TWI394941B - Method of processing temperature measurement data - Google Patents

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溫度量測數據之處理方法
本發明係關於一種量測數據之處理方法，詳言之，係關於一種溫度量測數據之處理方法。
紅外線式溫度感測器(包含熱影像儀)係屬於非接觸式、間接溫度量測形式之溫度感測元件。當紅外線式溫度感測器應用於連續生產的加熱或冷卻製程測溫任務時，往往因現場光源及環境條件(如：粉塵、水氣)而無法正確設定待測物的表面輻射放射率(或放射比)，造成量測值與實際溫度值誤差過大。現行作法僅能將溫度感測元件在理想的實驗室環境下進行黑體校正，或比對接觸式溫度量測元件(如熱電偶)的測量值，來進行紅外線溫度感測元件的調校與設定工作。
紅外線溫度感測器的測量原理是藉由物體表面的光譜來計算溫度值，屬於間接式的量測方式，但易受現場環境因素的影響。不正確的物體表面放射率訂定值會造成極大的量測誤差，然而所謂「正確」的放射率值卻無依循的規則，因此是使用此型感測儀器的困難與限制。
因此，有必要提供一創新且富有進步性之溫度量測數據之處理方法，以解決上述問題。
本發明提供一種溫度量測數據之處理方法，用以量測一待測物之溫度，其中該待測物沿一第一方向運動，該處理方法包括以下步驟：(a)沿該第一方向設置複數個量測單元於該待測物上方，每一量測單元具有三感測元件，該等感測元件沿一第二方向設置於該待測物之左側、右側及中心之上方相對位置，複數次量測該待測物之左側溫度、右側溫度及中心溫度，其中該第二方向實質上垂直該第一方向；(b)根據每一量測單元所測得之左側溫度、右側溫度及中心溫度，計算相對之一左側無因次化參數、一右側無因次化參數及一位置溫度比無因次化參數；(c)根據每一相對之左側無因次化參數、右側無因次化參數及位置溫度比無因次化參數，計算一左側溫度偏移量及一右側溫度偏移量；及(d)根據每相鄰二量測單元所測得之左側溫度和右側溫度，計算一側邊溫度變化比例，且根據每相鄰二量測單元所測得之中心溫度，計算一中心溫度變化比例。
本發明溫度量測數據之處理方法考量製程現場環境條件(例如：連續生產的加熱或冷卻製程)對於感測元件測量精度的影響，以建立一套測量數據處理的模式，其係利用無因次化參數，不考慮以量測溫度值來表現溫度數據的絕對意義，而著重於溫度變化上的相對性，以提供沿第一方向(產線方向)的溫控效能(產品溫升或溫降率)，以及沿第二方向(垂直產線方向)的溫控均勻性(與產品品質的變異性有關)等兩種不同產線操作效能指標。
再者，本發明溫度量測數據之處理方法可根據一實際左側溫度、一實際右側溫度或一實際中心溫度，即可計算每一量測單元相對位置之該待測物之精確左側溫度、精確右側溫度及精確中心溫度。
圖1顯示本發明溫度量測數據之處理方法流程圖；圖2顯示本發明溫度量測單元與待測物之相關配置俯視圖。在本實施例中，本發明之溫度量測數據之處理方法係用以量測一待測物10之溫度(應用於連續生產之加熱或冷卻製程，例如，鋼鐵工業線材盤元之加熱或冷卻製程，但不限於鋼鐵工業)，其中該待測物10沿一第一方向運動(如箭頭F1所示)。
配合參考圖1及圖2，首先，參考步驟S11，沿該第一方向設置複數個量測單元21於該待測物10上方(分別相對於A、B、C、D位置)，每一量測單元21具有三感測元件211、212、213，該等感測元件211、212、213沿一第二方向(如箭頭F2所示)設置，其中感測元件212設置於該待測物10之左側、感測元件211設置於右側、感測元件213設置於中心之上方相對位置，用以複數次量測該待測物10之左側溫度、右側溫度及中心溫度，其中該第二方向實質上垂直該第一方向。較佳地，在步驟S11中係利用紅外線式溫度感測器或熱影像儀量測該待測物10之溫度。
