คำจำกัดความและอิทธิพลของการแผ่รังสี

ในการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส รังสีอินฟราเรดหรือรังสีความร้อนที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่กำลังวัดจะถูกตรวจจับโดยไพโรมิเตอร์ ไพโรมิเตอร์จะคำนวณอุณหภูมิจากรังสีที่ได้รับโดยใช้สมการรังสีของแพลงค์ ระดับของรังสีขึ้นอยู่กับค่าการแผ่รังสีของวัตถุที่ถูกวัดเป็นอย่างมาก แต่ค่าการแผ่รังสีคืออะไร และมันมีผลกระทบต่อการวัดในทางปฏิบัติอย่างไร? ค่าการแผ่รังสีสามารถกำหนดได้อย่างไร และมันขึ้นอยู่กับปัจจัยอะไรบ้าง?ข้อผิดพลาดใดที่อาจเกิดขึ้นหากค่าการแผ่รังสีถูกตั้งค่าไม่ถูกต้อง และ จะลดข้อผิดพลาดในการวัดได้อย่างไร? คำถามเหล่านี้และคำถามอื่น ๆ จะถูกหารือในบทความต่อไปนี้

ระดับของรังสีอินฟราเรด/รังสีความร้อนไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับวัตถุที่กำลังวัดด้วย ความสามารถของวัตถุในการแผ่รังสีความร้อนที่ดูดซับไว้กลับมาใหม่นั้นถูกอธิบายโดยค่าการแผ่รังสีของวัตถุนั้น วัตถุที่เรียกว่า 'บล็อคบอดี้' หรือวัตถุที่สมบูรณ์แบบ จะปล่อยรังสีทั้งหมดที่มันดูดซับออกมาได้ ในอุณหภูมิเดียวกัน วัตถุจริงจะปล่อยรังสีออกมาได้น้อยกว่า 'บล็อคบอดี้' ค่าการแผ่รังสี ε คืออัตราส่วนของรังสีอินฟราเรด Φr ที่แผ่ออกมาจากวัตถุจริงต่อรังสี Φs ที่แผ่ออกมาจาก 'บอดี้ดำ'

ε = Φr / Φs

ดังนั้น ค่าการแผ่รังสีจึงเป็นปริมาณทางกายภาพที่ไม่มีหน่วย มีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 หรือ 0 ถึง 100%
 

รังสีจากสิ่งแวดล้อมที่กระทบวัตถุที่ถูกวัดจะถูกสะท้อนกลับในระดับที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความสามารถในการสะท้อนของวัตถุนั้น การแผ่รังสีความร้อนเป็นไปตามกฎการแผ่รังสีเช่นเดียวกับแสงที่มองเห็นได้ ในกรณีของวัตถุโปร่งใส (กระจก, ฟิล์ม) การแผ่รังสีความร้อนอาจมาจากภายในวัตถุที่กำลังวัดและจากพื้นหลังด้วย การส่งผ่าน (Transmittance) แสดงถึงร้อยละของรังสีที่ผ่านผ่านวัตถุ. รังสีทั้งหมด ΦΣ ที่ถูกตรวจจับโดยไพโรมิเตอร์ ประกอบด้วยดังนี้.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = ค่าการแผ่รังสี
ρ = ค่าการสะท้อน
τ = ค่าการส่งผ่าน
ΦO = รังสีจากวัตถุ
ΦU = รังสีจากสิ่งแวดล้อม
ΦH = รังสีจากพื้นหลัง

ค่าสัมประสิทธิ์รังสีเชื่อมโยงกันด้วยสูตร:

1 = ε + ρ + τ

สำหรับวัตถุที่ไม่โปร่งใส ส่วนของการส่งผ่านจะถือว่าไม่มีนัยสำคัญ

1 = ε + ρ

ค่าการแผ่รังสีของวัตถุที่ถูกวัดนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุหรือพื้นผิวของวัสดุนั้นเป็นอย่างมาก วัตถุที่ไม่ใช่โลหะและไม่โปร่งใสโดยทั่วไปแล้วจะเป็นตัวแผ่รังสีความร้อนที่ดี โดยมีค่าการแผ่รังสีมากกว่า 80% สำหรับโลหะ ค่าการแผ่รังสีสามารถเปลี่ยนแปลงได้ระหว่าง 5 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ ยิ่งโลหะถูกขัดเงามาก ค่าการแผ่รังสีของมันจะยิ่งต่ำลง

