烫手山芋
近年来，在制造过程中精确测量温度变得越来越重要。过高的温度变化可能表明工艺问题(可能是有缺陷的产品)或某种现有或即将发生的设备故障。同时，使用热电偶和其他接触式测量技术往往是不切实际的。
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近年来，在制造过程中精确测量温度变得越来越重要。过高的温度变化可能表明工艺问题(可能是有缺陷的产品)或某种现有或即将发生的设备故障。同时，使用热电偶和其他接触式测量技术往往是不切实际的。目标缩小了，增加了接触式测量方法带来的误差，在接触式测量方法中，传感器从被测物体中吸收热量，从而干扰(或扭曲)了他们试图测量的系统。(海森堡是对的。)
此外，接触技术在特定位置接触目标。非接触式替代品可以扫描整个表面，以确定哪些区域需要进一步检查，然后更详细地检查这些区域。由于在许多情况下，热点和其他潜在缺陷的位置因产品而异，即使是最好的热电偶方法也可能根本无法检查正确的位置。当然，许多应用程序完全禁止接触。
Frost and Sullivan的行业研究分析师Daniela Carillo指出，尽管接触式传感器仍然具有价格优势，但非接触式传感器更耐用，因为它们不会受到接触磨损的影响。
随着这些因素的积累，有利于非接触式温度传感方法，向这些工具的过渡大大增加控制工程上一次讨论这个主题是在2001年6月的一篇专题文章中，讨论了非接触式温度传感技术作为接触式技术的替代品的出现(www.globalelove.com/issues)。
越来越好
除了对非接触式替代方法的需求不断增加之外，这些方法本身也在进步。传感器缩小了，分析硬件和软件得到了显著改进，同等性能的价格也下降了。因此，越来越多的制造商选择非侵入式温度测量。种种迹象表明，这一趋势将继续下去。
所有高于零K的物体都会发射红外辐射(可见光以下的不可见光，波长在0.7到1000微米之间)，与温度直接对应。在不接触物体的情况下精确测量温度需要检测这种发射能量并补偿从周围环境反射的任何杂散能量。反射能量的多少取决于物体的发射率，这是对物体反射程度的一种测量。
红外温度测量图(第34页)，信息来自欧米茄工程，显示了一个基本的仪器设计。它包括一个透镜，用于收集目标发射的能量，一个探测器，用于将该能量转换为电信号，一个发射率调整，以及一个环境温度补偿器，用于减少测量误差。
对输入红外信号的选择性滤波极大地改进了设计。更灵敏的探测器和更稳定的信号放大器允许消除外来环境条件的干扰。例如，仅使用8到14微米范围内的光，可以避免在长测量路径上受到大气湿度的干扰。7.9微米的波长用于测量某些薄膜塑料，而3.86微米的波长可避免火焰和燃烧气体中的二氧化碳和水蒸气的干扰。使用选择性滤波的精确测量需要在较短和较长的波长响应之间仔细选择，这反过来又取决于目标物体或过程的温度范围。随着温度的升高，峰值能量向短波方向移动。
红外测温在过程控制中有着广泛的应用。在炼钢厂和其他高温环境中，以及在涉及高压设备或苛性碱溶液的应用中，非接触技术的优点是显而易见的。但是，即使在相对良好的过程中，温度映射(如所附照片生动地说明)也可以精确定位热点和其他异常，这些异常可能表明过程处于不平衡状态，因此表明需要进行干预或纠正措施。
非接触式温度测量的一个日益流行的应用是预测性/预防性维护(PPM)计划。PPM使用工厂设备和系统的实际运行历史来安排维护，从而优化整个工厂的运行。
预测维护咨询公司Integrated Systems的首席执行官Keith Mobley将综合PPM计划描述为使用最具成本效益的工具(包括热成像和振动筛选)来确定关键工厂系统和设备的实际运行状况。基于此分析结果的维护计划优化了过程机械的可用性，并大大降低了维护成本。
根据Mobley的说法，维护成本占单个公司制造产品成本的15%到60%，仅在美国就高达惊人的2000亿美元。他还估计，整整三分之一的维修费用被浪费在了不必要的或不恰当的活动上。然而，相对简单的主动技术，如PPM，在大多数工厂中仍然很少见。法国巴黎的预测性维护公司Idtect估计，只有0.5%的维护总支出用于预测性维护，但他们预计这一数字在未来几年将大幅增加。
外面有什么?
