CN103090984A

CN103090984A - 盛铁/钢桶免外加电力的无线测温系统及其测温方法

Info

Publication number: CN103090984A
Application number: CN2011103311460A
Authority: CN
Inventors: 黄在坤; 刘炳璋; 谢慧霖; 林志明; 李恭达; 黄菁仪
Original assignee: China Steel Corp
Current assignee: China Steel Corp
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明涉及一种用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统及其测温方法。该无线测温系统包括：测温单元，设置于盛铁（钢）桶的一位置，用以至少量测该盛铁（钢）桶的温度信息；热电模块，利用来自该盛铁（钢）桶的热能产生电能；及无线射频模块，连接该测温单元，利用该热电模块产生的电能进行运作，传输该盛铁（钢）桶的温度信息。由此，可以无线方式发射温度信息讯号给远程的接收装置进行监测，达到主动探测盛铁（钢）桶温度及预知穿孔漏铁危险的功效。

Description

盛铁/钢桶免外加电力的无线测温系统及其测温方法

技术领域

本发明涉及一种测温系统及其测温方法。特别是，本发明涉及一种用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统及其测温方法。

背景技术

在钢厂的炼铁与炼钢工艺中，须以盛铁（钢）桶来载运高温铁水及钢液，其耐火残厚与是否穿孔漏铁息息相关，而盛铁（钢）桶外壳温度变化可反映耐火内衬的残厚。因此，盛铁（钢）桶外壳的热点温度的监控是预知穿孔漏铁危险的重要参数。

在现有技术中，曾使用影像仪对盛铁（钢）桶外壳测温，但由于铁渣与粉尘等易严重黏覆在其表面，而使影像仪的测温准确度失真，且盛铁（钢）桶外壳正底部也不易测温，致使影像测温法难以实施。

另外，在现有技术中，也有使用有线的热电偶测温，但盛铁（钢）桶设备需移动及转动而无法架线传输讯号，同时因高温作业而无法使用电池将讯号作无线传输。

因此，已公知的盛铁（钢）桶的无线测温系统及其测温方法无法有效地对盛铁（钢）桶进行温度监测，故无法预知盛铁（钢）桶的穿孔漏铁问题。

因此，有必要提供一种创新且具进步性的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统及其测温方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，包括：测温单元，设置于盛铁（钢）桶的一位置，用以至少量测该盛铁（钢）桶的温度信息；热电（TEG）模块，利用来自该盛铁（钢）桶的热能产生电能；及无线射频（RF）模块，连接该测温单元，利用该热电模块产生的电能进行运作，传输该盛铁（钢）桶的温度信息。

本发明还提供一种用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，包括以下步骤：(a)设置测温单元于盛铁（钢）桶的一位置，用以至少量测该盛铁（钢）桶的温度信息；(b)以热电（TEG）模块利用来自该盛铁（钢）桶的热能产生电能；及(c)利用该热电模块产生的电能使无线射频模块进行运作，传输该盛铁（钢）桶的温度信息。

本发明的无线测温系统可利用盛铁（钢）桶本体的废热能发电，永续提供电力给无线射频模块使用，得以无线方式发射讯号给远程的接收装置进行监测，达到主动探测盛铁（钢）桶温度及预知穿孔漏铁危险的功效。

附图说明

图1显示本发明用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统的方块示意图；

图2是本发明的热电模块的示意图；

图3是本发明的电源处理模块的示意图；

图4显示本发明用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法的流程图；及

图5显示本发明无线射频模块的隔热设计的示意图。

具体实施方式

图1显示本发明用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统的方块示意图；图2显示本发明的热电模块的示意图。配合参考图1及图2，本发明的无线测温系统1包括测温单元11、热电（TEG）模块12及无线射频（RF）模块13。在本实施例中，本发明的无线测温系统1还包括电源处理模块14及温度开关15。

