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(구성원 및 추진체계)
(관련사업비 내역서)
 
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====구성원 및 추진체계====
 
====구성원 및 추진체계====
  
*김장백 : 조장 / 캡스톤 서류 담당
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*김*백 : 조장 / 캡스톤 서류 담당
  
*김상헌 : 제품 디자인 및 부품 제작
+
*김*헌 : 제품 디자인 및 부품 제작
  
*김영창 : 제품 테스트 및 성능평가
+
*김*창 : 제품 테스트 및 성능평가
  
*이승호 : 부품 탐색 및 구매 / 제품 조립
+
*이*호 : 부품 탐색 및 구매 / 제품 조립
  
*조도훈 : 제품 디자인 / 학과 서류 담당
+
*조*훈 : 제품 디자인 / 학과 서류 담당
  
*권경희 : 특허, 논문 탐색 / 캡스톤 서류 담당
+
*권*희 : 특허, 논문 탐색 / 캡스톤 서류 담당
  
 
==설계==
 
==설계==
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====설계 사양====
 
====설계 사양====
내용
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1. 제품 기능성
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- 제품이 불판 위에서 가동하는 동안 계속 온도 데이터를 전송하고 표시해야한다.
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- 열전 소자 상하판 사이에 충분한 온도 차이가 존재하여 전원이 지속되어야 한다.
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- 온도 데이터를 10m 거리에서 받을 수 있어야 한다.
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2. 제품 정밀성
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- 제품에서 표시되는 온도와 실제 불판의 온도의 차이가 10℃ 이내여야 한다.
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3. 제품 범용성
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- 제품이 여러 불판에 사용할 수 있게 하기 위해 열전부 하부 기준으로 제품의 높이가 위아래로 10cm 조절할 수 있게 해야 한다.
  
 
===개념설계안===
 
===개념설계안===
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<냉각부 소재에 따른 냉각 효율 실험>
 
<냉각부 소재에 따른 냉각 효율 실험>
  
*기존의 스테인리스 통으로 사용했을 때, 외부케이스 열전도도 얘기하고~~
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*스테인리스강의 열전도율은 14kcal/℃, 알루미늄의 열전도율은 196kcal/℃이다. 열전도율 이 높은 재료를 사용하였을 냉각의 효과가 더 좋을 것으로 예상하여 실험을 진행하였다. 스테인리스강 냉각부를 상용하였을 때 saturation 전압은 1.6V, 알루미늄 냉각부를 사용하였을 때 0.9V에서 saturation 전압이 형성되었다. 열전도율이 높은 재료를 사용하면 연전소자의 출력전압이 증가할것으로 예상하였지만 실제 실험결과는 다르게 나와 스테인리스강의 냉각부를 사용
  
 
=====시간에 따른 물 온도 변화=====
 
=====시간에 따른 물 온도 변화=====
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===상세설계 내용===
 
===상세설계 내용===
내용
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====조립도====
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'''가. 조립도'''
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*전체 조립도
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*열전부 내부 조립도
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'''나. 조립 순서'''
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1. 외부 프레임의 내부에 히트 싱크와 열전소자를 써멀 그리스를 발라 결합하고 열전소자 위에 냉각부를 써멀 그리스를 발라 결합한다.
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2. 길이 조절부를 회로부 케이스의 구멍에 끼워 결합한다.
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3. 각도 조절 부품과 스테인리스 연결부를 결합한다.
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4. 연결부와 열전부의 외부 프레임을 부착한다.
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5. 회로부 케이스의 내부에는 연결한 회로 부품을 넣는다.
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====부품도====
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'''1. 회로부 케이스'''
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*정면도
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*평면도
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*좌측면도
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'''2. 회로부 케이스 뚜껑'''
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[[파일:6.회로부뚜껑.png]]
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'''3. 각도 조절 연결 부품'''
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====제어부 및 회로 설계====
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'''회로도'''
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[[파일:9.회로도.png]]
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*열전소자가 생성한 전압을 일정하게 유지하기 위하여 승압 모듈을 통해 5V로 승압하여 충전 모듈로 충전식 배터리에 전력을 충전한다. 온도 데이터를 측정하기 위해 전압 측정 모듈을 사용하여 열전소자의 전압을 측정한다. 충전된 전력으로 블루투스 모듈과 디스플레이 모듈을 구동한다.
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====소프트웨어 설계====
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'''회로 알고리즘'''
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[[파일:10.회로알고리즘.png]]
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*열전소자의 전압 데이터를 받아 온도 데이터를 계산하여 블루투스 모듈과 디스플레이 모듈에 온도 데이터를 전달한다. 온도 데이터가 존재한다면 블루투스 모듈은 온도를 어플리케이션으로 전송하고 디스플레이 모듈은 온도를 표시한다.
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'''애플리케이션 제작'''
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*MIT APP INVENTOR를 이용하여 테이블마다의 온도를 표시해주는 애플리케이션을 제작하였다. 열전소자의 전압으로 측정한 온도는 회로의 블루투스 모듈을 통해 온도를 전송해준다.
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====자재소요서====
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==결과 및 평가==
 
