盛鐵/鋼桶免外加電力的無線測溫系統及其測溫方法
2023-08-02 12:06:26
專利名稱：盛鐵/鋼桶免外加電力的無線測溫系統及其測溫方法
技術領域：
本發明涉及一種測溫系統及其測溫方法。特別是，本發明涉及一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統及其測溫方法。
背景技術：
在鋼廠的煉鐵與煉鋼工藝中，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)桶外殼溫度變化可反映耐火內襯的殘厚。因此，盛鐵(鋼)桶外殼的熱點溫度的監控是預知穿孔漏鐵危險的重要參數。在現有技術中，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)桶外殼正底部也不易測溫，致使影像測溫法難以實施。另外，在現有技術中，也有使用有線的熱電偶測溫，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，已公知的盛鐵(鋼)桶的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)桶的穿孔漏鐵問題。因此，有必要提供一種創新且具進步性的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統及其測溫方法，以解決上述問題。
發明內容
本發明提供一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，包括:測溫單元，設置於盛鐵(鋼)桶的一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶的溫度信息；熱電(TEG)模塊，利用來自該盛鐵(鋼)桶的熱能產生電能；及無線射頻(RF)模塊，連接該測溫單元，利用該熱電模塊產生的電能進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶的溫度信息。本發明還提供一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，包括以下步驟:(a)設置測溫單元於盛鐵(鋼)桶的一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶的溫度信息；(b)以熱電(TEG)模塊利用來自該盛鐵(鋼)桶的熱能產生電能；及(C)利用該熱電模塊產生的電能使無線射頻模塊進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶的溫度信息。本發明的無線測溫系統可利用盛鐵(鋼)桶本體的廢熱能發電，永續提供電力給無線射頻模塊使用，得以無線方式發射訊號給遠程的接收裝置進行監測，達到主動探測盛鐵(鋼)桶溫度及預知穿孔漏鐵危險的功效。
圖1顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統的方塊示意 圖2是本發明的熱電模塊的示意 圖3是本發明的電源處理模塊的示意 圖4顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法的流程圖 '及 圖5顯示本發明無線射頻模塊的隔熱設計的示意圖。
具體實施例方式圖1顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統的方塊示意圖；圖2顯示本發明的熱電模塊的示意圖。配合參考圖1及圖2，本發明的無線測溫系統I包括測溫單元11、熱電(TEG)模塊12及無線射頻(RF)模塊13。在本實施例中，本發明的無線測溫系統I還包括電源處理模塊14及溫度開關15。該測溫單元11設置於盛鐵(鋼)桶2的一位置(例如:盛鐵(鋼)桶2中間部分的正下方位置)，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息。在本發明的一實施例中，該測溫單元11包括熱電偶，該熱電偶連接該無線射頻模塊13及該盛鐵(鋼)桶2的外表面。該熱電偶用以量測該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息，且將該盛鐵(鋼)桶2的溫度傳輸至該無線射頻模塊13。在本發明的另一實施例中，該測溫單元11可包括複數個熱電偶，這些熱電偶分別連接該盛鐵(鋼)桶2的外表面、該熱電模塊12的冷端及熱端與該無線射頻模塊13。這些熱電偶用以量測該盛鐵(鋼)桶2、該熱電模塊12的冷端及熱端及該無線射頻模塊14本身的溫度信息，並將這些溫度信息傳輸至該無線射頻模塊13。參考圖2，在本實施例中，該熱電模塊12包括熱電晶片121、散熱器122、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的一側面直接貼合在盛鐵(鋼)桶2外殼，該熱電晶片121設置於這些絕緣導熱片125之間，這些絕緣導熱片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及這些絕緣導熱片125各組件之間設有該導熱膏124，以確保導熱效果。