可视化温度
正如热成像技术在预测性设备维护方面正变得越来越炙手可热一样，工业工程师也越来越意识到，热成像技术是保持控制系统正常运行的绝佳主传感器。热成像，或热成像，通过物体发射的红外辐射来绘制物体的表面温度。
|
正如热成像技术在预测性设备维护方面正变得越来越炙手可热一样，工业工程师也越来越意识到，热成像技术是保持控制系统正常运行的绝佳主传感器。
热成像，或热成像，通过物体发射的红外辐射来绘制物体的表面温度。热成像扫描仪将不同的温度编码为不同的颜色，从而可以可视化非常狭窄的温度范围。所有热成像仪都使用“假色”来显示这些图像，因为真正的颜色都是红外的，因此人眼是看不见的。更重要的是，该设备还能够分析图像，以提取精确的控制信息。
热像图增长趋势
从历史上看，热成像是通过渗透到新的应用领域，巩固其对每个角色的接受，然后扩展到其他应用领域而发展起来的。也许它最早的工业应用是在20世纪80年代用于电子组件的故障分析。工程师们分析了未通过电气测试的印刷电路板的热图像。通过分析故障，他们希望修改设计或制造工艺以提高产量。
一些设计师还使用热成像来分析原型板中的热流。在没有计算机热流模拟的情况下，热成像为电子组件中的热控制提供了最快、最终最便宜的工具。
到20世纪90年代末，设施工程师开始开发预测性维护计划，其中包括定期的热成像调查。他们定期收集选定设备的温度数据，如电动机、开关设备、变压器和其他电力处理设备。早期的故障机制，如轴承磨损、绝缘击穿和接触腐蚀，随着时间的推移产生了异常的热点和冷点，如电机的Flir热像图所示(第38页)。及早发现这些趋势可以在灾难性的失败之前纠正问题。
我们现在正处于工艺工程师开始使用热成像技术来帮助控制制造过程的阶段。掌握了临界温度随时间和空间变化的详细知识，工程师可以调整自动控制设定值和参数，以提高质量和产量最大化。
例如，塑料包装薄膜是在连续的腹板挤压过程中生产的。聚合物材料进入挤压机作为液体加热到其熔点以上，在那里它有粘度之间的糖蜜和水。材料越热，粘度越低。
几根管道将材料输送到模具中，以每分钟120至140英尺的速度挤压成宽片。卷筒网处于张力状态，张力会拉动和拉伸卷筒网，因此当卷筒网到达冷却辊时，材料会加速到每分钟1000到2000英尺。在那里，它冷却并凝固，稳定了它的尺寸。
当然，材料的粘度会影响它在给定负载张力下的拉伸程度。温度高、粘性小的物质会比温度低、粘性大的物质拉伸得更远、变薄。
厚度可达400英寸。宽，高不到一英寸，由横跨网络的几个区域组成，每个区域的材料来自不同的管道。最终板材的均匀性主要取决于管道中熔体温度的均匀性。温度过低的管道会产生粘性过大的区域，拉伸不足，并且会产生内应力，从而撕裂网。
因此，主要的工艺控制是聚合物熔体流过管道的温度。在复杂的系统中，加热器可以以闭环方式控制熔体温度。由于熔融物质在管道中快速流动，因此管壁温度和内部流动物质的温度之间可能存在显著的温度差。
重要的是控制材料温度，而不是管道温度，因此控制系统工程师将内置在薄探头中的热电偶通过管壁插入移动的气流中。即使这样，材料的温度也会随着时间的推移而变化，因为控制系统试图将其保持在设定值。为了考虑跨宽度的温差，管道是单独控制的，因此在整个腹板上，管道与管道之间(区域与区域)的设定值可能不同。
另一个问题是，熔体材料在从管道到模具，再从模具到夹具的过程中会损失热量。最关键的是，所有拉伸发生的区域的温度。当然，整个网的热损失率各不相同，中心最低，边缘较高。如果没有闭环控制，边缘会变冷变粘，而中心则保持热和水。
可视化温度
Optex Process Solutions的安迪·克里斯蒂(Andy Christie)帮助胶片制造商处理这些问题，以保持网络流程的优化和控制。他使用温度计来监测在熔体离开模具后最重要的区域的变化。
Raytek EC100线扫描热像仪，具有一个扫描线高的视场。垂直扫描产生于通过视场的网页。因此，大约每秒30次，测温仪测量温度沿一条线穿过网络-移动方向。网纹速度除以扫描速度决定下位位，平行线测温。
由成像仪捕获的单个扫描线直接传输到笔记本电脑，笔记本电脑在屏幕上显示一条水平线。线上不同点的颜色代表网页上相应点的温度。操作员可以调整要显示的温度范围的宽度，以匹配感兴趣的温度范围。