非接触式测量产品分为两大类。
简单的传感器和温度计以合理的成本提供一般信息，但不能提供高分辨率或高测量精度。一台便宜的热成像仪，价格约为1500美元，其焦平面阵列可能提供256个热元件，足以进行粗略的分析，但不足以进行详细的研究。一个简单的红外温度计，价值一百或几百美元，可以测量温度和存储值，但可能无法与个人电脑接口，以进行长期数据存储或进一步分析。
根据Wavetek Meterman产品经理Jim Shields的说法，许多红外测量应用需要扫描目标表面，但它们可能不需要仔细校准或硬溯源值。在这些情况下，测量大多是比较的，在一段时间内定期检查同一地点。该仪器可以监测工艺条件，寻找温度的过度变化，表明工艺已失控。
例如，考虑一个检查一组电机上轴承的应用程序。如果轴承磨损过度或润滑不足，温度将急剧上升，即使没有精确的测量也可以检测到。在每种情况下，实际值都不如变化重要，变化会触发某种动作，例如调整工艺参数或关闭生产线以重新润滑轴承或更换轴承。
同样，在大型工厂中，检查从加热和冷却管道中流出的空气的温度决定了环境控制系统的效率。温度稳定性在许多应用中都是至关重要的——制药就是一个典型的例子。来自扫描工具的测量集合，即使没有经过全面的软件分析，也会揭示问题区域。
在产品光谱的另一端是复杂的热成像仪，价格可能超过3.5万美元。这些产品通常提供了大量的功能，包括高分辨率-焦平面上可能有20,000个热元件-以及帮助制造商在关键过程中精确监控温度或确定设备或被检查产品缺陷的可能性的必要软件。
在这两个极端之间，一种新的成像仪正在出现，它提供了与高价产品相同的测量性能，但没有那么多花哨的东西。这个中产阶级的供应商希望提供高端系统的性能，但是通过限制对测量后活动的影响比测量本身更大的功能，他们希望将价格保持在低水平——通常低于许多公司资本收购程序的“雷达水平”1万美元。
有效的成像
根据Raytek公司市场总监Fernando Lisboa的说法，一款成功的制造应用热像仪必须包括以下特点:
温度测量(辐射测量能力)．有些仪器只提供热图像，足以用于消防和执法等应用，在这些应用中，仪器只需要显示热点。然而，制造操作通常需要实际温度。
快速目标扫描．一些中档(约1.3万至1.5万美元)的型号可以测量温度，并提供相关的热图像，但缺乏快速扫描功能。平均每个设施包括2000多个不同程度的危险地点接受检查。快速成像允许扫描一个目标并快速移动到下一个位置。
一个功能齐全的热分析软件包．用户需要一种方法来组织和分析热图像和其他仪器结果，以进行过程改进、故障排除和设备监控。
培训。虽然热成像不是“火箭科学”，但要获得最佳性能，需要知道如何使用成像仪以发挥其最大优势。在这种情况下，培训不一定是关于如何使用仪器，而是如何在目标应用中应用它。这样的培训项目需要是主动的，而不是被动的，在遇到问题之前教给用户解决方案。
希尔兹警告说，人们在测量温度时最常犯的错误是误解了“锥角”和“发射率”。一个常见的误解是，测量发生在单点，如激光束的点。实际上，测量位置是一个锥体的底部，其直径由到源的距离和所谓的锥体角决定。例如，如果圆锥角指定为8:1，那么从8英寸的距离看，表面上的斑点直径为1英寸。同样的仪器从16英寸的距离测量一个2英寸的点。