该测温单元11设置于盛铁（钢）桶2的一位置（例如：盛铁（钢）桶2中间部分的正下方位置），用以至少量测该盛铁（钢）桶2的温度信息。

在本发明的一实施例中，该测温单元11包括热电偶，该热电偶连接该无线射频模块13及该盛铁（钢）桶2的外表面。该热电偶用以量测该盛铁（钢）桶2的温度信息，且将该盛铁（钢）桶2的温度传输至该无线射频模块13。

在本发明的另一实施例中，该测温单元11可包括复数个热电偶，这些热电偶分别连接该盛铁（钢）桶2的外表面、该热电模块12的冷端及热端与该无线射频模块13。这些热电偶用以量测该盛铁（钢）桶2、该热电模块12的冷端及热端及该无线射频模块14本身的温度信息，并将这些温度信息传输至该无线射频模块13。

参考图2，在本实施例中，该热电模块12包括热电芯片121、散热器122、金属导热板123、导热膏124、二绝缘导热片125及复数条导线126。该金属导热板123的一侧面直接贴合在盛铁（钢）桶2外壳，该热电芯片121设置于这些绝缘导热片125之间，这些绝缘导热片125分别与该金属导热板123及该散热器122结合。其中，该热电芯片121、该散热器122、该金属导热板123及这些绝缘导热片125各组件之间设有该导热膏124，以确保导热效果。这些导线126用以传输该热电模块12所产生的电能至该无线射频模块13。

该热电模块12利用来自该盛铁（钢）桶2的热能产生电能。该热电芯片121的一热端面对该盛铁（钢）桶2，该散热器122连接该热电芯片121的一冷端。优选地，该热电芯片121的热端与冷端之间具有50~150℃的温差，以利产生足够的电能。

该无线射频模块13连接该测温单元11，利用该热电模块12产生的电能进行运作，将该盛铁（钢）桶2的温度信息，或该热电模块12的冷端及热端及该无线射频模块13本身的温度信息传输至接收装置3（例如：计算机），这些温度信息可显示及储存于该接收装置3。

在本发明的一实施例中，该温度开关15连接该热电模块12及该无线射频模块13。在本实施例中，该电源处理模块14连接该热电模块12及该温度开关15，该温度开关15再连接及该无线射频模块13。在本实施例中，该电源处理模块14包括储能装置141和升压及稳压装置142（如图3所示）。由于该热电模块12提供的电压较为有限，而该无线射频模块13优选需有3.3伏特以上的电压及足够的稳定电流，因此，利用该储能装置141储存该热电模块12所产生的电能，并利用该升压及稳压装置142将电能升压及稳压后供应至该无线射频模块13，以使该无线射频模块13能顺利且稳定地作无线数据传输。

当该储能装置141已储存足够的触发电能以上，该温度开关15成为开启状态，电能传输至该无线射频模块13使其运作，以将该盛铁（钢）桶2的温度信息，或该热电模块12的冷端及热端及该无线射频模块13本身的温度信息传输至该接收装置3，并做纪录与储存的动作。

图4显示本发明用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法的流程图。配合参考图1至图4，首先，参考步骤S41，设置测温单元11于盛铁（钢）桶2的一位置，用以至少量测该盛铁（钢）桶2的温度信息。在步骤S41中，以该测温单元11的热电偶连接该无线射频模块13及该盛铁（钢）桶2的外表面，以量测该盛铁（钢）桶2的温度信息。

可理解的是，在步骤S41中，该测温单元11可包括复数个热电偶，这些热电偶分别连接该盛铁（钢）桶2的外表面、该热电模块12的冷端及热端与该无线射频模块13，用以量测该盛铁（钢）桶2、该热电模块12的冷端及热端及该无线射频模块13本身的温度信息，并将这些温度信息传输至该无线射频模块13。

参考步骤S42，以该热电（TEG）模块12利用来自该盛铁（钢）桶2的热能产生电能。在步骤S42中，该热电模块12包括热电芯片121及散热器122，该热电芯片121的一热端面对该盛铁（钢）桶2，该散热器122连接该热电芯片121的冷端。

