เครื่องมือวัดอุุณหภูมิแบบไม่สัมผัสหรืออินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์
Non-contact Thermometer (Infrared Thermometer)
อินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์ (infrared thermometer) เป็นเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่พื้นผิวของวัตถุซึ่งเป็นการวัดแบบไม่สัมผัสกับวัตถุ (Non-contact Thermometer) มีชื่อเรียกกันหลากชื่อ อาทิเช่น IR Temperature , ปืนวัดอุณหภูมิ , Temp GUN เป็นต้น ในการวัดอุณหภูมิของอินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์ นั้นจะวัดจากรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกจากวัตถุ ส่วนประกอบหลักของเครื่องมือวัดประเภทนี้ประกอบไปด้วยแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สำหรับเล็งตำแหน่งการวัด เลนส์ที่รับรังสีอินฟราเรด ตัวตรวจจับรังสีอินฟราเรด (infrared detector) หรือ เซนเซอร์ชนิดอินฟราเรด (infrared sensor) วงจรอิเล็กทรอนิคที่มีตัวคอนโทรลเลอร์หรืออุปกรณ์ประมวลผลอยู่ภายในโดยแปลงค่ารังสีอินฟราเรดเป็นค่าอุณหภูมิของวัตถุนั้นๆและ ส่วนสุดท้ายคือส่วนแสดงผล (Display)
เป็นค่าอุณหภูมิที่วัดได้
หลักการทำงานของ (Infrared Thermometer)
หลักการทำงานดังนี้ ตัวตรวจจับรังสีอินฟราเรดทำหน้าที่รับรังสีอินฟราเรด (infraredraidation) ที่แผ่ออกจากวัตถุเป้าหมาย (target) ผ่านเลนส์ของเครื่องมือวัด แล้วแปลงรังสีอินฟราเรดเหล่านี้ให้อยู่ในรูปของสัญญาณทางไฟฟ้า โดยรังสีอินฟาเรดที่ตัวตรวจจับรับไปนั้นประกอบด้วยรังสีที่วัตถุเป้าหมายแผ่ออกมารวมกับรังสีที่แผ่จากวัตถุอื่นหรือจากสิ่งแวดล้อมสะท้อนออกจากผิวของวัตถุเป้าหมาย จากนั้นวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะทำหน้าที่แปลงข้อมูลที่รับมาจากตัวตรวจจับและนำไปแสดงที่ตัวแสดงผล โดยเทอร์โมมิเตอร์ชนิดอินฟราเรดแสดงผลออกมาในรูปของตัวเลข ซึ่งการแปลงรังสีอินฟราเรดที่เซนเซอร์ตรวจจับได้ให้อยู่ในหน่วยของอุณหภูมิอาศัยกฏของ Planck (Planck's Law) และ กฎของ Stefan-Boltzmann (Stefan-Boltzmann's Law)
การเลือกใช้งานปืนวัดอุณหภูมิหรือ อินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์นั้น พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องมีดังนี้
1. ย่านการวัดมีหน่วยเป็นเซลเซียส หรือ ฟาเรนไฮต์
2.ระยะห่างที่วัดอุณหภูมิ(D:S) ยิ่ง D:S มากยิ่งสามารถวัดระยะไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ
3.ค่าความแม่นยำ(Accuracy)
4. ราคาต้องเหมาะสมกับลักษณะงาน
เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดมีหลายรูปแบบ:
* เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดสำหรับการปรุงอาหาร (การตรวจสอบอุณหภูมิของจานร้อนและอาหาร)
* เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ (การตรวจสอบอุณหภูมิของชิ้นส่วนต่างๆ ของร่างกาย)
* เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดสำหรับการใช้งานยานยนต์ (ตรวจสอบเครื่องยนต์ของอุณหภูมิน้ำหล่อเย็น A / C ฯลฯ ไอเสีย)
ค่าความถูกต้อง (accuracy) ของอุณหภูมิที่วัดได้จากเทอร์โมมิเตอร์ชนิดอินฟราเรดขึ้นอยู่กับ
1.ชนิดและลักษณะพื้นผิวของวัตถุเป้าหมายหรือวัตถุที่ต้องการวัดอุณหภูมิ โดยวัตถุต่างชนิดกันหรือมีลักษณะพื้นผิวที่แตกต่างกันจะมีค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสี (emissivity, ε) และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนรังสีของผิววัตถุ (reflection, ρ) ต่างกัน
