TWI439336B - Wireless temperature measurement system and its temperature measurement method for power supply of Sheng iron (steel) bucket - Google Patents
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Description
本發明係關於一種測溫系統及其測溫方法，特別是一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統及其測溫方法。
在鋼廠的煉鐵與練鋼製程中，須以盛鐵(鋼)桶來載運高溫鐵水及鋼液，其耐火殘厚與是否穿孔漏鐵息息相關，而盛鐵(鋼)桶外殼溫度變異可反映耐火內襯的殘厚。因此，盛鐵(鋼)桶外殼之熱點溫度的監控是預知穿孔漏鐵危險之重要參數。
在習知技術中，曾使用影像儀對盛鐵(鋼)桶外殼測溫，但由於鐵渣與粉塵等易嚴重黏覆在其表面，而使影像儀的測溫準確度失真，且盛鐵(鋼)桶外殼正底部亦不易測溫，致使影像測溫法難以實施。
另，在習知技術中，亦有使用有線之熱電偶測溫，但盛鐵(鋼)桶設備需移動及轉動而無法架線傳輸訊號，同時因高溫作業而無法使用電池將訊號作無線傳輸。
因此，習知盛鐵(鋼)桶之無線測溫系統及其測溫方法無法有效地對盛鐵(鋼)桶進行溫度監測，故無法預知盛鐵(鋼)桶之穿孔漏鐵問題。
因此，有必要提供一創新且具進步性的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統及其測溫方法，以解決上述問題。
本發明提供一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，包括：一測溫單元，設置於一盛鐵(鋼)桶之一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊；一熱電(TEG)模組，利用來自該盛鐵(鋼)桶之熱能產生電能；及一無線射頻(RF)模組，連接該測溫單元，利用該熱電模組產生之電能進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊。
本發明另提供一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，包括以下步驟：(a)設置一測溫單元於一盛鐵(鋼)桶之一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊；(b)以一熱電(TEG)模組利用來自該盛鐵(鋼)桶之熱能產生電能；及(c)利用該熱電模組產生之電能使一無線射頻模組進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊傳。
本發明之無線測溫系統可利用盛鐵(鋼)桶本體之廢熱能發電，永續提供電力給無線射頻模組使用，得以無線方式發射訊號給遠端的接收裝置進行監測，達到主動偵測盛鐵(鋼)桶溫度及預知穿孔漏鐵危險之功效。
圖1顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統之方塊示意圖；圖2顯示本發明之熱電模組之示意圖。配合參考圖1及圖2，本發明之無線測溫系統1包括一測溫單元11、一熱電(TEG)模組12及一無線射頻(RF)模組13。在本實施例中，本發明之無線測溫系統1另包括一電源處理模組14及一溫度開關15。
該測溫單元11設置於一盛鐵(鋼)桶2之一位置(例如：盛鐵(鋼)桶2中間部分之正下方位置)，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊。
在本發明之一實施例中，該測溫單元11包括一熱電偶，該熱電偶連接該無線射頻模組13及該盛鐵(鋼)桶2之外表面。該熱電偶用以量測該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊，且將該盛鐵(鋼)桶2之溫度傳輸至該無線射頻模組13。
在本發明之另一實施例中，該測溫單元11可包括複數個熱電偶，該等熱電偶分別連接該盛鐵(鋼)桶2之外表面、該熱電模組12之冷端及熱端與該無線射頻模組13。該等熱電偶用以量測該盛鐵(鋼)桶2、該熱電模組12之冷端及熱端及該無線射頻模組14本身之溫度資訊，並將該等溫度資訊傳輸至該無線射頻模組13。
