用于测量片材温度的方法和装置的制作方法

专利名称：用于测量片材温度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过检测物体所发出的辐射来测量物体特别是片材的温度的方 法和装置。
背景技术：
热像仪提供了场景的二维温度图像。一般，这样的装置观察并测量来自场景的红 外发射，因而在不接触发射源的情况下提供温度的测量。红外能量在高于绝对零度的温度 处由所有的材料发射。该能量以具有一般在0. 7微米到20微米范围内的波长的电磁波的 形式传播。当红外线被对红外光谱不透明的主体拦截时，它引发了电子跃迁，或其能量转换 成热且红外线可被观察到。红外成像系统将在红外光谱中透射的能量转换成可见光图像。当红外能量射在材料表面上时，其中一部分将被吸收，一些将被反射，而剩余部分 通过物体被透射。在被材料吸收的能量中，一部分可被重新发射。共同地，这些现象确定 材料的“发射率”，其被定义为在相同的温度时材料所辐射的能量与黑体所辐射的能量的比 率。“黑体”是假想的物体或系统，其不反射或透射入射在它上面的任何红外能量。所有这 样的辐射被吸收，且黑体仅仅再次辐射其温度的能量特征。真正的黑体发射率为1，但使用 具有小孔径的红外不透明腔，实际上可获得的最接近的发射率为大约0. 998。红外温度测量常常必须在具有低或可变发射率的目标上进行。这可能导致相当多 的误差。减轻这样的误差的一种方法是将红外温度计瞄准到目标中的“腔”内。该腔在或 大或小的程度上充当“黑体”腔。发射率的有效值通过腔内的反射升高并稳定。测量误差 因此减少了。这个想法的一种重要实现方式是，其中带型产品在辊子(其可为心轴的形式)上 通过或卷绕在辊子上。腔采用在带和辊子(或线圈)之间界定的“楔形物”的形式，并可充 当非常有效的黑体腔。图1示意性示出两个例子，并指示每种情况中的腔的位置图Ia示 出在连续退火机组中的钢带，而图Ib示出在带材轧机中的铝带的卷绕。使用单点红外温度计，这种类型的安装已进行了一些年。单点温度计具有只监控带上的一个“轨迹”(例如，中心线)的限制。正确地瞄准 仪器(以便获得最大发射率增强)并维持该瞄准(以便维持稳定的发射率增强)也相当难。可以可选地使用红外行扫描仪。这允许在整个待监控的带上的温度分布。然而， 对准甚至比对单点温度计更难。较新的方法是使热像仪瞄准楔形物。如上所述，热成像装置产生场景的二维图像， 所以这允许在不精确地对准仪器的情况下显示腔的温度图像。腔中的最佳增强的发射率的区域可由眼睛从热图识别。例如，图2示出由被卷到 心轴上的铝带形成的“楔形物”腔的热图的例子，且所关注的区域是包括最亮的像素(事实 上它们可表现为例如红色)的区域。然而，由于几个原因，从该区域实时地提取温度并不容 易
■成像仪通常远离生产线的侧面安装-所以对于成像仪的视场，楔形物不是“正方形的”。使热成像装置“正方形”与腔对准通常很难或不可能，因为它将阻碍 工艺线。■在图像内的腔的位置不是事先已知的。替代地，它取决于腔的精确对准和成像 仪的精确对准。■成像仪对准中的微小变化使腔在图像内“漂移”。■在一些情况下，腔在空间中甚至相对于成像仪并不是大致固定的。例子是上面 的图Ib和2中所示的铝卷绕情况。在这里，当带缠绕在心轴上时，线圈“增长”，且当成像仪 保持固定时，“楔形物”腔在空间中移动。楔形物因此在图像内略微移动。

发明内容
根据本发明，测量片材温度的方法包括下列步骤，该片材布置成使得片材在腔的 至少一侧形成，以便增强在腔附近的片材的有效发射率a)使用热成像装置来产生腔内部的至少一部分的热图，以探测腔所发出的辐射， 热图包括多个像素，每个像素具有表示由腔的对应区域发出的辐射的像素值；b)识别多个像素的第一子集，所述第一子集的像素的像素值满足预定的标准；c)使用被识别的所述子集的像素来确定在热图上的表示腔内最佳发射率增强的 线；以及d)根据所确定的线选择多个像素的第二子集，并产生沿着所确定的线的的温度分 布，其中所述温度分布从与所述第二子集的像素中的每个像素相关的像素值中获得。通过以这种方式确定最佳发射率增强的线并使用它来产生温度分布，本发明极大 地增加了片材的温度可被监控的精确度。该技术准确地“发现”并“跟踪”图像中的最佳增 强的发射率的线，所以克服了在图像中“漂移”的问题以及对腔和成像仪的精确定位的依赖 性。进一步地，本发明确保温度分布是基于从腔的区域获得的数据，这提供了高的而且一致 的发射率增强。使用静止的热图可应用本发明的方法。然而，优选地，该方法进一步包括以预定的 帧率重复步骤a)到d)。例如，热成像装置可优选地以产生带料的基本上实时的视频的速率 周期性地更新热图。处理步骤b)到d)也可基本上实时地被执行，或每个热图可被缓存，用 于随后的处理。步骤b)可用很多不同的方法来执行，取决于例如可用处理能力、腔的几何结构和 /或成像仪的视场。如果有充足的处理能力且成像装置只观察到腔，则可能通过选择具有比 某个阈值大的或在限制范围内的像素值的图像中的那些像素中的全部或通过选择具有最 高像素值的N个像素来识别第一子集的像素。预定的标准不需要导致具有最高像素值的像 素的选择例如，可选择图像中的具有最高像素值的大约50%的像素值的像素。在特别优选的例子中，通过从热图的至少两列、优选地大约一半的列、更优选地大 约每10列的1列中的每个中选择具有最高像素值的像素来识别所述第一子集的像素。