低发射率甚至可以阻止最精确的测量只代表物体本身的温度。一个完美的黑体(发射率= 1.0)只放出自己的热量，不反射任何热量。另一方面，铝表面的发射率可能只有0.2或0.3，而0是一个完美的反射器。物体从其环境中反射能量，使得测量本身就不那么精确和可靠。液体表面也能反射红外能量。低发射率甚至可能影响相对测量，因为从一次测量到下一次测量，被反射的能量可能不一致。大多数关键的测量设备的发射率固定在0.95左右。
它在软件里
与测量仪器本身同样重要的是配套软件。对于温度计和其他简单的系统，“软件”是操作员将读数记录在剪贴板上，以便与过去和未来的结果进行比较。更精细的、供应商提供的基于pc的工具包括广泛的特性。
例如，成像系统的直接软件控制允许以高速捕获和分析许多感兴趣的区域。例如，Ircon的图像分析允许用户在单个感兴趣的区域设置发射率，并检测任何信号损失，从而提高测量精度和相关分析。
回放控制工具允许查看从先前测试中捕获的图像序列文件。通过以不同的速度检查它们，用户可以确定产品故障点或工艺超出规格限制的时间。
在某些应用中，精确控制工艺温度尤为重要。例如，生产医疗设备袋和静脉注射袋需要仔细控制密封温度。温度过高或过低的过程都可能产生泄漏或过早失效的袋子。交互式软件还允许设置实时警报，可以在预定条件下停止生产线。
过程控制
米奇安德森，质量协调员德尔福帕卡德电气在克林顿，MS，知道热成像的重要性，在一个过程的第一手环境。德尔福在其克林顿工厂拥有200多台注塑设备。
加热或冷却的水被送到每个装置的热化器来控制模具中塑料的温度。热水和冷水的混合决定了模具的温度。热水和冷水通过四根管道输送。每种情况下的正确温度取决于模具中的塑料和制造过程的阶段。
最近出现了一种情况，其中一个模具上的热化器没有保持正确的温度。一般情况下，底部管道应是最冷的。一架Flir系统公司的P-60飞机拍出了“四根管子”的热像图(上图)，上面显示管道工把管子走错了路，所以最冷的管子(黑色部分)排在倒数第二。一个简单的管道更换解决了这个问题，提高了产品质量，解放了一些监控过程的人。
在另一个案例中，安德森发现两个12马力的直流驱动电机在250华氏度以上的温度下运行，接近此类设备的故障点。简单地清洗顶部安装鼓风机电机，风扇和过滤器冷却驱动电机下降到143度-其正常工作温度。这些驱动电机的故障将使德尔福公司损失5000美元每个，立即显示这种类型的检查的经济效益。
前进
显然，如果一个过程由混合良好的液体或泥浆组成，并且设备运行在故障点以下，接触温度测量或根本不测量就足够了。然而，与此同时，设备和工艺却普遍表现不佳。因此，红外非接触式技术的发展将继续加速。随着越来越多的供应商提供这类产品，更热的市场将推动性能提升和价格下降。
＊海森堡测不准原理复习:根据维尔纳·海森堡1927年关于量子力学的论文，位置越精确，这一刻的动量就越不精确。www.aip.org）.
参考
基思•莫布里的预测性维护的介绍，第二版，巴特沃斯-海涅曼，爱思唯尔科学，沃本，马萨诸塞州，2002年的印记，可在www.globalelove.com/书店。
| 作者信息 |
| Stephen Scheiber是《控制工程》的咨询编辑。 |
固定式与手持式非接触式温度测量
红外测温仪有手持和固定两种形式。
为了实时监控过程，安装的传感器提供了稳定性，因为它们总是在相同的条件下看到过程。
对于故障排除、预测性维护和其他不定期或不可预测的活动，手持式仪器更有意义。
最终，控制因素将是应用程序、便利性、人员可用性和简单的经济性的某种组合。
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