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工業測溫技術的發展已經超越預測維護的階段，成為一種主要的傳感技術。此類的過程工業應用包括玻璃制品和塑料包裝薄膜的生產。

隨著可預測設備維護的紅外熱象應用日趨白熱化，工廠工程師們越來越清楚，關鍵傳感器的優越性能可以保證控制系統在我們的掌控之中。

紅外熱成像技術或者熱成像技術，通過監測物體發射的紅外線來繪制此物體的表面溫度圖譜。一臺紅外熱像儀將不同的溫度對應不同的顏色，使肉眼能夠識別非常狹窄的溫度區間。所有的熱像儀在其圖像中都使用“偽色彩”，因為實際的色彩都位于紅外區間，而這一區間內的顏色肉眼是無法識別的。更重要的是，此類設備還具有分析圖像并從圖像中提取精確的控制信息的能力。

熱成像技術的發展趨勢

歷史上，熱成像技術的發展是依靠將自身適應于新的應用領域，進而鞏固其地位，然后再擴展到其他應用領域。它最早的工業應用始于20世紀80年代，用于電子元器件裝配的失效分析。工程師分析那些沒有通過電氣檢查的電路板的熱像圖，希望對設計或者工藝過程進行修改，進而改進生產。

圖1： 加熱器的熱像圖顯示了溫度的變化，藍色區域是最熱處，而紅色區域是最冷處

一些設計人員也使用熱成像技術來分析原型板上的熱流。在沒有計算機熱流仿真的情況下（計算機熱流仿真將在之后討論），熱成像技術為電子裝配中的熱源控制提供了最快且最廉價的工具。

到20世紀90年代，設備工程師開始開發可預測性維護程序，與常規溫度檢測結合。他們定期收集一些設備的溫度參數，例如電動馬達、變速齒輪、變壓器和其他功率設備。初始機械裝置失效，例如軸承磨損、絕緣擊穿和接觸腐蝕都會產生過熱或過冷點，盡早發現這些問題可以避免重大故障的發生。

我們正處在這樣一個階段，工藝工程師正在采用測溫技術來幫助控制生產過程。如果知道了關鍵點溫度在時間和空間上的變化，工程師就可以調整自動控制系統的設定值和參數，以改進產品的質量和提高產量。

例如，塑料包裝薄膜是通過連續的擠壓過程生產的。聚合材料被加溫到熔點以上，以液體形式進入擠壓機，此時聚合材料的粘性介于糖和水之間，材料越熱，粘性越低。

許多管子用來供料，材料經過壓模機，每分鐘壓出120到140英尺的片料。承料網上有一定應力，當片料經過一個叫做壓模機的冷卻滾輪時，每分鐘將被拉伸到1000到2000英尺，此工藝會將片料冷卻，凝固，確定尺寸。

當然，在給定拉伸力的情況下，材料的粘性會影響它的拉伸量。溫度更高、粘性更低的材料會比溫度低、粘性大的材料拉伸的更大、更薄。

這些寬度超過400英寸，厚度只有幾分之一英寸的片料，由承料網上的多個區域組成，每個區域有一根供料管。片料的最終形狀由供料管的熔化溫度決定。如果供料管的溫度太低，就會導致材料的粘性過高，不能被充分拉伸，最終這部分材料的內部應力會損壞承料網。

紅外熱像技術和紅外線成像技術的競爭

雖然都是檢測物體在常溫下放射出的紅外線熱輻射，進而將其形成圖像，紅外熱像儀和紅外線照相機卻是兩種十分不同的方法。主要的區別在于將電磁輻射轉換成電信號輸出的傳感元件。

只要不是絕對零度，任何物體都會發射出電磁輻射。光譜強度（這個強度是頻率或者波長的函數）具有特征形狀，在0頻率處為0，然后快速達到峰值，在頻率無窮大處又漸近于0。隨著物體溫度的上升，這個強度峰值向高頻率（短波長）處移動。

對于低溫物體（幾十開爾文）峰值出現在無線電和微波頻率范圍內；常溫物體（幾百開爾文）峰值出現在紅外線光譜區域，高溫物體（幾千開爾文或者更高）峰值出現在可見光譜區域內。

紅外線成像儀使用區域掃描技術，同時收集圖像的所有部分的紅外線輻射；
而紅外熱像儀使用一面移動鏡頭，以每次一個像素的速度移動。順序掃描
系統中，被測物的移動產生垂直解析度。

熱輻射的峰值頻率隨著溫度的升高而平穩增加，從黃色到藍色，再到紫外區以及自外之后的區域。人類將藍色與冷、紅色與熱聯系起來，這是因為人類進化進程中的一件事：我們的祖先遇到的最冷的物體就是水和冰，而它們是藍色的，因為反射了藍天的顏色；遇到的最熱的物體就是野火，是紅色或者黃色的。天文學家遇到的物體（星體）的溫度從幾千開爾文到上百萬開爾文，他們將紅色和冷、藍色和熱相聯系。