==결과 및 평가==
 
===완료 작품의 소개===
 
===완료 작품의 소개===
 
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
 
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
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====포스터====
 
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===관련사업비 내역서===
 
===관련사업비 내역서===
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===완료작품의 평가===
 
===완료작품의 평가===
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===향후계획===
 
===향후계획===
내용
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*본 제품은 실험 데이터를 이용하여 통계적으로 도출한 회귀 식에 열전 소자의 출력 전압을 입력하여    불판온도 계산 가능
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*본 제품은 별도의 전력 공급장치가 필요하지 않아 추가적인 설비 없이 사용 가능
 +
*이 제품은 현재 육류를 취급하는 모든 음식점에 적용이 가능
 +
*추후 열전 소자의 발전에 의해 제품의 효율성 및 활용 범위가 증가할 수 있음
 +
*Machine Learning을 진행하면 제품의 정확도가 증가할 수 있음
  
 
===특허 출원 내용===
 
===특허 출원 내용===
내용
 

2021년 6월 17일 (목) 07:35 기준 최신판

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : TEG를 활용한 비접촉식 온도 측정 및 전송 시스템

영문 : Non-Contact Temperature Measuring and Sending System Using TEG

과제 팀명

무야홍

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 김*백(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 김*창

서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 이*호

서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 조*훈

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 권*희

서울시립대학교 환경원예학과 20155200** 김*헌

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 열전소자를 통해 발전한 전력으로 불판 온도를 측정하고 이를 표시 및 전송하는 장치의 개발을 목표로 한다. 본 과제를 통해 개발하고자 하는 제품은 불판에서 발생하는 폐열을 열전소자를 활용하여 전기 에너지로 전환하는 특징이 있기에 별도의 전력 공급 장치가 필요하지 않다. 또한, 불판의 온도 변화를 중앙에서 실시간으로 확인할 수 있기에 여러 불판을 효율적으로 관리할 수 있다는 장점이 있다. 해당 제품의 개발을 통해서 전기 절약과 인건비 절약을 기대할 수 있어 음식점 운영에 있어서 비용을 절감할 수 있다.

