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作者:鄭智銘 (2000-06-13);核可:徐業良 (2000-06-19)
附註:本文為勞委會勞工衛生安全研究所委託設計之工地用安全帽散熱性能測試機台之設計與使用手冊。

工地用安全帽散熱性能測試機台設計與使用手冊

1. 工地用安全帽散熱性能測試機台簡介

1.1 設計目的

一頂設計良好的工地用安全帽,基本上必須達到的功能是耐衝擊性與耐穿擊性,藉此保護勞工朋友頭部受到可能的外力撞擊。然而在基本功能要求之外,影響勞工朋友配戴意願最重要的因素便是配戴時的舒適感,包括工地用安全帽的重量以及良好的通風、散熱性能等。

在工地用安全帽相關的標準中,對於工地用安全帽衝擊、穿擊等防護性能測試都已訂定詳細規範,然而對工地用安全帽之通風、散熱等與配戴舒適性相關的特性,則尚未有任何測試規範。本計畫便是針對工地用安全帽的散熱性能建立一套嚴謹、完整的測試機台與測試程序,模擬在夏天高溫與日光曝曬下,配戴人員靜止與行走時安全帽內部的溫度分佈情形,藉以評估工地用安全帽之舒適性。

工地用安全帽散熱性能測試機台設計上以人性化操作介面為出發點,整合各子系統間複雜的電路配線,將各裝置的規格明確數量化,並簡化操作程序,降低人為所造成的實驗誤差。本手冊的目的即在描述此冊是機台之設計及操作程序。

1.2 測試規範

本工地用安全帽散熱性能測試共分兩階段執行,第一階段測試模擬夏天攝氏30度氣溫、戶外陽光照射下的環境,量測工地用安全帽內部溫度分布。表1為中央氣象局所提供台灣地區夏季溫度資料,夏季平均溫度範圍為攝氏至26~28度,最高溫度範圍為攝氏31~33度。本工地用安全帽散熱性能測試選擇攝氏30度作為散熱性能測試環境的標準溫度,安全帽則戴在模擬人體體溫攝氏37度之假頭上。

1 台灣地區夏季溫度資料

 

平均溫度(攝氏溫度)

最高溫度(攝氏溫度)

六月

26.8

31.5

七月

28.5

33.6

八月

28.3

33.3

工地用安全帽散熱性能測試第二階段模擬配戴人員步行時安全帽內散熱的情形,本測試模擬一般人平均步行速度1.1m/s之狀況,提供相對的風速1.1m/s氣流吹拂測試機台內配戴安全帽的模擬人頭,量測工地用安全帽內部溫度分布,以評估配戴人員步行時安全帽內部的散熱情形。外界氣流溫度將受到實驗室環境溫度影響,本測試訂在室溫25度的環境下操作散熱性能測試實驗,

2. 測試機台硬體設計

2.1 子系統分類

1為本工地用安全帽散熱性能測試機台。如圖所示,鋁擠形骨架結構定義出的測試環境,由4盞鹵素燈以45度角照射模擬提供日光輻射熱,6300瓦電熱管提供對流熱源,環境溫度控制器控制鹵素燈明滅,加熱測試環境維持在攝氏30度恆溫。測試機台中配戴安全帽的模擬人頭同樣以溫度控制器控制人頭內部60瓦燈泡明滅,模擬人體溫度維持在攝氏37度。整合控制器則整合所有控制電路與操作項目。本測試機台依性能與配置位置區分為7項子系統,硬體規格清單如表2所示,在接下來的章節中,將針對每個子系統加以介紹。

1 各子系統間空間配置圖

2 硬體規格清單

子系統名稱

硬體規格

詳述章節

骨架結構

鋁擠型骨架

2.2

模擬日光

300瓦鹵素燈編號ABCD 4

2.2

環境溫度控制器

環境溫度控制器與溫度探針

2.3

整合式控制器

整合式控制器與以上骨架結構、模擬日光、環境溫度控制器

2.3

模擬人體溫裝置

60瓦燈泡放置於模擬人頭裝置內,分為實驗與對照2

2.4

熱風裝置

電熱管裝置與14吋風扇

2.5

溫度資料搜集裝置

熱電偶模組與溫度資料搜集器

2.6

電源訊號線

2孔電源線4條,3孔電源訊號線2條(雙公頭、雙母頭)

 

