การใช้งานปืนยิงอุณหภูมิ
จตุรภัค ผ้าเจริญ, ธงชัย ปัญโญศักดิ์ ,วีรวัฒน์ วงค์ชัย และนพรัตน์ เกตุขาว

           INFRARED THERMOMETER เป็นเครื่องมือวัดอุณหภูมิ ที่นิยมเรียกกันว่า ปืนยิงอุณหภูมิ ซึ่งเครื่องมือนี้ดูเหมือนจะใช้งานง่ายๆ โดยการกดยิงไปยังวัตถุที่เราต้องการวัดค่าอุณหภูมินั้นๆ แต่จริงๆ แล้วการใช้งานปืนยิงอุณหภูมิมีข้อกำจัดหลายอย่าง ถ้าเราใช้งานแบบผิดๆ ค่าที่วัดได้จะมีความผิดพลาดเยอะมาก ดังนั้น วันนี้เราจะมาสอนการใช้งานของเครื่องมือนี้แบบถูกวิธี กันครับ

INFRARED มาจากไหน ??
           ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากันก่อน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้น มีอยู่หลากหลายรูปแบบ เช่น Gamma rays , X rays , Ultraviolet , Visible , Infrared , Microwaves และ Radio คลื่นเหล่านี้มีทั้งรังสีที่เรามองเห็นและมองไม่เห็น ซึ่งคลื่นที่เรามองเห็นก็คือ Visible นั่นเอง คลื่นแต่ละคลื่นมีความยาวคลื่นไม่เท่ากัน รังสี Infrared หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “รังสีใต้แดง” จะมีคลื่นความถี่อยู่ในช่วง 10¹¹-10¹⁴ เฮิร์ตซ์ และมีความยาวคลื่นตั้งแต่ 1-1000 ไมโครเมตร ดังแสดงในรูปที่ 1

                                                      รูปที่ 1 สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ที่มา: http://www.spacekids.eu)

หลักการทำงานของเครื่อง
               เครื่องวัดอุณหภูมิแบบอินฟราเรดสามารถตรวจจับได้เฉพาะรังสีอินฟราเรดเท่านั้น โดยเครื่องนี้ทำหน้าที่รับพลังงานจากรังสีอินฟราเรดจากวัตถุเป้าหมาย มายังเซนเซอร์ของเครื่องมือวัด จากนั้นเครื่องจะแปลงพลังงานเหล่านั้นมาเป็นค่าอุณหภูมิอีกที โดยปัจจัยที่จะทำให้การวัดค่าอุณหภูมิทำได้ถูกต้องคือ
             1) ค่า Emissivity หรือค่า สัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อน เป็นค่าที่แสดงถึงความสามารถในการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุที่อุณหภูมิใดๆ โดยวัตถุแต่ละชนิดจะมีค่า Emissivity ต่างกันดังแสดงในตารางที่ 1

                 ตารางที่ 1 แสดงค่า Emissivity ของวัสดุต่างๆ (ที่มา: www.tic.co.th)
           

              เมื่อเรานำเครื่องวัดไปวัดอุณหภูมิของวัตถุ พลังงานที่เครื่องวัดได้รับจะมาจากสองส่วนคือพลังงานที่แผ่มาจากสิ่งแวดล้อมแล้วสะท้อนที่ผิวของวัตถุมายังเซนเซอร์รวมกับพลังงานที่แผ่มาจากวัตถุเอง ดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งถ้าเรานำเครื่องมือไปวัดวัตถุที่มีค่า Emissivity ต่ำมากๆ พลังงานที่แผ่ออกมาจากวัตถุก็จะมีค่าน้อย ซึ่งพลังงานที่เครื่องได้รับอาจจะเป็นพลังงานจากสิ่งแวดล้อมซะส่วนใหญ่ (วัตถุที่มีค่า Emissivity ต่ำจะเปล่งรังสีได้ต่ำ แต่จะสะท้อนรังสีได้สูง) นั้นจึงเป็นสาเหตุที่ทำให้ค่าพลังงานที่เราวัดได้ไม่ใช่พลังงานของวัตถุเป้าหมายเพียงอย่างเดียว ทำให้อุณหภูมิที่เราวัดอาจผิดพลาดได้

     
                                                                                         รูปที่ 2 แสดงหลักการทำงานของเครื่องมือวัด

             2) ระยะทาง : เมื่อระยะทางในการวัดมากขึ้น พื้นที่การวัดหรือพื้นที่ที่เครื่องวัดรับพลังงานก็จะกว้างมากขึ้นด้วยดังแสดงในรูปที่ 3(ก) ซึ่งพื้นที่รับพลังงานหาได้จากอัตราส่วนระหว่าง ระยะห่างกับพื้นที่รับพลังงาน หรือค่า D:S (Distance to Spot Size) ซึ่งเครื่องวัดแต่ละรุ่นแต่ละยี่ห้อจะมีค่าไม่เท่ากัน การวัดอุณหภูมิของวัตถุเป้าหมายเราจะต้องวัดโดยพื้นที่การวัดต้องมีขนาดไม่ใหญ่กว่าขนาดวัตถุ จึงจะได้ค่าอุณหภูมิที่ถูกต้อง ดังแสดงในรูป 3(ข) แต่ถ้าพื้นที่การวัดมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุเป้าหมาย ค่าอุณหภูมิที่วัดได้ก็จะเป็นอุณหภูมิของวัตถุรวมกับอุณหภูมิโดยรอบ