개발 과제의 배경

  • 열을 전기로 바꾸는 ‘열전소자’
2020년 스위스 다보스포럼에서 발간한 세계위험보고서의 내용을 보면, 1~5위 모두 환경 관련 사항이다. 세계적으로 환경 문제의 심각성을 깨달았으며, 다양한 규제들로 우리 일상을 변화시키고 있다. 대한민국 또한 ‘그린뉴딜’ 정책을 통해 친환경 사회 구축에 힘을 쏟고 있으며, 해결책 중 하나인 신재생 에너지에 주목하고 있다. 특히, 열에너지를 활용한 ‘열전소자’는 기술적인 한계로 상용화에 어려움을 겪고 있지만, 지구의 모든 열원에서 에너지를 확보할 수 있기에 가치를 인정받고 있다. 때문에, 고온의 열을 다루는 불판에 열전소자를 적용한다면 높은 효율로 인해 충분한 전력 생산이 기대된다. 
  • 전문 서버를 활용한 고깃집의 증가
기술의 발전과 더불어 맛과 서비스 두 가지 측면을 고려한 다양한 식당들이 생기고 있다. 식당은 맛을 잡기 위해 다양한 조리법들을 활용하며, 서비스를 위해서는 손님의 식사 환경을 최우선으로 생각하고 있다. 이런 흐름에 맞추어 고깃집은 고기를 직접 구워주는 전문 서버를 활용하는 모습을 볼 수 있다. 서버는 고기를 불판에 올리는 순간부터 다 익을 때까지 손님의 테이블을 담당하기에 손님은 맛있는 고기를 먹을 수 있으며, 편안한 식사 시간을 가질 수 있다. 초기의 전문 서버는 우수한 품질의 소고기를 다루는 식당에서 볼 수 있었지만, 이제는 우리 주변 여러 고깃집에서 서버를 접할 수 있다. 전문 서버 운영은 소규모 매장에서 괜찮지만, 규모가 큰 매장에서는 손님의 인원과 비례하여 서버 인력이 필요하기에 인력 고용에 큰 비용이 요구된다. 때문에, 적은 인력으로도 매장을 관리할 수 있는 효율적인 시스템이 이를 해결할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과제의 목표는 별도의 전력 없이 불판 온도 감지 및 무선 전송 장치 개발을 목표로 한다. 이에 따라 다음 목표를 달성하고자 한다.

1. 열전소자의 충분한 생산 전력을 위해 모듈의 하단부와 상단부의 온도 차이를 충분히 유지한다.
2. 범용성의 증대를 위해 다양한 모양의 불판에 적용 가능한 제품을 제작한다. 
3. 아두이노를 통해 블루투스 모듈을 구현하고, 중앙서버로 실시간 온도 데이터를 전송한다.
4. 데이터를 일괄 통제할 수 있는 어플리케이션을 제작한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

  • 전 세계적인 기술현황

1.state of art.png

  • 특허조사 및 특허 전략 분석

3.특허조사.png

  • 기술 로드맵

2.기술 로드맵.png

사람들은 조리 기구나 음식의 온도를 측정함으로써 항상 정해진 조리법대로 조리하여 일정하고 질 좋은 음식을 조리하고자 하였다. 이를 위해 초기에는 요리용 온도계를 직접 측정하고 싶은 위치에 접촉시켜 온도를 측정하였다. 이후 적외선 온도계가 개발되어 온도계를 비접촉으로 편하게 온도를 측정할 수 있게 되었다. 그럼에도 아직 온도를 측정하기 위해 직접 온도계를 들어서 온도를 측정해야 하는 번거로움이 남아있다. 이를 해결하기 위해 자동으로 온도를 측정하여 알려주는 시스템이 보편화될 것이라 예상된다.

시장상황에 대한 분석

  • 경쟁제품 조사 비교

4.경쟁제품 조사 비교.png

  • 마케팅 전략 제시

5.마케팅 전략.png

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

  • 기존의 적외선 온도 센서를 활용한 온도 측정이 아닌 열전소자의 전압으로 불판의 온도를 얻을 수 있기에, 별도의 온도 센서 없이 온도 측정이 가능하다.
  • 음식을 조리하기 위해서는 열에너지를 가해주어야 하는데 열원에서 나오는 에너지 중 일부만이 실제 조리에 사용되고 나머지는 에너지는 버려진다. 이 폐열을 이용하여 발전하므로 추가적인 에너지 필요 없이 이 시스템을 활용할 수 있고 생산된 전기 에너지를 다른 곳에도 적용할 수 있는 발전 가능성이 있다.
  • 블루투스를 활용해 중앙 통제 시스템과 연결하여 모든 장치를 한 번에 관리할 수 있기 때문에 효율적이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

  • 손님들이 늘 일정한 온도에서 조리할 수 있게 하여 가장 맛있는 조리법대로 조리할 수 있다. 손님들이 고기를 직접 조리하여 식당에서 고기를 구워주는 종업원의 고용을 줄일 수 있고 음식의 품질 향상에 필요한 추가적인 설비로 인한 비용을 줄일 수 있다.
  • 조리를 하는데 있어서 중요한 변수인 온도와 시간 중에서 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으므로 시간만 통제하면 되기 때문에 정량적인 조리법의 제작과 이 조리법에 따라 일정하게 조리하는 것이 훨씬 용이하다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