在另一优选的例子中，通过从热图的至少两行、优选地大约一半的行、更优选地大 约每10行的1行中的每个中选择具有最高像素值的像素来识别所述第一子集的像素。这些方法可扩展为使用热图中的所有列/行，然而，优选的方法是限制所使用的数量以便减小处理量。在腔几何结构使得已知最佳增强的发射率的线将分别名义上平行于 图像的行(水平)或名义上平行于图像的列(垂直)的情况下，这些方法是特别优选的。在步骤c)中，可例如根据腔的几何结构和选择第一子集的像素的方式以很多方 法确定表示最佳发射率增强的线。在一些情况下，表示腔中的最佳发射率增强的线可包括 第一子集的像素。这可能是从每列/行或从紧密间隔开的列/行选择像素使得只有连接这 些像素精确地限定期望线的情况。然而，优选地，通过产生最佳拟合第一子集的像素的线优选地使用最小二乘拟合 法来确定表示腔中的最佳发射率增强的线。这有助于确保线不被任何异常像素变形。步骤c)的方法也可涉及腔几何结构的知识例如，其中腔由如上所述的“楔形物” 形成，已知最佳发射率增强的线应是直的，所以可使用直线拟合。然而，表示腔中最佳发射 率增强的线不需要直线的，而是可为多项式或可包括多于一个的线性部分的曲线。应注意，表示最佳发射率增强的线是一个近似在步骤d)中(使用该线)选择温 度分布提取自其中的实际像素。然而，如下所述，第二子集的像素可以不完全符合在步骤C) 中确定的线。还应注意，虽然“最佳”发射率增强通常被认为对应于“最大”发射率增强，但不需 要是这种情况。可能发现，例如，另一区域给出更稳定的增强，且在一些情况下，这可能被认 为是优选的。在步骤d)中，可使用各种技术选择第二子集的像素。在优选的例子中，选择第二 子集的像素包括(i)识别最接近于确定的线的像素，被识别的像素形成第二子集。这可包括选择在该线的某个距离内的所有像素，或挑选最接近于该线的N个像 素。选定的像素此外可彼此间隔开某个距离。第二子集的像素可与第一子集的像素相同。在特定的例子中，通过从热图的至少一些列、优选地所有列中的每个选择最接近 于确定的线的像素来选择最接近于确定的线的像素。可选地，通过从热图的至少一些行、优 选地所有行中的每个选择最接近于确定的线的像素来选择最接近于确定的线的像素。如在 选择像素的第一子集中的，可在该步骤中使用少于全部的行/列，例如使用每10列/行中 的1列/行，以便减小处理量。在另一优选的例子中，该方法被进一步改进，且在步骤d)中，选择第二子集的像 素还包括(ii)对于在步骤⑴中被识别的像素中的至少一些中的每个，限定包括所述被识 别的像素的像素阵列，比较阵列内的像素的像素值，以定位在阵列内具有最高像素值的像 素，并用在第二子集中定位的像素代替在步骤(i)中被识别的像素。发现这个额外的步骤明显改进了最终温度图数据的出现。优选地，阵列具有nXm个像素的预定尺寸，η和m是可调节的，例如是用户可选择 的。在特别优选的实施例中，阵列具有5X5个像素的预定尺寸。有利地，阵列以所述被识 别的像素为中心，虽然不需要是这种情况。根据在步骤d)中使用的技术，确定的线可自动位于在热图中所描绘的片材的边 界内。然而在其它例子中，它可向远处扩展，且所产生的温度分布因此可包括不直接与片材 相关的部分。在很多情况下，这可能是可接受的。然而，为了减少所执行的处理量，优选地，该方法还应包括dl)将与像素的第二子集相关的像素值与阈值进行比较，以识别片材的一个或多 个边缘，终止所确定的线以便不扩展到任何所述被识别的边缘之外，并根据被终止线修改
第二子集的像素。温度分布(根据这个修改的第二子集)将接着只显示从带料本身接收的值。优选地，阈值是可调节的，例如是用户设置的。在有利的可选方案中，阈值基于与 在前面图像帧中的修改的第二子集的像素相关的像素值的函数。这使阈值能够被动态地更 新，所以考虑材料的温度随着时间的变化。函数也可考虑用户置信值。可用很多方式使用所产生的温度分布。例如，可对超过规定限制的值的分布进行 监控，一旦该限制被超过则响起警报。可选地，该分布可用于给出片材温度的变化的指示。 然而，在很多情况下，能够有直接与片材上的位置相关的温度分布是有用的。因此优选地， 该方法还应包括e)执行坐标变换以根据腔和热成像装置的已知几何结构产生与沿着片材上的方 向的真实位置相关的第二温度分布。补偿观察几何结构的这样的分布可用于例如探测片材中的异常并精确地将其定 位。在大多数情况下，当热图被获得且产生温度分布时，片材将是移动的。优选地，片 材包括具有横穿其运动方向的宽度的带，且第二温度分布沿着带的宽度。为了使温度测量与在运动方向上的片材上的位置相关，有材料的二维热“图”是有 利的。有利地，该方法因此还包括f)根据对每个帧产生的第二温度分布来产生片材的时间热图，该图具有时间与位 置的关系曲线的坐标，其中所述位置沿着片材的方向，优选地沿着宽度方向。更优选的将是直接与片材上的真实空间位置相关的图。因此，该方法有利地还包 括g)监控片材的运动，并根据对每个帧产生的第二温度分布和在帧之间的片材移动 的距离来产生片材的空间热图，该图具有距离与位置的关系曲线的坐标，其中所述距离沿 着片材的运动方向，所述位置沿着片材的方向，优选地沿着宽度方向。提供运动传感器来测 量材料的速度。在时间或空间热图的情况下，可按需要仅仅对片材的一部分产生图。