2.ระยะห่างระหว่างวัตถุกับเครื่องมือวัด โดยค่าความผิดพลาด (error) ของไพโรมิเตอร์ชนิดอาศัยการเปลี่ยนแปลงการแผ่รังสีของวัตถุ อาจเกิดจากการเคลื่อนที่ของรังสีผ่านตัวกลาง เช่น อากาศที่มี ไอ ควัน ก๊าซหรือฝุ่นละอองกระจายอยู่ สิ่งต่างๆเหล่านี้ดูดซึมพลังงานบางส่วนจากรังสีก่อนถึงตัวเครื่องมือวัด ทำให้พลังงานที่เซ็นเซอร์ตรวจจับได้มีค่าลดลง ค่าที่วัดได้จึงคลาดเคลื่อน
3.พื้นที่การวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมมิเตอร์ชนิดอินฟราเรด โดยคิดจากค่าอัตราส่วนระหว่างระยะห่างของวัตถุกับเครื่องมือวัด (distance, D) และพื้นที่การวัด (spot size, S) หรือ D:S ซึ่งแสดงถึงระยะห่างที่เหมาะสมของการวัด คุณสมบัติข้อนี้เป็นคุณสมบัติเฉพาะตัว (specifications) ของเครื่องมือวัดแต่ละผลิตภัณฑ์ ผู้ใช้งานควรเลือกคุณสมบัติให้เหมาะสมกับลักษณะงาน โดยหากจุดที่ต้องการวัดอุณหภูมิ (measured spot) มีขนาดเล็กมาก หรือมีขนาดเล็กกว่าพื้นที่ของการวัด จะทำให้อุณหภูมิรอบข้างที่ไม่เกี่ยวข้องกับจุดที่ต้องการวัดอุณหภูมิเข้าไปรวมอยู่ในพื้นที่ของการวัดด้วย ซึ่งเมื่อแปลผลพลังงานที่วัดได้ค่าอุณหภูมิที่ได้จึงคลาดเคลื่อนจากค่าที่แท้จริง
การเลือกอินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์
ย่านการวัดอุณหภูมิ (Range) เป็นสิ่งแรกที่ต้องพิจารณา เมื่อทราบย่านอุณหภูมิที่ต้องการใช้งานแล้ว จึงเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสม
ค่า Emissivity Factor คือ ค่าการแผ่รังสีอินฟราเรดของวัตถุ ซึ่งวัตถุแต่ละชนิดมีค่าการแผ่รังสีไม่เท่ากันหากตั้งค่า Emissivity ในเครื่องวัดไม่ตรงกับค่าของวัตถุก็จะทำให้ผลการวัดคลาดเคลื่อน สามารถพิจารณาได้จากสมการต่อไปนี้
Tm = (Es * Ts) / Ei
โดยที่ Tm คือ อุณหภูมิที่ควรจะอ่านได้จาก IR thermometer ที่ใช้วัด
Ts คือ อุณหภูมิจริงๆที่พื้นผิวที่จะทำการวัด
Es คือ emissivity ของพื้นผิวที่จะทำการวัด
Ei คือ emissivity ของ IR thermometer ที่ใช้วัด
จะเห็นว่า ถ้า Emissitivity เท่ากัน, Tm = Ts
แต่ถ้า Emissitivity ไม่เท่ากันเช่น ในการสอบเทียบกับ Blackbody furnace ซึ่งมี emissivity = 0.995 ในขณะที่ IR thermometer มี emissity = 0.95 และเราทราบว่าอุณหภูมิที่ Blackbody furnace = 50°C
ดังนั้นอุณหภูมิที่ควรจะแสดงที่ IR thermometer reading ควรจะได้เท่ากับ
(0.995 * 50)/ 0.95 = 52.4°C (โดยประมาณ) นั่นเพราะ emissivity 0.95 ของ IR thermometer เป็นการชดเชยค่าที่มากเกินไปค่าที่วัดได้ก็ควรจะมากกว่าค่าที่แท้จริงเช่นกัน
แต่อย่างไรก็ตาม จะเห็นว่าตัวแปรที่สำคัญก็คือการที่เราต้องรู้ค่า emissivity ที่แท้จริงของพื้นผิวที่เราจะทำการวัด ถ้าเราประเมินค่า emissivity ของพื้นผิวผิดไป 0.01 นั่นก็คือความผิดพลาดถึง 1% จากกรณีดังกล่าว ค่าความไม่แน่นอนที่ได้ในการสอบเทียบ IR thermometer จึงค่อนข้างโตกว่าการสอบเทียบเครื่องมือวัดอุณหภูมิอื่นๆ
วัตถุทั้งหมดสะท้อนให้เห็นถึงส่งและปล่อยพลังงาน เฉพาะพลังงานที่ปล่อยออกมาบ่งชี้ว่าอุณหภูมิของวัตถุ เมื่อเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดวัดอุณหภูมิพื้นผิวของพวกเขารู้สึกทั้งสามชนิดของพลังงาน ดังนั้น เครื่องวัดอุณหภูมิทุกคนจะต้องมีการปรับเปลี่ยนการอ่านพลังงานที่ปล่อยออกเท่านั้น ข้อผิดพลาดในการวัดมักจะเกิดจากพลังงาน IR ถูกสะท้อนจากแหล่งกำเนิดแสง บางเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยน emissivity ในหน่วย ค่าของ emissivity สำหรับวัสดุต่างๆ ที่สามารถมองขึ้นในการตีพิมพ์ตาราง emissivity
