测量热的、困难的和不可接近的

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过程传感

非接触式温度传感

热成像

正确的传感器设置是非接触式温度测量成功过程控制的关键。

想象一下你在午餐时间冲到你的车里去办一些事情。当你把钥匙插进锁里，打开车门，摇进座位时，你几乎感觉不到迎面而来的暖风——你在匆忙中。然而，当你启动汽车并真正抓住方向盘准备离开停车位时，它就会撞到你。哎哟!那个方向盘是真的热。

来自太阳的辐射能是罪魁祸首。通过红外辐射提供的能量能够显著提高地表温度，这取决于一天中的时间、日期、气象条件和地理位置。

红外线(字面意思是“低于红色”)辐射(IR)是指电磁辐射光谱区域中的能量，其波长长于可见光，但短于无线电波。相应地，红外的频率比微波高，但比可见光低。

红外光谱分为三个区域，波长以微米(6米)为单位。1纳米等于10-9米(或0.001)

使用红外辐射作为非接触式温度测量的基本原理在连续过程应用中具有重要意义，特别是当被监测的过程变量非常热或处于运动状态时。然而，这项基本技术也被用于其他控制应用。使用红外技术的无线通信已经在各种各样的控制仪器中找到了自己的方式——也许20世纪最重要的非工业发明电视遥控器就是其中之一——还有局域网。

安全系统严重依赖红外技术。入侵，运动和火灾探测系统都使用它。这种特定的技术已经扩展到商业市场中广泛使用的类似应用程序。红外技术构成了夜视、成像、识别扫描和地质监测设备的骨干。

IR如何叠加

Exergen公司的产品经理Dave Madsen说，如果应用得当，红外测温在准确度和重复性方面可以与标准接触法相媲美。马德森评论说:“在某些应用中，即使可以采用标准的接触方法，非接触方法也比热电偶和rtd更可取。”非接触方法可以更好地处理感兴趣区域受到振动或需要频繁更换传感器的情况(电子设备的热循环测试等)。由振动和搬运引起的退化或损坏的连接破坏热电偶(T/C)读数。

接触传感器会从它们所附着的目标表面吸取能量。当目标很大时，这种热损失不是问题。然而，如果目标是小的和高传导性的，传热将证明不利于读数的准确性。马德森补充说:“要记住，对于什么东西太小或导电性太强而不适合用接触式温度传感器处理，并没有硬性规定。”这是一个试错的过程。另一方面，红外传感则完全避免了这种现象。”

特定于应用程序的

固定的(不可移植的)IR系统，无论它们的预期工作是什么，都是高度特定于应用程序的。与便携式手持仪器不同，固定红外系统需要更多地了解它们将适应的操作，而便携式手持仪器可以在不同的距离、环境温度和固定的发射率下工作。“目标”表面的发射率值必须考虑到温度测量的准确性和可重复性。

从目标到传感器镜头的距离必须保持恒定，以便从一个读数到下一个读数收集的红外能量来自相同大小的“点”。在这一点上，系统的光学特性是主要考虑因素。质量更好的镜头和镜头系统不仅效率更高，而且能够更精确地聚焦在被测量的表面上。在不断变化的环境条件下保持传感器电子器件的温度恒定也是读取重复性的要求。

Wahl Instruments Inc.的运营副总裁斯基•蒂利(Sky Tilly)说，在高温作业中，保护红外系统不受温度波动的影响要重要得多。在这些系统下，铸造厂和轧机的操作尤其艰难。波动的条件会破坏精度、重复性，甚至破坏电子设备本身。灰尘和沙砾会模糊和破坏光学系统。”

一般来说，固定系统可提供冷却选项，通常是空气或水，取决于预期的环境温度条件。因为“良好”的读数需要一致的光学条件，定期清洗镜片是必须的。在有灰尘或蒸汽的操作中，定期使用空气清洁镜片是标准的。这种类型的系统适用于塑料和橡胶制造、纺织品加工和食品生产等行业中遇到的条件。

将非接触式温度传感应用于金属制造，无论是黑色金属还是有色金属，都对安装过程提出了挑战。在制造过程中，无论是在材料转移过程中还是在焊接操作中，熔融金属的温度都会掩盖或至少部分阻挡传感器与待测表面的距离。

威廉姆森公司(Williamson Corp.)应用工程师霍斯特-斯蒂恩(Erik Host-Steen)说，应用红外温度传感器的经验法则表明，20%的问题在于选择正确的传感器;80%安装正确。尽管传感器技术取得了巨大的进步，但正确安装它们仍然具有挑战性。”