另外从发射率增强的区域外部例如在腔外部进行温度测量也可能是有利的。在这 里，所测量的温度是“表观”温度，因为材料的发射率没有被增强或稳定。因此，优选地，该方法还包括h)限定与表示腔中的最佳发射率增强的确定的线间隔开并以确定的线为基准的 热图中的第二条线；根据第二条线选择多个像素的第三子集，并产生沿着第二条线的表观 温度分布，其中所述表观温度分布从与第三子集的像素的每个像素相关的像素值中获得。有利地，第二条线表示在发射率增强的区域外部的片材的区域。因为第二条线的位置取决于确定的线的位置(步骤C)，由于例如未对准或线圈增 长，它也“跟踪”图像内的运动。第二条线可在带边缘处终止，并用于产生直接与带宽度相关的表观分布，并以与对在步骤c)中确定的线相同的方法产生时间和空间热图。从第一条确定的线获得的数据可结合从第二条线获得的数据来使用，以计算发射 率分布或图。有利地，该方法还包括I)根据第一或第二温度分布或从在步骤C)中确定的线获得的时间或空间热图与 从在步骤h)中限定的第二条线获得的相应的表观分布或图的比较，产生发射率分布或发 射率图。可用很多方法执行该步骤。在第一个例子中，对于温度分布/热图中的每个温度 值，使用普朗克函数和已知的波长频带来计算相等的黑体辐射率。对表观温度分布/表观 热图中的每个表观温度值执行相同的计算。发射率是两个黑体辐射值的比率，并可对沿着 该分布或在该图中的每个点进行计算。可选地，为了减小处理量，可在转换到温度以前或在 没有转换到温度的情况下通过直接对沿着第一和第二条线所观察的辐射率求比值来计算 发射率。使用这些方法中的任一个，可通过比较从相同的热图(即，在相同的帧中)或从不 同的帧中获得的第一和第二条线来执行该计算。例如，可比较来自第一帧中的第二条线的 数据与来自在适当的间隔之后获取的随后的帧中的第一条线的数据，使得这两条线都直接 与带料上的相同位置相关。优选地，该方法还包括m)将所产生的温度分布、表观温度分布、发射率分布、热图或发射率图与预定的限 制进行比较，并且如果值(例如，温度、辐射率或发射率)落在预定的限制之外，则触发警报 信号。这可被应用，例如用于避免工厂火灾。有利地，该方法还包括η)对所产生的温度分布、表观温度分布、发射率分布、热图或发射率图执行模式进 行识别，以探测异常模式，并且如果探测到异常模式，则触发警报信号。这可被应用，例如用 于识别带上的污染或异物。可被查找的异常模式包括例如在片材中的低温的“孔”。优选地，探测到的辐射是优选地具有大约3到5微米或8到14微米、更优选地大 约3. 3到3. 5微米、3. 8到4. 0微米、4. 6到5. 4微米、7. 6到8. 4微米或7. 8到8. 0微米的 波长的红外辐射。其中带料很热(高于大约200°C )时优选相对低的波长(3到5微米)和 其中带料很冷(低于大约200°C )时优选相对较高的波长(大约8到14微米)。可提供辐 射滤波器，以便选择工作带宽。这可能特别有用，取决于目标材料和大气。优选地，像素值对应于辐射率，且步骤d)包括使用普朗克函数和辐射的已知波长 频带将至少像素的第二子集的辐射率值转换成温度值。这最小化了热成像装置执行的必要 处理，但在可选的例子中，成像仪可将辐射率值转换成温度并输出这些作为像素值。有利地，腔被限定在片材和支持片材的辊子之间。然而，可通过按需要操纵片材来 以很多其它方法构造适当的腔。优选地，片材缠绕在辊子上，辊子优选地包括心轴，更优选地包括具有可调节的直 径的分离的心轴，以便于从所缠绕的片材中移除。一般，该方法有利地用于测量金属片材例如金属或合金的温度，但优选地，片材是 铝带、钢带或亮钢带。本发明还提供了适合于执行上述方法的温度测量系统，包括热成像装置，其布置成观察腔的至少一部分并适合于探测腔所发出的辐射，从而产生腔内部的至少一部分的热图，其中片材形成腔的至少一侧，热图包括多个像素，每个像 素具有表示腔的对应区域所发出的辐射的像素值；以及处理器，其适合于识别多个像素的第一子集，所述第一子集的像素的像素值满足预定的标准；使用被识别的所述第一子集的像素来确定热图上的表示腔中最佳发射率增强的 线；以及根据确定的线选择多个像素的第二子集，并产生沿着确定的线的温度分布，其中 所述温度分布从与第二子集的像素的每个像素相关的像素值中获得。优选地，热成像装置包括未冷却的微辐射热测量计探测器阵列。方便地，系统还包括适合于支撑热成像装置的支架，支架优选地布置成能够使热 成像装置绕着至少一个轴、优选地两个垂直轴旋转。优选地，支架使热成像装置能够绕着两个垂直轴旋转，其中一个轴基本上垂直于 片材的运动方向。在一些例子中，支架布置成能够使热成像装置绕着三个垂直轴旋转。有利地，热成像装置被容纳在保护壳体中。处理器可按独立的方式操作，但优选地，系统还包括工厂计算机，处理器的结果被 输出到该工厂计算机。工厂计算机可进一步从连接到位于工厂周围的成像仪的很多这样的 处理器接收结果。优选地，处理器优选地通过以太网、互联网、内联网、TCP/IP、0PC协议、串行端口连 接或无线连接之一连接到热成像装置。有利地，处理器优选地通过以太网、互联网、内联网、TCP/IP、0PC协议、串行端口连 接或无线连接之一连接到工厂计算机。