6.개발 일정.png

구성원 및 추진체계

  • 김*백 : 조장 / 캡스톤 서류 담당
  • 김*헌 : 제품 디자인 및 부품 제작
  • 김*창 : 제품 테스트 및 성능평가
  • 이*호 : 부품 탐색 및 구매 / 제품 조립
  • 조*훈 : 제품 디자인 / 학과 서류 담당
  • 권*희 : 특허, 논문 탐색 / 캡스톤 서류 담당

설계

설계사양

제품의 요구사항

7.제품 요구사항.png

설계 사양

1. 제품 기능성

- 제품이 불판 위에서 가동하는 동안 계속 온도 데이터를 전송하고 표시해야한다.

- 열전 소자 상하판 사이에 충분한 온도 차이가 존재하여 전원이 지속되어야 한다.

- 온도 데이터를 10m 거리에서 받을 수 있어야 한다.

2. 제품 정밀성

- 제품에서 표시되는 온도와 실제 불판의 온도의 차이가 10℃ 이내여야 한다.

3. 제품 범용성

- 제품이 여러 불판에 사용할 수 있게 하기 위해 열전부 하부 기준으로 제품의 높이가 위아래로 10cm 조절할 수 있게 해야 한다.

개념설계안

9.개념설계안.png

  • 회로부, 연결부, 길이 조절부, 열전부로 이루어져 있으며 회로부에는 설계를 구현하기 위한 회로 부품이 들어가고 열전부는 불판 위에 올라가며 열전소자, 히트 싱크, 냉각부가 들어가 있다. 열전소자가 생성한 전력으로 모든 부품을 구동시킨다. 길이 조절부로 불판의 높이에 맞게 길이를 조절할 수 있으며 연결부의 각도 조절 부품으로 안정적으로 열전부를 불판 위에 올려놓을 수 있다.

전체 구조

10.전체 구조.png

아두이노 회로

11.아두이노 회로.png

  • 발명은 열전부의 열전 소자에서 발생한 전력을 이용하여 전체 시스템을 가동한다. 열전 소자에서 출력하는 전력은 가변성이 존재하기 때문에 일정하게 전력을 출력하기 위해 배터리와 배터리를 충전하기 위한 충전 모듈, 배터리를 충전하기 위한 충분한 전압을 만들기 위해 승압 모듈을 사용한다. 본 회로를 통해 충전된 배터리를 통해 아두이노 보드, 열전 소자의 출력 전압을 측정하는 전압 센서, 전압을 측정해서 계산된 값을 출력하는 디스플레이와 사용자에게 전달하는 블루투스 모듈을 가동한다.

데이터 송출 및 디스플레이

12.데이터 송출 및 디스플레이.png

  • 본 모식도는 발명품의 회로부와 지지대 단면으로, (200)에 전압 센서와 디스플레이 및 블루투스 모듈을 포함하고 있다. (110)부분에 경질의 재료를 사용하여 무게 중심을 잡아준다. (120)부분을 통해 높이 조절이 용이하며, 범용성을 높여주었다. (210)은 전압 센서로 열전 소자에서 출력하는 전압을 측정하는 부분이다. 측정된 전압은 (240) 아두이노 보드에 전달되어 사전에 입력된 회귀식을 통해 불판 온도를 계산하여 (220)에 출력하여 사용자가 실시간으로 확인하게 한다. 또한 (230)의 블루투스 모듈을 통해 중앙 통제시스템이 이를 전송한다. 이를 통해 다수의 불판 온도를 실시간으로 확인할 수 있다.