參考步驟S12，根據每一量測單元21所測得之左側溫度、右側溫度及中心溫度，計算相對之一左側無因次化參數、一右側無因次化參數及一位置溫度比無因次化參數。其中，本發明之方法係根據每一量測單元21所測得之該等左側溫度之平均值、該等右側溫度之平均值及該等中心溫度之平均值，計算該左側無因次化參數、該右側無因次化參數及該位置溫度比無因次化參數。
在本實施例中，在步驟S12中係根據該等左側溫度之平均值及該等中心溫度之平均值計算該左側無因次化參數，根據該等右側溫度之平均值及該等中心溫度之平均值計算該右側無因次化參數，根據一側邊平均溫度值及該等中心溫度之平均值計算該位置溫度比無因次化參數，其中該側邊平均溫度值為該等左側溫度平均值及該等右側溫度平均值之平均值。其中，該左側無因次化參數係為該等左側溫度平均值與該等中心溫度平均值之比值，該右側無因次化參數係為該等右側溫度平均值與該等中心溫度平均值之比值，該位置溫度比無因次化參數係為該側邊平均溫度值與該等中心溫度平均值之比值。
該左側無因次化參數、該右側無因次化參數及該位置溫度比無因次化參數可表示如下式(1)、式(2)及式(3)：
左側無因次化參數：
右側無因次化參數：
位置溫度比無因次化參數：
其中，T SL 為左側溫度平均值；T SR 為右側溫度平均值；T C 為中心溫度平均值；為T SL 及T SR 之平均值，即側邊溫度平均值。該側邊溫度平均值可表示如下：
側邊溫度平均值：
經由將該等左側溫度及該等右側溫度平均化、無因次化，其可達到溫控均勻性之功效，藉此可瞭解該第二方向上之該待測物10之左側溫度、右側溫度及中心溫度分佈情況。另外，根據上述定義：代表該待測物10左右側對中心溫度的比值，可初步判斷該待測物10之兩側溫度高於或低於中心溫度，以及其溫度差異的比率。而T * 則是平均化兩側溫度後，再與中心溫度計算其比例關係，具有模糊化的意義。
參考步驟S13，根據每一相對之左側無因次化參數、右側無因次化參數及位置溫度比無因次化參數，計算一左側溫度偏移量及一右側溫度偏移量。其中，本發明之方法係根據該等左側溫度平均值及該側邊平均溫度值計算該左側溫度偏移量，根據該等右側溫度平均值及該側邊平均溫度值計算該右側溫度偏移量。在本實施例中，該左側溫度偏移量係為該左側無因次化參數與該位置溫度比無因次化參數之比值，該右側溫度偏移量係為該右側無因次化參數與該位置溫度比無因次化參數之比值。
該左側溫度偏移量及該右側溫度偏移量可表示如下式(5)及式(6)：
左側溫度偏移量：
右側溫度偏移量：
較佳地，在步驟S13中另包括一第一分析步驟，利用左側無因次化參數、右側無因次化參數及位置溫度比無因次化參數T * 之互相進行交叉比較，即可進行溫控均勻性的分析評估。其中，當該左側溫度偏移量E L 及該右側溫度偏移量E R 趨近1時，判斷該左側平均溫度T SL 及該右側平均溫度T SR 接近該側邊平均溫度值，若再配合該左側溫度偏移量E L 與該右側溫度偏移量E R 之差值在一第一容許範圍內，則確認溫度量測的偏移量獲得較佳的控制，每一量測單元21所測得之溫度量測值可視為精確可靠的量測數據。其中，該第一容許範圍係根據不同量測單元量測精度而設定。
經由實際量測結果得知，儘管採用紅外線式感測器量測溫度時，對於待測物表面的溫度量測值仍有疑慮，然而，經過本發明之方法無因次化的數據處理後，可將溫度數據結果以相對性來評估溫控均勻性的問題，也消除了紅外線感測器的放射率(單色型)或放射率比(雙色型)的設定誤差。
參考步驟S14，根據每相鄰二量測單元所測得之左側溫度和右側溫度，計算一側邊溫度變化比例，且根據每相鄰二量測單元所測得之中心溫度，計算一中心溫度變化比例。其中，每相鄰二量測單元定義為一第一量測單元及一第二量測單元(如量測位置A及B之量測單元21)，其中根據相應該第一量測單元及該第二量測單元之一第一側邊平均溫度值及一第二側邊平均溫度值，計算該側邊溫度變化比例，且根據相應該第一量測單元及該第二量測單元之一第一中心溫度平均值及一第二中心溫度平均值，計算該中心溫度變化比例。