“也许他们的目标温度是610华氏度，”克里斯蒂说，“温度可能在595到620华氏度之间变化。我会把低温595显示为蓝色，620显示为黄色，以及介于两者之间的光谱。”
温度高于或低于该温度将分别显示为纯白色或纯黑色。另一方面，如果范围是100- 1000华氏度，克里斯蒂将扩大规模，以覆盖这一范围。
当下一个扫描进入计算机时，先前的行向上移动，以便在屏幕底部腾出空间来显示它。随着时间的推移，系统会生成一幅伪彩色地图，其中水平位置对应网页上的位置，垂直位置对应行进方向上的位置。
例如，如果一个管道的加热器控制回路开始振荡，对应于该区域的垂直带的颜色将显示周期性的颜色漂移。类似地，如果一个管道一直运行得更热，图像将显示对应于更高温度的颜色垂直条纹。
该系统允许工艺工程师调整控制单个管道温度的回路设定值。例如，当观察到由于过度的热损失，边缘的温度比中间低时，工程师可以调高给边缘输送管道的设定值，使腹板温度更加均匀。
“你也可以打开多个窗口，”克里斯蒂说。“我会经常打开第二个窗口，以显示上次扫描的图形显示”(如Optex网页热图在第35页所示)。
图形显示使用定性假彩色图像下的定量数据，使得热成像比红外相机的简单定性图像更有用。热成像不是简单地说“那个区域更热”，这可能对维护程序有用，但对控制应用没有太大好处，而是给出了实际的测量结果。
回火玻璃
Web工艺并不是唯一可以使用热像仪数据来控制制造工艺的工艺。例如，钢化玻璃需要将整个玻璃板加热到高于其软化点的均匀温度，然后迅速淬火，以引入适量的内部应变。这种张力产生的玻璃强度是普通玻璃的4到5倍，普通玻璃会碎成小玻璃块，而不是大而锋利的碎片。
普通玻璃可以比作一种极粘稠的液体。它是如此粘稠，以至于在典型力作用下的流速是难以察觉的。然而，随着温度的升高，玻璃粘度下降。在退火温度下(550-650°F)，如果有支撑，玻璃可以很好地保持其形状，但原子可以四处移动以放松任何内部张力。
Tamglass钢化公司的工艺工程师Clifford Matukonis解释说:“(玻璃板)在炉中加热后，进入空气淬火。”为了达到最好的温度控制，他在传送带上以每分钟1000 - 1500英寸的速度将玻璃从熔炉移动到淬冷处。扫描仪，与web应用程序中相同的模型，向下看向玻璃片，扫描线垂直于输送机运动，并扫描平行条纹在片上。
空气淬火是一个平板上穿孔，冷空气通过这些孔吹到板上。冷空气迅速“冻结”玻璃，锁定在一个均匀的应变场，这取决于退火温度和淬火速度。这种均匀的应变场使钢化玻璃具有有用的性能。
“我们通常把扫描仪放在炉和空气淬之间。在这一点上，我们知道整个玻璃板的温度梯度是什么，”Matukonis说。
如照片所示，Tamglass通过安装在炉内传送带上的许多辐射加热元件来控制其过程。每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。整个过程控制通过基于pc的系统通过Profibus与比例控制器通信。
加热元件的设定值约为600-700°C。修改加热元件的相对温度可以调节板材的温度均匀性，而在烘箱中停留的时间(由烘箱输送速度控制)则控制最终温度。减缓传送带的速度会使玻璃板在烤箱中停留更长的时间，从而使玻璃达到更高的最终温度。
与佳士得的挤压膜应用一样，热成像仪允许Matukonis监测最重要的点的实际产品温度:在熔炉和空气淬火之间。目前，只有热成像技术可以在可用时间内捕获空间分辨率的温度数据。而且，与web应用程序一样，获得最终的板材温度和温度梯度，使Matukonis能够调整加热器的设定值，以实时调整控制系统。
从男配角到明星
既然控制工程师们看到了热成像技术帮助优化控制回路设定值的能力，那么下一步肯定是将人类从控制回路中剔除。他们将开发算法来自动调整过程控制，增加一个新的控制水平，使自动化制造系统更加健壮。
