工业测温技术的发展已经超越预测维护的阶段，成为一种主要的传感技术。此类的过程工业应用包括玻璃制品和塑料包装薄膜的生产。

随着可预测设备维护的红外热象应用日趋白热化，工厂工程师们越来越清楚，关键传感器的优越性能可以保证控制系统在我们的掌控之中。

红外热成像技术或者热成像技术，通过监测物体发射的红外线来绘制此物体的表面温度图谱。一台红外热像仪将不同的温度对应不同的颜色，使肉眼能够识别非常狭窄的温度区间。所有的热像仪在其图像中都使用“伪色彩”，因为实际的色彩都位于红外区间，而这一区间内的颜色肉眼是无法识别的。更重要的是，此类设备还具有分析图像并从图像中提取精确的控制信息的能力。

热成像技术的发展趋势

历史上，热成像技术的发展是依靠将自身适应于新的应用领域，进而巩固其地位，然后再扩展到其他应用领域。它最早的工业应用始于20世纪80年代，用于电子元器件装配的失效分析。工程师分析那些没有通过电气检查的电路板的热像图，希望对设计或者工艺过程进行修改，进而改进生产。

图1： 加热器的热像图显示了温度的变化，蓝色区域是最热处，而红色区域是最冷处

一些设计人员也使用热成像技术来分析原型板上的热流。在没有计算机热流仿真的情况下（计算机热流仿真将在之后讨论），热成像技术为电子装配中的热源控制提供了最快且最廉价的工具。

到20世纪90年代，设备工程师开始开发可预测性维护程序，与常规温度检测结合。他们定期收集一些设备的温度参数，例如电动马达、变速齿轮、变压器和其他功率设备。初始机械装置失效，例如轴承磨损、绝缘击穿和接触腐蚀都会产生过热或过冷点，尽早发现这些问题可以避免重大故障的发生。

我们正处在这样一个阶段，工艺工程师正在采用测温技术来帮助控制生产过程。如果知道了关键点温度在时间和空间上的变化，工程师就可以调整自动控制系统的设定值和参数，以改进产品的质量和提高产量。

例如，塑料包装薄膜是通过连续的挤压过程生产的。聚合材料被加温到熔点以上，以液体形式进入挤压机，此时聚合材料的粘性介于糖和水之间，材料越热，粘性越低。

许多管子用来供料，材料经过压模机，每分钟压出120到140英尺的片料。承料网上有一定应力，当片料经过一个叫做压模机的冷却滚轮时，每分钟将被拉伸到1000到2000英尺，此工艺会将片料冷却，凝固，确定尺寸。

当然，在给定拉伸力的情况下，材料的粘性会影响它的拉伸量。温度更高、粘性更低的材料会比温度低、粘性大的材料拉伸的更大、更薄。

这些宽度超过400英寸，厚度只有几分之一英寸的片料，由承料网上的多个区域组成，每个区域有一根供料管。片料的最终形状由供料管的熔化温度决定。如果供料管的温度太低，就会导致材料的粘性过高，不能被充分拉伸，最终这部分材料的内部应力会损坏承料网。

红外热像技术和红外线成像技术的竞争

虽然都是检测物体在常温下放射出的红外线热辐射，进而将其形成图像，红外热像仪和红外线照相机却是两种十分不同的方法。主要的区别在于将电磁辐射转换成电信号输出的传感元件。

只要不是绝对零度，任何物体都会发射出电磁辐射。光谱强度（这个强度是频率或者波长的函数）具有特征形状，在0频率处为0，然后快速达到峰值，在频率无穷大处又渐近于0。随着物体温度的上升，这个强度峰值向高频率（短波长）处移动。

对于低温物体（几十开尔文）峰值出现在无线电和微波频率范围内；常温物体（几百开尔文）峰值出现在红外线光谱区域，高温物体（几千开尔文或者更高）峰值出现在可见光谱区域内。

红外线成像仪使用区域扫描技术，同时收集图像的所有部分的红外线辐射；
而红外热像仪使用一面移动镜头，以每次一个像素的速度移动。顺序扫描
系统中，被测物的移动产生垂直解析度。

热辐射的峰值频率随着温度的升高而平稳增加，从黄色到蓝色，再到紫外区以及自外之后的区域。人类将蓝色与冷、红色与热联系起来，这是因为人类进化进程中的一件事：我们的祖先遇到的最冷的物体就是水和冰，而它们是蓝色的，因为反射了蓝天的颜色；遇到的最热的物体就是野火，是红色或者黄色的。天文学家遇到的物体（星体）的温度从几千开尔文到上百万开尔文，他们将红色和冷、蓝色和热相联系。