在本實施例中，該側邊溫度變化比例為該第二側邊平均溫度值與該第一側邊平均溫度值之差值和該第一側邊平均溫度值之比值，該中心溫度變化比例為該第二中心溫度平均值與該第一中心溫度平均值之差值和該第一中心溫度平均值之比值。
該側邊溫度變化比例及該中心溫度變化比例可表示如下式(7)及式(8)：
側邊溫度變化比例：
中心溫度變化比例：
其中，代表在對應x n 位置之側邊平均溫度值(第一側邊平均溫度值)；代表在對應於x n +1 位置之側邊平均溫度值(第二側邊平均溫度值)；T C (x n )代表在對應x n 位置之中心溫度平均值(第一中心溫度平均值)；T C (x n +1 )代表在對應於x n +1 位置之中心溫度平均值(第二中心溫度平均值)。
根據該側邊溫度變化比例RT s 及該中心溫度變化比例RT C ，即可評估沿該第一方向之該待測物10的溫升或溫降率，以瞭解整個製程之溫控效能。例如：欲計算量測位置A到B的溫度變化(溫升或溫降)比例，則將x n 設定為位置A、x n +1 設定為位置B。
根據式(7)及式(8)中的，取用各量測位置(A-D)上的量測點(左側、右側、中心)溫度數據，即可計算出每相鄰二量測點間之溫度變化比例。其中，RT S 及RT C 分別為沿該第一方向之待測物10的側邊及中心溫度變化的比例，因此RT S 及RT C 為正值代表溫度下降，而負值則代表溫度上升。
另外，本發明之方法在步驟S14之後，另包括一計算溫度變化比例總和之步驟及一計算總體溫度變化比例之步驟，以建構評估沿該第一方向測量溫度變化的數據分析模式。該計算溫度變化比例總和步驟係計算該等側邊溫度變化比例之總和及該等中心溫度變化比例之總和，該計算總體溫度變化比例步驟係計算最前端量測單元與最後端量測單元(例如，量測位置A-D)之相應側邊溫度變化比例及中心溫度變化比例，以獲得一總體側邊溫度變化比例及一總體中心溫度變化比例。
此外，本發明之方法另將溫度變化比例總和及總體溫度變化比例進行一第二分析步驟。其中，當該等側邊溫度變化比例之總和與該總體側邊溫度變化比例之差值在一第二容許範圍內，及當該等中心溫度變化比例之總和與該總體中心溫度變化比例之差值在該第二容許範圍內，判斷所有溫度量測值係為精確可靠。其中，該第二容許範圍係根據不同量測單元量測精度而設定。
圖3顯示習知溫度量測數據之處理方法量測結果圖；圖4顯示本發明溫度量測數據之處理方法量測結果圖。以測量位置A至D為例，配合參考圖3及圖4，評估的過程係根據式(7)及式(8)分別計算A-B、B-C、C-D各區段的側邊溫度變化比例及中心溫度變化比例，並將之加總為側邊溫度變化比例之總和及中心溫度變化比例之總和(以下分別以表示)，並且根據式(7)及式(8)計算A-D之總體側邊溫度變化比例及一總體中心溫度變化比例。
接著，將之值與直接計算A-D的總體側邊溫度變化比例及一總體中心溫度變化比例結果互相比較。其中，當溫度量測方式夠精確時，各區段(A-B、B-C、C-D)的側邊溫度變化比例之總和及中心溫度變化比例之總和()愈接近全區(A-D)之總體側邊溫度變化比例及一總體中心溫度變化比例。
由圖3及圖4之比較可知，本發明溫度量測數據之處理方法所得之A至D各區段側邊溫度變化比例及中心溫度變化比例遠小於習知溫度量測數據之處理方法，且本發明溫度量測數據之處理方法所得A至D各區段之側邊溫度變化比例之總和與A-D之總體側邊溫度變化比例之差值、以及A至D各區段之中心溫度變化比例之總和與A-D之總體中心溫度變化比例之差值，遠小於習知溫度量測數據之處理方法所得之數據。
