了!!!它来了!——新一代红外测温模组
      如图9所示,由杭州越磁科技有限公司自主研发的系列化新一代红外测温模组已经面世,经过近1年多的行业走访推广及市场应用测试,各方面性能稳定可靠,完全满足电磁加热产品的各种烹饪工艺及防干烧等测温需求。

                                                             图9 红外测温模组YC01型号示意图
  新一代红外测温模组同比上文方案具有以下优点:
  A、面板无须开孔即可测量锅具底部温度信号,可以很好的起到防水和保障面板强度完整性的要求,模组体积小,重量轻(图9所示规格小于8g),模组只需螺钉安装在机器内部线盘架或者下盖上即可,简单方便,对电磁炉原有结构变动影响不大,如图10所示。

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                                                                  图10 YC01规格尺寸图及安装示意图
B、应用简单方便。模组采用5V供电,可实现串口UART通信,开发对接方便。模组工作环境温度范围-20℃~80℃,锅具温度测量范围不同型号规格可覆盖90~390℃范围(图9所示YC01为110℃~300℃,不同测量范围规格型号成本可能存在较大差异;NTC温度传感器一般测量最高温仅为280℃左右),温度输出分辨率1℃,温度输出响应度≤200ms(200ms过程中软件已经过滤波处理),上述参数完全满足烹饪性能需求;另外模组各配件材质均满足阻燃/ROHS等认证要求。
C、测温响应及精度高。如按照电磁炉行标定温标准进行测试,精度可实现≤±5℃以内,企标行标一般合格标准为≤±20℃,故远超行业标准要求(企标行标一般严格于国标),如图11所示,干烧定温时曲线精度更高(各定温档实际温度曲线波动率很低≤2.5℃,仅供参考)。

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                                                                    图11 干烧定温温度控制曲线
D、食谱开发锦上添花。经过简单的食谱程序开发,则可大幅提升烹饪效果,如下图12-13所示,这才是测温真正的价值所在,新一代红外测温模组的价值所在,防干烧就更不在话下。

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                                                                          图12 食谱参考

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                                                                             图13 食谱参考
      综上ABCD所述,新一代红外测温模组的明显技术优势及其成功实践应用,可以很好的解决电磁加热行业——特别是家用/商用电磁炉、自动炒菜机等产品的测温痛点,推动该相关产品行业功能及性能方面革命性换代升级。
     截止2024年上半年,杭州越磁科技有限公司针对该系列化红外测温模组产品已申请专利18项,其中证书在册15项,让客户应用无忧。客户应用案例中,很好的解决了5-30KW大功率商用电磁炉的防干烧问题(因为功率大,所以锅具干烧的快猛,一般很难控制温度,结果是会干烧引起烧线盘、锅具损坏等售后问题);很好的提升了自动炒菜机食谱烹饪工艺的精准把控及出品一致性、提升了锅具等关键配件的使用寿命,减少了相关售后问题。针对长期使用的抗油污问题,有客户进行了系列化的严格测试——电气强度、盐雾、高低温存储、双85高温高湿、跌落、爬电距离电气间隙等,甚至进行了严酷的模拟防油污失效测试,如图14所示,在传感器滤光片窗口倒入了酱油等物质,但都无碍红外测温的有效稳定性。

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                                              图14 模组光感应窗口倒入酱油堵劳模拟防油污测试
     相信金子总会发光——新一代红外测温模组凭借自身的技术优势及市场应用口碑,必定能够快速的应用到相关需求产品中,让更好的产品走进千家万户!未来电磁加热技术的应用也将进入到新的篇章!明天会更好!加油!

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