พื้นฐานของการวัดอุณหภูมิด้วยอินฟราเรด

การวัดอุณหภูมิสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: การสัมผัสและไม่สัมผัส. ในทางปฏิบัติ เทอร์โมคัปเปิลและเซ็นเซอร์ Pt 100 เป็นตัวอย่างที่พบมากที่สุดของกลุ่มแรก พวกเขาต้องสัมผัสกับวัตถุที่กำลังวัด และโดยหลักการแล้ว ต้องวัดอุณหภูมิของตนเองด้วย ซึ่งอุณหภูมิของตนต้องสมดุลกับอุณหภูมิของวัตถุนั้นแล้ว ซึ่งส่งผลให้เวลาตอบสนองค่อนข้างช้า เซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสวัดพลังงานอินฟราเรด (IR) ที่ปล่อยออกมาจากวัตถุ; เซ็นเซอร์เหล่านี้มีเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว และมักถูกใช้เพื่อวัดวัตถุที่เคลื่อนไหว รวมถึงวัตถุที่อยู่ในสุญญากาศหรือไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยเหตุผลอื่น ๆ
เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดหรือเครื่องวัดอุณหภูมิแบบไพโรมิเตอร์ เป็นเซ็นเซอร์ที่มีความซับซ้อนสูงซึ่งได้รับการนำมาใช้อย่างแพร่หลายในงานวิจัยและอุตสาหกรรม บทความนี้ให้คำอธิบายที่ชัดเจนเกี่ยวกับทฤษฎีที่อยู่เบื้องหลังหลักการวัดนี้ และวิธีที่ทฤษฎีนี้สามารถช่วยในการจัดการกับพารามิเตอร์เฉพาะการใช้งานต่างๆของการวัดการสั่นสะเทือน () การสั่นสะเทือนเชิงความถี่ () การสั่นสะเทือนเชิงความถี่ ( ) การสั่นสะเทือนเชิงความถี่ ( ) การสั่นสะเทือนเชิงความถี่ ( ) การสั่นสะเทือนเชิงความถี่ ( ) การสั่นสะเทือนเชิงความ

รังสีอินฟราเรดถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1666 โดยเซอร์ไอแซค นิวตัน เมื่อเขาใช้ปริซึมส่องผ่านแสงแดดและแยกมันออกเป็นสีต่างๆ ของรุ้ง ในปี ค.ศ. 1880 เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชลได้ก้าวไปอีกขั้นด้วยการกำหนดพลังงานสัมพัทธ์ของแต่ละสี เขายังค้นพบพลังงานที่อยู่นอกเหนือจากสเปกตรัมที่มองเห็นได้อีกด้วย ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 แผนค, สเตฟาน, โบลต์ซมันน์, วีน และเคิร์ชฮอฟฟ์ ได้กำหนดคุณสมบัติของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเพิ่มเติม และสร้างข้อมูลเชิงปริมาณและสมการเพื่ออธิบายพลังงานอินฟราเรด 

เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดวัดอุณหภูมิโดยการตรวจจับรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจากวัสดุและวัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (0° เคลวิน) ในการออกแบบที่ง่ายที่สุด เลนส์จะโฟกัสพลังงานอินฟราเรดไปยังตัวตรวจจับ ซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานเป็นสัญญาณไฟฟ้า เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมได้รับการชดเชยแล้ว สัญญาณนี้สามารถแสดงผลได้ การตั้งค่านี้ช่วยให้สามารถวัดอุณหภูมิได้จากระยะทางที่กำหนดไว้ และไม่ต้องสัมผัสกับวัตถุที่กำลังวัด ซึ่งทำให้เทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดเหมาะสำหรับงานวัดที่ต้องการวัดอุณหภูมิที่ไม่สามารถใช้เทอร์โมคัปเปิลหรือโพรบชนิดอื่น ๆ ได้ หรืออาจให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง ตัวอย่างที่พบบ่อยได้แก่ การวัดวัตถุที่เคลื่อนที่หรือมีขนาดเล็กมาก ส่วนประกอบไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน หรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน การวัดในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้มข้น การวัดวัตถุที่อยู่ในสุญญากาศหรือสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิท และการใช้งานที่ต้องการเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว

การออกแบบครั้งแรกของเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดมีต้นกำเนิดในศตวรรษที่ 19 แนวคิดบางประการได้รับการนำเสนอโดย Charles A. Darling ในหนังสือของเขา *Pyrometry* ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1911

จนกระทั่งในปี 1930 เทคโนโลยีจึงพร้อมใช้งานเพื่อนำแนวคิดเหล่านี้ไปปฏิบัติจริง ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เครื่องมือเหล่านี้ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งในระหว่างนั้นได้สะสมความรู้และประสบการณ์ทางปฏิบัติไว้มากมาย ปัจจุบัน แนวคิดนี้ได้กลายเป็นวิธีการวัดมาตรฐานและถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมและการวิจัย

ตามที่ได้กล่าวไปแล้ว ร่างกายทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0°K จะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา รังสีอินฟราเรดเป็นส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในช่วงระหว่างแสงที่ตามองเห็นกับคลื่นวิทยุ ความยาวคลื่นของรังสีอินฟราเรดมีช่วงตั้งแต่ 0.7 ไมโครเมตร ถึง 1000 ไมโครเมตร ตามที่แสดงในรูปที่ 1 อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ จะใช้ความยาวคลื่นที่อยู่ระหว่าง 0.7 ถึง 20 ไมโครเมตร ภายในช่วงความถี่นี้เท่านั้น ที่เหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิ ในปัจจุบัน ไม่มีเครื่องตรวจจับใดที่มีความไวเพียงพอที่จะวัดปริมาณพลังงานขนาดเล็กที่ปล่อยออกมาที่ความยาวคลื่นสูงกว่า 20 ไมโครเมตร พลังงานเพิ่มขึ้นตามกำลังสี่ของอุณหภูมิ

เส้นโค้ง (รูปที่ 2) แสดงพลังงานที่แผ่ออกมาโดยวัตถุดำในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 700 K ถึง 1300 K ดังที่เห็นได้ว่าส่วนใหญ่ของพลังงานอยู่เกินกว่าช่วงคลื่นที่ตามองเห็นได้ แม้ว่ารังสีอินฟราเรดจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าของมนุษย์ แต่ก็เป็นประโยชน์ที่จะจินตนาการรังสีนี้ให้เป็นแสงที่มองเห็นได้ เพื่อช่วยให้เข้าใจหลักการการทำงานและปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในการใช้งานจริง

ในหลาย ๆ ด้าน รังสีอินฟราเรดก็มีพฤติกรรมคล้ายกับแสงที่มองเห็นได้ รังสีอินฟราเรดเดินทางเป็นเส้นตรงออกจากแหล่งกำเนิดและสามารถสะท้อนหรือดูดซับโดยวัตถุที่อยู่ในเส้นทางของมันได้ วัตถุส่วนใหญ่ที่ไม่โปร่งใสต่อสายตาของมนุษย์จะสะท้อนรังสีอินฟราเรดบางส่วนและดูดซับส่วนที่เหลือ ของพลังงานที่ถูกดูดซับนั้น บางส่วนจะถูกสะท้อนกลับภายใน และบางส่วนจะถูกปล่อยออกมาใหม่ หลักการนี้ใช้ได้กับวัตถุที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เช่น แก้ว แก๊ส และฟิล์มพลาสติกบาง ๆ ที่โปร่งใส นอกจากนี้ รังสีบางส่วนยังผ่านวัตถุนั้นไปได้อีกด้วย รูปที่ 3 แสดงกระบวนการเหล่านี้ เมื่อรวมกันแล้ว กระบวนการเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดสิ่งที่เราเรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีของวัตถุหรือวัสดุ
 