现在将参考附图描述根据本发明的方法和装置的例子，其中图Ia示出布置成用于本发明中的装置的第一实施例；图Ib示出布置成用于本发明中的装置的第二实施例；图Ic是图Ib的平面图；图2示出热图的例子；图3示出热图和其上确定的线的例子；图4a、b、c和d示出形成热图的一部分的像素和可在确定像素的第一子集中涉及 的步骤的示意图，该线表示最佳发射率增强和像素的第二子集；图5示出可在识别第二子集的像素中使用的像素阵列的图示；图6a示出基于所确定的线的温度分布；图6b示出沿着片材的宽度的温度分布；图6c示出片材的时间热图；图6d示出片材的空间热图；图7a示出布置成用于本发明中的装置的第三实施例；以及图7b示出在图7a中所示的片材的热图和相关的温度分布(i)到(iv)。
具体实施例方式在图1中示意性示出用于执行本发明的适当的装置。图Ia示出在诸如退火的工 艺期间支撑在辊子14周围的片材10，例如钢。片材如箭头ν所示移动。图Ib给出第二个 例子，其中片材10例如铝带缠绕在心轴16上。心轴可被分开，使得它可在盘绕期间扩展， 接着随后折叠以便于线圈11的移除。在这两种情况下，腔12在片材和辊子14(或心轴16)之间形成。在图Ia中，片材 10只形成腔的一侧，而在图Ib的情况下，两侧都由片材提供，因为它缠绕在心轴16上。腔 12根据腔的变化的尺寸将片材的有效发射率增强到较大或较小的程度。热成像装置20布置成观察腔12的至少一部分，如箭头1所示。实际上，成像仪20 可从片路径偏移，如在图Ic中最佳示出的。成像仪以角度θ观察腔12。成像仪优选地基 于未冷却的微辐射热测量计探测器，包括微辐射热测量计阵列。每个微辐射热测量计产生 对应于输出图像的一个像素的信号。探测器在大约8-14微米的波长频带内操作以用于安 装，其中目标通常低于大约200°C ；它在大约3-5微米的波长频带中操作，用于对通常高于 200°C的目标的测量。更有限波带的滤波器例如3. 8-4. 0微米或4. 6-5. 4微米可能是有利 的，取决于目标材料、温度和视线路径大气。热成像装置20可被支撑在支架(未示出)内，支架优选地包括柱子，套环绕该轴 旋转；以及通过绕着垂直轴的枢轴固定到该套环的成像仪的保护壳体。这使成像仪能够绕 着两个垂直轴旋转，且在一些例子中成像仪可另外绕着第三垂直轴旋转。在一般安装中，柱子被对准成基本上与带表面垂直例如，其中带表面名义上是水 平的，柱子是垂直的。通常，旋转轴被对准成名义上垂直和平行于带运动的方向。摄像机20优选地通过以太网、互联网、内联网、TCP/IP、OPC协议、串行端口连接或 无线连接将以数字信息形式的热图输出到处理数据的处理器22 (例如基于PC的计算机)。 来自摄像机20的数字信息包括辐射率的2维阵列，S卩，辐射率与图像中的X，y位置的关系 曲线。可选地，辐射率值可在成像仪中被转换成温度值。在这种情况下，所转换的数据是温 度与X，y位置的关系曲线。优选输出辐射率而不是温度，因为辐射率在摄像机中需要较少 的信号处理辐射率到温度的转换接着稍后在处理器中发生。处理器22还可通过用于接收处理结果的上述连接装置中的任何一个连接到工厂 计算机24。处理器22和工厂计算机24中的任一个或两个可设置有输出装置，例如监控器 或扬声器，以及用于从用户接收命令的输入装置。图2和3示出由摄像机20捕获的热图30。热成像装置20优选地被瞄准，使得楔 形物腔12名义上平行于热图30中的χ或y轴，并且也使得楔形物腔12在任何预期运动中 始终保持在图像30内。在下面的例子中，我们将假定腔12名义上平行于图像30中的“X”轴，即，平行于 像素行而不是列。如上所述，它可以其它方式存在。图4和5是示出单独的像素31的热图30的示图。应注意，为了清楚起见，像素的 粗糙度在附图中被极大地放大。实际上，在每个图像帧中一般有320X240个像素。进一步 地，不是对整个图像执行下列步骤，可对图像30内用户定义的区域执行该过程。我们将假定热图像素31表示辐射率。如上所述，它们可能已经在摄像机内部转换成温度。在第一步骤中，处理器根据预定的标准识别图像30中的像素的第一子集。第一子 集像素在图4a和4b中以灰度示出，并被标为32。在本例中，处理器通过分析图像中的多列 像素来选择第一子集。数量在这里是可调节的，以适合特定的应用，例如是选定列之间的间 隔_但一般在240X320像素图像内分析大约30个相等间隔的列。例如，每第N列可被分 析，其中N是用户可选择的且一般为大约10。在图4所示的例子中，选择每第六列。该方法 在每个选定的列中找到最高值像素，并识别对应的x，y坐标。这些形成第一子集32。对于 上下文，图2指示第一子集相对于楔形物的大致位置。在下一步骤中，处理器使用选定的第一子集32来确定图像中的线34，其表示腔中 的最佳发射率增强。在本例中，这使用最小二乘拟合法通过拟合经过被识别的X，y坐标的 线34来实现。这在图3和4b中示出。通常使用直线，但在一些情况下，更复杂的线(例如， 由多项式方程描述)可能是适当的。选定的线的形状可取决于腔的几何结构。例如，在如 图1所示的楔形腔中，最佳发射率增强的区域一般遵循辊子和片之间的接触(直)线。然 而，可能并不总是这种情况。一旦确定了最佳发射率增强的线，处理器就认为辐射率值是沿着线34的多个点 (第二子集的像素)。这可用很多方法执行。在第一个例子中，选择最接近于线34的像素 的辐射率值，如图4c所示。选定的像素被标为35，并形成第二子集。