热像仪和红外线照相机所感应到的红外线的波长是人眼无法感知的，所以仪器将不同的颜色分配给不同的波长，这就产生了我们所谓的“伪彩色图像”。

由图所示，一台红外线照相机本质上是一个区域扫描的带有电荷耦合摄像头的照相机，它在前端带有红外线滤镜。硅CCD元件对光谱的红外线部分和可见光部分都有强烈的反应，所以专门用于可见光的CCD摄像头必须滤除红外光以获得优质的照片。

CCD摄像头通过将射入光量子的能量转换成自由电子，进而对入射光产生反应。每入射一个光量子，就产生一定数量的自由电子，一块电路板负责收集这些自由电子，上述就是“CCD”这个名字的含义。因此，红外线成像仪直接对每个像素的光量子流量做出反应。摄像头的解析度也取决于像素点的大小。

而热像仪使用一种叫做“热辐射测量仪”的设备作为传感元件。热辐射测量仪将射入的辐射转换成热，这些热量增加了传感元件的温度，然后测量这个温升，这样就可以更直接地反映物体的温度。

要生成一幅热像，热像仪开始于用红外光形成一幅图像，一个动静系统越过热辐射测量仪扫描这个图像，此时的输出电信号具有光栅扫描视频输出的特点。最后，一个波形获取电路（有一个采样-保持设备和模拟-数字转换器组成）提供数字输出。热像仪的解析度取决于热辐射测量仪的维度和采样速率。

“图像顺序扫描”这个词暗示了成像仪只关注一条线上的像素。第二个维度需要创造一个二维图像，可以通过在成像仪的视野中移动物体来实现，移动的方向垂直于扫描线。

红外热像仪和红外线成像仪的本质区别在于：红外热像仪绘制的图像是一个位置的函数，而红外线成像仪绘制的是红外线的密度图。红外线成像仪的相应速度很快，而红外线热像仪的扫描率受到热辐射测量仪相应速度的限制。

因此，主要的过程控制就是对供料管中的熔化的聚合物的温度进行控制。在一个复杂的系统中，加热器可以以闭环的方式控制熔化温度。因为熔化的聚合材料在供料管中流动的很快，所以供料管的管壁和内部聚合物的材料温度会有显著差异。

重要的是控制物料温度，而不是供料管的温度，所以控制系统工程师将带有热电偶的探针插入供料管内的流体中。控制系统即使通过这种方法来保持流体温度处于设定值，流体温度也会不时地变动。为了计算一定宽度内温度的变化，每根供料管都分别控制，所以整张承料网上的每根供料管（每个区域）的设定值都是不同的。

还存在一个问题：熔化物料在从供料管流向模具的过程中会损失一些热量，从模具到压模机的过程也是如此。从模具到压模机的温度变化是引起应力的关键因素。当然，整个承料网上的热损失率是不同的，中间处是最低的，边缘处较高。如果没有闭环控制，片料边缘就会冷却，变得粘稠，而片料中间仍旧很热，呈液态。

可视化温度识别

Optex Process Solutions公司的Andy Christie协助胶卷生产商处理这些问题，确保承料网工艺的优化和受控。当物料刚从模具中出来的时候，他就使用一台热像仪来监控承料网上重要区域的温度变化。

Raytek EC100型线扫描热像仪，有一个扫描线那么高的视野，当承料网通过视野的时候，就开始垂直扫描。这样，热像仪在承料网的移动方向上，大约每秒钟进行30次扫描。承料网的速度除以扫描速率就决定了下一个平行测温线的位置。

图像采集器取得每条独立的扫描线以后，直接传送给手提电脑，电脑将扫描结果水平显示。线上不同颜色的点代表承料网上相应点的不同温度。操作员可以调整温度区间的宽度，以匹配重要点的温度范围。

Christie说：“假设目标温度是610°F，温度的变化从595°F到620°F。我会将低温595°F显示为蓝色，高温620°F显示为黄色，中间以光谱形式过渡。”

超过或低于这个温度区间的温度用白色或黑色表示。如果这个温度区间是100-1,000 °F，Christie会扩充颜色，来覆盖整个区间。

随着新的扫描点进入电脑，上一个扫描线上移，空出屏幕的下部来显示新扫描点。随着时间的推移，系统绘出一副伪彩色图，水平相当于垂直于承料网的移动方向，垂直相当于沿着承料网移动的方向。

例如，如果一个供料管加热器的控制循环发生抖动，与此管相应的垂直线的颜色就会发生周期性的变化。同样的，如果一根供料管持续地过热，那么图像上就会显示出一根垂直的条纹，条纹的颜色对应的是较高的温度。

这个系统允许工艺工程师分别闭环控制每一个供料管的温度，并调整其设定值。例如，如果发现承料网边缘处的温度由于热量的过分流失而低于中间部分的温度，工程师就可以调高边缘供料管的设定值，使整张承料网的温度统一。