参考步骤S43，利用该热电模块12产生的电能使无线射频模块13进行运作，传输该盛铁（钢）桶2的温度信息。在本实施例中，该无线射频模块13连接该测温单元11，该无线射频模块13利用该热电模块12产生的电能进行运作，将该盛铁（钢）桶2的温度信息传输至接收装置3。

在本发明的无线测温方法中，另连接电源处理模块14至该热电模块12，且设置温度开关15于该电源处理模块14与该无线射频模块13之间。该电源处理模块14用以处理该热电模块12产生的电能，该温度开关15用以控制该热电模块12产生的电能。

该电源处理模块14包括储能装置141和升压及稳压装置142。由于该热电模块12提供的电压较为有限，而该无线射频模块13优选需有3.3伏特以上的电压及足够的稳定电流，因此，利用该储能装置141储存该热电模块12所产生的电能，并利用该升压及稳压装置142将电能升压及稳压后供应至该无线射频模块13，以使该无线射频模块13能顺利且稳定地作无线数据传输。

以下详细说明本发明用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统实际测试及应用结果。

（一）热电模块的组装与发电测试

在整个无线测温系统1中，热电模块12主要角色是利用盛铁（钢）桶2外壳的废热能对热电芯片121二侧的冷端及热端产生温差进行发电，以供给无线射频模块13所需的稳定电源，而形成免用电池（免外加电力）且不需拉导线的无线测温系统，且确保能够持续地运作。

再参考图2，金属导热板123的一侧面直接贴合在盛铁（钢）桶2外壳以吸收热能，热源经过导热膏124及绝缘导热片125进入热电芯片121的热端，通过热电芯片121后在热电芯片121的冷端借着散热器122的散热鳍片，把热源以自然对流方式传到外围空气中，形成热电芯片121的冷端及热端二端面间温差而发电。

热电模块12的实体组装已经过考虑热传性及隔绝温度能力等因素，其中在本发明的一实施例中，温度开关15在散热器122的散热鳍片达到50℃（设定作动温定）以上，即会启动无线射频模块13开始作动，复数条导线126由铁气龙材质包覆，且其外以可耐至700℃高温的白色包线加以包覆。

在本发明的一实施例中，可另设置隔热用纤维水泥板（经测试可耐至500℃），热电模块12则穿过隔热用纤维水泥板的窗口接触盛铁（钢）桶2壳表面。隔热用纤维水泥板主要是为了防止过量的盛铁（钢）桶2壳表面附近热气累积后会对散热器122的散热鳍片效率的负面影响。测试组装后的热电模块12，通过热电芯片121的热端加热至210℃，而冷端约80℃时，已可产生约3.3V电压的水平。

由于热电模块12需安装在盛铁（钢）桶2外壳上以获取适当热能，但又为了避免太大的热流量对热电芯片121造成过热冲击，因此，优选地，可外加导热垫圈（washer）于金属导热板123与盛铁（钢）桶2外壳之间，以达成限热保护的效果。

另外，为了克服焊接施工时可能会造成接触不完全的缺陷而形成热传不佳与温差不足问题，以及为了焊接螺丝定位能精确以方便折装热电模块12，可另设计一组已含金属垫圈，且螺丝已定位的界面底板，以正确定位及简化现场安装程序。

（二）无线射频模块隔热建构与测试

再参考图1，无线射频模块13主要是要把热电偶（测温单元11）自盛铁（钢）桶2外壳热点测得的温度数据通过无线方式传递给接收装置，而其所需的电力则是来自热电模块12。由于，热电模块12提供的电压有限，而无线射频模块13需有足够的稳定电流，因此，更利用电源处理模块14的储能装置141和升压及稳压装置142，通过储电能、稳压、及升压等功能协助无线射频模块13作无线式的数据发射。

本发明的无线射频模块13具有下列功能特性：无线发射频率2.45GHz；讯号发射能耗10mW；无线发射距离≧47m（空旷地）；可探测复数个温度讯号（其中1个可做温度补偿用）；温度误差±1.2%。