这些辐射率值接着通 过参考普朗克函数和已知波长频带以及热成像仪的校准常数来转换成相等的温度。输出是 温度T与沿着线34的位置s的关系曲线的表。这在图6a中以温度分布42的形式用图形 示出。如现在定义的，整个线34可用于选择第二子集的像素(并因此产生温度分布)。 然而，在本例中，在选定的像素值落在对应于热产品上最小可接受的辐射率的阈值之下时， 线34终止，即，该线现在表示越过楔形物腔的最佳增强的发射率的线并在由图3中的点36 和38表示的带边缘处终止。在图4d中示出了像素的终止的第二子集。上面的阈值优选地被动态地更新。用户设置(或以另外的方式可调节的)初始值 用于第一帧。如上所述对于第一帧，该线被识别并终止。沿着该线的辐射率值的函数被计 算并用作对下一帧的阈值。该函数一般是乘以用户设置的“置信度”分数所得出的平均值。 例如，如果置信度分数是0.5，则连续帧的阈值辐射率被设置为在前面的帧中的平均线内辐 射率的50%。上面的技术提供了表示最佳发射率增强的适当输出，而在另一实施例中，这可进 一步通过将第二级添加到用于识别像素35的第二子集的程序中来改进。上述方法输出最 接近于线34的被识别的像素35的像素值和地址的表。在图5(示出属于第二子集的示例 性像素35a)所示的可选的第二步骤中，对每个被识别的像素(即，表中的每个像素)执行 下面的操作■限定在被识别的像素35a周围的像素37的阵列。阵列37可为尺寸为nXm个 像素的阵列。在本例中，使用5X5阵列。阵列37应包括被识别的像素35a，并优选地以其 为中心。■使阵列37中的像素值彼此比较，以定位具有最高值的像素。在本例中，这是最 初被识别的像素35a，虽然常常不是这种情况。
■用所定位的像素(具有阵列中的最高像素值)代替被识别的像素35a，以形成像 素的新的第二子集。nXm阵列的尺寸优选地是可调节的；例如，它可为用户定义的或由调试工程师设 置。存在可合并这样的可调节性的几种方法，包括a)以处理器代码容易被修改的方式写处理器代码；b)将可调节的数据放到代码访问的可编辑数据文件中；c)有用户设置的参数，但将其隐藏在“只有工程师”访问口令后；或者d)有可在屏幕上访问的用户设置的参数。类似的技术可应用于初始阈值的调节。在一些情况下，可能希望只对形成第二子集(例如，每第M个像素)的一些像素执 行这个第二改进阶段。像素值和地址的修改的表接着被输出并用于产生温度分布。如在前 面的例子中的，这组像素可通过应用适当的阈值在带的每个边缘处被“终止”。这可在第二 改进阶段之前或之后执行。上述额外的步骤被发现在出现最终温度图数据时提供明显的改进。它被认为是以 下内容的结果i)像素在尺寸上是有限的最佳测量的斜线导致“最近的”像素的“交错”阵列-见 图4c。当线缓慢移动时，交错快速地改变，这给出数据表中的波动，当以产品为基准时导致 固定的温度模式。波动具有合理地低的振幅，所以该模式对测量的实际质量有很小的影响， 但模式对用户是可见的而不是系统的明显的假象。ii)在像素探测器阵列中总是有某个水平的固定模式噪声。这是信号增益和偏移 中的变化，并往往一行接一行而不是随机散射。特别是，如果有奇偶线变化，这将导致上述 效应恶化。Iii) 一般，最佳测量的直线是拟合数据的良好选择，但最佳测量的真实线可能不 确切地是直线-在现实中或由于光学系统中的失真。当目标在图像内移动时，“拟合优度” 可能随之改变。上述两阶段“摆动”方法在某个程度上补偿所有这三个问题。无论采用上面技术中的哪个，对于从成像摄像机接收的每个帧，都频繁地重复计 算。线因此“跟踪”图像内楔形物腔的移动。按照图3的图像通常可对工厂操作人员显示，提供系统“锁定”并“跟踪”楔形物 腔的非常强大的保证。为了简单和清楚起见，所显示的图像一般显示线34而不是显示像素 35的第二子集。所显示的图像优选地对每个帧更新，以实时地显示腔。温度分布42可直接用在很多应用中，包括警报情况的识别和对随着时间改变的 温度变化的一般监控。然而，在本例中，处理器22使用安装的已知几何结构(例如，角Θ) 来将坐标s (其是穿过被投影在图像中的楔形物腔的距离)变换为坐标w，其是穿过楔形物 腔的真实距离(即，在大致垂直于其运动方向上穿过带的宽度，)。输出是温度表(分布)T 与w的关系曲线。一般w以带中心线为基准，中心线位置被取为在线端部36和38之间的 半程。图6b以温度分布44的形式用图形示出这个输出。在很多应用中，能够在传输方向上将温度分布与片材的位置相结合是有利的。因 此，在本例中，处理器产生带的时间温度“图”，其中一个轴穿过带被定位，而另一时刻，通过记录每个温度分布44并彼此放在一起显示，表示温度的像素颜色根据对应的热图被获取 的点之间的时间间隔被间隔开。这在图6c中被示为图46。如果(任何已知类型的)带速传感器被连接到系统，则可重新绘制该图，轴对应于 穿过带的距离并沿着带方向。这在图6d中被示为图48。可根据已知的限制和如果超过该限制则启动警报来分析分布42、44或图46、48。 可根据对应于带上的污染或异物以及所启动的警报的异常特征_ “孔”(低温区域)_分析 分布或图。图6示出异常特征52和54以及限制Tmax和Tmin的例子。如果任何特征超过Tmax 且警报可被触发，或在另一例子中，操作人员可被提醒来做进一步调查。在一些例子中，这 些限制可用于触发产生超过该限制的片材的相关区域的热图。