เช่นเดียวกับแสงที่มองเห็นได้ พื้นผิวที่ขัดเงามากขึ้นจะสะท้อนพลังงานมากขึ้นในกรณีของรังสีอินฟราเรด ดังนั้น ความเรียบของพื้นผิวจึงมีผลต่อค่าการแผ่รังสีเช่นกัน เมื่อวัดอุณหภูมิ สิ่งนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับวัตถุที่ไม่โปร่งแสงต่อรังสีอินฟราเรดและมีค่าการแผ่รังสีต่ำ วัตถุที่ทำจากสแตนเลสสตีลขัดเงามีค่าการแผ่รังสีความร้อนต่ำกว่าวัตถุชนิดเดียวกันที่มีพื้นผิวหยาบอย่างมีนัยสำคัญ หลังจากการตัดเฉือน เช่น การกลึง วัตถุที่มีพื้นผิวหยาบจะแสดงร่องเล็กๆ และความไม่สม่ำเสมอจำนวนมาก ซึ่งลดความสามารถในการสะท้อนแสงของชิ้นงานลงอย่างมีนัยสำคัญ
ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน ผลรวมของสัมประสิทธิ์สำหรับพลังงานอินฟราเรดที่ส่งผ่าน สะท้อนกลับ และถูกดูดกลืน (หรือสูญเสีย) จะต้องเท่ากับ 1
σλ + αλ + τλ = 1
นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีเท่ากับค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืน:
ελ = αλ
ดังนั้น:
ελ = 1 - σλ + τλ

ค่าสัมประสิทธิ์สามารถแทนที่ลงในสมการของเพลนค์เป็นตัวแปรที่อธิบายสมบัติของผิวหน้าเมื่อเปรียบเทียบกับความยาวคลื่น สำหรับวัตถุทึบแสง สมการสามารถย่อให้ง่ายขึ้นได้ดังนี้:

ελ = 1 - σλ

วัตถุที่ไม่สะท้อนและไม่ส่งผ่านรังสีอินฟราเรดเรียกว่าวัตถุสีดำบริสุทธิ์ ไม่มีวัตถุสีดำบริสุทธิ์ตามธรรมชาติที่รู้จักกัน เพื่อวัตถุประสงค์ทางทฤษฎีและเมื่อคำนวณวัตถุอื่น ๆ จะถือว่าวัตถุสีดำสมบูรณ์แบบมีค่าการแผ่รังสีเท่ากับ 1.0 ในทางปฏิบัติ การประมาณค่าที่ดีที่สุดของวัตถุสีดำสมบูรณ์แบบสามารถทำได้โดยใช้ทรงกลมที่ทึบแสงอินฟราเรดที่มีช่องเปิดรูปทรงกระบอกขนาดเล็ก พื้นผิวด้านในของวัตถุดังกล่าวมีค่าการแผ่รังสีเท่ากับ 0.998

ค่าการแผ่รังสี (Emissivity) คือการวัดอัตราส่วนของรังสีความร้อนที่แผ่ออกมาจากวัตถุสีเทาและวัตถุสีดำที่อุณหภูมิเท่ากัน วัตถุสีเทาถูกนิยามว่าเป็นวัตถุที่มีค่าการแผ่รังสีเท่ากันในทุกความยาวคลื่น และแผ่รังสีอินฟราเรดน้อยกว่าวัตถุสีดำสมบูรณ์ วัตถุสีคือวัตถุที่มีค่าการแผ่รังสีเปลี่ยนแปลงตามความยาวคลื่น เช่นเดียวกับโลหะ ตัวอย่างเช่น
 

