工業(yè)測溫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超越預(yù)測維護的階段，成為一種主要的傳感技術(shù)。此類的過程工業(yè)應(yīng)用包括玻璃制品和塑料包裝薄膜的生產(chǎn)。

隨著可預(yù)測設(shè)備維護的紅外熱象應(yīng)用日趨白熱化，工廠工程師們越來越清楚，關(guān)鍵傳感器的優(yōu)越性能可以保證控制系統(tǒng)在我們的掌控之中。

紅外熱成像技術(shù)或者熱成像技術(shù)，通過監(jiān)測物體發(fā)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(yīng)不同的顏色，使肉眼能夠識別非常狹窄的溫度區(qū)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(qū)間，而這一區(qū)間內(nèi)的顏色肉眼是無法識別的。更重要的是，此類設(shè)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(shù)的發(fā)展趨勢

歷史上，熱成像技術(shù)的發(fā)展是依靠將自身適應(yīng)于新的應(yīng)用領(lǐng)域，進而鞏固其地位，然后再擴展到其他應(yīng)用領(lǐng)域。它最早的工業(yè)應(yīng)用始于20世紀(jì)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(shè)計或者工藝過程進行修改，進而改進生產(chǎn)。

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

一些設(shè)計人員也使用熱成像技術(shù)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(shù)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(jì)90年代，設(shè)備工程師開始開發(fā)可預(yù)測性維護程序，與常規(guī)溫度檢測結(jié)合。他們定期收集一些設(shè)備的溫度參數(shù)，例如電動馬達、變速齒輪、變壓器和其他功率設(shè)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(chǎn)生過熱或過冷點，盡早發(fā)現(xiàn)這些問題可以避免重大故障的發(fā)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(shù)來幫助控制生產(chǎn)過程。如果知道了關(guān)鍵點溫度在時間和空間上的變化，工程師就可以調(diào)整自動控制系統(tǒng)的設(shè)定值和參數(shù)，以改進產(chǎn)品的質(zhì)量和提高產(chǎn)量。

例如，塑料包裝薄膜是通過連續(xù)的擠壓過程生產(chǎn)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(jīng)過壓模機，每分鐘壓出120到140英尺的片料。承料網(wǎng)上有一定應(yīng)力，當(dāng)片料經(jīng)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(dāng)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(wǎng)上的多個區(qū)域組成，每個區(qū)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(dǎo)致材料的粘性過高，不能被充分拉伸，最終這部分材料的內(nèi)部應(yīng)力會損壞承料網(wǎng)。

紅外熱像技術(shù)和紅外線成像技術(shù)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(qū)別在于將電磁輻射轉(zhuǎn)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(fā)射出電磁輻射。光譜強度（這個強度是頻率或者波長的函數(shù)）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(xiàn)在無線電和微波頻率范圍內(nèi)；常溫物體（幾百開爾文）峰值出現(xiàn)在紅外線光譜區(qū)域，高溫物體（幾千開爾文或者更高）峰值出現(xiàn)在可見光譜區(qū)域內(nèi)。

紅外線成像儀使用區(qū)域掃描技術(shù)，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(tǒng)中，被測物的移動產(chǎn)生垂直解析度。

熱輻射的峰值頻率隨著溫度的升高而平穩(wěn)增加，從黃色到藍色，再到紫外區(qū)以及自外之后的區(qū)域。人類將藍色與冷、紅色與熱聯(lián)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(xué)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(lián)系。

熱像儀和紅外線照相機所感應(yīng)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(chǎn)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(zhì)上是一個區(qū)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(yīng)，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(yōu)質(zhì)的照片。

CCD攝像頭通過將射入光量子的能量轉(zhuǎn)換成自由電子，進而對入射光產(chǎn)生反應(yīng)。每入射一個光量子，就產(chǎn)生一定數(shù)量的自由電子，一塊電路板負責(zé)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(yīng)。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(shè)備作為傳感元件。熱輻射測量儀將射入的輻射轉(zhuǎn)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(tǒng)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(shè)備和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成）提供數(shù)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(guān)注一條線上的像素。第二個維度需要創(chuàng)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(xiàn)，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(zhì)區(qū)別在于：紅外熱像儀繪制的圖像是一個位置的函數(shù)，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(yīng)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(yīng)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(fù)雜的系統(tǒng)中，加熱器可以以閉環(huán)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(nèi)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(tǒng)工程師將帶有熱電偶的探針插入供料管內(nèi)的流體中。控制系統(tǒng)即使通過這種方法來保持流體溫度處于設(shè)定值，流體溫度也會不時地變動。為了計算一定寬度內(nèi)溫度的變化，每根供料管都分別控制，所以整張承料網(wǎng)上的每根供料管（每個區(qū)域）的設(shè)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(yīng)力的關(guān)鍵因素。當(dāng)然，整個承料網(wǎng)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(huán)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(tài)。