นอกจากนี้ ค่าการแผ่รังสียังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความยาวคลื่น คุณสมบัตินี้จะเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในโลหะ ความสามารถในการแผ่รังสีของโลหะจะเพิ่มขึ้นเมื่อความยาวคลื่นสั้นลง ดังนั้นเมื่อเลือกเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไพโรมิเตอร์ จึงควรเลือกแบบที่วัดที่ความยาวคลื่นสั้น
 

วัตถุโปร่งใส เช่นแก้ว พลาสติกหรือก๊าซมีช่วงความยาวคลื่นเฉพาะที่พวกมันแสดงสมบัติการแผ่รังสีได้ดี ในการวัดอุณหภูมิของวัสดุเหล่านี้ จำเป็นต้องเลือกใช้ไพโรมิเตอร์ที่มีเซ็นเซอร์และฟิลเตอร์พิเศษที่ไวต่อความยาวคลื่นนี้
ในกรณีของโลหะและแก้ว พฤติกรรมทางรังสีก็เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิเช่นกัน ค่าการแผ่รังสี (emissivity) เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวโลหะและการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว
ค่าการแผ่รังสีของโลหะจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ในกรณีของแก้ว ความลึกในการแทรกซึมของไพโรมิเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ และด้วยเหตุนี้ สัดส่วนของรังสีที่มาจากบริเวณภายในก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ในทางปฏิบัติ อาจเกิดการแผ่รังสีที่กระจัดกระจายจากสิ่งแวดล้อมโดยรอบได้ ตัวอย่างคลาสสิกคือการวัดอุณหภูมิแผ่นโลหะเย็นภายในเตาหลอมที่ร้อนจัด นอกจากรังสีที่แผ่ออกมาจากวัตถุแล้ว เครื่องวัดอุณหภูมิแบบไพโรมิเตอร์ยังตรวจจับรังสีจากผนังเตาที่สะท้อนกลับมาจากแผ่นโลหะด้วย ยิ่งอุณหภูมิของวัตถุใกล้เคียงกับอุณหภูมิของเตาเผามากเท่าใด ความคลาดเคลื่อนในการวัดก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

ต้องใช้ท่อมองแบบระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อวัดอุณหภูมิที่แท้จริงของวัตถุ ท่อเหล่านี้ทำหน้าที่ป้องกันรังสีรบกวนจากผนังเตาเผา เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อควรมีขนาดอย่างน้อยหกเท่าของระยะทางที่วัดไปยังวัตถุเพื่อให้เกิดเงาที่ใหญ่เพียงพอ

ข้อมูลเกี่ยวกับค่าการแผ่รังสีของวัสดุต่าง ๆ สามารถพบได้ในเอกสารทางวิชาการหรือคู่มือการใช้งาน อย่างไรก็ตาม ข้อมูลนี้ควรได้รับการพิจารณาอย่างระมัดระวัง ควรระบุความยาวคลื่นและอุณหภูมิที่ค่าที่ระบุไว้ใช้ได้ นอกจากนี้ ค่าเหล่านี้ใช้ได้ภายใต้เงื่อนไขการวัดที่สมบูรณ์แบบ

ภายใต้สภาวะจริง รังสีที่ตรวจพบโดยไพโรมิเตอร์อาจเกิดจากรังสีแวดล้อมที่สะท้อนออกจากหรือผ่านวัตถุนั้นก็ได้ หากไพโรมิเตอร์ถูกตั้งค่าไว้ที่ค่าในอุดมคติที่พบในเอกสารอ้างอิง จะแสดงอุณหภูมิที่สูงเกินไป

เพื่อแสดงอุณหภูมิที่ถูกต้อง ค่าการแผ่รังสีของไพโรมิเตอร์ต้องถูกตั้งค่าให้สูงขึ้น นี่เรียกว่าการเพิ่มค่าการแผ่รังสีเทียม การวัดเปรียบเทียบโดยใช้เทอร์โมมิเตอร์สัมผัสสามารถใช้เพื่อกำหนดค่าการแผ่รังสีที่แท้จริงที่ต้องการได้ แน่นอนว่า ความผิดพลาดในการวัดก็ขึ้นอยู่กับค่าความแม่นยำของการวัดแบบสัมผัสด้วย

หรือในกรณีที่ต้องการวัดอุณหภูมิสูงสุดประมาณ 250 °C สามารถติดสติกเกอร์ที่มีค่าการแผ่รังสีความร้อนที่กำหนดไว้บนวัตถุที่ต้องการวัดได้
 