图7示出第三实施例，其中第二条线60以第一条线34为基准被限定。如图7a所 示，第二条线60对应于与第一条线34间隔开某个距离d的位置。例如，第二条线60可在 带10进入线圈11之前穿过带10大约2米。正如对第一条线34 —样，第二条线60可采取 任何形状且不需要是直线的，虽然它优选地是与第一条线34相同的形状。在热图中以第一条线34为基准的第二条线60 “跟踪”图像内的移动(由于例如 成像仪未对准或线圈“增长”)。辐射率和对应的温度可被测量并沿着第二条线60获得，正如对第一条线34 —样。 然而，温度现在是“表观”温度(Ta)，因为第二条线60位于发射率增强的区域之外。可设置 对辐射率或表观温度可接受的阈值，且第二条线以与第一条线34相同的方式在带边缘处 终止。表观温度Ta沿着第二条线被绘制为分布或图，正如对第一条线一样。图7b示出 从与典型温度分布44和表观温度分布62 —起示出的第一条线34获得的(时间或空间) 热图，表观温度分布62从第二条线60中获得。系统可寻找在表观温度分布或图中的异常模式并使警报发声，正如在第一和第二 实施例中的一样。对某些类型的异常，在表观温度工作是有利的。例如，如果在铝带上溅有轻油56， 它将达到带温度，但轻油有比带高得多的发射率。因此，轻油的存在被视为表观温度中的大 的正性异常，如从取自第二条线60的数据中获得的(在图7b(i)的表观温度分布62中被 示为56)。可选择成像仪工作波长，以便更充分地使用这样的效应。例如，大多数碳氢化合物 在接近3. 4微米波长具有高发射率，所以例如大约3. 3到3. 5微米的窄工作波带将给这些 材料提供高敏感度。在识别异常中，可利用大多数真实带温度特征被延长的事实，如图7b所示。因此， 每个特征出现在很多连续的分布(帧)中。相反，物体例如带上的杂散螺栓58将也许只以 一个分布(帧)为特征。给定来自第一条线34的真实温度分布和来自第二条线60的表观温度图，可计算 发射率图。这实际上是带的表面处理的图，并可能被用作监控表面处理的方式。类似地，可计算并基本上实时地监控发射率分布。可用很多方法计算发射率。在一个例子中，根据第二温度分布44和表观温度分布62计算发射率分布，这些分布从摄像机20所产生的热图的相同帧获得。对于分布44的每 个温度值和分布62的每个表观温度值，普朗克函数和已知的辐射波带被用于计算对应的 黑体辐射率。对于沿着分布的每个点，其发射率可通过对所计算的辐射率求比值来确定。时 间或空间发射率图可使用在每个帧中产生的发射率分布来逐步建立。
可选地，发射率可根据从摄像机20收集的并存在于原始热图中的辐射信息直接 计算。可在数据转换成温度之前或在不转换成温度的情况下，对在两条线34和62上观察 到的辐射求比值，以给出发射率。 如果添加带速传感器，则可确切地正确计算发射率分布和图，即，使用来自一个帧 的第一线数据和来自另一帧的第二线数据，以使温度和表观温度线偏移，并为沿着带的每 个位置正确计算发射率。然而，给定大多数特征的延长性质，这可能不是必要的，且它可足 以从取自同一帧的第一条线34和第二条线60的数据计算发射率。
来自系统的输出包括如上所述的温度分布和/或图以及任何警报信号。数据优选 地通过到工厂计算机24的以太网连接被传输。优选地使用标准数据格式，例如OPC协议。 分布和/或图数据优选地也显示在屏幕上。
权利要求
一种测量片材温度的方法，所述片材布置成使得所述片材在腔的至少一侧形成，以便增强在所述腔附近的所述片材的有效发射率，所述方法包括a)使用热成像装置来产生所述腔内部的至少一部分的热图，以探测所述腔发出的辐射，所述热图包括多个像素，每个所述像素具有表示由所述腔的对应区域发出的辐射的像素值；b)识别所述多个像素的第一子集，所述第一子集的像素的像素值满足预定的标准；c)使用被识别的所述第一子集的像素来确定在所述热图上的表示所述腔内最佳发射率增强的线；以及d)根据所确定的线选择所述多个像素的第二子集，并产生沿着所确定的线的温度分布，其中所述温度分布从与所述第二子集的像素中的每个像素相关的像素值中获得。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以预定的帧率重复步骤a)到d)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过从所述热图的至少两列、优选地一半的列、 更优选地每10列的1列中的每个中选择具有最高像素值的像素来识别所述第一子集的像素。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过从所述热图的至少两行、优选地一半的行、 更优选地每10行的1行中的每个中选择具有最高像素值的像素来识别所述第一子集的像素。
5.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述表示所述腔内最佳发射率增强 的线包括所述第一子集的像素。
6.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，通过产生最佳拟合所述第一子集的 像素的线，优选地使用最小二乘拟合法，来确定所述表示所述腔内最佳发射率增强的线。
7.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述表示所述腔内最佳发射率增强 的线是直线的。
