Визуализация температуры

Термография, ранее применявшаяся главным образом в диагностическом обслуживании, на сегодняшний день стала важнейшей измерительной технологией. Сферы ее использования включают производство стекла и пластиковой упаковочной пленки.

Положительный опыт применения термографии в диагностическом обслуживании все больше убеждает инженеров, что эта технология может успешно использоваться в качестве измерительной базы систем управления. Тепловидение или термография позволяет измерить распределение температуры на поверхности объекта за счет испускаемого им инфракрасного излучения. Термографический сканер показывает разные температуры разным цветом, что позволяет отличать даже близкие значения. Во всех тепловизорах используется метод «изображения в замещенных цветах», так как настоящий «цвет» лежит в невидимой для человеческого глаза инфракрасной области. Более того, такие изображения можно анализировать с помощью специального оборудования, позволяющего извлекать точные, пригодные для дальнейшей обработки данные.

 

Практика применения термографии

Данные с установленного в печи термографа, отражающие распределение температуры на нагревателе, представлены в виде изображения «в ложных цветах».

Данные с установленного в печи термографа, отражающие распределение температуры на нагревателе, представлены в виде изображения «в ложных цветах». Области с высокой температурой окрашены синим цветом, а с низкой — красным. На снимке экрана показаны возможности количественного анализа данных, имеющиеся в программном обеспечении.

Исторически термография развивалась лишь в нескольких отраслях и доказала в них свою эффективность, затем области ее применения расширились. Возможно, самым первым промышленным приложением тепловидения был анализ дефектов электронных сборок и компонентов в 1980-х годах. Тогда инженеры анализировали температурные изображения не прошедших электрического тестирования печатных плат. Тем самым они выясняли, как следует модифицировать конструкцию или производственный процесс, чтобы снизить процент брака. Некоторые разработчики также использовали тепловидение для анализа тепловых потоков в прототипах плат. До появления компьютеризированных систем моделирования тепловых потоков, тепловидение являлось наиболее быстрым и дешевым методом контроля температуры в электронных сборках. В конце 1990-х годов крупные предприятия начали разработку программ диагностического обслуживания, в основе которых лежали регулярные термографические измерения. Инженеры периодически снимали температурные изображения определенного оборудования, например электрических двигателей, стрелочных приводов, трансформаторов и других силовых приборов. Устройства с неполадками в начальной стадии, например с изношенными подшипниками, поврежденной изоляцией или коррозией контактов характеризовались растущими со временем аномальными холодными и горячими пятнами, как показано на температурном изображении двигателя. Неполадки устранялись сразу после обнаружения аномалий, что позволяло избежать внезапного отказа оборудования. В настоящее время инженеры используют термографию в управлении технологическими процессами. Точные данные о распределении температуры в пространстве и на временной шкале позволяют инженерам регулировать контрольные точки и параметры автоматических систем управления процессами для улучшения качества и эффективности.

Например, пластиковая упаковочная пленка производится путем непрерывного горячего прессования. Полимерный материал поступает на пресс для выдавливания в виде нагретой выше точки плавления жидкости, по вязкости представляющей собой нечто среднее между патокой и водой. Чем выше температура материала, тем меньше его вязкость. Поступающий по нескольким трубам материал выходит из пресса в виде широкого полотна со скоростью 36 — 43 метра в минуту. Под действием натяжения полотно удлиняется, и его скорость возрастает до 300-600 метров в минуту. Затем полотно наматывается на холодный вал, на котором оно затвердевает и принимает нужную форму. Очевидно, что вязкость материала влияет на его упругость при растяжении. Сильнее нагретый и соответственно менее вязкий материал растянется больше, и пленка получится более тонкой. Полотно шириной до 10 метров и толщиной менее 2,5 сантиметров состоит из нескольких слоев, материал для которых поступает из различных труб. Однородность ленты существенно зависит от равномерности распределения температуры в трубах. Слишком низкая температура в одной из труб является причиной повышения вязкости и упругости соответствующего слоя, что увеличивает внутреннее напряжение и может даже привести к разрыву полотна. Таким образом, значения температур полимерного материала в трубах оказываются основными параметрами процесса. В сложных системах управление нагревателями осуществляется по принципу замкнутого контура. Поскольку материал проходит через трубы с высокой скоростью, между температурой стенок и температурой вещества может быть существенная разница. Необходимо контролировать температуру вещества, а не температуру труб, поэтому с внутренней стороны стенок устанавливаются небольшие зонды с термопарами. Даже при этом температура материала может меняться со временем, пока система управления выходит на контрольную точку. Чтобы учесть связь температуры с сечением потока, каждая труба контролируется отдельно, поэтому контрольные точки температур для разных труб и соответствующих слоев могут отличаться. Другая проблема связана с тем, что температура материала постепенно снижается на пути от трубы к прессу и от пресса к валу. Наиболее важна температура на этапе растяжения полотна между прессом и валом. Естественно, скорость снижения температуры зависит от глубины слоя: внутренние охлаждаются существенно медленнее поверхностных. Без замкнутого контура управления поверхность становится холодной и вязкой, в то время как середина остается горячей и жидкой.

