ปัจจัยทางแสง

การวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสอาศัยวิธีการวัดทางแสง คุณสมบัติทางแสงของไพโรมิเตอร์มีอิทธิพลอย่างมากต่อความแม่นยำในการวัด ซึ่งมักถูกประเมินค่าต่ำเกินไป ในหลายกรณี จะมีการเปรียบเทียบเฉพาะพารามิเตอร์ที่ระบุไว้ในแผ่นข้อมูลเมื่อประเมินความไม่แน่นอนในการวัด อย่างไรก็ตาม ระบบออปติกที่เลือกใช้ไม่ถูกต้องหรือปรับตั้งไม่เหมาะสม แม้จะดูเรียบง่าย ก็อาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการวัดที่ร้ายแรงกว่ามาก รายงานต่อไปนี้อธิบายถึงพื้นฐานและผลกระทบของความคลาดเคลื่อนทางแสง รวมถึงข้อกำหนดของพารามิเตอร์ทางแสงของเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส (pyrometer) นอกจากนี้ยังนำเสนอวิธีการที่ผู้ใช้สามารถตรวจสอบคุณภาพของระบบออปติกของเครื่องวัดอุณหภูมิด้วยตนเอง

ความคลาดทรงกลม (ความผิดพลาดของรูรับแสง)
ลำแสงที่เข้าสู่เลนส์ใกล้ขอบจะถูกโฟกัสที่ระยะทางที่ต่างจากลำแสงที่เข้าสู่ศูนย์กลาง ผลลัพธ์คือภาพที่เบลอเล็กน้อย ความคลาดทรงกลมสามารถลดลงในระบบออปติคอลที่ประกอบด้วยเลนส์หลายชิ้นได้โดยการเลือกใช้พื้นผิวเลนส์ที่เหมาะสมร่วมกัน

ความคลาดสี (ความคลาดสีตามแนวยาว)
ความยาวโฟกัสของเลนส์ขึ้นอยู่กับช่วงความยาวคลื่น แสงหรือรังสีที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะถูกโฟกัสที่จุดต่าง ๆ ภาพของวัตถุจะปรากฏขึ้นพร้อมกับเส้นขอบสีรอบ ๆ ความคลาดสีสามารถลดลงได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการใช้เลนส์ที่ได้รับการแก้ไขสำหรับสอง (อะโครเมติก) หรือสาม (อะโพโครเมติก) ความยาวคลื่น (รูปที่ 2) วัสดุของเลนส์ถูกคัดเลือกในลักษณะที่การบิดเบือนของเลนส์สามารถชดเชยซึ่งกันและกันได้ในสองหรือสามช่วงความยาวคลื่น

ในการระบุคุณลักษณะทางแสง ให้ระบุขนาดจุดที่ระยะทางที่กำหนดหรืออัตราส่วนระยะทาง นั่นคือ อัตราส่วนระหว่างระยะทางวัดกับเส้นผ่านศูนย์กลางของจุด

ขนาดจุดวัดของไพโรมิเตอร์แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ที่กำหนดของพลังงานสูงสุดที่สามารถรับได้ในครึ่งหนึ่งของพื้นที่ 100% หมายถึงวัตถุที่วัดมีขนาดใหญ่ไม่จำกัด ขนาดของสนามวัดโดยทั่วไปจะแสดงเป็นร้อยละของพลังงานสูงสุดที่สามารถรับได้ (90, 95 หรือ 98 เปอร์เซ็นต์) (รูปที่ 3)

หากเปอร์เซ็นต์ของรังสีอ้างอิงจาก 95 เปอร์เซ็นต์แทนที่จะเป็น 90 เปอร์เซ็นต์ จะส่งผลให้มีสนามวัดที่ใหญ่ขึ้น ดังนั้น ข้อกำหนดเกี่ยวกับขนาดของพื้นที่วัดจึงสามารถเปรียบเทียบกันได้เฉพาะเมื่ออ้างถึงเปอร์เซ็นต์เดียวกันเท่านั้น ผู้ผลิตบางรายไม่ได้ระบุเปอร์เซ็นต์ของรังสีหรือกำหนดให้เป็นเปอร์เซ็นต์ที่ต่ำมาก ผลที่ตามมาคือ ผู้ผลิตเหล่านี้สร้างความเข้าใจในแผ่นข้อมูลของพวกเขาว่าขอบเขตการวัดมีขนาดเล็กมาก ทั้งที่ทราบดีว่าหากมีการกำหนดข้อกำหนดแตกต่างออกไป พวกเขาจะต้องระบุค่าที่ใหญ่กว่ามาก นอกจากนี้ ผู้ผลิตบางรายยังระบุขนาดของขอบเขตการวัดโดยไม่คำนึงถึงความคลาดเคลื่อนของเลนส์