8.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述表示所述腔内最佳发射率增强 的线是多项式或包括多于一个的线性部分的曲线。
9.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，在步骤d)中，选择所述第二子集的 像素包括(i)识别最接近于所确定的线的像素，被识别的像素形成所述 第二子集。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在步骤(i)中，通过从所述热图的至少一些列、优 选地所有列中的每个中选择最接近于所确定的线的像素来选择最接近于所确定的线的像素。
11.如权利要求9所述的方法，其中，在步骤(i)中，通过从所述热图的至少一些行、优 选地所有行中的每个中选择最接近于所确定的线的像素来选择最接近于所确定的线的像素。
12.如权利要求9到11中任意一项所述的方法，其中，在步骤d)中，选择所述第二子集 的像素还包括(ii)对于在步骤(i)中被识别的像素中的至少一些中的每一个，限定包括所述被识别 的像素的像素阵列，比较所述阵列内的像素的像素值，以定位在所述阵列内具有最高像素 值的像素，并用在所述第二子集中定位的像素代替在步骤(i)中被识别的像素。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述阵列具有nXm个像素的预定尺寸，n和m是可调节的。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述阵列具有5X5个像素的预定尺寸。
15.如权利要求12到14中任意一项所述的方法，其中，所述阵列以所述被识别的像素 为中心。
16.如前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括dl)将与所述第二子集的像素相关的像素值与阈值进行比较，以识别所述片材的一个 或多个边缘，终止所确定的线以便不扩展到任何被识别的边缘之外，并根据被终止的线修 改所述第二子集的像素。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述阈值是可调节的。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述阈值是基于与在前面图像帧中的修改的第 二子集的像素相关的像素值的函数。
19.如前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括e)执行坐标变换，以根据所述腔和所述热成像装置的已知几何结构产生与沿着所述片 材上的方向的真实位置相关的第二温度分布。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述片材是移动的，并包括具有横穿其运动方向 的宽度的带，且所述第二温度分布沿着所述带的宽度。
21.如权利要求19或20所述的方法，还包括f)根据对每个帧产生的所述第二温度分布来产生所述片材的时间热图，所述时间热图 具有时间与位置的关系曲线的坐标，其中所述位置沿着所述片材的方向，优选地沿着宽度 方向。
22.如权利要求19至21中任意一项所述的方法，还包括g)监控所述片材的运动，并根据对每个帧产生的所述第二温度分布和在所述帧之间的 所述片材移动的距离来产生所述片材的空间热图，所述空间热图具有距离与位置的关系曲 线的坐标，其中所述距离沿着所述片材的运动方向，所述位置沿着所述片材的方向，优选地 沿着宽度方向。
23.如前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括h)限定与所述表示所述腔内最佳发射率增强的确定的线间隔开并以所确定的线为基 准的所述热图中的第二条线；根据所述第二条线选择所述多个像素的第三子集，并产生沿 着所述第二条线的表观温度分布，其中所述表观温度分布从与所述第三子集的像素的每个 像素相关的像素值中获得。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述第二条线表示在发射率增强的区域外部的 所述片材的区域。
25.如权利要求23或24所述的方法，还包括i)执行坐标变换，以根据所述腔和所述热成像装置的已知几何结构产生与沿着所述片 材上的方向的真实位置相关的第二表观温度分布。
26.如权利要求25所述的方法，还包括j)根据对每个帧产生的所述第二表观温度分布来产生所述片材的时间表观热图，所述 时间表观热图具有时间与位置的关系曲线的坐标，其中所述位置沿着所述片材的方向，优 选地沿着宽度方向。3
27.如权利要求25或26所述的方法，还包括K)监控所述片材的运动，并根据对每个帧产生的所述第二表观温度分布和在所述帧之 间的所述片材移动的距离来产生所述片材的空间表观热图，所述空间表观热图具有距离与 位置的关系曲线的坐标，其中所述距离沿着所述片材的运动方向，所述位置沿着所述片材 的方向，优选地沿着宽度方向。