最後，本發明之方法可另包括一精確溫度計算步驟，根據一實際溫度計算每一量測單元21相對位置之該待測物10之一精確左側溫度、一精確右側溫度及一精確中心溫度至少其中之一。其中，該實際溫度可為一實際左側溫度、一實際右側溫度或一實際中心溫度，該實際左側溫度、該實際右側溫度及該實際中心溫度係為排除環境干擾誤差後之真實溫度(例如比對接觸式溫度量測元件(如熱電偶)的測量值而得)。
也就是說，採用較為正確可靠之實際左側溫度、實際右側溫度或實際中心溫度，再配合本發明溫度量測數據之處理方法的無因次化計算，最後反推更為精確的各測量點實際溫度(精確左側溫度、精確右側溫度及精確中心溫度)，以及各區段(量測位置之間)的溫度變化值。藉此，本發明溫度量測數據之處理方法可以有效避免紅外線溫度量測時，因現場環境影響及待測物表面放射率(或放射率比值)的設定所造成的量測誤差問題。
以下茲舉數例說明該精確溫度計算步驟：
例1：由式(1)可知，根據該實際中心溫度及該左側無因次化參數，可計算每一量測單元21相對位置之精確左側溫度。
例2：由式(2)可知，根據該實際中心溫度及該右側無因次化參數，可計算每一量測單元21相對位置之精確右側溫度。
例3：由式(1)至式(8)中之相關公式之配合，根據該實際左側溫度、該實際右側溫度及該實際中心溫度其中之一以及式(1)至式(8)中之無因次參數其中之一，可計算每一量測單元21相對位置之一精確左側溫度、一精確右側溫度及一精確中心溫度。例如：由式(1)及式(2)可知，根據該實際中心溫度、該左側無因次化參數及該右側無因次化參數，可計算一量測單元21相對位置之精確左側溫度及精確右側溫度；將精確左側溫度及精確右側溫度代入式(4)，可計算該量測單元21相對位置(如量測位置A)之精確側邊溫度；將精確側邊溫度代入式(7)，根據精確側邊溫度及側邊溫度變化比例，可計算相鄰量測單元21相對位置(如量測位置B)之精確側邊溫度。
同理，若該實際溫度為一實際左側溫度或一實際右側溫度，亦可藉由式(1)至式(8)之配合應用，而計算出每一量測單元21相對位置之精確左側溫度、精確右側溫度及精確中心溫度，以及計算出各區段間之實際溫度變化(溫升或溫降)。
茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此實例所揭示之內容。
實例：
在本實例中係以線材盤元作為待測物為例，生產製程產線為Stelmor冷卻床設備，其中，該生產製程為連續動態式生產。首先，沿著Stelmor冷卻床的盤元移動方向(第一方向)，在不同位置上架設A-D量測單元，其中各量測單元之感測元件(紅外線感測元件)分別設置於Stelmor冷卻床之不同噴嘴位置(第二方向，垂直於盤元移動方向)之左側、右側及中心上方相對位置(請參考圖2)。
在本實例中，係先將量測結果採多組數據平均計算的方法來消除量測雜訊(模糊化)，其結果彙整於表一，藉此可初步觀察實驗量測的再現性。然後，根據式(1)至式(5)來計算出評估溫控均勻性的數據指標，如表二所示。
根據表二之數據指標可進行以下判斷：(1)E L 或E R 是否趨近於1；(2)E L 及E R 的值之間是否接近，作為判斷測量數據可靠性的依據。其中，經過無因次化的數據處理，可將溫度數據結果以相對性來評估溫控均勻性的問題，並消除紅外線感測儀的放射率設定誤差。在本實例中，本發明溫度量測數據之處理方法誤差可控制在4%以內，亦即，各位置的E L 或E R 值皆落於1.0±0.04的範圍內。
若要進一步討論冷卻效能，則根據式(7)及式(8)來計算，如表三所示。其中，要強調的重點可根據：(1)同一個冷卻區段，噴嘴中心及側邊的RT S 、RT C 值是否相近；(2)與的值是否吻合；(3)各區與整體的RT S 值與RT C 值，是否符合Stelmor冷卻床設備的現場操作條件及線材盤元的幾合排列狀況；(4)每次量測數據的再現性是否穩定等。