2.2 骨架結構與模擬日光

骨架結構所架構定義出的環境空間尺寸如圖2所示。在室溫攝氏25度的起始環境下,以溫度控制器控制4盞模擬日光鹵素燈明滅,維持測試環境中溫度保持恆定為攝氏30度,4盞鹵素燈分別放置於鋁擠型四個邊的中心處,以45度照射。表3為各種鹵素燈入射角測量所得之照度分佈,其中Z軸方向參考圖2標示,以照度計在每一X-Y平面上均勻取4點所量測之照度變異係數。由此表可以看出45度入射角可以使鋁擠型所架構之空間照度變異係數值最小,代表照度最為均勻。

2 鋁擠型尺寸圖

3 改變鹵素燈入射角所得之照度變異係數分析表

 

60

50

45

40

35

Z=20

0.05

0.033

0.02

0.051

0.043

Z=30

0.061

0.046

0.02

0.053

0.036

Z=40

0.083

0.089

0.04

0.085

0.039

2.3 環境溫度控制器與整合式控制器

3為整合式控制器接線配置圖,圖4為其內部電路圖。將鹵素燈與溫度控制器依圖3所標示插孔依序插妥至整合式控制器,並開啟模擬人體溫裝置(詳見2.4節)與熱風裝置(詳見2.5節),便可完成測試環境主要的模擬日照與環境溫度恆溫控制機制。表4為測試機台實際進行測試時鋁擠型內部溫度分佈的變異係數表,由變異係數值可以發現鋁擠型內部溫度由Z=20Z=40分佈十分均勻,環境溫度控制器的溫度探針是固定於鋁擠型上頂平面中心處下方20cm處,以這點探測之溫度代表鋁擠型空間內部的均勻溫度,如圖5所示。

3 整合式控制器接線配置圖

4 整合式控制器內部電路圖

4 鋁擠型內部溫度分佈變異係數

 

Z=20

Z=30

Z=40

溫度變異係數

0.02

0.03

0.02

5 環境溫度探測針設置圖

2.4 模擬人體溫裝置

模擬人頭內部放置60瓦燈泡,以溫度控制器控制維持在攝氏37度恆溫狀態。為了防止鹵素燈與電熱管對模擬人頭溫度量測的影響,在散熱性能測試機台內配戴測試用安全帽的模擬人頭實驗組外,另設一對照組置於測試環境外,以室溫攝氏25度為基準加熱模擬人頭至人體溫度,如圖6所示。當對照組溫度過熱時,溫度控制器便同時切斷對照組與實驗組的電源。圖7為模擬人體溫裝置內部電路圖,以13孔電源線簡化了原本需要兩條輸入輸出電源線,要注意的是3孔插頭火線位置必須正確才能確保正常動作。

6 模擬人體溫裝置實體配置圖

7 模擬人體溫度裝置電路配置圖

2.5 熱風裝置

熱風裝置風的來源為一具三段式的十四吋電扇,放置於距離鋁擠型骨架160cm處,可得到風速1.1m/s2的氣流。氣流進入測試環境前先流經8200瓦電熱管之加熱裝置,模擬真實環境中除了太陽輻射以外的各式熱源。加熱裝置設計時考量到使用者可能觸碰發熱的電熱管而燙傷,因此增加保護裝置避免誤觸而發生危險,包括電源開關、警示燈與隔絕壓克力。加熱設備之實體照片如圖8所示,詳細的尺寸如圖9所示,熱風裝置與骨架結構間配置距離如圖10所示。

8 電熱管裝置實體照片

9 電熱管裝置尺寸圖

10 熱風裝置與骨架結構間配置距離

2.6 溫度資料搜集裝置

工地用安全帽散熱測試機台主要以16個熱電偶平均貼附於安全帽內面,以溫度資料搜集器來量測安全帽內溫度分布狀況。圖11為溫度資料搜集器與熱電偶模組組合後實體照片,需要注意的是兩組熱電偶模組需要依照指定的標示插入特定的牛頭插座內,才不會導致數據資料順序的錯誤。圖12為熱電偶模組裝置在工地用安全帽內之示意圖及實體照片,為方便裝置熱電偶,本機台設計有一套在易彎曲的塑膠網,上每隔5cm的間距佈滿16組熱電偶測試點,而為了防止在有曲度的安全帽內造成熱電偶探測點間距變化,因此熱點偶網分佈不是矩型,而是外側熱電偶探測點向外有1cm偏移的蝴蝶形狀(如圖12(a)),熱電偶測試點編號亦如圖12(a)所示。

11 溫度資料搜集器與熱電偶模組

(a)                                                                            (b)