28.如权利要求23到27中任意一项所述的方法，还包括1)根据所述第一温度分布或所述第二温度分布，或从在步骤c)中确定的线获得的时 间或空间热图，与从在步骤h)中限定的第二条线获得的相应的表观分布或图的比较，产生 发射率分布或发射率图。
29.如前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括m)将所产生的温度分布、表观温度分布、发射率分布、热图或发射率图与预定的限制进 行比较，并且如果值落在预定的限制之外，则触发警报信号。
30.如前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括n)对所产生的温度分布、表观温度分布、发射率分布、热图或发射率图执行模式识别， 以探测异常模式，并且如果探测到异常模式，则触发警报信号。
31.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，探测到的辐射是优选地具有3到5 微米或8到14微米、更优选地3. 3到3. 5微米、3. 8到4. 0微米、4. 6到5. 4微米、7. 6到8. 4 微米或7. 8到8. 0微米的波长的红外辐射。
32.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述像素值对应于辐射率，并且步 骤d)包括，使用普朗克函数和辐射的已知波长频带将至少所述第二子集的像素的辐射率 值转换成温度值。
33.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述腔被限定在所述片材和用以支 持所述片材的辊子之间。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述片材被缠绕在所述辊子上，所述辊子优选地 包括心轴，更优选地包括具有可调节的直径的分离的心轴，以便于从所缠绕的片材中移除。
35.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述片材是铝带、钢带或亮钢带。
36.如权利要求33所述的方法，其中，所述片材是钢带或亮钢带。
37.如权利要求34所述的方法，其中，所述片材是铝带。
38.一种温度测量系统，所述温度测量系统适合于执行权利要求1到37中任何一项的 方法，包括热成像装置，其被布置用以观察腔的至少一部分，并适合于探测所述腔发出的辐射，从 而产生所述腔内部的至少一部分的热图，其中所述片材形成所述腔的至少一侧，所述热图 包括多个像素，每个所述像素具有表示所示腔的对应区域发出的辐射的像素值；以及处理器，其适合于识别所述多个像素的第一子集，所述第一子集的像素的像素值满足预定的标准；使用被识别的所述第一子集的像素来确定所述热图上的表示所述腔中最佳发射率增 强的线；以及根据所确定的线选择所述多个像素的第二子集，并产生沿着所确定的线的温度分布， 其中所述温度分布从与所述第二子集的像素的每个像素相关的像素值中获得。
39.如权利要求38所述的温度测量系统，其中，所述热成像装置包括未冷却的微辐射 热测量计探测器阵列。
40.如权利要求38或39所述的温度测量系统，还包括适合于支撑所述热成像装置的支 架，所述支架优选地被布置成能够使所述热成像装置绕着至少一个轴、优选地两个垂直轴 旋转。
41.如权利要求40所述的温度测量系统，其中，所述片材是移动的，且所述支架使所述 热成像装置能够绕着两个垂直轴旋转，其中一个所述轴垂直于所述片材的运动方向。
42.如权利要求40或41所述的温度测量系统，其中，所述支架被布置成能够使所述热 成像装置绕着三个垂直轴旋转。
43.如权利要求38到42中任一项所述的温度测量系统，其中，所述热成像装置被容纳 在保护壳体中。
44.如权利要求38到43中任意一项所述的温度测量系统，还包括工厂计算机，所述处 理器的结果被输出到所述工厂计算机。
45.如权利要求38到44中任意一项所述的温度测量系统，其中，所述处理器优选地通 过以太网、互联网、内联网、TCP/IP、0PC协议、串行端口连接或无线连接之一连接到所述热 成像装置。
46.如至少权利要求44所述的温度测量系统，其中，所述处理器优选地通过以太网、互 联网、内联网、TCP/IP、0PC协议、串行端口连接或无线连接之一连接到所述工厂计算机。
全文摘要
本发明提供了一种测量片材温度的方法。片材布置成使得它在腔的至少一侧形成，以便增强在腔附近的片材的有效发射率。该方法包括a)使用热成像装置来产生腔内部的至少一部分的热图，以探测腔所发出的辐射，该热图包括多个像素，每个像素具有表示由腔的对应区域发出的辐射的像素值；b)识别多个像素的第一子集，所述第一子集3的像素的像素值满足预定的标准；c)使用被识别的第一子集的像素来确定在该热图上的表示腔内最佳发射率增强的线；以及d)根据所确定的线选择多个像素的第二子集，并产生沿着所确定的线的温度分布，其中所述温度分布从与第二子集的像素中的每个像素相关的像素值中获得。
文档编号G01J5/00GK101932920SQ200980103930
公开日2010年12月29日 申请日期2009年1月22日 优先权日2008年2月1日
发明者伊恩·汉密尔顿·瑞德里, 安德鲁·梅洛, 托马斯·杰弗里·罗纳德·贝农, 斯图尔特·弗朗西斯·梅特卡夫, 本·威尔曼 申请人:兰德国际仪器公司