จากย่อหน้าข้างต้นจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าค่าการแผ่รังสีเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญอย่างยิ่งในการวัดอุณหภูมิด้วยอินฟราเรด หากไม่ทราบค่าการแผ่รังสีของวัตถุที่กำลังวัดอย่างแม่นยำและนำมาพิจารณาในการวัดแล้ว มีความเป็นไปได้สูงที่ค่าที่ได้จากการวัดจะไม่ถูกต้อง โดยพื้นฐานแล้วมีสองวิธีในการกำหนดค่าการแผ่รังสีความร้อน (emissivity) วิธีหนึ่งคือนำค่าการแผ่รังสีความร้อนจากตาราง หรืออีกวิธีหนึ่งคือกำหนดค่าโดยการวัดเปรียบเทียบ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อมูลในตารางโดยทั่วไปถูกกำหนดภายใต้สภาวะห้องปฏิบัติการที่สมมติขึ้นเท่านั้น จึงไม่ได้คำนึงถึงอิทธิพลจากสิ่งแวดล้อมซึ่งอาจก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อค่าการแผ่รังสีต่ำ นอกจากนี้ ตารางดังกล่าวยังไม่ได้ระบุอุณหภูมิหรือความยาวคลื่นที่ใช้ในการวัดแต่อย่างใด ในการประมาณเบื้องต้น ค่าในตารางนี้ถือว่าช่วยได้มากทีเดียว ในการวัดเปรียบเทียบ วัตถุที่ต้องการวัดจะถูกตรวจสอบโดยใช้เทอร์โมคัปเปิลหรือเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิชนิดอื่น เพื่อให้สามารถปรับค่าการแผ่รังสีได้บนเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด เพื่อให้แสดงค่าอุณหภูมิเดียวกัน โดยทั่วไปแล้ว วัสดุทึบแสงและไม่ใช่โลหะส่วนใหญ่จะมีค่าการแผ่รังสีความร้อนสูงและค่อนข้างคงที่อยู่ในช่วงระหว่าง 0.85 ถึง 0.95 สำหรับวัสดุโลหะส่วนใหญ่ที่ไม่ผ่านการออกซิไดซ์ ค่าการแผ่รังสีความร้อนจะอยู่ในช่วง 0.2 ถึง 0.5 ยกเว้นทองคำ เงิน และอะลูมิเนียม ซึ่งมีค่าการแผ่รังสีความร้อนต่ำกว่านั้น ดังนั้น อุณหภูมิของโลหะเหล่านี้จึงยากที่จะวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด เนื่องจากส่วนประกอบของรังสีสะท้อนจากสิ่งแวดล้อมมีขนาดใกล้เคียงกับ หรือมากกว่า รังสีที่วัตถุแผ่ออกมา

แม้ว่าจะสามารถกำหนดค่าการแผ่รังสีของวัสดุได้เกือบทุกครั้ง แต่ปัญหาจะเกิดขึ้นเมื่อวัสดุนั้นไม่มีความสามารถในการแผ่รังสีที่คงที่ แต่กลับมีความสามารถในการแผ่รังสีที่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ซึ่งสิ่งนี้เกิดขึ้นกับโลหะส่วนใหญ่ รวมถึงวัสดุอื่น ๆ บางชนิด เช่น ซิลิคอน หรือเซรามิกส์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและเป็นผลึกเดี่ยว ในกรณีเช่นนี้ การวัดเปรียบเทียบและการสอบเทียบควรดำเนินการที่อุณหภูมิซึ่งมีความสำคัญต่อกระบวนการ

สมการและสูตรที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิเป็นที่รู้จักและได้รับการพิสูจน์มาเป็นเวลานานแล้ว เป็นไปได้ยากที่ผู้ใช้จะต้องนำสูตรเหล่านี้ไปใช้ในงานประจำวันกับเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด อย่างไรก็ตาม การเข้าใจพื้นฐานเหล่านี้ช่วยให้เห็นภาพรวมที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีที่ตัวแปรและพารามิเตอร์บางตัวมีอิทธิพลต่อซึ่งกันและกัน สูตรที่สำคัญที่สุดสรุปได้ดังนี้:

1. กฎการแผ่รังสีของเคอร์ชอฟฟ์
สำหรับอุณหภูมิที่กำหนด T และความยาวคลื่น λ ค่าการแผ่รังสี e เท่ากับค่าการดูดกลืน

e = α

จากนี้สามารถสรุปได้ว่า ฟลักซ์รังสี øλ ของวัตถุจริงเท่ากับฟลักซ์รังสีของวัตถุดำที่อุณหภูมิเดียวกัน คูณด้วยค่าการแผ่รังสีของวัตถุนั้น

øλ = ε * øs

2. กฎของสเตฟาน–โบลต์ซมันน์
อุณหภูมิ T ของวัตถุยิ่งสูง พลังงานรังสี P ที่แผ่ออกมาก็ยิ่งมากขึ้น โดยมีค่าการแผ่รังสีเฉพาะ ε และพื้นที่ผิวที่แผ่รังสี A (k = ค่าคงที่)

P =^k*ε*A*T⁴

3. กฎการเลื่อนของวิน (Wien's displacement law)
ความยาวคลื่นที่เกิดการแผ่รังสีพลังงานสูงสุดจะเลื่อนไปทางช่วงความยาวคลื่นสั้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

λmax = 2.89 × 10³ μmK/T

4. สมการของเพลนค์
สมการนี้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น อุณหภูมิ T และกำลังแผ่รังสี
 

เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดประกอบด้วยส่วนประกอบการทำงานหลักดังต่อไปนี้:

1. เลนส์ที่โฟกัสพลังงานที่ปล่อยออกมาจากวัตถุ
2. ตัวตรวจจับที่แปลงพลังงานรังสีให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า
3. การตั้งค่าค่าการแผ่รังสีเพื่อปรับเทียบเทอร์โมมิเตอร์ให้เข้ากับคุณสมบัติของวัตถุที่กำลังวัด
4. การชดเชยอุณหภูมิแวดล้อม ซึ่งป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์เองถูกรวมอยู่ในสัญญาณ 출력

เป็นเวลาหลายปีที่เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดส่วนใหญ่ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ได้ยึดตามแนวคิดนี้ พวกมันมีข้อจำกัดในการใช้งานและเมื่อมองย้อนกลับไปไม่ได้ให้ผลการวัดที่น่าพอใจ อย่างไรก็ตาม ตามมาตรฐานในสมัยนั้น พวกมันถือว่าเพียงพอและทนทานมาก
 

เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดสมัยใหม่มีพื้นฐานมาจากแนวคิดพื้นฐานนี้ แต่ได้รับการปรับปรุงอย่างมากตลอดเวลาที่ผ่านมา ความแตกต่างที่สำคัญที่สุด ได้แก่ การใช้ประเภทของตัวตรวจจับที่หลากหลาย การกรองสัญญาณอินฟราเรดแบบเลือกสรร การทำให้สัญญาณจากตัวตรวจจับเป็นเส้นตรงและการขยายสัญญาณดังกล่าว รวมถึงสัญญาณเอาท์พุตอุณหภูมิที่เป็นมาตรฐาน เช่น 4–20 mA หรือ 0–10 V DC รูปที่ 6 แสดงแผนภาพบล็อกของไพโรมิเตอร์อินฟราเรดแบบคงแสงรุ่นทันสมัย
อาจกล่าวได้ว่าความก้าวหน้าที่สำคัญที่สุดในการวัดอุณหภูมิด้วยอินฟราเรดเกิดขึ้นจากการนำฟิลเตอร์เลือกความยาวคลื่นมาใช้กับรังสีอินฟราเรด ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ตัวตรวจจับที่มีความไวสูงขึ้นและเครื่องขยายสัญญาณที่มีความเสถียรมากขึ้น ขณะที่เทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดรุ่นแรก ๆ ต้องอาศัยสเปกตรัมอินฟราเรดที่กว้างเพื่อให้ได้สัญญาณเอาต์พุตจากตัวตรวจจับที่สามารถใช้งานได้ แต่ในปัจจุบัน แบนด์วิดท์ที่เริ่มต้นเพียง 1 ไมโครเมตรก็เพียงพออย่างสมบูรณ์สำหรับตัวตรวจจับรุ่นใหม่แล้ว ความจำเป็นในการจำกัดช่วงความยาวคลื่นและเลือกเฉพาะความยาวคลื่นที่ต้องการนั้น เกิดขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าการวัดมักต้องดำเนินการผ่านตัวกลางซึ่งอุณหภูมิ—โดยเฉพาะปริมาณคาร์บอนหรือไฮโดรเจนที่มีอยู่—ไม่ควรถูกนำมาคำนวณร่วมในการวัดด้วย นอกจากนี้ บางครั้งจำเป็นต้องวัดอุณหภูมิของวัตถุหรือก๊าซที่โปร่งใสในสเปกตรัมอินฟราเรดช่วงกว้าง ตัวอย่างของการจำกัดสเปกตรัมแบบเลือกสรร ได้แก่:
· 8–14 μm: ผลกระทบของความชื้นในอากาศถูกกำจัดแม้ในระยะทางที่ยาวขึ้น
· 7.9 μm: ช่วยให้สามารถวัดฟิล์มพลาสติกบางที่โปร่งแสงต่อรังสีอินฟราเรดในช่วงกว้างได้
· 3.86 μm: การรบกวนจาก CO₂ และไอน้ำในเปลวไฟและไอเสียจากการเผาไหม้ถูกระงับอย่างมีประสิทธิภาพ