12 熱電偶模組示意圖及實體照片

熱電偶網在安全帽內部以磁力方式與帽外磁鐵吸附在安全帽上,實際測試時照片如圖13所示,當安全帽厚度超過磁力可吸附的範圍,或者進行機車用安全帽散熱性能測試時,可將熱電偶網上以魔鬼貼附的磁鐵取下,以膠帶或其他方式固定熱電偶網進行測試。

13 熱電偶藉磁力附著於安全帽內部

2.6 硬體裝置與操作程序

本工地用安全帽測試機台硬體裝置與操作程序可以歸納整理如下:

1.      在室溫攝氏25度的環境下進行散熱性能測試實驗。

2.      依圖3整合式控制器接線配置圖所標示,接好線路,需要注意3孔插頭火線位置必須正確。

3.      啟動電源後,便能自動維持測試環境保持攝氏30度的恆溫狀態,模擬人體溫裝置維持恆溫為攝氏37度。

4.      依圖12所示,於安全帽內部設置熱電偶網,並以磁鐵吸附固定於安全帽上。

5.      確定熱電偶模組牛角接頭與溫度資料搜集器插座的接合方向正確。

6.      啟動溫度資料搜集軟體,詳細的軟體操作程序將於下一節中詳述。

7.      搜集日光照射環境下,未吹風前安全帽內溫度平衡的溫度資料。

8.      開啟風扇,提供1.1m/s的風速吹拂,搜集吹風時與平衡後的溫度資料。

9.      處理溫度資料,繪出測試結果。

3. 軟體操作

本測試機台採用溫度資料搜集器“HOTMUX”,其所搭配使用的隨機軟體磁片內有如圖14所示的檔案內容,其中“Hotmux2.exe”為溫度資料搜集的主程式,“Vuhotmux.exe”為單獨觀察測試結果圖形的程式。需要注意的是“Sn2447.cal”“Sn2448.cal”是隨機搭配的程式檔案,內容為個別序號溫度資料搜集器資料擷取時不同的修正內容,不能互用,HOTMUX安裝時也需要相對應的序號檔案才能運作,而“Autoload.sup”檔案是當程式運作時最先讀取的資料設定檔,起使設定值已經設定為序號Sn2447接至COM1Sn2448接至COM2。兩台HOTMUX16ChannelJ型熱電偶擷取攝氏溫度的設定值,不需進行其他性質的測試活動時,僅需執行“Hotmux2.exe”,不需進行設定工作便能順利進行資料擷取的工作。以下將以實際安全帽散熱性能測試為例子,一步一步說明軟體操作與溫度資料處理的方式步驟。

14 Hotmux隨機磁片內所附檔案

步驟1 設定HOTMUX溫度資料搜集器

執行Hotmux2.exe檔案,首先會出現如圖15的畫面,代表“Autoload.sup”已經載入中,正在呼叫與設定序號Sn2447Sn2448台溫度資料搜集器。

15 HOTMUX載入設定中

當圖16“EQUIP CHANNELS”畫面出現時,代表已經成功載入完成,序號Sn2448上的熱電偶均能正常工作,此時可按下PgUpPgDn檢查序號Sn2447的熱電偶是否正常工作,如圖17所示。

16 Sn2447EQUIP CHANNELS畫面

 

17 Sn2447EQUIP CHANNELS畫面

步驟2 設定螢幕即時顯示溫度資料圖輸出選項

F2鍵回到主畫面如圖18所示,移動上下鍵與ENTER進入各選項單元,第一個選項“EQUIP CHANNELS”進入後即為步驟1中圖16與圖17所顯示的畫面,在“OUTPUT FORMAT”選項中可以更改所繪出記錄溫度圖形的上下界以及Cycle time,但在“Autoload.sup”自動載入檔中已經設定妥當,可以不需更改。

18 MAIN MENU主畫面

19 OUTPUT FORMAT畫面

在圖19所示“OUTPUT FORMAT”畫面中,“Select Chs”選項可以選擇溫度資料搜集時,即時畫面上所顯示的溫度資料圖形。如圖20所示,按下P選定CHANNELS,按下PgUpPgDn鍵可以進行另一台HOTMUX的設定,不過僅能在螢幕上即時顯示8組溫度資料,16組溫度資料可以經由轉檔的程序匯出“.dat”檔由EXCEL或其他軟體處理。

20 選擇即時螢幕顯示之溫度資料CHANNELS

步驟3 溫度資料存檔與標題附註

按下F2鍵回到主畫面圖18後,選擇“DATA STORAGE”進入後,在圖21的畫面中設定所欲存檔的路徑與檔名,如圖21設定之路徑與檔名為“C:\WINDOWS\DESKTOP\HOTMUX\TEST.LG2”。在主畫面圖18中的“TITLE”選項可以設定檔案所欲附加的註解。

