หลักการของเครื่องเทอร์โมสแกน

3 เดือนที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

กล้องส่องความร้อนหรือเรียกอีกชื่อหนึ่งว่าเทอร์โมกราฟฟี่ (Thermography) หรือกล้องถ่ายภาพด้วยแสงอินฟราเรด กล้องถ่ายภาพนี้สามารถสร้างภาพจากการแผ่รังสีอินฟราเรด ซึ่ง เปรียบเทียบได้กับกล้องถ่ายภาพธรรมดา แตกต่างกันที่กล้องถ่ายภาพธรรมดาใช้การสร้างภาพจาก แสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีความยาวคลื่น อยู่ใน ช่วง 450 – 750 นาโนเมตร แต่กล้องถ่ายภาพความร้อน ทํางานกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นประมาณ 14000 นาโนเมตร ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่ารังสีอินฟราเรดหรือเรียกว่าคลื่นรังสีความร้อน

รังสีอินฟราเรด (Infrared, IR) มีชื่อเรียกอีกชื่อว่า รังสีใต้แดง หรือรังสีความร้อน เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นอยู่ระหว่างคลื่นวิทยุและแสงมีความถี่ในช่วง 1011 – 1014 เฮิร์ตซ์ มี ความถี่ในช่วงเดียวกับไมโครเวฟ มีความยาวคลื่นอยู่ระหว่างแสงสีแดงกับคลื่นวิทยุ สสารทุกชนิดที่มีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง -200 องศาเซลเซียสถึง 4,000 องศาเซลเซียส จะปล่อยรังสีอินฟาเรดออกมา คุณสมบัติเฉพาะตัวของรังสีอินฟราเรด เช่น ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ที่แตกต่างกันก็คือ คุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับความถี่ คือยิ่งความถี่สูงมากขึ้นพลังงานก็สูงขึ้นด้วย ดังน้ันปัจจุบันมีการนําคลื่นรังสีอินฟราเรดมาใช้ประโยชน์ในการสร้างกล้องอินฟราเรดที่สามารถมองเห็นวัตถุในความมืด ได้ เช่น อเมริกาสามารถใช้กล้องอินฟราเรดมองเห็นเวียงกงได้ต้ังแต่สมัยสงครามเวียดนาม และ สัตว์หลายชนิดมีนัยน์ตารับรู้รังสี ชนิดนี้ได้ ทําให้มองเห็นหรือล่าเหยื่อได้ในเวลากลางคืน หน่วยของความยาวคลื่นโดยปกติจะมีหน่วยเป็นไมโครเมตร (um)

กล้องถ่ายภาพความร้อน (Thermal Image camera, TI - camera หรือ Thermography) เป็นเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่ผิวของวัตถุ ซึ่งเป็นการวัดแบบไม่สัมผัสและไม่ทําลายวัตถุและเป็นการวัด อุณหภูมิแบบพื้นที่ส่วนประกอบสําคัญของกล้องถ่ายภาพความร้อน ประกอบด้วย เลนส์ (Lens) ตัว ตรวจจับรังสีอินฟราเรด (Infrared detector) หรือเซนเซอร์ชนิดอินฟราเรด (Infrared sensor) วงจรอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic circuit) และส่วนแสดงผล (Display) โดยมีหลักการทํางานดังนี้ ตัวตรวจจับรังสีอินฟราเรดทําหน้าที่รับรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกจากวัตถุเป้าหมาย (Target) ผ่านเลนส์ของเครื่องมือวัด แล้วแปลงรังสีอินฟราเรดเหล่านี้ให้อยู่ในรูปของสัญญาณทางไฟฟ้า โดยรังสีอินฟาเรดที่ตัวตรวจจับรับไปน้ันประกอบด้วยรังสีที่วัตถุเป้าหมายแผ่ออกมารวมกับรังสีที่แผ่จากวัตถุอื่นหรือจากสิ่งแวดล้อมสะท้อนออกจากผิวของวัตถุเป้าหมาย (ตามทฤษฎีการแผ่รังสีความร้อน: Theory of thermal radiation) จากนั้นวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะทําหน้าที่แปลงข้อมูลที่รับมาจากตัว ตรวจจับและนําไปแสดงที่ตัวแสดงผล ซึ่งอาจแสดงผลออกมาในรูปแบบของตัวเลข สี หรือกราฟ หรือท้ัง 3 รูปแบบ