环境因素，如烟雾、蒸汽、灰尘、薄雾和“火花”，传感器窗口上的污垢积聚，错位，以及来自相邻热表面(耐火墙等)的反射，威胁着任何安装的成功。(见图。火花是由碳从铁水中悬浮出来并点燃而产生的。它们可以人为地提高非接触式温度读数。人们只要回想一下炼钢厂或炼铝作业的环境混乱，就能想象这些问题的严重性。霍斯特-斯蒂恩补充说:“成功的安装需要最大限度地减少或消除干扰源的影响，但即使是计划最好的安装也可能无法消除影响传感器读数的问题。”

该检测系统具有Stinger Model ST11摄像机，温度范围为0-250°C。

现实问题

为了帮助在这些环境中工作的控制工程师，Williamson公司提供了独特的ESP技术，包括双波长和多波长高温计。ESP监控工艺条件，并自动响应，提供准确可靠的测量结果。简而言之，有了这项技术，威廉姆森的传感器就能提供一个有效的读数——或者根本没有读数。ESP用于简化安装，验证传感器性能，识别错误源，并纠正发射率不规则。

PRO系列带有ESP的高温计提供五个测量参数的状态测量(环境温度，信号强度/发射率，信号稀释，未过滤-不应用信号调理-温度和过滤温度)。这些参数被发送到传感器的显示器上，为控制工程师提供故障排除工具，以确保优化的安装和精度。此外，ESP算法可用于补偿非灰体材料的发射率变化，如铝、铜、锌和镍。

ESP技术被伯利恒钢铁公司(Burns Harbor, Ind.)用于测量铁水从鱼雷设备倒入转移钢包时的温度。ESP在烟雾、火花和反射使有效测量不可能之前获得并保持有效读数。

做窗户!

辐射热成像仪是非接触式红外温度计，它使用一种称为焦平面阵列(Focal Plan Array)的特殊探测器，这是一种具有单独探测器或像素的平面。320 x 240的探测器阵列包含76,800个单独的点，可以测量温度。这种相机式设备可以测量被聚焦物体上76,800个离散点的温度。一个电子“帧抓取器”将来自每个探测器的信息对齐，并告诉计算机它的位置。然后，该设备的软件将这些信息以彩色编码的单独读数组合在显示器上的图片中。

为了确保分包商提供的后窗除霜器始终正常工作，“三大”美国汽车制造商正在要求在交付前对背光格栅进行测试，这是质量保证计划的一部分。由于以前使用的机械/电气测试系统不可靠、速度慢，而且无法检测到“热点”等不明显的缺陷，所以尾灯供应商现在使用热成像仪来完成这项工作。

Ircon Corp.(伊利诺伊州奈尔斯)技术和客户支持副总裁弗恩•拉佩(Vern Lappe)说，他们公司的图像网格检测系统(Imaging Grid Inspection System)配备了专门的软件，可以100%检查窗户的网格缺陷。该系统在玻璃被送入试验台后对其进行扫描，而软件程序则在加热网格之前查看玻璃的完整温度图像。一旦网格被24伏电源加热，软件再次获取玻璃的整个图像，并减去原始图像，只留下热网格图案显示在显示器上。

然后，该软件可以用来绘制感兴趣的区域，可以设置为计算工作网格或发现网格中真正热且容易短路的区域。在每种情况下，都会发出警报，提醒操作人员存在缺陷，需要维修窗框。虽然相机本身比在这个应用程序中使用的特殊软件贵得多，但是完整的包使应用程序工作。拉佩说，“98%的相机都是软件。”

当速度就是一切

热成像仪已成功地应用于钢铁产品的连铸。在这些工艺中，标准应用要求在600至3000°C范围内提高精度和先进的处理。现代钢铁生产包括在电炉中熔化高档钢和废钢。然后，熔融的混合物通过一个移动的钢包转移到一个储罐，并通过一个陶瓷喷嘴释放到一个锥形槽。半熔融的钢逐渐被重定向到一长串水平滚轮上，在那里它被切割和压制到所需的尺寸。

Mikron Instrument Co.(新泽西州奥克兰)产品工程师兼经理富拉姆(Bill Fullam)说，连铸过程就像从垂直的山上掉下来，还称之为滑雪旅行。标准控制太慢，不能动态调整不断变化的钢材流量。为了实现闭环过程控制，传感器必须确定流的中心和边缘的位置，感知温度，并输出到控制设备。