เครื่องวัดอุณหภูมิแบบใช้แสง (Pyrometers) สามารถจำแนกได้เป็นสองประเภท คือ แบบมีระบบเลนส์ปรับโฟกัสได้ (Focusable optics) และแบบมีระบบเลนส์โฟกัสคงที่ (Fixed-focus optics) บริเวณที่ทำการวัดจะมีความคมชัดเฉพาะที่ระยะโฟกัสเท่านั้น หากเครื่องวัดอุณหภูมิถูกใช้งานนอกช่วงระยะโฟกัส จะไม่สามารถรับประกันการกระจายของรังสีอินฟราเรดที่สม่ำเสมอทั่วเซ็นเซอร์ได้อีกต่อไป (ดูรูปที่ 4)

รังสีที่ได้รับทั่วบริเวณการวัดจะถูกตรวจจับด้วยความเข้มที่แตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่จุดศูนย์กลางมีผลมากกว่าการเปลี่ยนแปลงที่ขอบเขตการวัด

สิ่งนี้มีผลกระทบเฉพาะต่อการสอบเทียบของเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสที่อยู่ด้านหน้าของ 'บล็อคดำ' ช่องเปิดของเตาต้องใหญ่กว่าช่องวัดของเครื่องวัดอุณหภูมิหลายเท่า สำหรับเครื่องมือที่มีระบบออปติกง่ายและมีสนามวัดขนาดใหญ่ แม้แต่แหล่งกำเนิดแสงที่มีขนาดใหญ่มากก็จำเป็นต้องใช้เป็นแหล่งสอบเทียบเพื่อลดข้อผิดพลาดในการวัดที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการสอบเทียบ นี่เป็นแหล่งข้อผิดพลาดหลักที่ส่งผลต่อความไม่แน่นอนในการวัดของเครื่องมือราคาประหยัด
 

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของวัตถุที่ต้องการวัดขนาดเล็กซึ่งมีขนาดใหญ่เพียงเล็กน้อยกว่าผิวหน้าวัดของไพโรมิเตอร์ การตั้งค่าโฟกัสที่ไม่ถูกต้องอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการวัดอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม แม้เมื่อไพโรมิเตอร์มองเป้าหมายผ่านช่องเปิด, กระจกมอง, ผนังเตา หรือท่อมอง, การปรับเลนส์ที่ไม่ดีหรือการโฟกัสที่ไม่ถูกต้องสามารถนำไปสู่การแคบลงของมุมมองได้อย่างรวดเร็ว และส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดตามมา เมื่อวัดวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าขอบเขตการมองเห็นของเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสอย่างมีนัยสำคัญ การใช้ระบบเลนส์แบบธรรมดาจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่แสดงผล หากขนาดของวัตถุที่วัดหรือระยะห่างในการวัดเปลี่ยนแปลงไป รูปที่ 5 แสดงการเปรียบเทียบการอ่านค่าต่ำกว่าค่าจริงของค่าที่วัดได้สำหรับระบบออปติคัลคุณภาพสูงและระบบออปติคัลแบบธรรมดาเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางของเป้าหมาย ด้วยระบบออปติคอลที่เรียบง่าย ค่าที่วัดได้จะลดลงอย่างมากเมื่อขนาดของวัตถุที่วัดเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนแปลงระยะห่างในการวัด โดยที่ขนาดของวัตถุคงที่ จะให้ผลเช่นเดียวกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง อุปกรณ์ที่มีระบบออปติคอลแบบเรียบง่ายจะแสดงค่าที่วัดได้แตกต่างกันที่ระยะห่างในการวัดที่แตกต่างกัน แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดนี้ต้องนำมาพิจารณา โดยเฉพาะเมื่อใช้เครื่องมือแบบมือถือที่เรียบง่าย ซึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องใช้ในระยะห่างที่แตกต่างกัน ผลกระทบนี้เรียกว่าผลกระทบจากขนาดของแหล่งกำเนิด (Size-of-Source Effect หรือ SSE) และเป็นแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่มีขนาดแตกต่างกันในเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสทุกชนิด สาเหตุรวมถึงการเบี่ยงเบนทางแสง, แสงที่เล็ดลอดเข้ามาและแสงสะท้อนจากส่วนประกอบทางแสงและชิ้นส่วนของตัวเรือน, รวมถึงการเลี้ยวเบนเนื่องจากลักษณะคลื่นของแสง ผลกระทบจากขนาดของแหล่งกำเนิดจะลดลงเมื่อความยาวคลื่นของการวัดสั้นลง อิทธิพลนี้สามารถลดลงได้โดยการแก้ไขความคลาดเคลื่อนทางแสงอย่างระมัดระวัง ใช้ชิ้นส่วนออปติคัลที่ลดการสะท้อนแสง และหลีกเลี่ยงแสงที่หลุดรอดและการสะท้อนภายในเครื่องมือ ในทางปฏิบัติ ผู้ใช้สามารถลดข้อผิดพลาดนี้ได้โดยการโฟกัสอย่างแม่นยำที่ระยะการวัด
 

รังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่ถูกวัดจะอยู่ในช่วงความยาวคลื่นระหว่าง 0.6 ถึง 20 ไมโครเมตร ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุนั้น ๆ – นั่นคือ ส่วนใหญ่จะอยู่นอกเหนือช่วงสเปกตรัมของแสงที่ตามองเห็นได้ ซึ่งหมายความว่า อย่างแรกเลย ระบบออปติกต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมกับช่วงความยาวคลื่นที่ไพโรมิเตอร์ใช้ หากผู้ใช้ต้องการมุ่งเน้นทางสายตา หรือหากเครื่องมือมีกล้องวิดีโอเป็นอุปกรณ์ช่วยในการมองเห็น ระบบออปติกต้องได้รับการออกแบบให้มีความคลาดเคลื่อนทางแสงที่แก้ไขอย่างเท่าเทียมกันสำหรับช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้และช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด ในอุปกรณ์ที่เรียบง่าย เลนส์ที่ใช้จะไม่ได้รับการปรับแก้สีหรือปรับแก้เพียงความยาวคลื่นเดียวเท่านั้น ในกรณีเช่นนี้ จุดโฟกัสของรังสีอินฟราเรดและรังสีที่มองเห็นได้จะไม่ตรงกัน (รูปที่ 2) เมื่อโฟกัสเครื่องวัดอุณหภูมิด้วยแสงโดยใช้เครื่องมือเล็ง เครื่องจะไม่ได้โฟกัสอย่างเหมาะสมสำหรับการแผ่รังสีอินฟราเรด

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้เลเซอร์เพื่อระบุจุดวัด จุดเลเซอร์จะไม่ตรงกับระยะการวัดเมื่อใช้เลนส์ธรรมดา

เฉพาะระบบเลนส์สองเลนส์หรือสามเลนส์ที่มีความซับซ้อนทางแสงเท่านั้นที่สามารถกำจัดข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบไพโรมิเตอร์ CellaTemp PA series เป็นตัวอย่างหนึ่งที่มีระบบเลนส์คุณภาพสูงที่มีความแม่นยำสูงพร้อมระบบเลนส์ป้องกันการสะท้อนแสงแบบกว้าง 

สิ่งนี้ทำให้สามารถวัดสายไฟที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 0.3 มิลลิเมตรได้อย่างแม่นยำ

ผู้ใช้สามารถตรวจสอบประสิทธิภาพการถ่ายภาพของไพโรมิเตอร์ได้อย่างง่ายดาย ในการทำเช่นนี้ ให้เล็งไพโรมิเตอร์ไปที่แหล่งกำเนิดรังสีที่กำหนดไว้

ขนาดของพื้นผิวรังสีควรมีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่วัดของไพโรมิเตอร์หลายเท่า จากนั้นให้วางแผ่นไดอะแฟรมรูม่านตาเปิดไว้ที่ระยะโฟกัส (a) ของไพโรมิเตอร์ด้านหน้าแหล่งกำเนิดรังสี และวัดอุณหภูมิโดยใช้ไพโรมิเตอร์ที่มีการตั้งค่าค่าการแผ่รังสีเป็น ε = 1 (รูปที่ 6) แนะนำให้ทำการวัดที่ขีดจำกัดบนของช่วงการวัดของไพโรมิเตอร์ เนื่องจากข้อผิดพลาดในการวัดทางแสงจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ค่าการแผ่รังสีบนไพโรมิเตอร์ควรถูกตั้งค่าเป็น 0.98 ซึ่งจะทำให้ค่าอุณหภูมิที่อ่านได้เพิ่มขึ้น
 

เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องเปิดจะต้องลดลงจนกว่าอุณหภูมิที่แสดงจะตรงกับค่าเดิมอีกครั้ง เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องเปิดของรูรับแสงจะสอดคล้องกับขนาดของพื้นที่วัดเมื่อเทียบกับ 98 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานรังสี อัตราส่วนระยะทาง D = ได้มาจากอัตราส่วนต่อระยะทางการวัด a. การวัดนี้ควรทำซ้ำสำหรับขนาดสนามการวัดที่ 95% และ 90% และผลลัพธ์ที่ได้ควรเปรียบเทียบกับข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิตในโบรชัวร์ของผลิตภัณฑ์ 

ด้วยวิธีนี้ คุณลักษณะการถ่ายภาพด้วยแสงที่แท้จริง รวมถึงผลกระทบจากความคลาดเคลื่อนของเลนส์ สามารถทดสอบและเปรียบเทียบได้อย่างง่ายดายระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ
 

รูปที่ 7 ตัวอย่างเช่น แสดงเส้นผ่านศูนย์กลางของวัตถุที่วัดสำหรับ 90 เปอร์เซ็นต์และ 95 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานรังสี เมื่ออ้างอิงที่ 90 เปอร์เซ็นต์ ความแตกต่างของขนาดพื้นที่การวัด – โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 14 มม. สำหรับเลนส์มาตรฐานและ 10.2 มม. สำหรับเลนส์คุณภาพสูง – ยังคงมีขนาดเล็กเมื่อเปรียบเทียบกัน อย่างไรก็ตาม ที่ 95 เปอร์เซ็นต์ (Ø 24 มม. สำหรับเลนส์มาตรฐาน และ Ø 11.5 มม. สำหรับเลนส์คุณภาพสูง) ตัวเลขเหล่านี้ก็แตกต่างกันอย่างมากแล้ว ดังนั้น เพื่อให้สามารถระบุค่าที่ดีกว่า (เล็กกว่า) สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องวัดได้ ผู้ผลิตบางรายจึงนิยมระบุค่าสำหรับระดับอ้างอิงของรังสีที่ต่ำกว่า (เช่น 90%) ซึ่งทำให้ระบบออปติคัลมาตรฐานดูดีกว่าความเป็นจริงอย่างมีนัยสำคัญ

สำหรับไพโรมิเตอร์ที่มีไฟนำทาง กล้องวิดีโอ หรือกล้องมองผ่านเลนส์ การทดสอบสามารถตรวจสอบได้ในเวลาเดียวกันว่า ระยะห่างของจุดโฟกัสจากพื้นที่วัดและจากมุมมองภาพนั้นเท่ากันหรือไม่ และเครื่องหมายพื้นที่วัดตรงกับตำแหน่งและขนาดของพื้นที่วัดของไพโรมิเตอร์จริงหรือไม่

เมื่อเลือกเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไพโรมิเตอร์ สิ่งสำคัญไม่เพียงแต่เปรียบเทียบพารามิเตอร์ทางมาตรวิทยาเท่านั้น แต่ยังต้องเปรียบเทียบคุณสมบัติทางแสงอย่างละเอียดด้วย เนื่องจากข้อมูลที่ให้ไว้ในโบรชัวร์ของผู้ผลิตบางรายมักไม่เพียงพอ จึงควรสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการกำหนดขอบเขตการวัดที่ระบุไว้ และตรวจสอบว่ามีการพิจารณาข้อผิดพลาดของเลนส์และค่าความคลาดเคลื่อนในการจัดตำแหน่งไว้ในข้อกำหนดหรือไม่ การเปรียบเทียบไพโรมิเตอร์ชนิดต่าง ๆ สามารถทำได้เฉพาะเมื่อข้อมูลจำเพาะทางแสงและพารามิเตอร์อ้างอิงเหมือนกันทุกประการ ในกรณีที่มีความสำคัญ ควรตรวจสอบคุณภาพและข้อมูลจำเพาะของเอกสารโฆษณาด้วยตนเองตามที่อธิบายไว้ เพื่อให้แน่ใจในความปลอดภัย ท้ายที่สุดแล้ว มิเตอร์วัดความร้อนที่มีระบุความไม่แน่นอนของการวัดทางไฟฟ้าไว้ต่ำกว่า 1 เปอร์เซ็นต์อย่างชัดเจน แต่กลับให้ค่าการวัดที่คลาดเคลื่อนมากกว่าอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการใช้เลนส์ธรรมดาและชุดประกอบทางแสง จะมีประโยชน์อะไร?