在目前正在试验将热像仪作为定量信息的主要传感器，以帮助工程师调整过程控制的行业中，未来的系统将具有由可编程自动化控制器(pac)备份的热像仪，该控制器为各个过程控制的PID控制循环计算适当的设定值。虽然这些温度记录仪将收集空间和时间分辨率的温度数据，但pac将分析这些数据，以更直接地测量过程参数，如梯度、填充水平和控制系统稳定性。这样的系统将优化整个制造过程的最大质量和产量。
| 相关信息请访问www.globalelove.com并搜索热成像。 | ||
| www.flir.com | ||
| www.optexprocessolutions.com | ||
| www.raytek.com | ||
| www.tamglass.com | ||
热成像与红外成像技术
热成像和红外成像是利用物体在常温下发射的红外热辐射形成图像的两种截然不同的方法。主要区别是用于从电磁辐射中产生电输出的传感元件。
任何物体都因其具有非零温度而发出电磁辐射。光谱强度(强度作为频率或波长的函数)具有特征形状，在零频率处为零，迅速增加到峰值，然后在无限频率处渐近于零。随着物体温度的升高，强度峰值的位置向更高的频率(更短的波长)移动。
峰值出现在低温(几十开尔文)物体的无线电和微波频率;典型温度下(几百开尔文)物体的红外频率和强烈加热的物体(几千开尔文及以上)的可见光频率。
| 红外成像仪使用区域扫描技术同时收集图像各个部分的辐射，而热成像仪使用一个移动的镜子一次形成一个像素的图像。在渐进式扫描系统中，源移动提供垂直分辨率。来源:控制工程 |
请注意，热辐射频率峰值随着温度的升高而平稳地增加，从红外线到黄色和蓝色，然后最后到紫外线及以上。人类将蓝色与冷联系在一起，将红色与热联系在一起，是因为进化过程中的一个意外:我们祖先遇到的最酷的物体是水和冰，由于反射了天空的蓝色，它们呈现出蓝色;他们遇到的最热的物体是明火，发出红色或黄色的光。天文学家遇到温度从几千到几百万开尔文不等的物体(恒星)时，会把红色与冷联系起来，把蓝色与热联系起来。
热成像仪和红外成像仪感知到的红外波长是人眼看不见的，因此设备将不同颜色的可见光分配到特定的波长，产生所谓的“假彩色图像”。
如图所示，红外成像仪本质上是一个区域扫描电荷耦合器件(CCD)相机，前面有一个红外滤波器。硅CCD元件在红外光谱和可见光光谱都有显著的响应。事实上，用于可见光波长的CCD相机必须过滤掉红外光才能产生可接受的图像。
CCD元件对光的反应是将入射光子的能量转换为自由载流子。因此，每个被吸收的光子都直接产生一定数量的自由电荷，由电子电路收集，因此被称为“CCD”。因此，红外成像仪直接响应到达单个像素的光子通量。相机的分辨率取决于像素大小。
另一方面，热成像仪使用一种称为“辐射热计”的设备作为传感元件。辐射热计将入射辐射转化为热量，从而提高传感元件的温度，然后测量温升。因此，它们对物体温度的反应更直接。
要制作热成像，热像仪首先使用红外光形成图像。然后，一个移动的镜子系统扫描图像，通过一个快速响应的辐射热计。由此产生的电输出具有光栅扫描摄像机输出的特性。最后，波形采集电路(由采样保持装置和模数转换器组成)提供数字读出。热像仪的分辨率取决于辐射热计的尺寸和采样率。
术语“逐级扫描”表示所讨论的成像仪集中在一行像素上。创建二维图像所需的第二个维度必须通过在垂直于扫描线的方向上移动物体通过成像仪的视野来创建。
要记住的本质区别是，热成像仪映射的温度是位置的函数，而红外成像仪映射的是红外强度。红外成像仪的反应或多或少是瞬时的，而热像仪的扫描速率则受辐射热计响应时间的限制。
测量的不仅仅是温度
也许令人惊讶的是，热成像也可以提供非温度测量。例如，部分装满的水箱的外部温度通常在装满液位上显示出不连续。在常规液位传感设备无法使用的情况下，这对于保持填充水平非常有用。下面的一个热图显示，在一个充满油的高压绝缘子的水平是危险的低。图像分析软件可以很容易地发现这个问题，并打开泵向绝缘子的低压一侧加油。下一张图片显示了由于造纸机中水分含量不均匀而引起的温度变化。局部较高的水分含量加速蒸发。由于蒸发是一个冷却过程，水分含量高的地区变冷。这种明确的效果可以根据热图像下的温度数据来量化水分含量。
您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。