21 DATA STORAGE畫面存檔設定

步驟4 開始進行溫度資料搜集

經由步驟1至步驟3的設定後,即可進行溫度資料搜集的工作。按下F2回到圖18的主畫面下,選擇“BEGIN RUN”選項進入,即可看到圖22的畫面詢問是否要繼續,按下ENTER鍵隨即開始進行溫度資料搜集的工作,在圖23的畫面中便可即時觀察步驟2步驟中所選定的8筆資料值。

22 SETUP SUMMARY畫面

23 螢幕即時溫度資料搜集圖形

步驟5 判斷測試完成並停止溫度資料搜集

在圖23的畫面中觀察溫度趨於穩定後,隨即開啟熱風裝置以1.1m/s的風速吹拂,搜集吹風後的溫度資料,待溫度穩定後即可停止程式的運作,如圖24顯示的溫度穩定區間畫面。

24 由即時溫度資料圖判斷溫度穩定區間

步驟6 檢閱測試溫度資料

經由上述步驟1至步驟5的步驟,我們完成了溫度資料搜集的工作並記錄於“C:\WINDOWS\DESKTOP\HOTMUX\TEST.LG2”檔案中,現在我們按F2鍵回到主畫面圖18中選擇“VIEW DATA”選項進入,或者經由執行“Vuhotmux.exe”程式載入上述檔案均可進入圖25畫面,接著按下ENTER鍵進入圖26“VIEW MENU”畫面。

25 溫度資料紀錄檔案畫面

26 VIEW MENU畫面

在圖26所示“VIEW MENU”畫面中,進入“Ch selection”選項可以選擇在螢幕顯示所擷取16組資料中的其中8組,接著進入“Graph”選項可在螢幕上以圖形方式顯示出所設定8組資料之溫度資料圖,如圖27所示。

27 檢視溫度資料

步驟7 輸出“*.DAT”檔並計算平均溫度

按下F2回到圖26“VIEW DATA”畫面後,進入“ASCII FILE”選項後,可按下F10選擇設定輸出完整16Channels數據資料為“TEST.DAT”檔案,便可經由EXCEL軟體整理計算吹風前溫度穩定時間區間內的溫度平均值,作為每一點吹風前的平均溫度。接著以同樣方式計算吹風後穩定溫度區間的平均溫度,如圖28所示,以圖24所標示之穩定溫度區間內第700~800筆資料作為吹風前平均溫度,以第1000~1100筆資料作為吹風後平均溫度。

28 EXCEL軟體處理數據資料

步驟8 以MATLAB軟體繪製帽內等溫線分佈圖

以記事本開啟檔案,將16個熱電偶量得之溫度資料輸入如圖29,其中“Z=”之後括弧之後的數字即為CH1CH16依序之平均溫度,處理完成後儲存為“*.m”檔,並以MATLAB程式開啟,即可看到圖30之工地用安全帽吹風前溫度分佈等溫線圖。以相同程序處理輸入吹風後之平均溫度資料,即可產生圖31之工地用安全帽吹風後溫度分佈等溫線圖。

29 以記事本開啟編輯平均溫度資料

30 工地用安全帽吹風前帽內溫度分佈等溫線圖

31 工地用安全帽吹風後帽內溫度分佈等溫線圖

步驟9 計算安全帽散熱速率

工地用安全帽散熱速率在此定義為吹風後到達穩態溫度的溫度差除以所需的時間。吹風後到達穩態溫度的時間點,定義為由平均溫度+2S後所得溫度所反溯尋找所的時間點,其中S=0.17是由本測試機台對不同工地用安全帽進行測試所統計得到在溫度到達平衡的狀態下,溫度變動的平均標準差。

步驟10 撰寫測試報告

由步驟6所得之圖27可以觀察出安全帽吹風前與吹風後的溫度變化情形,經由步驟7EXCEL軟體處理後可以得知安全帽吹風前與吹風後每一點的平均溫度,步驟8所得之圖30與圖31為安全帽內吹風前與吹風後的溫度分佈等溫線圖,可觀察安全帽殼內是否有“熱點”存在,步驟9所得安全帽散熱速率可了解帽殼內散熱效率,以上的資料都能可以提供工地用安全帽散熱性能客觀的評估,並幫助設計者改善安全帽散熱性能上的設計,測試者可依其需求撰寫測試報告。