열전소자 및 전력 전환부

13.열전소자 및 전력 전환부.png

  • 본 도면은 열전소자부(300)에 대한 도면으로 이 부분의 아랫면이 불판과 직접 접하게 된다. 위 도면에서 스테인리스 판(310)은 열전 소자를 보호하며 불판에서 올라오는 열을 열전 소자에 전달한다. 열전 소자(320)에서는 불판에서 올라온 열을 이용하여 발전이 이루어진다. 냉각부(330)에는 냉각수를 주입하여 열전 소자의 상부를 냉각하여 발전 효율을 높인다. 냉각수는 냉각수 주입부(340)를 통하여 냉각부로 주입할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

열전 모듈의 열전부

열전소자 선정

14.열전소자 선정.png

<CBM 300℃ 고온용 열전소자>

  • 장비 스펙
- 제품명 : TEP1-142T300
- 사이즈 : 40x40x3.8mm
- 내부저항 : 3.3~4.3Ω
- 동작조건 : -40 ~ 300℃
  • 해당 제품은 최대 300℃ 온도에서 사용가능한 열전소자로, 불판의 적절한 온도에 적합한 소자라 판단함.
효율 및 내구성 Test
  • 구매 후 Hot Plate에서 실험을 진행함. 명시된 제품의 스펙과 구매한 열전의 스펙이 일치하는지 확인하려고 200℃에서 냉각부 없이 Test 진행.
  • 실험 결과, 열전소자의 상부 온도가 130℃를 넘는 순간에 제품이 고장남. 이를 통해 냉각부를 결합하여 Test를 진행하기로 결정.
출력 전압 계산 및 전력 계산

15.출력 전압 계산 및 전력 계산.png

<Hot Plate에서 열전소자의 출력 전력 실험>

  • 냉각부를 스테인리스 통으로 고정하고, 800mL의 물로 수냉 및 Hot Plate 상부 온도 190℃에서 실험을 진행함. 실험 결과는 위의 사진에 명시되어있음.
  • 실험 결과 10분이 지나고, 2.7V에서 Saturation 되는 것을 확인함. 해당 전압은 실제 제품에 사용하기에는 부족하다고 판단.
  • 제품의 다양한 모듈 및 센서의 구동 전압이 5V이기에 승압 모듈을 사용하여 출력 전압을 승압하기로 결정. 전력 생산량 또한 충분하기에 열전소자의 출력 전류를 배터리에 충전하는 방식으로 결정.
시간에 따른 열전소자의 출력 전압 확인

16.시간에 따른 열전소자의 출력 전압 확인.png

<Hot Plate에서 열전소자의 출력 전력 실험>

  • 실제 제품은 고기를 굽는 동안에 충분한 전력을 생산해야 함. 때문에, 고기를 굽는 시간을 고려하여 30분 동안 열전소자의 출력 전압을 측정함.
  • 실험 결과 10분 경과 후 2.8V로 Saturation되고, 30분 후에 약 0.1V 떨어진 2.7V를 기록함. 제품 사용에 충분한 전압을 출력함.

열전 모듈의 냉각부

냉각부 소재에 따른 출력 전압 실험

17.냉각부 소재에 따른 출력 전압 실험.png

<냉각부 소재에 따른 냉각 효율 실험>

  • 스테인리스강의 열전도율은 14kcal/℃, 알루미늄의 열전도율은 196kcal/℃이다. 열전도율 이 높은 재료를 사용하였을 때 냉각의 효과가 더 좋을 것으로 예상하여 실험을 진행하였다. 스테인리스강 냉각부를 상용하였을 때 saturation 전압은 1.6V, 알루미늄 냉각부를 사용하였을 때 0.9V에서 saturation 전압이 형성되었다. 열전도율이 높은 재료를 사용하면 연전소자의 출력전압이 증가할것으로 예상하였지만 실제 실험결과는 다르게 나와 스테인리스강의 냉각부를 사용
시간에 따른 물 온도 변화

18.시간에 따른 물 온도 변화.png

열전 모듈의 회로부

승압모듈 및 충전모듈

19.승압모듈 및 충전모듈1.png

20.승압모듈 및 충전모듈2.png

<승압모듈 및 충전 모듈 구동 실험>

  • 열전소자의 출력 전압이 낮기에, 이를 승압하고자 승압모듈을 구매하였음. 또한, 생선 전류를 배터리에 충전하기위해 충전모듈을 구매하였음. 승압모듈 및 충전모듈의 성능 및 구동 여부를 확인하고자 실험을 진행함.
  • 실험 결과 150초 경과 후 두 모듈 모두 정상 작동하는 것을 알 수 있음. 승압 모듈의 구동 전압은 약 0.5~ 0.55V로 확인됨. 충전 모듈은 승압 모듈 후, 바로 작동함.
전압센서