หน่วยงานอื่นๆ มีการแก้ไข emissivity ที่ตั้งไว้ล่วงหน้า 0.95 ซึ่งเป็นค่า emissivity สำหรับวัสดุอินทรีย์ส่วนใหญ่และพื้นผิวที่ทาสีหรือออกซิไดซ์ ถ้าคุณกำลังใช้เครื่องวัดอุณหภูมิที่มีการแผ่รังสีคงที่ในการวัดอุณหภูมิพื้นผิวของวัตถุเงาคุณสามารถชดเชยโดยครอบคลุมพื้นผิวที่จะวัดด้วยเทปกาวหรือสีดำแบน ให้เวลาสำหรับเทปหรือสีที่จะไปถึงอุณหภูมิเดียวกับวัสดุที่อยู่ภายใต้วัดอุณหภูมิของพื้นผิวการบันทึกเทปหรือทาสี นั่นคืออุณหภูมิที่แท้จริง
ค่า Distance to Spot Ratio(D:S) คือ ค่าระยะทางจากหน้าเลนส์ไปถึงวัตถุ(D) ต่อ ค่าเส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่ที่ต้องการวัด(S) ผู้อ่านอาจจะเริ่มสับสน แต่เมื่อยกตัวอย่างแล้วคาดว่าจะเข้าใจยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น อินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์มีค่า D:S เท่ากับ 50:1 หมายความว่า ที่ระยะห่างจากหน้าเลนส์ไปถึงวัตถุ 50 หน่วยใดๆ สามารถวัดค่าอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นที่นั้นในเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 หน่วย
ระบบแสงของเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดเก็บรวบรวมพลังงานอินฟราเรดจากจุดวัดวงกลมและมุ่งเน้นไปไว้ในเครื่องตรวจจับความละเอียด Optical ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของระยะทางจากเครื่องดนตรีไปยังวัตถุ ที่เมื่อเทียบกับขนาดของจุดที่มีการวัด (D: อัตราส่วน S) ขนาดใหญ่จำนวนอัตราส่วนที่ดีกว่าความละเอียดของตราสารและมีขนาดเล็กกว่าขนาดของจุดที่สามารถวัดได้เล็งเลเซอร์รวมในตราสารบางส่วนเท่านั้นจะช่วยให้ถึงเป้าหมายที่จุดวัด นวัตกรรมล่าสุดในเลนส์อินฟราเรดคือนอกเหนือจากคุณลักษณะโฟกัสระยะใกล้ซึ่งมีวัดที่ถูกต้องของพื้นที่เป้าหมายขนาดเล็กโดยไม่รวมอุณหภูมิพื้นหลังที่ไม่พึงประสงค์
ดังนั้นในการใช้ IR Thermometer วัดอุณหภูมิ พื้นที่ผิววัตถุที่ทำการวัดควรจะมีขนาดใหญ่กว่า ระยะเส้นผ่านศูนย์กลาง(s) เพื่อที่อุณหภูมิเฉลี่ยที่วัดจะอยู่ในพื้นที่ที่ทำการวัดเท่านั้น ทำให้เครื่องมือวัดที่มีค่า D:S เยอะๆมีราคาสูงกว่า(เนื่องจากแม้วัดระยะไกล เส้นผ่านศูนย์กลาง(S)ก็ไม่ขยายใหญ่มาก)
ในกรณี ถ้าเรามี IR thermometer ในการใช้งานหรือที่จะนำมาสอบเทียบ มีค่า emissivity = 0.95 ทั้งหมด เราก็สามารถเลือกใช้ Blackbody furnace ที่มี emissivity 0.95 สำหรับใช้ในการสอบเทียบ ก็สามารถเปรียบเทียบค่าการวัดระหว่าง Standard thermometer reading กับ IR thermometer reading ได้ (Standard thermometer -reading) ในที่นี้หมายถึง Standard thermometer ที่วัดอุณหภูมิโดยตรง (สัมผัส) ที่ตัว Blackbody furnace แต่ถ้าใช้ Standard ที่เป็น ปืนวัดอุณหภูมิ ก็จะเป็นการ Compare กันระหว่าง IR thermometer ด้วยกันก็ต้องคำนึงถึง emissivity ระหว่าง IR thermometer ทั้งสองตัวด้วย รวมทั้ง operating wave length ของ Temp gun )
Link สินค้า : เครื่องวัดอุณหภูมิ Infrared thermometer
อ้างอิง
http://www.tpa.or.th/tpawbs/viewtopic.php?id=7108
Food Network Solution
http://www.bsaperu.org