(產學)聲波二維平面溫度感測系統軟硬體優化與介面整合(2020/05/01-2021/02/28)
摘要-
在高爐煉鐵生產過程中，操作人員目前須透過測溫桿上的熱電偶進行爐內氣體的溫度分布感測，然而現有之測溫桿需實際伸入爐中，故容易造成料流軌跡的破壞，在佈料時往往能在測溫桿下方觀測到料面凹陷的現象，此現象會導致爐內氣流之分布不均，從而影響煉鋼爐運作之效率，且進料時爐料也有機率撞擊到測溫桿，導致熱電偶之損壞，且測溫桿長度長達五公尺，故更換時常需消耗大量人力與時間，從上面幾點問題，可看出使用測溫桿進行爐內氣體溫度感測與現今智慧化高溫爐的發展方向不符，故需要找尋更佳知替代方案。
根據上述現有二維測溫方式所遭遇之困境，本計畫預計延續上期計畫之聲波測溫的方式，藉由聲波傳遞速度受介質溫度影像改變之關係，計算爐內氣體溫度，並配合聲波傳感器陣列之使用，在爐內構成數十條聲波路徑之聲波速度，推算出各路徑上氣體之平均聲速，最後在藉由重建演算法的開發，將數十條路徑之聲速轉換為二維之平面氣場溫度分布，提供給現場人員做爐內溫度分布調控之參考。在前案中已能在理想模型下順利重建氣體溫度的二維分布，然而在實際聲波的測溫實驗中仍有些許技術難度尚待軟硬體優的優化來克服，故此期計畫中之工作主要包含：
1. 開發不受高溫區域大小與形狀影響之聲速計算演算法。此演算法將能根據系統得到之脈衝回聲訊號正確計算出該路徑之聲速，不被聲速傳遞時因高溫氣場瞬息變化產生之不穩定干涉型態所影響。
2. 優化聲波訊號擷取電路，增加訊雜比，使聲波計算演算法有更穩定可靠的資料來源。
3. 架設非聲波式二維氣體溫度分布感測系統，以驗證本聲波二維氣體溫度分布感測系統之可靠度。
4. 開發能將現有37個熱電偶感產生之數據轉換成二維平面溫度分布之演算法，並根據現場需求設計人機介面程式。
5. 進行高爐現有之汽笛脈衝回波系統與上期計畫開發之超音波二維溫度分布感測系統之硬體整合
6. 蒐集並分析高爐運作時爐內常見之雜訊，並設計可成功於高爐內環境下接收與發射之聲波傳感器。
7. 優化於上期計畫中開發之可在實驗室操作之小型二維超音波陣列平面溫度感測系統，驗證第一項開發之聲速計算演算法對超音波二維平面氣場分布演算法的準確度之提升。
8. 優化於上期計畫中開發之可在實驗室操作之小型二維超音波陣列平面溫度感測系統，使其能及時顯示二維氣場溫度之變化，並與第三項開發之二維氣場溫度分布驗證系統做比較以評估其可靠度。
摘要-
高爐煉鐵生產過程中，操作人員透過測溫桿上的熱電偶進行二維的爐內氣體溫度分布感測，然而由於測溫桿需實際伸入爐內，故會造成料流軌跡的破壞，在佈料時測溫桿下方常可觀測到料面凹陷的現象，使得爐內氣流之分布不均，影響煉鋼爐運作之效率，且進料時爐料會撞擊到測溫桿，故常造成熱電偶之損壞，測溫桿長度約五公尺，故更換需消耗大量人力與時間。
根據上述現象有二維測溫方式所遭遇之困境，本計畫預計使用超音波測溫方式，藉由聲波傳遞速度受介質溫度影響改變之關係，計算爐內氣體的溫度，並配合超音波陣列之使用，在爐內構成數十條超音波路徑並藉由計算個路徑之聲波速度，推算出各路徑上氣體之平均溫度，最後再藉由重建演算法的開發，將數十條路徑之溫度轉換為二維平面氣場溫度分布，提供給現場人員做爐內溫度分布調控之參考。本案工作主要包含：
1. 開發超音波二維平面氣場分布重建演算法。此演算法將根據數十條超音波傳遞路徑量測的結果，運算出各路徑之聲波平均速度，  從而得知各路徑之平均溫度，最後再根據各路徑之溫度計算出各區域之氣體溫度，並繪製平面氣場溫度分布圖形。
2. 結合商業化矩陣演算軟體matlab以及其聲波傳遞模擬模組k-wave，建立一套二維超音波陣列溫測模擬程式，藉由可編程之超音波探頭數目、超音波探頭位置分配、爐內氣體溫度之分佈等，驗證上述開發之超音波二維平面氣場分佈驗算法的可靠度，其中氣體溫度之分佈除可自行設計外，亦可匯入現有測溫桿之資訊做演算法準確度比對。
3. 評估可成功於爐內環境下接收與發射超音波訊號之規格，並協助超音波探頭之安裝與訊號測試。
4. 建立一可在實驗室操作之小型二維超音波陣列平面溫度感測系統，驗證第一項開發之超音波二維平面氣場分佈演算法的準確度，並同時開發第三項工作完成後，各超音波探頭的控制電路、硬體介面、以及控制程序之撰寫，並可用以評估於高爐安裝之超音波平面溫度感測系統得穩定度與偵測速度。