Термография и ИК-визуализация

Термография и ИК-визуализация — два совершенно разных метода формирования изображения, основанные на детектировании инфракрасного излучения объектов при нормальных температурах. Главное отличие состоит в чувствительном элементе, который используется для преобразования электромагнитного излучения в выходной электрический сигнал.

Любое тело испускает электромагнитное излучение в силу того, что его температура не равна нулю. Спектральная интенсивность (интенсивность как функция частоты или длины волны) имеет характерный вид: она равна нулю при нулевой частоте, быстро возрастает до максимума, затем снова асимптотически приближается к нулю при стремлении частоты к бесконечности. При увеличении температуры тела положение пика интенсивности сдвигается в область более высоких частот.

 

Визуализатор с прогрессивным сканированием

В инфракрасных визуализаторах применяется технология сканирования области, позволяющая измерять излучение одновременно со всей поверхности. В термографах же установлено движущееся зеркало, благодаря которому изображение формируется последовательно. В системах прогрессивного сканирования движение источника вдоль вертикальной оси обеспечивает вертикальную размерность изображения.

В инфракрасных визуализаторах применяется технология сканирования области, позволяющая измерять излучение одновременно со всей поверхности. В термографах же установлено движущееся зеркало, благодаря которому изображение формируется последовательно. В системах прогрессивного сканирования движение источника вдоль вертикальной оси обеспечивает вертикальную размерность изображения.

Для тел при криогенных температурах (десятки градусов Кельвина) пик расположен в области радио- и микроволновых частот, для тел при нормальных температурах (несколько сотен градусов Кельвина) — в инфракрасной области, а для сильно нагретых тел (тысячи градусов Кельвина и больше) — в видимом диапазоне.

Частота в пике спектра интенсивности непрерывно увеличивается с ростом температуры — от инфракрасной области, затем желтого и синего видимого цвета, и до ультрафиолетового диапазона и выше. У людей синий цвет ассоциируется с холодом, а красный с теплом из-за эволюционной случайности: самым холодным телом для наших предков была вода и лед, которые кажутся синими из-за отражения в них неба. Самым горячим объектом, с которым сталкивались наши предки, было открытое пламя, которое светится желтым или красным. У астрономов, наблюдающих за звездами, температуры которых варьируются от нескольких тысяч до миллионов градусов Кельвина, красный цвет ассоциируется с холодом, а голубой — с теплом.

Детектируемое термографами инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому длинам волн ИК-диапазона прибор ставит в соответствие цвета из видимого спектра, формируя так называемое «изображение в замещенных цветах».

Как видно на рисунке, прибор ИК-визуализации по сути является ПЗС-камерой с инфракрасным фильтром. Кремневые ПЗС-элементы обладают высокой чувствительностью как в ближнем инфракрасном диапазоне, так и в видимых областях спектра. Так что для получения нужных изображений в ПЗС-камеру необходимо пропускать только инфракрасное излучение.

Чувствительность ПЗС-элементов к свету основана на использовании энергии падающих фотонов для создания свободных носителей заряда. Каждый поглощенный фотон непосредственно порождает определенное количество свободных носителей, которые затем попадают в электрический контур. Отсюда и название — прибор с зарядовой связью (ПЗС). Таким образом, ИК-визуали-затор измеряет поток фотонов, попадающий на каждый отдельный пиксель. Разрешающая способность камеры зависит от размера пикселя.

В термографах в качестве чувствительного элемента используются болометры. Они преобразуют поглощаемое излучение в тепло, в результате чего увеличивается температура элемента, которая затем измеряется. Таким образом, осуществляется более точное измерение температуры объекта.

Процесс формирования изображения начинается с определения области сканирования. Затем эта область сканируется системой на основе движущихся зеркал и болометра с малым временем отклика. Выходной электрический сигнал напоминает линейную развертку с видеокамеры. Затем сигнал попадает в измерительный контур (состоящий из устройства выборки-хранения и аналого-цифрового преобразователя) и преобразуется в цифровые данные. Разрешение термографа зависит от размеров болометра и частоты оцифровки.