可視化溫度識別

Optex Process Solutions公司的Andy Christie協(xié)助膠卷生產(chǎn)商處理這些問題，確保承料網(wǎng)工藝的優(yōu)化和受控。當(dāng)物料剛從模具中出來的時候，他就使用一臺熱像儀來監(jiān)控承料網(wǎng)上重要區(qū)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(dāng)承料網(wǎng)通過視野的時候，就開始垂直掃描。這樣，熱像儀在承料網(wǎng)的移動方向上，大約每秒鐘進行30次掃描。承料網(wǎng)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(jié)果水平顯示。線上不同顏色的點代表承料網(wǎng)上相應(yīng)點的不同溫度。操作員可以調(diào)整溫度區(qū)間的寬度，以匹配重要點的溫度范圍。

Christie說：“假設(shè)目標(biāo)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(qū)間的溫度用白色或黑色表示。如果這個溫度區(qū)間是100-1,000 °F，Christie會擴充顏色，來覆蓋整個區(qū)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(tǒng)繪出一副偽彩色圖，水平相當(dāng)于垂直于承料網(wǎng)的移動方向，垂直相當(dāng)于沿著承料網(wǎng)移動的方向。

例如，如果一個供料管加熱器的控制循環(huán)發(fā)生抖動，與此管相應(yīng)的垂直線的顏色就會發(fā)生周期性的變化。同樣的，如果一根供料管持續(xù)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(yīng)的是較高的溫度。

這個系統(tǒng)允許工藝工程師分別閉環(huán)控制每一個供料管的溫度，并調(diào)整其設(shè)定值。例如，如果發(fā)現(xiàn)承料網(wǎng)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(diào)高邊緣供料管的設(shè)定值，使整張承料網(wǎng)的溫度統(tǒng)一。

圖2：熱成像圖被設(shè)備工程師用來監(jiān)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(jīng)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(shù)據(jù)和定性的偽彩色圖結(jié)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(qū)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(yīng)用卻沒什么益處。

玻璃回火

承料網(wǎng)的過程控制并不是唯一使用熱像儀數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)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(nèi)部應(yīng)力。這種方法產(chǎn)生的應(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)部的原子已經(jīng)可以脫離內(nèi)部應(yīng)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(dāng)玻璃片在熔爐中被加熱之后，它就進入風(fēng)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(fēng)冷爐中，速率為每分鐘1000-1500英寸。和承料網(wǎng)應(yīng)用中同樣模式的掃描儀，從上方向下監(jiān)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(nèi)的液位。在傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(wǎng)上的濕度不一致引起的溫度變化。高濕度加快了蒸發(fā)。因為蒸發(fā)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(yīng)通過熱像儀的溫度數(shù)據(jù)，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(shù)，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(fēng)冷爐是一個有很多洞的平板，冷風(fēng)從洞向上吹到玻璃片上，冷風(fēng)迅速使玻璃“解凍”，使玻璃鎖定在一個均衡的應(yīng)變場中，這個應(yīng)變場由退火溫度和退火率決定，這個均衡的應(yīng)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(fēng)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(nèi)一系列安裝在傳送帶上方的輻射加熱元件實現(xiàn)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(tǒng)來完成的，而系統(tǒng)通過Profibus與比例控制器通訊。

加熱元件的設(shè)定值在600-700 ℃區(qū)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(yīng)用一樣，熱像儀使Matukonis能夠監(jiān)測熔爐和風(fēng)冷爐中間的溫度，此處的溫度是最關(guān)鍵的。目前，只有熱像儀可以將溫度數(shù)據(jù)的的時間域變化轉(zhuǎn)換成空間表達方式采集進來。而且，和承料網(wǎng)的應(yīng)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(diào)整加熱器的設(shè)定值，是控制系統(tǒng)流暢運作。

從輔助變成主要

控制工程師已經(jīng)注意到了熱像儀能夠優(yōu)化控制環(huán)路設(shè)定值的特點，那么下一步就是把人從這個控制環(huán)路中去除。他們將開發(fā)一種算法，使過程控制能夠自動運行，同時增加控制的級數(shù)，使自動生產(chǎn)系統(tǒng)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(diào)整過程控制，未來的系統(tǒng)會給熱像儀配備可編程自動控制器（PACs），用于計算適宜的設(shè)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(shù)據(jù)，而PACs用于分析這些數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化成更加直接的過程參數(shù)，例如坡度、液位和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。這種系統(tǒng)會優(yōu)化整個生產(chǎn)過程，最佳化質(zhì)量和產(chǎn)量。(en