紅外測溫儀在塑料加工中的應用

王欣 王克儉

（北京化工大學機電工程學院）

1. 前言

塑料加工又稱塑料成型加工，是將合成樹脂或塑料轉化為塑料制品的各種工藝的總稱，是塑料工業中一個較大的生產部門。

對在塑料工業中采用的許多工藝技術而言，產品的生產和檢驗需要經歷許多熱過程，工藝和生產中的溫度是一個十分重要的物理測量參數。在制造過程的各個階段，例如在注射成型工藝或熱成型中，必須監測和分析幾個不同的溫度量程，以確保塑料產品的高質量水平。因而當前塑料加工對非接觸式溫度測量提出了挑戰。使用紅外傳感器系統的非接觸測溫被視為一項十分有效的工藝監測與控制方法。紅外測溫儀則用來安全可靠地顯示相關弱點。此外，紅外測溫儀還可以幫助實現熱過程的可視化，進而優化并監測具體過程。塑料加工者所生產的大量塑料制品通常在一卷或一板上的尺寸、厚度、質地、色澤和壓花圖案等各不相同。基于框架條件，紅外測溫儀可適用于各種制品，以期完善和保障制造工藝。塑料工業中的拉伸定型、擠壓、吹塑、薄膜沖壓、吹膜冷卻、電線包膜、延壓被層、膠帶生產，熱熔膠等工藝都可應用紅外測溫[1]。

2. 紅外測溫

2.1 紅外測溫儀的發展

紅外熱成像技術是將不可見的紅外輻射轉化為可見圖像的技術，利用這一技術研制的裝置統稱為紅外熱成像裝置或紅外熱像儀[2]。紅外測溫儀是一種非接觸、快速測溫度的儀器。通常它由光學系統、光電轉換元件、信號處理電路和數字顯示構成。從結構上可把紅外測溫儀分成兩類，其中便攜式測溫儀是把前述各部件緊湊地結合在一起并以干電池作電源。它具有攜帶和使用方便的特點，因此其用途較廣，用量很大。它通用性強，專用性差，規格品種不多，使用精度不高。另一類合式紅外測溫儀是把光學系統、光電轉換元件和前置放大器組合為一體，把信號處理電路和顯示器另外組合成一體，兩者之間用多芯電纜連接，用交流電源供電[3]。它的規格品種較多，專用性強，使用精度較高。紅外測溫儀能迅速有效地測量快速運動物體的溫度。他們易于集成到現有的過程控制系統中，直接測量產品的溫度，而不是測量爐子或者干燥箱的溫度，可以快速調整工藝參數，以保證產品質量[4]。

國外紅外測溫儀發展很快，應用已經很普及。發展如此迅速有以下幾種原因：①應用紅外測溫儀可以節約大量鉑、鍺等貴重金屬，降低消耗，總經濟效益好；②對檢測儀表投資強度大，通過加強生產工藝的檢測提高產品質；③紅外測溫儀的質量穩定，可靠性高；④紅外測溫儀的規格品種多，適應性強；⑤紅外測溫儀的輔助配套件齊全，現場應用方便；⑥生產廠對用戶服務好；⑦用戶技術素質高。我國紅外測溫儀應用的主要差距也就表現在上述幾個方面。影響測溫儀穩定性的關鍵在于紅外探測器。國外紅外探測器品種多、穩定性好、他們使用的探測器有硅光電池[5][6]。

2.2 紅外測溫儀的原理及特點

圖1 紅外測溫儀[11]

了解紅外測溫儀的工作原理、技術指標、環境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎。紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成[7]。光學系統匯集其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值[8]。

紅外熱像儀的主要特點為：①為非接觸式測量，能夠檢測運動目標、微小目標及帶電目標溫度；②測溫效率高，可直觀顯示物體表面溫度場；③溫度分辨率高，可同時顯示多點溫度值，并能準確區分較小溫差；④顯示方式多樣，除一般的偽彩色和灰度顯示的熱成像，還可進行模數轉換處理；⑤可進行數據存儲和計算機處理[9]。遠紅外線測溫儀優勢在于雙頭定位的戶外專用模式，特別適用于戶外復雜環境下的精準測溫，有效解決因環境溫度偏高、室外亮度過亮等導致普通測溫儀無法精準測溫的頑疾。戶外即可快速檢測，無需進入室內，更安全，更實用。

3. 主要工藝流程和應用

紅外測溫儀塑料成型生產中特點：①非破壞性，不接觸、不污染被測產品；②快速可靠，可連續、準確、快速測量運動目標的溫度；③靈活性，可對較大目標、或小目標區域的溫度測量[10]。

主要應用如下：

1）吹塑薄膜：精確的溫度監控與適當的加熱和冷卻相配合，可以確保塑料的抗張力和厚度均勻性。工作流程如圖2所示。

圖2 吹塑薄膜工藝流程

2）擠出薄膜：控制溫度以保持正確的薄膜厚度和表面光潔均勻性，對壓模螺栓加熱器或壓膜插銷故障的檢測。工藝流程如圖3所示。

圖 3擠出薄膜工藝流程

3）雙軸定向薄膜：熱像儀安裝在成形筒處以控制冷卻滾筒安裝在預熱和冷卻設備處以控制加熱和冷卻量。

4）片料成型：紅外測溫儀可讓操作人員監視片料的溫度并及時調節壓膜加熱器和冷卻滾筒溫度，以均衡產品的質量[11]。

5）膜層成型：紙張、膠片或金屬箔進行膜層成型過程在一個通常狹小并且難以測量的目標，采用紅外熱像儀時，操作人員就可連續監控并可由人工或自動及時調節壓膜加熱器和冷卻滾筒的溫度[12]。

6）疊層和壓花處理：使用紅外測溫儀去監視橫向膜層的溫度并且控制加熱器[13]。

7）鋼板材熱沖壓成形的工藝流程：熱沖壓又常被稱為沖壓硬化技術。首先將初始強度為500～600 MPa的高強度板加熱到880～950℃，然后送入內部帶有冷卻系統的模具內沖壓成形，并處于保壓狀態，以20～300℃/秒的冷卻速度快速淬火冷卻，由于奧氏體轉變成了馬氏體，零件強度大幅提高，可以生產出強度高達1500 MPa沖壓件。確保多層材料疊層的正確溫度及后期的成型，可以幫助監視材料的溫度分布在進入熱成型機之前處于正確狀態[14]。工作流程如圖4所示。

圖4 鋼板材沖壓工藝流程[14]

4. 結論

估計在未來的工業生產中將有40%左右的工藝運用到測溫，它對節能、提高產品質量和成品率方面有巨大的社會效益和經濟效益。因此塑料加工中的測溫顯得尤為重要，紅外測溫是新發展起來的快速非接觸測溫手段，解決了傳統測溫手段不能解決的許多測溫問題，具有非常好的發展前途。在生產中使用紅外測溫儀進行測量時，需要不斷總結經驗，才能使測量出的溫度誤差降到最小，在生產中顯示出非接觸測溫的優越性[15]。紅外測溫儀綜合了光學、光電子學、機械和電子等多方面技術，比傳統測溫儀復雜得多。它的發展有賴于基礎工業、研制人員的技術素養和生產工人的工藝水平，目前在各方面與國外相比還存在差距。在國外工業發達國家，計算機模擬技術在熱成型加工中得到了廣泛的應用。計算機模擬的目的是對制品壁厚分布進行精確的確定，這對于復雜制品尤為重要[16]。因此對于塑料加工測溫技術還有著廣泛的前進空間，需要不斷學習。