Термин «прогрессивное сканирование» означает, что визуализатор имеет одну линию пикселей. Чтобы сформировать двумерное изображение, необходимо перемещать объект относительно визуализатора в направлении, перпендикулярном сканирующей линии пикселей.

Ключевое отличие технологий состоит в том, что термограф измеряет температуру как функцию координат, а ИК-визуализатор — интенсивность инфракрасного излучения. ИК-визуализаторы отличаются малым временем реакции, в то время как скорость сканирования термографа ограничена временем отклика болометра.

 

Визуализация температуры

Инженеры используют термографию для выявления неисправностей в начальной стадии. Двигатель посередине нагрелся существенно сильнее остальных.

Рис. Инженеры используют термографию для выявления неисправностей в начальной стадии. Двигатель посередине нагрелся существенно сильнее остальных.

Энди Кристи (Andy Christie) из компании Process Solutions помогает производителям полимерной пленки справляться с подобными проблемами, оптимизировать процессы и систему управления. Он применяет термограф для контроля распределения температуры на полотне сразу после его выхода из-под пресса. Термограф линейного сканирования Raytek EC100 имеет область видимости шириной в одну линию сканирования. Линейное сканирование оказывается удобным в случае непрерывно движущегося полотна. Примерно 30 раз в секунду термограф измеряет температуру вдоль линии, перпендикулярной направлению перемещения полотна. Скорость движения полотна деленная на частоту сканирования определяет расстояние между параллельными линиями, на которых производится измерение температуры. Термограф сканирует отдельные линии и передает их на компьютер, который в свою очередь выводит горизонтальные линии на экран. Цвета в различных точках линии обозначают температуру в соответствующих точках полотна. Оператор всегда может выбрать нужный диапазон отображаемых температур.

«Может быть, они установили температуру 320 °C, — объясняет Кристи, — а она в действительности варьируется от 313 до 327 °C. Я бы задал отображение 313 °C синим цветом, а 327 °C — желтым. Остальные значения диапазона будут соответствовать промежуточным цветам спектра». Температуры выше и ниже диапазона отображались бы белым и черным цветом соответственно. С другой стороны, если бы нужный диапазон составлял от 50 до 500 °C, Кристи соответственно увеличил бы масштаб цветовой шкалы. Когда данные нового сканирования поступают в компьютер, предыдущие линии сдвигаются вверх, освобождая место для новых данных внизу экрана. Со временем на экране строится изображение из «замещенных цветов», горизонтальные координаты которого соответствуют положению на оси, перпендикулярной движению полотна, а вертикальные — положению на параллельной движению оси. Если, например, в одном из контуров управления возникнут колебания, в вертикальной полосе, соответствующей определенному слою, будет наблюдаться периодическое изменение цветов. Аналогично, если температура в одной из труб поднимется, на изображении будет видна вертикальная дорожка, имеющая соответствующий повышенной температуре цвет.

Не температурой единой…

Термографию можно использовать для косвенных измерений, например для оценки уровня масла в высоковольтном изоляторе.

Рис. Термографию можно использовать для косвенных измерений, например для оценки уровня масла в высоковольтном изоляторе

Возможно, это покажется удивительным, но при помощи термографии можно проводить не только температурные измерения. Например, на границе жидкости частично наполненного бака нарушается равномерность распределения температуры стенки. Этот эффект может оказаться полезным при контроле уровня заполнения в случаях, когда нельзя использовать обычные датчики. На полученном с помощью термографа изображении видно, что уровень масла в высоковольтном изоляторе критически низок. Программные средства анализа изображения позволили бы легко обнаружить эту проблему и автоматически запустить процесс накачки масла в низковольтную часть изолятора. На другом изображении видна неравномерность распределения влаги на рулоне бумаги. Испарение с влажных областей происходит интенсивнее, а так как испарение сопровождается охлаждением, более влажные области имеют меньшую температуру. Этот четко выраженный эффект позволяет измерять распределение влаги по поверхностям с помощью термографических изображений.