21.전압센서1.png

<전압 센서>

22.전압센서2.png

<전압센서 구동 확인 및 calibration을 위한 실험>

  • 기존 존재하는 온도 시스템과 차별점을 주기 위해 열전소자에서 출력되는 전압 센서를 이용하는 실험을 진행. 전압 센서의 출력 전압과 멀티미터기로 측정한 전압의 일치 여부를 실험해 확인. 몇 차례 실험을 통해 전압 센서의 출력 전압과 멀티미터기의 측정값이 일치하도록 calibration 진행. 전압 센서의 신호가 아날로그에서 디지털로 가는 과정의 아두이노 코드의 변수를 수정하여 calibration을 진행.

통계적 접근을 통해 불판 온도 측정

MATLAB Anova 분석을 통한 Factor 선정

23.MATLAB Anova 분석을 통한 Factor 선정1.png

<MATLAB 3-way Anova 분석>

24.MATLAB Anova 분석을 통한 Factor 선정2.png

<MATLAB 2-way Anova 분석>

  • 불판의 실시간 온도 측정을 위해 MATLAB을 통한 회귀식을 계산하기로 결정함. 이를 위해, 열전 모듈에서 측정할 수 있는 여러 변수와 불판 온도의 관계를 알아보고자 MATLAB 프로그램의 Anova 분석을 사용함. 다양한 변수를 고정하고자 제품을 완벽히 조립 후 실험을 진행함.
  • 주요한 Factor로 냉각부 물의 온도, 열전소자 출력 전압, 시간 3가지를 선정함. 냉각부 물의 온도를 측정하고자 탐침형 온도계를 사용했고, 열전소자 출력 전압은 전압 센서로 측정 했으며, 불판의 온도는 적외선 센서를 사용함.
  • 실험은 2번 진행했으며, 30분 동안 Saturation 불판 온도의 차이를 두어 205℃ 및 225℃로 진행함. Data는 30분동안 10초 간격으로 수집하였음.
  • 3-way Anova 분석 결과, Time*Voltage*WaterTemperature 항목의 P-Value가 0.84221로 Pooling을 진행하였고, 2-way Anova 분석을 진행하기로 함.
  • 2-way Anova 분석 결과, 더이상 Pooling할 필요 없이 회귀식을 구성하기로 결정함.
MATLAB 불판 온도 회귀식의 결정계수 분석

25.MATLAB 불판 온도 회귀식의 결정계수 분석.png

<MATLAB을 통한 불판 온도의 회귀식 결정계수 분석>

  • 2-way Anova 분석 식을 토대로 계산된 회귀식의 Factor별 상관관계를 분석하고자 결정계수 값을 계산함. 0~1 사이 값 중 0.963으로 회귀식이 적합함을 알 수 있음.
MATLAB 시간과 전압으로 물의 온도 구하기

26.MATLAB 시간과 전압으로 물의 온도 구하기1.png

<MATLAB을 통한 물 온도의 2-way Anova 분석 결과>

27.MATLAB 시간과 전압으로 물의 온도 구하기2.png

<MATLAB을 통한 물 온도의 회귀식 결정계수 분석>

  • Factor 중 하나인 물의 온도 값을 시간과 전압 값으로 계산 가능한지 알고자 2-way Anova 분석을 시행함. 결과적으로 P-Value 모두 0에 수렴했으며, 이를 토대로 계산 된 회귀식의 결정계수 값 또한 0.991로 매우 적합함을 알 수 있음.
MATLAB 통한 회귀식 도출

28.MATLAB 통한 회귀식 도출.png

  • 앞의 과정을 통해 불판 온도를 계산하고자 시간, 전압, 물의 온도를 Factor로 선정하여 회귀식을 구하였고, 물의 온도는 시간과 전압의 관계로 계산하고자 이 또한 회귀식으로 구함. 결과적으로 두 회귀식 모두 높은 결정계수를 확인하였고, 불판의 온도를 구하기 위해 실시간으로 필요한 Data는 시간과 전압이 됨.
  • 회귀식의 정확성은 Data의 수와 비례하기에, 실험 반복 횟수가 증가할 수록 불판의 온도를 더욱 정확히 계산할 수 있음.