                           รูปที่ 3 แสดงขอบเขตของพื้นที่การวัดที่เปลี่ยนแปลงตามระยะทาง (ที่มา: นวภัทรา และ ทวีพล, 2555)

เทคนิคการวัด
        1. พื้นผิวที่มีค่า Emissivity ต่ำ
            ปืนยิงอุณหภูมินั้น จะมีทั้งแบบรุ่นที่ปรับค่า Emissivity ได้และไม่ได้ ถ้าเราใช้เครื่องที่ปรับค่าได้ ก็ให้ปรับค่า Emissivity ตามคุณสมบัติของผิวที่เราจะวัด ส่วนเครื่องที่ปรับค่าไม่ได้ ก็ต้องดูว่า เครื่องกำหนดค่า Emissivity ไว้เท่าใด เช่น ปืนยิงอุณหภูมิ (รุ่น DP-88) มีค่า Emissivity เท่ากับ 0.98 เราก็ต้องใช้เครื่องวัดวัดได้เฉพาะผิวที่มีค่า Emissivity ใกล้เคียงกับค่าที่กำหนดเท่านั้น
            เมื่อเราจะวัดอุณหภูมิของวัตถุที่มีค่า Emissivity ต่ำ เช่น อลูมิเนี่ยมฟอล์ย สแตนเลส หรือทองแดง เราควรใช้เทปพันสายไฟฟ้า (โดยทั่วไปเทปดำพันสายไฟจะที่มีค่า Emissivity สูง) มาติดบริเวณที่ต้องการวัด แล้วใช้ปืนยิงอุณหภูมิยิงไปยังเทปพันสายไฟ โดยพื้นที่การวัดจะต้องเล็กกว่าขนาดของเทปพันสายไฟ เราก็จะได้ค่าอุณหภูมิที่มีความใกล้เคียงมากยิ่งขึ้น

      2. การหาขนาดพื้นที่และระยะทางการวัด
             ตัวอย่างนี้เป็นการวัดอุณหภูมิของหน้าจอโทรศัพท์ดังรูปที่ 4 ซึ่งหน้าจอเป็นวัสดุกระจกที่มีค่า Emissivity ประมาณ 0.9 ดังนั้นเราจึงใช้ปืนยิงอุณหภูมิวัดได้ทันที โดยในเบื้องต้นเราจะมาหาขนาดพื้นที่และระยะทางการวัดกันก่อน ตามขั้นตอนต่อไปนี้

                                                               (ก) รูปพื้นที่ที่ต้องการวัดอุณหภูมิ
                                                                
                              

                                    (ข) ปืนยิงอุณหภูมิรุ่น Digicon DP-88 (ที่มา https://www.truck2hand.com)
                                                        รูปที่ 4 แสดงการหาขนาดพื้นที่การวัด

      1) ดูค่า D : S ของเครื่องวัด ซึ่งเครื่องที่ใช้นี้เป็นเครื่องรุ่น DIGICON DP-88 มีค่า D:S = 8:1 และเครื่องกำหนดค่า Emissivity ไว้เท่ากับ 0.98
      2) กำหนดพื้นที่การวัด เท่ากับ 2 cm. ซึ่งเล็กกว่าขนาดหน้าจอโทรศัพท์
      3) เทียบบัญญัติไตรยางศ์โดย เครื่องกำหนดพื้นที่การวัด 1 หน่วย ต้องมีระยะห่างไม่เกิน 8 หน่วย (D:S = 8:1) ดังนั้นพื้นที่การวัด 2 หน่วย (2 ซม.) จะต้องมีระยะห่างไม่เกิน (8x2)/1 = 16 หน่วย (ซม.)

 *ข้อสังเกต : ถ้าสมมติว่าเราจะวัดอุณหภูมิโทรศัพท์มือถือ แต่เราถือปืนห่าง 1 เมตร ซึ่งเป็นจุดที่ไม่เหมาะสม สิ่งที่เราจะได้คืออุณหภูมิของโทรศัพท์มือถือรวมกับโต๊ะ*

หมายเหตุ: แสงเลเซอร์ที่ออกมาจากเครื่องเป็นเพียงตัวชี้จุดกึ่งกลางของพื้นที่วัดเท่านั้น

หมายเหตุ: ท่านสามารถอ่านบทความอื่นๆ ได้ที่เวบไซต์สาขาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยพะเยา
และติดตามบทความดีๆได้ที่ Facebook: Energy4You