高温使得非接触式温度传感成为一种要求。在变化的目标的整个宽度上，软件选择用户感兴趣的区域(或区域)的能力将这项工作留给了热成像仪。富勒姆说，美光公司基于m9103的系统使用短波红外，可以动态调整感兴趣的区域，以跟踪目标运动，并提供标准的过程控制输出，无需人工干预。“这种过程控制的好处是减少废料和能源损失。当金属在错误的温度下加工时，结构性能会迅速变化，从而削弱最终产品。

唯一的出路

非常热、难以接近和移动的目标都是非接触式传感器的应用。从历史上看，并不是它们的准确性、易于安装或低成本使控制工程师选择它们。由于固定的非接触式传感器和扫描仪通常不属于上述情况，因此使用它们来测量过程变量的真正原因是需要建立控制回路，而且通常非接触式传感器是进行所需测量的唯一方法。

连续铸造要求熔化的金属直接通过一个
陶瓷喷嘴成由连续辊组组成的成形线
将水流形成所需的形状。显示的是脚轮
还有剩下的成型线。

了解更多供应商，请登录www.globalelove.com/buyersguide;欲了解更多信息，请登录www.globalelove.com/freeinfo在线使用以下圈号。

Exergen公司www.exergen.com 200

Ircon Inc. www.ircon.com 201

Mikron仪器公司www.mikroninst.com 202

Raytek Corp. www.raytek.com 203

沃尔仪器公司www.instrumentationgroup.com 204

威廉姆森公司。www.williamsonir.com205

把它带到墙上

石膏(雪花石膏，巴黎石膏)是古代内陆海干燥时留下的一种矿物，被用于许多用途，包括牙膏、化妆品、蔬菜罐头、浴室设备、黑板粉笔和医疗/牙科产品。石膏最公认的用途之一是在大多数家庭中发现的墙板。制造高质量的石膏墙板需要一系列复杂的工艺来制作这种看似平凡的建筑产品。

最后一个主要步骤在该过程中是窑干燥板。在乔治亚太平洋石膏制品厂(纽灵顿N.H.)，这一过程是通过使用Raytek公司(Santa Cruz, california) TIP450墙板红外热成像/分析系统来控制的。据工厂经理史蒂夫·卡里尔(Steve Carlier)介绍，TIP450的使用有两个目的。

TIP450使用红外过程成像仪来测量板离开工厂多层窑干燥器时的温度，创建详细，准确，及时的干燥器剖面。然后，这些信息被用来平衡窑干燥器。这些信息不仅使纽顿工厂做出有意义的生产改进，而且还有助于实现燃料节约。燃料是这个工厂的主要运营开支。

在实施该系统之前，工厂的制造工程师使用手持湿度传感器试图执行干燥机平衡配置。这种方法是如此耗时和不准确，干燥机的热分布轮廓仍然很大程度上不平衡。

此外，通过使用TIP450实现了适当的平衡剖面，从而获得了更高的板质量。该系统还提供墙板质量/缺陷监测。过程成像仪每秒扫描48次，每次扫描取256个温度数据点，结果是12288次测量/秒。这些数据被用来创建板热图和历史趋势图。实时显示，每块板离开窑时的热图像，提供全面的板质量信息和缺陷检测。工厂工程师可以一目了然地监控每一块新板，确保产品无缺陷。以前唯一可用的信息来自固定的湿度传感器，质量技术人员根据平均湿度读数提供相对输出，这很难说是一种全面的质量监测方法。

习惯使用IR

使用物体的辐射能来测量其温度可能比使用温度计或将热电偶或RTD连接到它更困难。然而，在某些情况下，这是唯一方便的方法来感知温度。另一方面，在某些情况下，“观察”热量模式是必要的。用离散传感器做到这一点即使不是不可能，也是很困难的。高温和难以接近的表面进一步使这种方法脱离了可能性的领域。在这些情况下，控制工程师必须求助于能够给出温度指示的辐射测量设备中的任何一种——高温计、热电堆、线扫描仪、红外观察器和热成像系统等等。

一些基本的测量注意事项适用于这些类型的仪器以及任何应用细节:

一个表面在可见光谱中的表现方式就是它在红外光谱中的表现方式。

红外设备应该足够近，以便物体占据相当大的部分的视野。

专注于物体。

看物体的表面。

如果可能的话，移动物体周围的视野以消除反射。

物体周围的空气循环会造成对流热损失并干扰红外读数。

记住，环境温度越高，读数越好。

来自太阳、灯光和外部光谱吸收和发射的“杂散”辐射能会破坏IR读数。

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