這些導線126用以傳輸該熱電模塊12所產生的電能至該無線射頻模塊13。該熱電模塊12利用來自該盛鐵(鋼)桶2的熱能產生電能。該熱電晶片121的一熱端面對該盛鐵(鋼)桶2，該散熱器122連接該熱電晶片121的一冷端。優選地，該熱電晶片121的熱端與冷端之間具有5(Tl50°C的溫差，以利產生足夠的電能。該無線射頻模塊13連接該測溫單元11，利用該熱電模塊12產生的電能進行運作，將該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息，或該熱電模塊12的冷端及熱端及該無線射頻模塊13本身的溫度信息傳輸至接收裝置3(例如:計算機)，這些溫度信息可顯示及儲存於該接收裝置3。在本發明的一實施例中，該溫度開關15連接該熱電模塊12及該無線射頻模塊13。在本實施例中，該電源處理模塊14連接該熱電模塊12及該溫度開關15，該溫度開關15再連接及該無線射頻模塊13。在本實施例中，該電源處理模塊14包括儲能裝置141和升壓及穩壓裝置142 (如圖3所示)。由於該熱電模塊12提供的電壓較為有限，而該無線射頻模塊13優選需有3.3伏特以上的電壓及足夠的穩定電流，因此，利用該儲能裝置141儲存該熱電模塊12所產生的電能，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塊13，以使該無線射頻模塊13能順利且穩定地作無線數據傳輸。當該儲能裝置141已儲存足夠的觸發電能以上，該溫度開關15成為開啟狀態，電能傳輸至該無線射頻模塊13使其運作，以將該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息，或該熱電模塊12的冷端及熱端及該無線射頻模塊13本身的溫度信息傳輸至該接收裝置3，並做紀錄與儲存的動作。
圖4顯示本發明用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法的流程圖。配合參考圖1至圖4，首先，參考步驟S41，設置測溫單元11於盛鐵(鋼)桶2的一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息。在步驟S41中，以該測溫單元11的熱電偶連接該無線射頻模塊13及該盛鐵(鋼)桶2的外表面，以量測該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息。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，這些熱電偶分別連接該盛鐵(鋼)桶2的外表面、該熱電模塊12的冷端及熱端與該無線射頻模塊13，用以量測該盛鐵(鋼)桶2、該熱電模塊12的冷端及熱端及該無線射頻模塊13本身的溫度信息，並將這些溫度信息傳輸至該無線射頻模塊13。參考步驟S42，以該熱電(TEG)模塊12利用來自該盛鐵(鋼)桶2的熱能產生電能。在步驟S42中，該熱電模塊12包括熱電晶片121及散熱器122，該熱電晶片121的一熱端面對該盛鐵(鋼)桶2，該散熱器122連接該熱電晶片121的冷端。參考步驟S43，利用該熱電模塊12產生的電能使無線射頻模塊13進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息。在本實施例中，該無線射頻模塊13連接該測溫單元11，該無線射頻模塊13利用該熱電模塊12產生的電能進行運作，將該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息傳輸至接收裝置3。在本發明的無線測溫方法中，另連接電源處理模塊14至該熱電模塊12，且設置溫度開關15於該電源處理模塊14與該無線射頻模塊13之間。該電源處理模塊14用以處理該熱電模塊12產生的電能，該溫度開關15用以控制該熱電模塊12產生的電能。該電源處理模塊14包括儲能裝置141和升壓及穩壓裝置142。由於該熱電模塊12提供的電壓較為有限，而該無線射頻模塊13優選需有3.3伏特以上的電壓及足夠的穩定電流，因此，利用該儲能裝置141儲存該熱電模塊12所產生的電能，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塊13，以使該無線射頻模塊13能順利且穩定地作無線數據傳輸。當該儲能裝置141已儲存足夠的觸發電能以上，該溫度開關15成為開啟狀態，電能傳輸至該無線射頻模塊13使其運作，以將該盛鐵(鋼)桶2的溫度信息，或該熱電模塊12的冷端及熱端及該無線射頻模塊13本身的溫度信息傳輸至該接收裝置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)桶免外加電力的無線測溫系統實際測試及應
用結果。(一)熱電模塊的組裝與發電測試