在本實例中，本發明溫度量測數據之處理方法所得A至D各區段之側邊溫度變化比例之總和與A-D之總體側邊溫度變化比例之差值、以及A至D各區段之中心溫度變化比例之總和與A-D之總體中心溫度變化比例之差值為0，其表示溫度量測值係為可靠之量測數據。
其中，當量測位置A很接近盤捲機時，可以直接將盤捲散置溫度設為T C ，然後代入式(1)及式(2)來反推求得正確的各測量點溫度值，以及代入式(7)及式(8)反推各冷卻區段的實際溫度降。亦即，採用可靠的T C 值(實際中心溫度)，最後反推精確的各測量點實際溫度，以及各產線區段(量測位置之間)的溫度變化。因此可避免紅外線溫度量測，由現場環境影響及線材盤元(待測物)表面放射率設定所造成的量測誤差。
本發明溫度量測數據之處理方法考量製程現場環境條件(例如：連續生產的加熱或冷卻製程)對於感測元件測量精度的影響，以建立一套測量數據處理的模式，其係利用無因次化參數，不考慮以量測溫度值來表現溫度數據的絕對意義，而著重於溫度變化上的相對性，以提供沿第一方向(產線方向)的溫控效能(產品溫升或溫降率)，以及沿第二方向(垂直產線方向)的溫控均勻性(與產品品質的變異性有關)等兩種不同產線操作效能指標。
再者，本發明溫度量測數據之處理方法可根據一實際左側溫度、一實際右側溫度或一實際中心溫度，即可計算每一量測單元相對位置之該待測物之精確左側溫度、精確右側溫度及精確中心溫度。
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。
10．．．待測物
21．．．量測單元
211、212、213．．．感測元件
圖1顯示本發明溫度量測數據之處理方法流程圖；
圖2顯示本發明溫度量測單元與待測物之相關配置俯視圖；
圖3顯示習知溫度量測數據之處理方法量測結果圖；及
圖4顯示本發明溫度量測數據之處理方法量測結果圖。
(無元件符號說明)

Claims (19)

  1. 一種溫度量測數據之處理方法，用以量測一待測物之溫度，其中該待測物沿一第一方向運動，該處理方法包括以下步驟：(a)沿該第一方向設置複數個量測單元於該待測物上方，每一量測單元具有三感測元件，該等感測元件沿一第二方向設置於該待測物之左側、右側及中心之上方相對位置，複數次量測該待測物之左側溫度、右側溫度及中心溫度，其中該第二方向實質上垂直該第一方向；(b)根據每一量測單元所測得之左側溫度、右側溫度及中心溫度，計算相對之一左側無因次化參數、一右側無因次化參數及一位置溫度比無因次化參數；(c)根據每一相對之左側無因次化參數、右側無因次化參數及位置溫度比無因次化參數，計算一左側溫度偏移量及一右側溫度偏移量；及(d)根據每相鄰二量測單元所測得之左側溫度和右側溫度，計算一側邊溫度變化比例，且根據每相鄰二量測單元所測得之中心溫度，計算一中心溫度變化比例。
  2. 如請求項1之方法，其中在步驟(a)中係利用紅外線式溫度感測器量測該待測物之溫度。
  3. 如請求項1之方法，其中在步驟(a)中係利用熱影像儀量測該待測物之溫度。
  4. 如請求項1之方法，其中在步驟(b)中係根據每一量測單元所測得之該等左側溫度之平均值、該等右側溫度之平均值及該等中心溫度之平均值，計算該左側無因次化參數、該右側無因次化參數及該位置溫度比無因次化參數。
  5. 如請求項4之方法，其中在步驟(b)中，根據該等左側溫度之平均值及該等中心溫度之平均值計算該左側無因次化參數，根據該等右側溫度之平均值及該等中心溫度之平均值計算該右側無因次化參數，根據一側邊平均溫度值及該等中心溫度之平均值計算該位置溫度比無因次化參數，其中該側邊平均溫度值為該等左側溫度平均值及該等右側溫度平均值之平均值。