สําหรับกล้องถ่ายภาพความร้อนประกอบด้วยเซนเซอร์ชนิดอินฟราเรดหลายตัว แต่ละตัว แสดงผลออกมาในรูปแบบของสีที่แตกต่างกันตามอุณหภูมิของจุดน้ัน ๆ โดยทั่วไป สีแดงแสดงผล ของบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงและสีน้ำเงินแสดงผลของบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ หรือโทนสีสว่างแสดงผล ของบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง และโทนสีมืดแสดงผลของบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ผลของแต่ละจุดที่ได้ จากเซนเซอร์แต่ละตัว เมื่อนํามารวมกันจะประกอบขึ้นเป็นภาพ เรียกว่า "ภาพถ่ายความร้อน (Thermal Image) " ซึ่งการแปลงรังสีอินฟราเรดที่เซนเซอร์ตรวจจับได้ให้อยู่ในหน่วยของอุณหภูมิ อาศัยกฎของแพล็ค (Planck's Law) และ กฎของสตีเฟน (Stefan-Boltzman's Law) ลักษณะการทํางานของไพโรมิเตอร์ชนิดอินฟราเรด

ในทางทฤษฏีกล้องถ่ายภาพความร้อนมีย่านการวัดอุณหภูมิต้ังแต่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติช่วงการใช้งานของเครื่องมือวัดขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างอุปกรณ์รวมถึงช่วงความยาวคลื่นที่ผู้ผลิตเลือกใช้ ปัจจุบันกล้องถ่ายภาพความร้อนบางรุ่น สามารถวัดอุณหภูมิได้ต่ำถึง -20°C ค่าความถูกต้องของอุณหภูมิที่วัดได้จากกล้องถ่ายภาพความร้อนขึ้นอยู่กับชนิดและลักษณะ พื้นผิวของวัตถุเป้าหมายหรือวัตถุที่ต้องการวัดอุณหภูมิ ระยะห่างระหว่างเครื่องมือวัดและวัตถุเป้าหมาย และคุณลักษณะเฉพาะของเครื่องมือวัดน้ัน ๆ รายละเอียดของปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าความ ถูกต้อง มีดังนี้

1.ค่าความสามารถในการแผ่รังสีของวัตถุ (Emissivity, ε) การแปลผลพลังงานความ ร้อนที่ได้จากการตรวจจับการแผ่รังสีอินฟราเรดของวัตถุเป็นอุณหภูมิที่ถูกต้อง จําเป็นต้องกําหนดค่า ε ของวัตถุที่เหมาะสม เพื่อให้ค่าอุณหภูมิของวัตถุที่วัดได้มี ค่าใกล้เคียงกับค่าที่แท้จริง นอกจากนี้เคร่ืองมือวัดอุณหภูมิชนิดอินฟราเรดที่ดีควร มีฟังก์ชั่นใช้งานที่สามารถปรับค่า ε ให้เหมาะสมกับชนิดและลักษณะพื้นผิวของวัตถุได้

2.ค่าการสะท้อนรังสี ของผิววัตถุ (Reflection,Gref) เนื่องจากตัวตรวจจับรังสี อินฟราเรดที่ติดต้ังภายในเครื่องมือวัดไม่ได้รับเฉพาะรังสีอินฟราเรดที่เกิดจากตัว วัตถุเป้าหมายเท่าน้ัน แต่ยังรับรังสีที่สะท้อนมาจากวัตถุอื่นด้วย ทําให้ค่าอุณหภูมิที่ วัดได้เกิดความคลาดเคลื่อน ดังนั้น เพื่อให้รังสีอินฟราเรดที่เซ็นเซอร์รับไปเป็น รังสีที่เกิดจากวัตถุจริงเท่าน้ัน จึงต้องป้อนค่าอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมหรือวัตถุอื่น ที่แผ่รังสี มากระทบกับวัตถุเป้าหมายให้กับเครื่องมือวัดด้วย เพื่อนําอุณหภูมิ ดังกล่าวไปใช้ในการชดเชยค่าการสะท้อน ซึ่งค่าที่อ่านได้จากเครื่องมือวัดจะมี ความถูกต้องมากยิ่งขึ้น

3.ระยะห่างระหว่างวัตถุกับเครื่องมือวัดค่าความผิดพลาดของไพโรมิเตอร์ชนิดอาศัย การเปลี่ยนแปลงการแผ่รังสี ของวัตถุ อาจเกิดจากการเคล่ือนท่ีของรังสี ผ่านตัวกลาง เช่น อากาศที่มี ไอ ควัน ก๊าซหรือฝุ่นละอองกระจายอยู่ เป็นต้น

Link สินค้า : กล้องถ่ายภาพความร้อน Thermo scan

ขอขอบคุณที่มา :

www.research-system.siam.edu