图2：热成像图被设备工程师用来监测一些事故的苗头。由
上图可以判断中间的电动机的温度要比其他电动机高

Christie说：“你也可以同时打开多个窗口，我就经常再打开一个用来显示上次扫描的窗口。”图形显示采用了定量数据和定性的伪彩色图结合的方式，使热像仪比红外照相机的简单定性图像要实用的多。它可以提供实际的测量值，而后者只能进行“那个区域比较热”诸如此类的描述，虽然对维护程序有些作用但是对控制类应用却没什么益处。

玻璃回火

承料网的过程控制并不是唯一使用热像仪数据进行生产过程控制的例子。例如玻璃回火，需要将一整块玻璃片置于高于其软化点的恒温下，然后快速地淬火，引入内部应力。这种方法产生的应力比普通玻璃高4-5倍，使玻璃在被打碎时变成小块的立方体而不是大块锋利的碎片。

普通的玻璃可以被比作非常粘稠的液体，它粘度如此之高以至于在通常大小力的作用下的流动是无法察觉的。然而，随着温度上升，玻璃的粘度下降。在玻璃化转变温度（550-650 °F），如果有支撑措施，玻璃仍能很好地保持其形状，但其内部的原子已经可以脱离内部应力的束缚自由移动了。

钢化玻璃淬火的工艺工程师Clifford Matukonis解释道：“当玻璃片在熔炉中被加热之后，它就进入风冷炉。”对于最好的控制温度，他将熔炉中的玻璃通过传送带运送至风冷炉中，速率为每分钟1000-1500英寸。和承料网应用中同样模式的扫描仪，从上方向下监测玻璃片，扫描线垂直于传送带运送方向，扫描整个玻璃片上的平行条纹。

测量的不仅仅是温度

也许会令人惊讶的是，红外热像仪还可以进行温度以外的测量。例如，一个没有充满的储罐的外部温度通常会显示储罐内的液位。在传统的液位传感器无法作用的某些液位维持场合，红外热像仪就可以起到作用。一台热像仪可以显示出一个充油高压绝缘隔离器的油高低于警戒值，这时图像分析软件就可以轻松地发现这个问题，并打开一个泵，对低压的一边充油。下一幅图显示的是在造纸网上的湿度不一致引起的温度变化。高湿度加快了蒸发。因为蒸发是一个吸热过程，所以湿度高的地方偏冷，这种定义完美的效应通过热像仪的温度数据，就可以得到量化的湿度值。

图3：热像图可用来测量一些非热参数，例如高压绝缘体的油位

图4：热像图显示了纸张的相对湿度

风冷炉是一个有很多洞的平板，冷风从洞向上吹到玻璃片上，冷风迅速使玻璃“解冻”，使玻璃锁定在一个均衡的应变场中，这个应变场由退火温度和退火率决定，这个均衡的应力场促成了钢化玻璃的特性。

Matukonis说：“我们通常把扫描仪置于熔炉和风冷炉之间，在那一点上，我们可以找出整张玻璃片的温度变化梯度。”

钢化玻璃的工艺控制是通过熔炉内一系列安装在传送带上方的辐射加热元件实现的。每一个加热元件都有一个使用热电偶作为传感器的比例控制器。整个工艺控制是通过基于PC机的系统来完成的，而系统通过Profibus与比例控制器通讯。

加热元件的设定值在600-700 ℃区间变化，改变每一个加热元件的温度，就可以校正整块玻璃的温度一致性，而这块玻璃最终温度是由它在熔炉中的时间决定的（这个时间由传送带的速度决定）。如果传送带的速度较慢，则玻璃在炉中的时间较长，所以玻璃就可以达到较高的最终温度。

与Christie的胶片积压成型应用一样，热像仪使Matukonis能够监测熔炉和风冷炉中间的温度，此处的温度是最关键的。目前，只有热像仪可以将温度数据的的时间域变化转换成空间表达方式采集进来。而且，和承料网的应用一样，由于既可以知道片料的最终温度，又可以知道片料上的温度变化梯度，这使得Matukonis可以调整加热器的设定值，是控制系统流畅运作。

从辅助变成主要

控制工程师已经注意到了热像仪能够优化控制环路设定值的特点，那么下一步就是把人从这个控制环路中去除。他们将开发一种算法，使过程控制能够自动运行，同时增加控制的级数，使自动生产系统具备更高的鲁棒性。

工厂中把热像仪作为一种获得定量信息的主要传感器，它可以帮助工程师调整过程控制，未来的系统会给热像仪配备可编程自动控制器（PACs），用于计算适宜的设定值，传给每个过程控制的PID控制器。这些热像仪用来收集空间域和时间域的温度数据，而PACs用于分析这些数据，并将其转化成更加直接的过程参数，例如坡度、液位和控制系统稳定性。这种系统会优化整个生产过程，最佳化质量和产量。(en