參考圖2，在本實施例中，該熱電模組12包括一熱電晶片121、一散熱器122、一金屬導熱板123、導熱膏124、二絕緣導熱片125及複數條導線126。該金屬導熱板123之一側面直接貼合在盛鐵(鋼)桶2外殼，該熱電晶片121設置於該等絕緣導熱片125之間，該等絕緣導熱片125分別與該金屬導熱板123及該散熱器122結合。其中，該熱電晶片121、該散熱器122、該金屬導熱板123及該等絕緣導熱片125各元件之間設有該導熱膏124，以確保導熱效果。該等導線126用以傳輸該熱電模組12所產生之電能至該無線射頻模組13。
該熱電模組12利用來自該盛鐵(鋼)桶2之熱能產生電能。該熱電晶片121之一熱端面對該盛鐵(鋼)桶2，該散熱器122連接該熱電晶片121之一冷端。較佳地，該熱電晶片121之熱端與冷端之間具有50~150℃之溫差，以利產生足夠之電能。
該無線射頻模組13連接該測溫單元11，利用該熱電模組12產生之電能進行運作，將該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊，或該熱電模組12之冷端及熱端及該無線射頻模組13本身之溫度資訊傳輸至一接收裝置3(例如：電腦)，該等溫度資訊可顯示及儲存於該接收裝置3。
在本發明之一實施例中，該溫度開關15連接該熱電模組12及該無線射頻模組13。在本實施例中，該電源處理模組14連接該熱電模組12及該溫度開關15，該溫度開關15再連接及該無線射頻模組13。在本實施例中，該電源處理模組14包括一儲能裝置141和一升壓及穩壓裝置142(如圖3所示)。由於該熱電模組12提供的電壓較為有限，而該無線射頻模組13較佳需有3.3伏特以上之電壓及足夠之穩定電流，因此，利用該儲能裝置141儲存該熱電模組12所產生之電能，並利用該升壓及穩壓裝置142將電能升壓及穩壓後供應至該無線射頻模組13，以使該無線射頻模組13能順利且穩定地作無線數據傳輸。
當該儲能裝置141已儲存足夠之觸發電能以上，該溫度開關15成為開啟狀態，電能傳輸至該無線射頻模組13使其運作，以將該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊，或該熱電模組12之冷端及熱端及該無線射頻模組13本身之溫度資訊傳輸至該接收裝置3，並做紀錄與儲存的動作。
圖4顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法之流程圖。配合參考圖1至圖4，首先，參考步驟S41，設置一測溫單元11於一盛鐵(鋼)桶2之一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊。在步驟S41中，係以該測溫單元11之一熱電偶連接該無線射頻模組13及該盛鐵(鋼)桶2之外表面，以量測該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊。
可理解的是，在步驟S41中，該測溫單元11可包括複數個熱電偶，該等熱電偶分別連接該盛鐵(鋼)桶2之外表面、該熱電模組12之冷端及熱端與該無線射頻模組13，用以量測該盛鐵(鋼)桶2、該熱電模組12之冷端及熱端及該無線射頻模組13本身之溫度資訊，並將該等溫度資訊傳輸至該無線射頻模組13。
參考步驟S42，以該熱電(TEG)模組12利用來自該盛鐵(鋼)桶2之熱能產生電能。在步驟S42中，該熱電模組12包括一熱電晶片121及一散熱器122，該熱電晶片121之一熱端面對該盛鐵(鋼)桶2，該散熱器122連接該熱電晶片121之一冷端。
參考步驟S43，利用該熱電模組12產生之電能使一無線射頻模組13進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊傳。在本實施例中，該無線射頻模組13連接該測溫單元11，該無線射頻模組13利用該熱電模組12產生之電能進行運作，將該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊傳輸至一接收裝置3。
在本發明之無線測溫方法中，另連接一電源處理模組14至該熱電模組12，且設置一溫度開關15於該電源處理模組14與該無線射頻模組13之間。該電源處理模組14用以處理該熱電模組12產生之電能，該溫度開關15用以控制該熱電模組12產生之電能。
該電源處理模組14包括一儲能裝置141和一升壓及穩壓裝置142。由於該熱電模組12提供的電壓較為有限，而該無線射頻模組13較佳需有3.3伏特以上之電壓及足夠之穩定電流，因此，利用該儲能裝置141儲存該熱電模組12所產生之電能，並利用該升壓及穩壓裝置142將電能升壓及穩壓後供應至該無線射頻模組13，以使該無線射頻模組13能順利且穩定地作無線數據傳輸。