Graph

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  • 실험 결과를 Origin 프로그램을 사용하여 Plot함. 위의 3개 그래프는 전압 그래프로, 순서대로 Time Scale이 0~1800초, 100~300초, 160~200초임. 이를 통하여 승압 모듈이 실제로 0.5V 부근에서 승압함을 알 수 있었으며, 이때 Voltage Drop 현상이 일어남. 승압 이후 200초 이후에는 다시 기존의 그래프 계형과 동일하게 전압이 측정됨을 알 수 있음. 이를 통해 승압 과정에서의 전압 측정이 제대로 되지 않음을 알 수 있고, 이는 회귀식에 영향을 미침.
  • 결과적으로 회귀식의 정확성을 올리고자 이 부분은 MATLAB의 Curve Fitting 기능을 활용하여 Plot함.
  • 최종적으로, 시간에 따른 전압, 물의 온도, 팬의 온도를 아래 3개의 그래프에 순서대로 10 point Loess Smoothing 처리 후 Plot을 하였다.

상세설계 내용

조립도

가. 조립도

  • 전체 조립도

1.전체조립도.png

  • 열전부 내부 조립도

2.열전부 내부 조립도.png

나. 조립 순서

1. 외부 프레임의 내부에 히트 싱크와 열전소자를 써멀 그리스를 발라 결합하고 열전소자 위에 냉각부를 써멀 그리스를 발라 결합한다.
2. 길이 조절부를 회로부 케이스의 구멍에 끼워 결합한다. 
3. 각도 조절 부품과 스테인리스 연결부를 결합한다. 
4. 연결부와 열전부의 외부 프레임을 부착한다. 
5. 회로부 케이스의 내부에는 연결한 회로 부품을 넣는다.

부품도

1. 회로부 케이스

  • 정면도

3.회로부정면.png

  • 평면도

4.회로부평면.png

  • 좌측면도

5.회로부측면.png

2. 회로부 케이스 뚜껑

6.회로부뚜껑.png

3. 각도 조절 연결 부품

7.회로부부품측면.png 8.회로부부품정면.png

제어부 및 회로 설계

회로도

9.회로도.png

  • 열전소자가 생성한 전압을 일정하게 유지하기 위하여 승압 모듈을 통해 5V로 승압하여 충전 모듈로 충전식 배터리에 전력을 충전한다. 온도 데이터를 측정하기 위해 전압 측정 모듈을 사용하여 열전소자의 전압을 측정한다. 충전된 전력으로 블루투스 모듈과 디스플레이 모듈을 구동한다.

소프트웨어 설계

회로 알고리즘

10.회로알고리즘.png

  • 열전소자의 전압 데이터를 받아 온도 데이터를 계산하여 블루투스 모듈과 디스플레이 모듈에 온도 데이터를 전달한다. 온도 데이터가 존재한다면 블루투스 모듈은 온도를 어플리케이션으로 전송하고 디스플레이 모듈은 온도를 표시한다.

애플리케이션 제작

11.어플리케이션.png

  • MIT APP INVENTOR를 이용하여 테이블마다의 온도를 표시해주는 애플리케이션을 제작하였다. 열전소자의 전압으로 측정한 온도는 회로의 블루투스 모듈을 통해 온도를 전송해준다.

자재소요서

무야홍자재소요서.PNG

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

12.프로토타입1.png 13.프로토타입2.png

포스터

14.포스터.png

관련사업비 내역서

무야홍개발.PNG

완료작품의 평가

완료작품평가.PNG

향후계획

  • 본 제품은 실험 데이터를 이용하여 통계적으로 도출한 회귀 식에 열전 소자의 출력 전압을 입력하여 불판온도 계산 가능
  • 본 제품은 별도의 전력 공급장치가 필요하지 않아 추가적인 설비 없이 사용 가능
  • 이 제품은 현재 육류를 취급하는 모든 음식점에 적용이 가능
  • 추후 열전 소자의 발전에 의해 제품의 효율성 및 활용 범위가 증가할 수 있음
  • Machine Learning을 진행하면 제품의 정확도가 증가할 수 있음

특허 출원 내용