在整個無線測溫系統I中，熱電模塊12主要角色是利用盛鐵(鋼)桶2外殼的廢熱能對熱電晶片121 二側的冷端及熱端產生溫差進行發電，以供給無線射頻模塊13所需的穩定電源，而形成免用電池(免外加電力)且不需拉導線的無線測溫系統，且確保能夠持續地運作。再參考圖2，金屬導熱板123的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的熱端，通過熱電晶片121後在熱電晶片121的冷端借著散熱器122的散熱鰭片，把熱源以自然對流方式傳到外圍空氣中，形成熱電晶片121的冷端及熱端二端面間溫差而發電。熱電模塊12的實體組裝已經過考慮熱傳性及隔絕溫度能力等因素，其中在本發明的一實施例中，溫度開關15在散熱器122的散熱鰭片達到50°C (設定作動溫定)以上，即會啟動無線射頻模塊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°C高溫的白色包線加以包覆。在本發明的一實施例中，可另設置隔熱用纖維水泥板(經測試可耐至500°C)，熱電模塊12則穿過隔熱用纖維水泥板的窗口接觸盛鐵(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的散熱鰭片效率的負面影響。測試組裝後的熱電模塊12，通過熱電晶片121的熱端加熱至210°C，而冷端約80°C時，已可產生約3.3V電壓的水平。由於熱電模塊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,優選地,可外加導熱墊圈(washer)於金屬導熱板123與盛鐵(鋼)桶2外殼之間，以達成限熱保護的效果。另外，為了 克服焊接施工時可能會造成接觸不完全的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塊12，可另設計一組已含金屬墊圈，且螺絲已定位的界面底板，以正確定位及簡化現場安裝程序。(二)無線射頻模塊隔熱建構與測試
再參考圖1，無線射頻模塊13主要是要把熱電偶(測溫單元11)自盛鐵(鋼)桶2外殼熱點測得的溫度數據通過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塊12。由於，熱電模塊12提供的電壓有限，而無線射頻模塊13需有足夠的穩定電流，因此，更利用電源處理模塊14的儲能裝置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塊13作無線式的數據發射。本發明的無線射頻模塊13具有下列功能特性:無線發射頻率2.45GHz ;訊號發射能耗IOmW ;無線發射距離3 47m (空曠地);可探測複數個溫度訊號(其中I個可做溫度補償用)；溫度誤差±1.2%。(三)無線射頻模塊隔熱組合
由於無線射頻模塊13需與熱電模塊12 —起安裝在盛鋼(鋼)桶2外殼上，因此，優選地需要強化無線射頻模塊13的隔熱效果，使其能長時間承受20(T25(TC的盛鐵(鋼)桶2外殼壁溫及周圍約7(TllO°C的氣溫。參考圖5，其顯示本發明無線射頻模塊的隔熱設計的示意圖。在本測試中設計(ar(i)共9種不同的隔熱組合中，無線射頻模塊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，置於電木板5 (厚8 mm，熱傳係數(λ )為0.12Kcal/mh°C )所構成的空間中。另外，在該電木板5與該盛鋼(鋼)桶2外殼之間具有接觸腳6且另設有隔熱材料
7。並且，該隔熱材料7可阻隔無線射頻模塊13底部與盛鐵(鋼)桶2外殼間輻射熱等。本發明無線射頻模塊13的隔熱設計中，圖5中ΡΓΡ5各部位使用的材質如表I所列。實驗為先在320°C下進行長時間斷熱模擬測試評估，以獲得無線射頻模塊13優選的隔熱組合。9種不同的隔熱組合的試驗結果如表I所示。注:『半』表示位置P5的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)的隔熱材料高度為接觸腳6高度的一半高度；『全』表示位置P5的隔熱材料高度與接觸腳6高度一致，例如:(4)全表示代號(4)的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
(I):隔熱磚 A1 = 0.36Kcal/mh°C(2):斷熱板入2 = 0.216Kcal/mh°C
(3):斷熱棉入3 = 0.17Kcal/mh°C
(4):保溫棉入4 = 0.15Kcal/mh°C
(5):電木板入5 = 0.12Kcal/mh°C表I
權利要求
1.一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，包括: 測溫單元，設置於盛鐵(鋼)桶的一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶的溫度信息；熱電(TEG)模塊，利用來自該盛鐵(鋼)桶的熱能產生電能；及無線射頻(RF)模塊，連接該測溫單元，利用該熱電模塊產生的電能進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶的溫度信息。