ขั้นแรก กำหนดอุณหภูมิจริงบนสติกเกอร์ (รูปที่ 2) จากนั้นจึงทำการวัดค่าอ้างอิงทันทีถัดจากสติกเกอร์ และปรับค่าการแผ่รังสีบนไพโรมิเตอร์ให้แสดงค่าที่อ่านได้ก่อนหน้านี้อีกครั้ง เนื่องจากอิทธิพลของการแผ่รังสีจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ การวัดค่าอ้างอิงนี้ควรดำเนินการที่อุณหภูมิสูงขึ้น

ในกรณีของวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงหรือวัตถุที่วัดไม่ได้ เช่น วัตถุในเตาเผาสูญญากาศ แนะนำให้ทำการวัดเปรียบเทียบโดยใช้ไพโรมิเตอร์ที่มีความยาวคลื่นการวัดสั้นมาก เนื่องจากเหตุผลทางฟิสิกส์ ความผิดพลาดในการวัดจะลดลงเมื่อความยาวคลื่นการวัดสั้นลง

ไพโรมิเตอร์เปรียบเทียบความเข้มเหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัตถุประสงค์นี้ (รูปที่ 3) หลักการวัดของอุปกรณ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบสีทางแสงที่ความยาวคลื่น 0.67 ไมโครเมตร นอกจากนี้ หลักการวัดยังทำงานโดยไม่ขึ้นกับขนาดของวัตถุที่กำลังวัด

ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงในค่าการแผ่รังสีหรือการตั้งค่าไพโรมิเตอร์ที่ไม่ถูกต้องแสดงในกราฟในรูปที่ 4

เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีเครื่องวัดอุณหภูมิแบบใช้รังสีที่สามารถตรวจจับรังสีที่ความยาวคลื่นสองค่าพร้อมกันได้ออกสู่ตลาด อัตราส่วนของระดับรังสีทั้งสองนี้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ หากการเปลี่ยนแปลงในค่าการแผ่รังสีทำให้รังสีที่รับโดยช่องทางการวัดทั้งสองเปลี่ยนแปลงไป อัตราส่วน – และดังนั้นอุณหภูมิ – จะคงที่เช่นเดิม อย่างไรก็ตาม ข้อนี้ใช้ได้เฉพาะเมื่อการเปลี่ยนแปลงในค่าการแผ่รังสีเหมือนกันทั้งสองช่องทางการวัด ในทางปฏิบัติ การเปลี่ยนแปลงค่าการแผ่รังสีของโลหะไม่ได้คงที่ ดังนั้นไพโรมิเตอร์แบบอัตราส่วนจึงอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดที่มากกว่าไพโรมิเตอร์แบบช่องเดียวอย่างมีนัยสำคัญ ด้วยเหตุนี้ จึงควรระมัดระวังการอ้างถึง "การวัดที่ไม่ขึ้นอยู่กับการแผ่รังสี" ที่มักถูกกล่าวถึงสำหรับไพโรมิเตอร์แบบอัตราส่วน

ไพโรมิเตอร์แบบอัตราส่วนให้ข้อได้เปรียบทางมาตรวิทยาเมื่อตัวอย่างเช่น พลังงานรังสีของทั้งสองช่องถูกหักเหในปริมาณเท่ากันโดยกระจกมองที่สกปรกหรือฝุ่นในบริเวณที่มองเห็น อุณหภูมิจะยังคงแสดงผลได้อย่างถูกต้อง

ภายใต้เงื่อนไขการวัดที่สำคัญ ควรพิจารณาทั้งค่าอุณหภูมิเชิงสเปกตรัมและอัตราส่วนอุณหภูมิควบคู่กันไป ขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ที่ได้ สามารถปรับไพโรมิเตอร์ให้ใช้วิธีการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นได้

เมื่อเลือกไพโรมิเตอร์ จะให้ความสำคัญอย่างมากกับความไม่แน่นอนในการวัดที่ระบุไว้ในแคตตาล็อก อย่างไรก็ตาม ในการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส ความผิดพลาดในการวัดที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางมาตรวิทยาของวัตถุที่ถูกวัดและสภาพแวดล้อมโดยรอบเป็นอย่างมาก ข้อผิดพลาดในการวัดที่เฉพาะเจาะจงกับเครื่องมือมีอิทธิพลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังนั้น ความสัมพันธ์ที่อธิบายไว้ข้างต้นจึงต้องนำมาพิจารณาทั้งในการเลือกเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไพโรมิเตอร์และในการกำหนดจุดวัด