當該儲能裝置141已儲存足夠之觸發電能以上，該溫度開關15成為開啟狀態，電能傳輸至該無線射頻模組13使其運作，以將該盛鐵(鋼)桶2之溫度資訊，或該熱電模組12之冷端及熱端及該無線射頻模組13本身之溫度資訊傳輸至該接收裝置3，並做紀錄與儲存的動作。
以下詳細說明本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統實際測試及應用結果。
在整個無線測溫系統1中，熱電模組12主要角色是利用盛鐵(鋼)桶2外殼之廢熱能對熱電晶片121二側之冷端及熱端產生溫差進行發電，以供給無線射頻模組13所需的穩定電源，而形成免用電池(免外加電力)且不需拉導線之無線測溫系統，且確保能夠持續地運作。
再參考圖2，金屬導熱板123之一側面直接貼合在盛鐵(鋼)桶2外殼以吸收熱能，熱源經過導熱膏124及絕緣導熱片125進入熱電晶片121之熱端，通過熱電晶片121後在熱電晶片121之冷端藉著散熱器122之散熱鰭片，把熱源以自然對流方式傳到外圍空氣中，形成熱電晶片121之冷端及熱端二端面間溫差而發電。
熱電模組12之實體組裝已經過考量熱傳性及隔絕溫度能力等因素，其中在本發明之一實施例中，溫度開關15在散熱器122之散熱鰭片達到50℃(設定作動溫定)以上，即會啟動無線射頻模組13開始作動，複數條導線126由鐵氣龍材質包覆，且其外以可耐至700℃高溫的白色包線加以包覆。
在本發明之一實施例中，可另設置一隔熱用纖維水泥板(經測試可耐至500℃)，熱電模組12則穿過隔熱用纖維水泥板之一窗口接觸盛鐵(鋼)桶2殼表面。隔熱用纖維水泥板主要是為了防止過量的盛鐵(鋼)桶2殼表面附近熱氣累積後會對散熱器122之散熱鰭片效率的負面影響。測試組裝後之熱電模組12，經由熱電晶片121之熱端加熱至210℃，而冷端約80℃時，已可產生約3.3 V電壓之水準。
由於熱電模組12需安裝在盛鐵(鋼)桶2外殼上以獲取適當熱能，但又為了避免太大的熱流量對熱電晶片121造成過熱衝擊，因此，較佳地，可外加一導熱墊圈(washer)於金屬導熱板123與盛鐵(鋼)桶2外殼之間，以達成限熱保護之效果。
另，為了克服焊接施工時可能會造成接觸不完全之缺陷而形成熱傳不佳與溫差不足問題，以及為了焊接螺絲定位能精確以方便折裝熱電模組12，可另設計一組已含金屬墊圈，且螺絲已定位之介面底板，以正確定位及簡化現場安裝程序。
再參考圖1，無線射頻模組13主要是要把熱電偶(測溫單元11)自盛鐵(鋼)桶2外殼熱點測得之溫度數據經由無線方式傳遞給接收裝置，而其所需的電力則是來自熱電模組12。由於，熱電模組12提供的電壓有限，而無線射頻模組13需有足夠之穩定電流，因此，更利用電源處理模組14之儲能裝置141和升壓及穩壓裝置142，通過儲電能、穩壓、及升壓等功能協助無線射頻模組13作無線式的數據發射。
本發明之無線射頻模組13具有下列功能特性：無線發射頻率2.45 GHz；訊號發射能耗10 mW；無線發射距離≧47m(空曠地)；可偵測複數個溫度訊號(其中1個可做溫度補償用)；溫度誤差±1.2%。
由於無線射頻模組13需與熱電模組12一起安裝在盛鋼(鋼)桶2外殼上，因此，較佳地需要強化無線射頻模組13之隔熱效果，使其能長時間承受200~250℃之盛鐵(鋼)桶2外殼壁溫及周圍約70~110℃之氣溫。
參考圖5，其顯示本發明無線射頻模組之隔熱設計之示意圖。在本測試中設計(a)~(i)共9種不同之隔熱組合中，無線射頻模組13容設於一殼體4中，且其底部及四周圍使用隔熱材料包覆後，置於一電木板5(厚8 mm，熱傳係數(λ)為0.12 Kcal/mh℃)所構成之空間中。另，在該電木板5與該盛鋼(鋼)桶2外殼之間具有接觸腳6且另設有一隔熱材料7。並且，該隔熱材料7可阻隔無線射頻模組13底部與盛鐵(鋼)桶2外殼間幅射熱等。
本發明無線射頻模組13之隔熱設計中，圖5中P1~P5各部位使用之材質如表1所列。實驗係先在320℃下進行長時間斷熱模擬測試評估，以獲得無線射頻模組13較佳之隔熱組合。9種不同之隔熱組合之試驗結果如表1所示。
註：『半』表示位置P5之隔熱材料高度為接觸腳6高度的一半高度，例如：(4)半表示代號(4)之隔熱材料高度為接觸腳6高度的一半高度；『全』表示位置P5之隔熱材料高度與接觸腳6高度一致，例如：(4)全表示代號(4)之隔熱材料高度與接觸腳6高度一致。
其中，各隔熱材質代號及特性如下
(1)：隔熱磚λ1
=0.36 Kcal/mh℃
(2)：斷熱板λ2
=0.216 Kcal/mh℃
(3)：斷熱棉λ3
=0.17 Kcal/mh℃
(4)：保溫棉λ4
=0.15 Kcal/mh℃
(5)：電木板λ5
=0.12 Kcal/mh℃
經由針對無線射頻模組13底部以305~350℃模擬持溫加熱，以獲得各種隔熱組合中殼體4內無線射頻模組13的維持溫度。依據表1之模擬結果，選擇較佳的(c)組隔熱組合來作為主要隔熱方式，以安裝於魚雷車(相當於盛鐵(鋼)桶2)外殼上。
由於魚雷車體外殼需有足夠溫度但也不能過高之範圍，又需避開魚雷車車輪組防護鋼板與車外殼間之太狹隘空間，另需再躲開脫硫製程中火燄接觸，以及避開鐵水噴濺之惡劣環境破壞，因此，選擇魚雷車體外殼一側(例如右側)盡量偏離中央高溫區，且靠近魚雷車底之位置進行安裝。較佳地，熱電偶線之測溫點係位在魚雷車出入鐵水口正下方底部之外殼表面上，以進行此區之溫度監控測試點。在魚雷車安裝無線測溫系統1後，經完成預熱，即投入裝載鐵水、脫硫、熔鐵等之生產工作。
當魚雷車預熱期進入第三天，魚雷車殼內部溫度約1200℃，而魚雷車體已安裝無線測溫系統1的外殼部位溫度也已在220℃左右，此時，經過導熱墊圈傳熱之熱電晶片121之熱端的溫度已達到約185℃，而連接熱電晶片121冷端的散熱器122之散熱鰭片溫度也達到約95℃，電源處理模組14之儲能裝置141(例如超級電容)已儲足夠之觸發電力以上，再由該升壓及穩壓裝置142升壓及穩壓，經50℃之溫度開關15狀態為"ON"之後，開始把擷取到之熱電偶溫度與無線射頻模組13本身溫度訊號發射給遠端的接收裝置3(例如：個人電腦或筆記型電腦)接收，並做紀錄與存檔的動作。其中，熱電偶溫度獲得之魚雷車外殼中央底部溫度約240~255℃(與環境有無風力變動有關)，而無線射頻模組13溫度則長時間維持在81~85℃區間。
已安裝無線測溫系統1之魚雷車，自預熱後隨上產線進行鐵水之載運，追蹤高爐下出鐵間、脫硫、熔鐵及清渣等各工作站之實測溫度，並將擷取溫度利用無線方式傳輸數據之實際結果如表2所示。經比較，以本發明無線測溫系統1量測之溫度與實際量測溫度相當吻合，證明其量測結果係為準確且可信。
本發明之無線測溫系統1可利用盛鐵(鋼)桶2本體之廢熱能發電，永續提供電力給無線射頻模組13使用，得以無線方式發射訊號給遠端的接收裝置3進行監測，達到主動偵測盛鐵(鋼)桶2溫度及預知穿孔漏鐵危險之功效。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
1．．．本發明之無線測溫系統
2．．．盛鐵(鋼)桶
3．．．接收裝置
4．．．殼體
5．．．電木板
6．．．接觸腳
7．．．隔熱材料
11．．．測溫單元
12．．．熱電模組
13．．．無線射頻模組
14．．．電源處理模組
15．．．溫度開關
121．．．熱電晶片
122．．．散熱器
123．．．金屬導熱板
124．．．導熱膏
125．．．絕緣導熱片
126．．．導線
141．．．儲能裝置
142．．．升壓及穩壓裝置
圖1顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統之方塊示意圖；
圖2本發明之熱電模組之示意圖；
圖3本發明之電源處理模組之示意圖；
圖4顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法之流程圖；及
圖5顯示本發明無線射頻模組之隔熱設計之示意圖。
1．．．本發明之無線測溫系統
2．．．盛鐵(鋼)桶
3．．．接收裝置
11．．．測溫單元
12．．．熱電模組
13．．．無線射頻模組
14．．．電源處理模組
15．．．溫度開關
Claims (14)
- 一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，包括：一測溫單元，設置於一盛鐵(鋼)桶之一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊；一熱電(TEG)模組，利用來自該盛鐵(鋼)桶之熱能產生電能，該熱電模組包括一熱電晶片及一散熱器，該熱電晶片之一熱端面對該盛鐵(鋼)桶，該散熱器連接該熱電晶片之一冷端；及一無線射頻(RF)模組，連接該測溫單元，利用該熱電模組產生之電能進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊。
- 如請求項1之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，其中該測溫單元包括一熱電偶，連接該無線射頻模組及該盛鐵(鋼)桶之外表面。
- 如請求項1之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，其中該測溫單元包括複數個熱電偶，分別連接該盛鐵(鋼)桶之外表面、該熱電模組之冷端及熱端與該無線射頻模組。
- 如請求項1之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，另包括一電源處理模組，連接該熱電模組及該無線射頻模組。
- 如請求項4之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，其中該電源處理模組包括一儲能裝置和一升壓及穩 壓裝置。
- 如請求項1或4之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，另包括一溫度開關，連接該熱電模組及該無線射頻模組。
- 如請求項1之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫系統，其中該無線射頻模組傳輸該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊至一接收裝置。
- 一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，包括以下步驟：(a)設置一測溫單元於一盛鐵(鋼)桶之一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊；(b)以一熱電(TEG)模組利用來自該盛鐵(鋼)桶之熱能產生電能；及(c)利用該熱電模組產生之電能使一無線射頻模組進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶之溫度資訊。
- 如請求項8之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，其中在步驟(a)中，該測溫單元包括一熱電偶，該熱電偶連接該無線射頻模組及該盛鐵(鋼)桶之外表面。
- 如請求項8之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，其中在步驟(a)中，該測溫單元包括複數個熱電偶，分別連接該盛鐵(鋼)桶之外表面、該熱電模組之冷端及熱端與該無線射頻模組。
- 如請求項8之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，其中在步驟(b)中，該熱電模組包括一熱電晶片及一 散熱器，該熱電晶片之一熱端面對該盛鐵(鋼)桶，該散熱器連接該熱電晶片之一冷端。
- 如請求項8之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，另包括利用一電源處理模組處理該熱電模組產生之電能之步驟。
- 如請求項12之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，其中該電源處理模組包括一儲能裝置和一升壓及穩壓裝置。
- 如請求項8之用於盛鐵(鋼)桶免外加電力之無線測溫方法，另包括利用一溫度開關用以控制該熱電模組產生之電能之步驟。
Priority Applications (1)
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| TW100124708A TWI439336B (zh) | 2011-07-13 | 2011-07-13 | Wireless temperature measurement system and its temperature measurement method for power supply of Sheng iron (steel) bucket |
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| TW100124708A TWI439336B (zh) | 2011-07-13 | 2011-07-13 | Wireless temperature measurement system and its temperature measurement method for power supply of Sheng iron (steel) bucket |
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| TW201302345A TW201302345A (zh) | 2013-01-16 |
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