2.按權利要求1所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，其中該測溫單元包括熱電偶，連接該無線射頻模塊及該盛鐵(鋼)桶的外表面。
3.按權利要求1所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，其中該測溫單元包括複數個熱電偶，分別連接該盛鐵(鋼)桶的外表面、該熱電模塊的冷端及熱端與該無線射頻模塊。
4.按權利要求1所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，其中該熱電模塊包括熱電晶片及散熱器，該熱電晶片的一熱端面對該盛鐵(鋼)桶，該散熱器連接該熱電晶片的冷端。
5.按權利要求1所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，進一步包括電源處理模塊，連接該熱電模 塊及該無線射頻模塊。
6.按權利要求5所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，其中該電源處理模塊包括儲能裝置和升壓及穩壓裝置。
7.按權利要求1或5所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，進一步包括溫度開關，連接該熱電模塊及該無線射頻模塊。
8.按權利要求1所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統，其中該無線射頻模塊傳輸該盛鐵(鋼)桶的溫度信息至接收裝置。
9.一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，包括以下步驟: (a)設置測溫單元於盛鐵(鋼)桶的一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶的溫度信息； (b)以熱電(TEG)模塊利用來自該盛鐵(鋼)桶的熱能產生電能；及 (C)利用該熱電模塊產生的電能使無線射頻模塊進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶的溫度信息。
10.按權利要求9所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，其中在步驟(a)中，該測溫單元包括熱電偶，該熱電偶連接該無線射頻模塊及該盛鐵(鋼)桶的外表面。
11.按權利要求9所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，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)桶的外表面、該熱電模塊的冷端及熱端與該無線射頻模塊。
12.按權利要求9所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，其中在步驟(b)中，該熱電模塊包括熱電晶片及散熱器，該熱電晶片的一熱端面對該盛鐵(鋼)桶，該散熱器連接該熱電晶片的冷端。
13.按權利要求9所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，進一步包括利用電源處理模塊處理該熱電模塊產生的電能的步驟。
14.按權利要求13所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，其中該電源處理模塊包括儲能裝置和升壓及穩壓裝置。
15.按權利要求9所述的用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫方法，進一步包括利用溫度開關用以控制該熱 電模塊產生的電能的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種用於盛鐵(鋼)桶免外加電力的無線測溫系統及其測溫方法。該無線測溫系統包括測溫單元，設置於盛鐵(鋼)桶的一位置，用以至少量測該盛鐵(鋼)桶的溫度信息；熱電模塊，利用來自該盛鐵(鋼)桶的熱能產生電能；及無線射頻模塊，連接該測溫單元，利用該熱電模塊產生的電能進行運作，傳輸該盛鐵(鋼)桶的溫度信息。由此，可以無線方式發射溫度信息訊號給遠程的接收裝置進行監測，達到主動探測盛鐵(鋼)桶溫度及預知穿孔漏鐵危險的功效。
文檔編號G08C17/02GK103090984SQ20111033114
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月27日 優先權日2011年10月27日
發明者黃在坤, 劉炳璋, 謝慧霖, 林志明, 李恭達, 黃菁儀 申請人:中國鋼鐵股份有限公司