熱像儀和紅外線照相機所感應到的紅外線的波長是人眼無法感知的，所以儀器將不同的顏色分配給不同的波長，這就產生了我們所謂的“偽彩色圖像”。

由圖所示，一臺紅外線照相機本質上是一個區域掃描的帶有電荷耦合攝像頭的照相機，它在前端帶有紅外線濾鏡。硅CCD元件對光譜的紅外線部分和可見光部分都有強烈的反應，所以專門用于可見光的CCD攝像頭必須濾除紅外光以獲得優質的照片。

CCD攝像頭通過將射入光量子的能量轉換成自由電子，進而對入射光產生反應。每入射一個光量子，就產生一定數量的自由電子，一塊電路板負責收集這些自由電子，上述就是“CCD”這個名字的含義。因此，紅外線成像儀直接對每個像素的光量子流量做出反應。攝像頭的解析度也取決于像素點的大小。

而熱像儀使用一種叫做“熱輻射測量儀”的設備作為傳感元件。熱輻射測量儀將射入的輻射轉換成熱，這些熱量增加了傳感元件的溫度，然后測量這個溫升，這樣就可以更直接地反映物體的溫度。

要生成一幅熱像，熱像儀開始于用紅外光形成一幅圖像，一個動靜系統越過熱輻射測量儀掃描這個圖像，此時的輸出電信號具有光柵掃描視頻輸出的特點。最后，一個波形獲取電路（有一個采樣-保持設備和模擬-數字轉換器組成）提供數字輸出。熱像儀的解析度取決于熱輻射測量儀的維度和采樣速率。

“圖像順序掃描”這個詞暗示了成像儀只關注一條線上的像素。第二個維度需要創造一個二維圖像，可以通過在成像儀的視野中移動物體來實現，移動的方向垂直于掃描線。

紅外熱像儀和紅外線成像儀的本質區別在于：紅外熱像儀繪制的圖像是一個位置的函數，而紅外線成像儀繪制的是紅外線的密度圖。紅外線成像儀的相應速度很快，而紅外線熱像儀的掃描率受到熱輻射測量儀相應速度的限制。

因此，主要的過程控制就是對供料管中的熔化的聚合物的溫度進行控制。在一個復雜的系統中，加熱器可以以閉環的方式控制熔化溫度。因為熔化的聚合材料在供料管中流動的很快，所以供料管的管壁和內部聚合物的材料溫度會有顯著差異。

重要的是控制物料溫度，而不是供料管的溫度，所以控制系統工程師將帶有熱電偶的探針插入供料管內的流體中。控制系統即使通過這種方法來保持流體溫度處于設定值，流體溫度也會不時地變動。為了計算一定寬度內溫度的變化，每根供料管都分別控制，所以整張承料網上的每根供料管（每個區域）的設定值都是不同的。

還存在一個問題：熔化物料在從供料管流向模具的過程中會損失一些熱量，從模具到壓模機的過程也是如此。從模具到壓模機的溫度變化是引起應力的關鍵因素。當然，整個承料網上的熱損失率是不同的，中間處是最低的，邊緣處較高。如果沒有閉環控制，片料邊緣就會冷卻，變得粘稠，而片料中間仍舊很熱，呈液態。

可視化溫度識別

Optex Process Solutions公司的Andy Christie協助膠卷生產商處理這些問題，確保承料網工藝的優化和受控。當物料剛從模具中出來的時候，他就使用一臺熱像儀來監控承料網上重要區域的溫度變化。

Raytek EC100型線掃描熱像儀，有一個掃描線那么高的視野，當承料網通過視野的時候，就開始垂直掃描。這樣，熱像儀在承料網的移動方向上，大約每秒鐘進行30次掃描。承料網的速度除以掃描速率就決定了下一個平行測溫線的位置。

圖像采集器取得每條獨立的掃描線以后，直接傳送給手提電腦，電腦將掃描結果水平顯示。線上不同顏色的點代表承料網上相應點的不同溫度。操作員可以調整溫度區間的寬度，以匹配重要點的溫度范圍。

Christie說：“假設目標溫度是610°F，溫度的變化從595°F到620°F。我會將低溫595°F顯示為藍色，高溫620°F顯示為黃色，中間以光譜形式過渡。”

超過或低于這個溫度區間的溫度用白色或黑色表示。如果這個溫度區間是100-1,000 °F，Christie會擴充顏色，來覆蓋整個區間。

隨著新的掃描點進入電腦，上一個掃描線上移，空出屏幕的下部來顯示新掃描點。隨著時間的推移，系統繪出一副偽彩色圖，水平相當于垂直于承料網的移動方向，垂直相當于沿著承料網移動的方向。

例如，如果一個供料管加熱器的控制循環發生抖動，與此管相應的垂直線的顏色就會發生周期性的變化。同樣的，如果一根供料管持續地過熱，那么圖像上就會顯示出一根垂直的條紋，條紋的顏色對應的是較高的溫度。

這個系統允許工藝工程師分別閉環控制每一個供料管的溫度，并調整其設定值。例如，如果發現承料網邊緣處的溫度由于熱量的過分流失而低于中間部分的溫度，工程師就可以調高邊緣供料管的設定值，使整張承料網的溫度統一。