 

Система управления позволяет регулировать контрольные точки контуров, отвечающих за температуры отдельных труб. Например, если поверхность оказывается холоднее центральной части за счет потери тепла, оператор может поднять контрольную точку для соответствующих поверхностным слоям труб и тем самым сделать распределение температуры более равномерным. «Можно также открыть несколько окон в программе, — отмечает Кристи, — я часто открываю второе окно, в котором последнее измерение представлено в виде графика». На одном экране совмещаются представления в виде количественного графика и в виде изображения с «замещенными цветами», благодаря чему термография оказывается значительно более информативной, чем обычные изображения с ИК-камер. Кроме качественной информации типа «эта зона горячее», полезной в диагностическом обслуживании, но совершенно недостаточной для задач управления, термография предоставляет точные данные измерений.

 

Закалка стекла

Термографическое изображение отражает распределение относительной влажности на рулоне бумаги.

Рис. Термографическое изображение отражает распределение относительной влажности на рулоне бумаги

Контроль температуры полотна — не единственная задача, где данные термографа могут быть использованы для управления производственным процессом. При закалке стекла, например, требуется равномерно прогревать лист до точки размягчения, затем резко его охлаждать, тем самым добиваясь строго определенного уровня внутреннего напряжения. После этого стекло становится в 4-5 раз крепче обычного, и при этом разбивается на маленькие кубики, а не на острые осколки. Обычное стекло можно сравнить с крайне вязкой жидкостью. Она настолько вязкая, что текучесть при обычных воздействиях совершенно незаметна. Тем не менее, при увеличении температуры вязкость стекла уменьшается. При температуре закалки (290-340 °C) находящееся на подложке стекло хорошо держит форму, но атомы могут перемещаться относительно свободно, ослабляя любое внутреннее напряжение. «После прогревания в печи, стекло охлаждается обдувкой, — объясняет Клиффорд Мэйчконис (Clifford Matukonis), инженер-технолог компании Tamglass Tempering. — Стекло транспортируется от печи к охлаждающей установке при помощи конвейера со скоростью 25-38 метров в минуту. Термограф той же модели, что и в задаче с полимерным полотном, сканирует лист стекла по аналогичному принципу: линия сканирования перпендикулярна направлению движения. Охлаждающая установка представляет собой плоскую плиту с отверстиями, через которые стекло обдувается воздухом. Холодный воздух быстро «замораживает» стекло, закрепляя равномерное распределение напряжения, которое зависит от температуры закалки и скорости охлаждения. Благодаря равномерному распределению напряжения стекло приобретает полезные свойства. «Обычно мы устанавливаем сканер между печью и охлаждающей установкой. В этом случае мы можем измерять градиент температуры сразу на целом листе», — отмечает Мэйчконис. Компания Tamglass использует систему управления технологическим процессом на основе излучающих нагревательных элементов, установленных над лентой конвейера в печи, как показано на снимке. Каждый нагревательный элемент контролируется пропорциональным регулятором, связанным с термопарным датчиком. Управление процессом в целом осуществляется при помощи системы на платформе PC, соединенной с пропорциональными регуляторами по шине Profibus. Контрольные точки нагревательных элементов варьируются в пределах 600-700 °C. С помощью относительной регулировки нагревателей, можно изменять распределение температуры листа, а задавая время нахождения листа в печи (скорость конвейера) — среднюю температуру. В результате замедления конвейера время пребывания листа в печи увеличивается, так что температура стекла в целом возрастает. Как и для Кристи в задаче с полимерной пленкой, термография для Мэйчкрониса является важным инструментом, позволяющим контролировать температуру продукции на самом важном этапе: между печью и охлаждающей установкой. На сегодняшний день только при помощи термографии можно измерить пространственное распределение температуры за короткое время. И, как и в случае с пленкой, наличие данных о средней температуре и ее распределении позволяет Мэйчкронису регулировать контрольные точки нагревателей, поддерживая эффективность системы на высоком уровне. Теперь, когда инженерам стали очевидны преимущества интеграции термографии в системы управления, следующим шагом должно стать полное исключение оператора из цикла управления. Параметры процесса будут регулироваться автоматически при помощи специально разработанных алгоритмов. Можно будет говорить о переходе систем управления на новый уровень, обеспечивающий более высокую степень надежности производства. Отрасли промышленности, в которых сейчас проходит апробация термографов как измерительных средств для задач управления, в будущем станут пользоваться системами на основе термографов и программируемых контроллеров для автоматизации (PAC), рассчитывающих необходимые значения контрольных точек для отдельных контуров ПИД-регулирования. Термографы будут производить измерения с пространственным и временным разрешением, а контроллеры автоматизации в свою очередь будут анализировать поступающие данные и рассчитывать конкретные параметры процесса, такие как градиенты, уровни заполнения и стабильность процесса. Такие системы значительно увеличат качество и эффективность производства.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *