ข้อผิดพลาดในการวัด

การวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส หรือที่รู้จักกันในชื่อไพโรเมตรี ยังคงถูกมองด้วยความสงสัยโดยผู้เชี่ยวชาญหลายท่านในวงการวัดอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลทางเทคนิคจากผู้ผลิตแสดงให้เห็นว่าไพโรมิเตอร์เป็นเครื่องมือวัดที่มีความแม่นยำและเที่ยงตรงสูง นอกเหนือจากการเลือกไพโรมิเตอร์ที่เหมาะสมกับการใช้งานแล้ว การพิจารณาคุณสมบัติของวัสดุและปัจจัยแวดล้อม ณ สถานที่ติดตั้งก็เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

ข้อผิดพลาดในการวัดสามารถหลีกเลี่ยงได้หากใช้งานอย่างถูกต้อง สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของข้อผิดพลาดและวิธีลดความเสี่ยงดังกล่าวได้อธิบายไว้ด้านล่าง

ไพโรมิเตอร์วัดการแผ่รังสีความร้อนที่ปล่อยออกมาจากวัตถุ การแผ่รังสีอินฟราเรดที่วัตถุปล่อยออกมาขึ้นอยู่กับวัสดุและคุณสมบัติของพื้นผิวของวัตถุนั้น คุณลักษณะการแผ่รังสีนี้อธิบายโดยค่าการแผ่รังสี ε เพื่อให้การวัดอุณหภูมิมีความแม่นยำ ค่าการแผ่รังสีต้องถูกตั้งค่าบนเครื่องมือ หากตั้งค่าการแผ่รังสีไม่ถูกต้อง อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดที่สำคัญได้ รูปที่ 1 แสดงค่าความเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ (ΔT) สำหรับค่าที่วัดได้สามค่าเป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่น เมื่อตั้งค่าค่าการแผ่รังสีที่ 80% บนเครื่องมือแทนที่จะเป็น 90% ความผิดพลาดนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อความยาวคลื่นของการวัดเพิ่มขึ้นหรืออุณหภูมิสูงขึ้น ช่วงความยาวคลื่นที่สั้นที่สุดเท่าที่เป็นไปได้สำหรับช่วงการวัดที่ต้องการควรถูกเลือกไว้ก่อนเสมอ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำการวัดผิวโลหะที่มีค่าการแผ่รังสีที่ไม่ทราบค่าหรือมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก การเลือกความยาวคลื่นที่สั้นกว่าจะช่วยลดข้อผิดพลาดในการวัดได้อย่างมีนัยสำคัญ ค่าการแผ่รังสีของโลหะจะเพิ่มขึ้นเมื่อความยาวคลื่นสั้นลง ในขณะเดียวกัน ผลกระทบของข้อผิดพลาดจะลดลงหากตั้งค่าการแผ่รังสีไม่ถูกต้อง

สภาวะที่เหมาะสมที่สุดจะเกิดขึ้นเมื่อเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสมีเส้นทางการมองเห็นที่ชัดเจนไปยังวัตถุ หากมีสารต่างๆ เช่น ฝุ่น, ก๊าซ, ควัน, หน้าจอป้องกัน หรือวัสดุทึบแสงอยู่ในเส้นทางลำแสงของเครื่องวัดอุณหภูมิ จะทำให้การแผ่รังสีความร้อนของวัตถุลดลง

หากทราบการสูญเสียการส่งผ่าน – ตัวอย่างเช่น เมื่อวัดผ่านกระจกป้องกัน (τ=0.95) – สามารถชดเชยได้โดยการปรับค่าการแผ่รังสีบนอุปกรณ์

_εInstrument=_εObject·<sub>τOptical path

εInstrument</sub>= ค่าการแผ่รังสีที่ต้องตั้งค่าในเครื่องมือ
_εObject= ค่าการแผ่รังสีของวัตถุ
_{τOptical path}= ค่าการส่งผ่านของวัตถุในเส้นทางแสง
 

เมื่อเวลาผ่านไป ฝุ่นละออง น้ำมัน หรือวัสดุที่ระเหยแล้วอาจสะสมบนเลนส์หรือหน้าต่างป้องกันได้ ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาได้มากขึ้น เมื่อระดับการปนเปื้อนเพิ่มขึ้น เครื่องวัดอุณหภูมิแบบไพโรมิเตอร์จะวัดอุณหภูมิต่ำลง ดังนั้น การทำความสะอาดเลนส์เป็นประจำจึงมีความจำเป็น ระบบเป่าลมช่วยยืดระยะเวลาการทำความสะอาด. เครื่องวัดอุณหภูมิแบบมีตัวบ่งชี้ระดับการปนเปื้อนในตัวก็ได้กลายเป็นสินค้าที่มีจำหน่ายในตลาดไม่นานมานี้. ระบบจะส่งสัญญาณเตือนหากเลนส์เกิดการปนเปื้อน.

กำลังแผ่รังสี_ΦΣ ที่ตกกระทบตัวตรวจจับของไพโรมิเตอร์เป็นตัวกำหนดอุณหภูมิของวัตถุที่แสดงอย่างเด็ดขาด

ตามสูตรต่อไปนี้ สิ่งนี้ประกอบด้วยไม่เพียงแต่ส่วนที่แผ่รังสีของวัตถุที่กำลังวัดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงส่วนประกอบของรังสีพื้นหลัง ซึ่งประกอบด้วยส่วนที่สะท้อนและส่วนที่ผ่านของรังสีแวดล้อม

_ΦΣ=_Φε+_Φτ+_Φρ

ε = ค่าการแผ่รังสีของพื้นผิวที่วัดได้
τ = ค่าการส่งผ่านของวัตถุที่วัดได้
ρ = ค่าการสะท้อนของพื้นผิวที่วัดได้

ความผิดพลาดที่เกิดจากรังสีพื้นหลังจะลดลง ยิ่งค่าการแผ่รังสีของวัตถุสูงขึ้น และยิ่งอุณหภูมิของวัตถุสูงกว่าอุณหภูมิโดยรอบมากเท่าใด ผลกระทบนี้ก็จะยิ่งมีปัญหามากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ไพโรมิเตอร์ที่ทางออกของเตาหลอมต่อเนื่อง ความผิดพลาดในการวัดสามารถลดลงได้หากระบบออปติกถูกจัดให้อยู่ในตำแหน่งที่ป้องกันไม่ให้รังสีความร้อนจากเตาถูกสะท้อนออกจากผิวของวัตถุที่กำลังวัด แหล่งกำเนิดรังสีในช่วงอินฟราเรด เช่น หลอดไฟแบบให้ความร้อน เครื่องทำความร้อนแบบแผ่รังสี หรือเลเซอร์ อาจผลิตรังสีอินฟราเรดที่รุนแรงได้ในบางครั้ง ซึ่งมักถูกประเมินค่าต่ำเกินไปในทางปฏิบัติ

อุปกรณ์ที่มีฟิลเตอร์กั้นสามารถหาซื้อได้โดยเฉพาะสำหรับการใช้งานเลเซอร์ เพื่อป้องกันไม่ให้รังสีเลเซอร์พลังงานสูงรบกวนระดับรังสีอินฟราเรดที่ต่ำมาก

ความคลาดเคลื่อนทางแสง, แสงที่หลุดรอดและแสงสะท้อนจากชิ้นส่วนทางแสงและส่วนประกอบของตัวเรือน, รวมถึงการเลี้ยวเบนที่เกิดจากลักษณะคลื่นของแสง, หมายความว่าบางส่วนของรังสีที่ถูกตรวจจับจะไปถึงเซ็นเซอร์นอกขอบเขตการวัดที่กำหนดไว้ ระบบออปติกส์รับรังสีบางส่วนจากภายนอกขอบเขตการวัด ผลกระทบนี้ที่เกิดจากระบบออปติกส์เรียกว่า 'ผลกระทบจากขนาดของแหล่งกำเนิด' ผู้ผลิตสามารถลดผลกระทบนี้ได้โดยการแก้ไขความคลาดเคลื่อนทางแสงอย่างระมัดระวัง ใช้ชิ้นส่วนออปติคัลที่ลดการสะท้อนแสง และป้องกันการสะท้อนภายในเครื่องมือ เลนส์คุณภาพสูงช่วยลดข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้. 'ผลกระทบจากขนาดของแหล่งกำเนิด' จะมีขนาดเล็กที่สุดที่จุดโฟกัสของเลนส์. ในเครื่องวัดอุณหภูมิแบบใช้เลนส์ที่สามารถปรับโฟกัสได้ ผลกระทบนี้สามารถลดลงได้อย่างมีนัยสำคัญหากระยะการวัดถูกตั้งค่าอย่างถูกต้อง.

เนื่องจากเหตุผลทางกายภาพ ความคลาดเคลื่อนทางแสงจะเพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่น ดังนั้น อุปกรณ์ที่วัดที่ความยาวคลื่นยาว – และดังนั้นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับช่วงการวัดต่ำ – จะต้องใช้ความพยายามมากขึ้นเพื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนทางแสง ในกรณีของไพโรมิเตอร์ราคาประหยัดที่วัดจากอุณหภูมิห้อง จะมีผลกระทบในทางลบเนื่องจากค่าที่แสดงมีความขึ้นอยู่กับระยะห่างในการวัดเป็นอย่างมาก

หากวัตถุมีขนาดใหญ่กว่าจุดวัดของไพโรมิเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ และพื้นผิวมีอุณหภูมิเกือบเท่ากัน ผลกระทบนี้สามารถละเลยได้เกือบทั้งหมด มิฉะนั้น ข้อผิดพลาดสามารถลดลงได้โดยใช้เครื่องมือที่มีระบบออปติคอลที่สามารถปรับโฟกัสได้ และปรับให้ตรงกับวัตถุอย่างแม่นยำ แนะนำให้ใช้ไฟนำทาง, กล้องมองผ่านเลนส์ หรือกล้องวิดีโอที่ติดตั้งในตัว สำหรับการปรับให้ตรงอย่างแม่นยำของไพโรมิเตอร์

ในไพโรมิเตอร์แบบอัตราส่วน จะทำการวิเคราะห์อัตราส่วนของความเข้มรังสีจากสองช่วงสเปกตรัมที่แตกต่างกัน ในคำอธิบายที่ง่ายขึ้น สูตรต่อไปนี้ใช้กับอุณหภูมิที่วัดได้ โดยใช้ความยาวคลื่นกลางสองค่า_λ1และ_λ2:

1 ÷_TM= (1 ÷_TW) + ((_λ1·_λ2) ÷ (_C2· (_λ1-_λ2))) · (ln {_ε1÷_ε2})

_TM= ค่าการแผ่รังสีของพื้นผิวที่วัด
_TW= ค่าการส่งผ่านของวัตถุที่กำลังวัด
_C2= ค่าสะท้อนกลับของพื้นผิวที่วัด
 

หากค่าการแผ่รังสี_ε1และ_ε2เท่ากันสำหรับทั้งสองความยาวคลื่น อุณหภูมิที่วัดได้จะสอดคล้องกับอุณหภูมิของวัตถุ ดังนั้นเครื่องวัดอุณหภูมิแบบอัตราส่วนจึงวัดอุณหภูมิได้อย่างอิสระจากค่าการแผ่รังสีของพื้นผิว ตราบใดที่ค่าการแผ่รังสี_ε1และ_ε2เหมือนกัน ในทางทฤษฎี แนะนำให้ใช้เครื่องวัดอุณหภูมิแบบอัตราส่วนเมื่อค่าการแผ่รังสีของวัตถุที่วัดมีความแปรผัน อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติพบว่าสิ่งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานเฉพาะ และแทบจะไม่เกิดขึ้นในกรณีทั่วไป เนื่องจากการคำนวณอัตราส่วน ความคลาดเคลื่อนในการวัดของเครื่องวัดอุณหภูมิแบบอัตราส่วนอาจมากกว่าเครื่องวัดอุณหภูมิแบบสเปกตรัมอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อค่าการแผ่รังสีที่ความยาวคลื่นทั้งสองมีการเปลี่ยนแปลงหรือแตกต่างกัน โลหะ และโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสดงให้เห็นถึงความแปรผันของความส่องสว่างที่ขึ้นอยู่กับคลื่นความถี่ 

การสูญเสียการส่งผ่าน เช่น ฝุ่นละออง ไอระเหย หรือควัน ในทางกลับกัน มักทำให้เกิดการลดทอนความเข้มของรังสีอย่างสม่ำเสมอ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องวัดอุณหภูมิแบบสเปกตรัม ค่าที่วัดได้จะคงที่สำหรับเครื่องวัดอุณหภูมิแบบอัตราส่วนภายใต้สภาวะเหล่านี้
 

เครื่องวัดอุณหภูมิแบบอัตราส่วนนวัตกรรมใหม่ช่วยให้สามารถวัดและคำนวณอุณหภูมิที่ความยาวคลื่นสเปกตรัมทั้งสองและความแตกต่างของอุณหภูมิได้พร้อมกัน ซึ่งหมายความว่า ในระหว่างการทดสอบระบบ สามารถตัดสินใจได้ว่า สำหรับช่วงการวัดทั้งหมด จะใช้เครื่องวัดอุณหภูมิแบบสเปกตรัมหรือเครื่องวัดอุณหภูมิแบบอัตราส่วนจะให้ผลการวัดที่แม่นยำและสามารถทำซ้ำได้มากกว่า