圖2：熱成像圖被設備工程師用來監測一些事故的苗頭。由
上圖可以判斷中間的電動機的溫度要比其他電動機高

Christie說：“你也可以同時打開多個窗口，我就經常再打開一個用來顯示上次掃描的窗口。”圖形顯示采用了定量數據和定性的偽彩色圖結合的方式，使熱像儀比紅外照相機的簡單定性圖像要實用的多。它可以提供實際的測量值，而后者只能進行“那個區域比較熱”諸如此類的描述，雖然對維護程序有些作用但是對控制類應用卻沒什么益處。

玻璃回火

承料網的過程控制并不是唯一使用熱像儀數據進行生產過程控制的例子。例如玻璃回火，需要將一整塊玻璃片置于高于其軟化點的恒溫下，然后快速地淬火，引入內部應力。這種方法產生的應力比普通玻璃高4-5倍，使玻璃在被打碎時變成小塊的立方體而不是大塊鋒利的碎片。

普通的玻璃可以被比作非常粘稠的液體，它粘度如此之高以至于在通常大小力的作用下的流動是無法察覺的。然而，隨著溫度上升，玻璃的粘度下降。在玻璃化轉變溫度（550-650 °F），如果有支撐措施，玻璃仍能很好地保持其形狀，但其內部的原子已經可以脫離內部應力的束縛自由移動了。

鋼化玻璃淬火的工藝工程師Clifford Matukonis解釋道：“當玻璃片在熔爐中被加熱之后，它就進入風冷爐。”對于最好的控制溫度，他將熔爐中的玻璃通過傳送帶運送至風冷爐中，速率為每分鐘1000-1500英寸。和承料網應用中同樣模式的掃描儀，從上方向下監測玻璃片，掃描線垂直于傳送帶運送方向，掃描整個玻璃片上的平行條紋。

測量的不僅僅是溫度

也許會令人驚訝的是，紅外熱像儀還可以進行溫度以外的測量。例如，一個沒有充滿的儲罐的外部溫度通常會顯示儲罐內的液位。在傳統的液位傳感器無法作用的某些液位維持場合，紅外熱像儀就可以起到作用。一臺熱像儀可以顯示出一個充油高壓絕緣隔離器的油高低于警戒值，這時圖像分析軟件就可以輕松地發現這個問題，并打開一個泵，對低壓的一邊充油。下一幅圖顯示的是在造紙網上的濕度不一致引起的溫度變化。高濕度加快了蒸發。因為蒸發是一個吸熱過程，所以濕度高的地方偏冷，這種定義完美的效應通過熱像儀的溫度數據，就可以得到量化的濕度值。

圖3：熱像圖可用來測量一些非熱參數，例如高壓絕緣體的油位

圖4：熱像圖顯示了紙張的相對濕度

風冷爐是一個有很多洞的平板，冷風從洞向上吹到玻璃片上，冷風迅速使玻璃“解凍”，使玻璃鎖定在一個均衡的應變場中，這個應變場由退火溫度和退火率決定，這個均衡的應力場促成了鋼化玻璃的特性。

Matukonis說：“我們通常把掃描儀置于熔爐和風冷爐之間，在那一點上，我們可以找出整張玻璃片的溫度變化梯度。”

鋼化玻璃的工藝控制是通過熔爐內一系列安裝在傳送帶上方的輻射加熱元件實現的。每一個加熱元件都有一個使用熱電偶作為傳感器的比例控制器。整個工藝控制是通過基于PC機的系統來完成的，而系統通過Profibus與比例控制器通訊。

加熱元件的設定值在600-700 ℃區間變化，改變每一個加熱元件的溫度，就可以校正整塊玻璃的溫度一致性，而這塊玻璃最終溫度是由它在熔爐中的時間決定的（這個時間由傳送帶的速度決定）。如果傳送帶的速度較慢，則玻璃在爐中的時間較長，所以玻璃就可以達到較高的最終溫度。

與Christie的膠片積壓成型應用一樣，熱像儀使Matukonis能夠監測熔爐和風冷爐中間的溫度，此處的溫度是最關鍵的。目前，只有熱像儀可以將溫度數據的的時間域變化轉換成空間表達方式采集進來。而且，和承料網的應用一樣，由于既可以知道片料的最終溫度，又可以知道片料上的溫度變化梯度，這使得Matukonis可以調整加熱器的設定值，是控制系統流暢運作。

從輔助變成主要

控制工程師已經注意到了熱像儀能夠優化控制環路設定值的特點，那么下一步就是把人從這個控制環路中去除。他們將開發一種算法，使過程控制能夠自動運行，同時增加控制的級數，使自動生產系統具備更高的魯棒性。

工廠中把熱像儀作為一種獲得定量信息的主要傳感器，它可以幫助工程師調整過程控制，未來的系統會給熱像儀配備可編程自動控制器（PACs），用于計算適宜的設定值，傳給每個過程控制的PID控制器。這些熱像儀用來收集空間域和時間域的溫度數據，而PACs用于分析這些數據，并將其轉化成更加直接的過程參數，例如坡度、液位和控制系統穩定性。這種系統會優化整個生產過程，最佳化質量和產量。(en