（三）无线射频模块隔热组合

由于无线射频模块13需与热电模块12一起安装在盛钢（钢）桶2外壳上，因此，优选地需要强化无线射频模块13的隔热效果，使其能长时间承受200~250℃的盛铁（钢）桶2外壳壁温及周围约70~110℃的气温。

参考图5，其显示本发明无线射频模块的隔热设计的示意图。在本测试中设计(a)~(i)共9种不同的隔热组合中，无线射频模块13容设于一壳体4中，且其底部及四周围使用隔热材料包覆后，置于电木板5（厚8㎜，热传系数(λ)为0.12Kcal/mh℃）所构成的空间中。另外，在该电木板5与该盛钢（钢）桶2外壳之间具有接触脚6且另设有隔热材料7。并且，该隔热材料7可阻隔无线射频模块13底部与盛铁（钢）桶2外壳间辐射热等。

本发明无线射频模块13的隔热设计中，图5中P1~P5各部位使用的材质如表1所列。实验为先在320℃下进行长时间断热模拟测试评估，以获得无线射频模块13优选的隔热组合。9种不同的隔热组合的试验结果如表1所示。

注：『半』表示位置P5的隔热材料高度为接触脚6高度的一半高度，例如：(4)半表示代号(4)的隔热材料高度为接触脚6高度的一半高度；『全』表示位置P5的隔热材料高度与接触脚6高度一致，例如：(4)全表示代号(4)的隔热材料高度与接触脚6高度一致。

其中，各隔热材质代号及特性如下

(1)：隔热砖λ₁＝0.36Kcal/mh℃

(2)：断热板λ₂＝0.216Kcal/mh℃

(3)：断热棉λ₃＝0.17Kcal/mh℃

(4)：保温棉λ₄＝0.15Kcal/mh℃

(5)：电木板λ₅＝0.12Kcal/mh℃

表1

（四）实例

1.实验室中如表1所示9种不同的隔热组合的试验结果

通过针对无线射频模块13底部以305~350℃模拟持温加热，以获得各种隔热组合中壳体4内无线射频模块13的维持温度。依据表1的模拟结果，选择优选的(c)组隔热组合来作为主要隔热方式，以安装于鱼雷车（相当于盛铁（钢）桶2）外壳上。

2.无线测温系统于鱼雷车的安装

由于鱼雷车体外壳需有足够温度但也不能过高的范围，又需避开鱼雷车车轮组防护钢板与车外壳间的太狭隘空间，另需再躲开脱硫工艺中火焰接触，以及避开铁水喷溅的恶劣环境破坏，因此，选择鱼雷车体外壳一侧（例如右侧）尽量偏离中央高温区，且靠近鱼雷车底的位置进行安装。优选地，热电偶线的测温点位于鱼雷车出入铁水口正下方底部的外壳表面上，以进行此区的温度监控测试点。在鱼雷车安装无线测温系统1后，经完成预热，即投入装载铁水、脱硫、熔铁等的生产工作。

3.鱼雷车预热中无线测温系统的测试结果

当鱼雷车预热期进入第三天，鱼雷车壳内部温度约 1200℃，而鱼雷车体已安装无线测温系统1的外壳部位温度也已在220℃左右，此时，经过导热垫圈传热的热电芯片121的热端的温度已达到约185℃，而连接热电芯片121冷端的散热器122的散热鳍片温度也达到约95℃，电源处理模块14的储能装置141（例如超级电容）已储足够的触发电力以上，再由该升压及稳压装置142升压及稳压，经50℃的温度开关15状态为"ON"之后，开始把撷取到的热电偶温度与无线射频模块13本身温度讯号发射给远程的接收装置3（例如：个人计算机或笔记型计算机）接收，并做纪录与存盘的动作。其中，热电偶温度获得的鱼雷车外壳中央底部温度约240~255℃（与环境有无风力变动有关），而无线射频模块13温度则长时间维持在81~85℃区间。