  6. 如請求項5之方法，其中在步驟(b)中，該左側無因次化參數係為該等左側溫度平均值與該等中心溫度平均值之比值，該右側無因次化參數係為該等右側溫度平均值與該等中心溫度平均值之比值，該位置溫度比無因次化參數係為該側邊平均溫度值與該等中心溫度平均值之比值。
  7. 如請求項5之方法，其中在步驟(c)中，根據該等左側溫度平均值及該側邊平均溫度值計算該左側溫度偏移量，根據該等右側溫度平均值及該側邊平均溫度值計算該右側溫度偏移量。
  8. 如請求項7之方法，其中在步驟(c)中，該左側溫度偏移量係為該左側無因次化參數與該位置溫度比無因次化參數之比值，該右側溫度偏移量係為該右側無因次化參數與該位置溫度比無因次化參數之比值。
  9. 如請求項8之方法，其中在步驟(c)中另包括一第一分析步驟，當該左側溫度偏移量及該右側溫度偏移量趨近1時，判斷該左側平均溫度及該右側平均溫度接近該側邊平均溫度值；當該左側溫度偏移量及該右側溫度偏移量趨近1且該左側溫度偏移量與該右側溫度偏移量之差值在一第一容許範圍內，判斷每一量測單元所測得之溫度量測值係為精確可靠。
  10. 如請求項9之方法，其中該第一容許範圍係根據不同量測單元量測精度而設定。
  11. 如請求項5之方法，其中在步驟(d)中，每相鄰二量測單元包括一第一量測單元及一第二量測單元，其中根據相應該第一量測單元及該第二量測單元之一第一側邊平均溫度值及一第二側邊平均溫度值，計算該側邊溫度變化比例，且根據相應該第一量測單元及該第二量測單元之一第一中心溫度平均值及一第二中心溫度平均值，計算該中心溫度變化比例。
  12. 如請求項11之方法，其中在步驟(d)中，該側邊溫度變化比例為該第二側邊平均溫度值與該第一側邊平均溫度值之差值和該第一側邊平均溫度值之比值，該中心溫度變化比例為該第二中心溫度平均值與該第一中心溫度平均值之差值和該第一中心溫度平均值之比值。
  13. 如請求項12之方法，其中在步驟(d)之後另包括一計算溫度變化比例總和之步驟及一計算總體溫度變化比例之步驟，該計算溫度變化比例總和步驟係計算該等側邊溫度變化比例之總和及該等中心溫度變化比例之總和，該計算總體溫度變化比例步驟係計算最前端量測單元與最後端量測單元之相應側邊溫度變化比例及中心溫度變化比例，以獲得一總體側邊溫度變化比例及一總體中心溫度變化比例。
  14. 如請求項13之方法，其中在步驟(d)之後另包括一第二分析步驟，當該等側邊溫度變化比例之總和與該總體側邊溫度變化比例之差值在一第二容許範圍內，及當該等中心溫度變化比例之總和與該總體中心溫度變化比例之差值在該第二容許範圍內，判斷所有溫度量測值係為精確可靠。
  15. 如請求項14之方法，其中該第二容許範圍係根據不同量測單元量測精度而設定。
  16. 如請求項12之方法，其中在步驟(d)之後另包括一精確溫度計算步驟，根據一實際溫度計算每一量測單元相對位置之該待測物之一精確左側溫度、一精確右側溫度及一精確中心溫度至少其中之一。
  17. 如請求項16之方法，其中該實際溫度係為一實際左側溫度、一實際右側溫度或一實際中心溫度，該實際左側溫度、該實際右側溫度及該實際中心溫度係為排除環境干擾誤差後之真實溫度。
  18. 如請求項17之方法，其係根據該實際中心溫度及該左側無因次化參數，計算每一量測單元相對位置之精確左側溫度；根據該實際中心溫度及該右側無因次化參數，計算每一量測單元相對位置之精確右側溫度；根據該實際左側溫度、該實際右側溫度及該實際中心溫度其中之一和該側邊溫度變化比例，計算每一量測單元相對位置之精確左側溫度、精確右側溫度或精確中心溫度；及根據該實際中心溫度及該中心溫度變化比例，計算相鄰量測單元相對之精確中心溫度。
  19. 如請求項1之方法，其係應用於連續生產之加熱或冷卻製程。
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