4.鱼雷车在各工作站无线测温系统的测试结果

已安装无线测温系统1的鱼雷车，自预热后随上产线进行铁水的载运，追踪高炉下出铁间、脱硫、熔铁及清渣等各工作站的实测温度，并将撷取温度利用无线方式传输数据的实际结果如表2所示。经比较，以本发明无线测温系统1量测的温度与实际量测温度相当吻合，证明其量测结果是准确且可信的。

表2

本发明的无线测温系统1可利用盛铁（钢）桶2本体的废热能发电，永续提供电力给无线射频模块13使用，得以无线方式发射讯号给远程的接收装置3进行监测，达到主动探测盛铁（钢）桶2温度及预知穿孔漏铁危险的功效。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明，因此所述领域的技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱离本发明的精神。本发明的权利保护范围应如后附的权利要求书所列。

附图标记列表

1 本发明的无线测温系统

2 盛铁（钢）桶

3 接收装置

4 壳体

5 电木板

6 接触脚

7 隔热材料

11 测温单元

12 热电模块

13 无线射频模块

14 电源处理模块

15 温度开关

121 热电芯片

122 散热器

123 金属导热板

124 导热膏

125 绝缘导热片

126 导线

141 储能装置

142 升压及稳压装置。

Claims

1. 一种用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，包括：

测温单元，设置于盛铁（钢）桶的一位置，用以至少量测该盛铁（钢）桶的温度信息；

热电（TEG）模块，利用来自该盛铁（钢）桶的热能产生电能；及

无线射频（RF）模块，连接该测温单元，利用该热电模块产生的电能进行运作，传输该盛铁（钢）桶的温度信息。

2. 如权利要求1所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，其中该测温单元包括热电偶，连接该无线射频模块及该盛铁（钢）桶的外表面。

3. 如权利要求1所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，其中该测温单元包括复数个热电偶，分别连接该盛铁（钢）桶的外表面、该热电模块的冷端及热端与该无线射频模块。

4. 如权利要求1所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，其中该热电模块包括热电芯片及散热器，该热电芯片的一热端面对该盛铁（钢）桶，该散热器连接该热电芯片的冷端。

5. 如权利要求1所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，进一步包括电源处理模块，连接该热电模块及该无线射频模块。

6. 如权利要求5所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，其中该电源处理模块包括储能装置和升压及稳压装置。

7. 如权利要求1或5所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，进一步包括温度开关，连接该热电模块及该无线射频模块。

8. 如权利要求1所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温系统，其中该无线射频模块传输该盛铁（钢）桶的温度信息至接收装置。

9. 一种用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，包括以下步骤：

(a) 设置测温单元于盛铁（钢）桶的一位置，用以至少量测该盛铁（钢）桶的温度信息；

(b) 以热电（TEG）模块利用来自该盛铁（钢）桶的热能产生电能；及

(c) 利用该热电模块产生的电能使无线射频模块进行运作，传输该盛铁（钢）桶的温度信息。

10. 如权利要求9所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，其中在步骤(a)中，该测温单元包括热电偶，该热电偶连接该无线射频模块及该盛铁（钢）桶的外表面。

11. 如权利要求9所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，其中在步骤(a)中，该测温单元包括复数个热电偶，分别连接该盛铁（钢）桶的外表面、该热电模块的冷端及热端与该无线射频模块。

12. 如权利要求9所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，其中在步骤(b)中，该热电模块包括热电芯片及散热器，该热电芯片的一热端面对该盛铁（钢）桶，该散热器连接该热电芯片的冷端。

13. 如权利要求9所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，进一步包括利用电源处理模块处理该热电模块产生的电能的步骤。

14. 如权利要求13所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，其中该电源处理模块包括储能装置和升压及稳压装置。

15. 如权利要求9所述的用于盛铁（钢）桶免外加电力的无线测温方法，进一步包括利用温度开关用以控制该热电模块产生的电能的步骤。