Optical Pyrometer คืออะไร หลักการและความคลาดเคลื่อนจาก Emissivity
ในใบบันทึกตรวจเตาจากซัพพลายเออร์ญี่ปุ่น (หรือจากสำนักงานใหญ่) เขียนชื่อเครื่องมือว่า Optical Pyrometer (光高温計, hikari koonkei) และเขียนค่าอ่านเป็นอุณหภูมิความสว่าง (輝度温度, kido ondo) เช่น "1,000 °C" แต่เอกสารกำหนดกระบวนการของคุณต้องการอุณหภูมิจริงของเหล็ก และเครื่องวัดอินฟราเรดแบบมือถือของคุณก็อ่านได้อีกค่าหนึ่ง เครื่องทั้งสองอาจทำงานถูกต้องทั้งคู่
อุณหภูมิความสว่าง (brightness temperature) ไม่ใช่อุณหภูมิผิวจริง คืออุณหภูมิที่แบล็กบอดี (blackbody) สมบูรณ์แบบต้องมี จึงจะดูสว่างเท่ากับชิ้นงาน ที่ความยาวคลื่นของเครื่องวัด ถ้าผิวมี Emissivity ต่ำกว่า 1 และไม่นับแสงสะท้อน ค่าที่อ่านได้จะต่ำกว่าอุณหภูมิจริง
บทความนี้อธิบายหลักการของ Optical Pyrometer แบบเส้นไส้หลอดหาย ความต่างจากเครื่องวัดอินฟราเรดและแบบสองสี (ratio) และสิ่งที่ทำให้ค่าอ่านคลาดเคลื่อน เช่น Emissivity หน้าต่างสังเกต ควัน และแสงสะท้อน ช่วงท้ายมีเช็คลิสต์และตัวอย่างอีเมลถึงฝั่งญี่ปุ่น
สารบัญ
Optical Pyrometer คืออะไร
Optical Pyrometer คือเครื่องวัดอุณหภูมิของชิ้นงานร้อนจากการแผ่รังสีความร้อนที่ชิ้นงานปล่อยออกมา โดยไม่ต้องสัมผัสชิ้นงาน จัดเป็นเครื่องวัดอุณหภูมิแบบรังสี (radiation thermometer, 放射温度計, hosha ondokei) ชนิดหนึ่ง แบบดั้งเดิมที่ใช้ตาดูคือชนิดเส้นไส้หลอดหาย (disappearing-filament, 線条消失形, senjo shoshitsu-gata) ซึ่งใช้ตาของผู้วัดเป็นตัวเปรียบเทียบ
ผู้วัดจะมองภาพของชิ้นงานซ้อนกับเส้นไส้หลอดในเครื่อง แล้วปรับกระแสของหลอดจนทั้งสองสว่างเท่ากันในย่านสีแดงแคบ ๆ จากนั้นเครื่องแปลงค่ากระแสนั้นเป็นอุณหภูมิ เส้นไส้หลอด (filament) คือลวดเส้นเล็กในหลอดไฟที่เรืองแสงเมื่อมีกระแสไหลผ่าน
เครื่องวัดแบบรังสีชนิดอื่น เช่น เครื่องอินฟราเรดที่ใช้เซนเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ ก็ใช้รังสีจากชิ้นงานเหมือนกัน ที่ต่างกันคือย่านความยาวคลื่นที่วัด วิธีตรวจจับ และวิธีที่ได้ค่าอ่าน
ใช้กับงานแบบไหน: ชิ้นงานร้อนจนเรืองแสง
Optical Pyrometer แบบใช้ตาต้องมีชิ้นงานที่ร้อนพอจะเรืองแสงสว่างในย่านแสงที่ตามองเห็น ตัวอย่างเช่น โลหะหลอมเหลว วัสดุในเตา หรือลวดและแท่งโลหะที่ถูกให้ความร้อน คือที่ที่มองเห็นชิ้นงานได้ตรง ๆ
ตัวอย่างหนึ่งคือ IR-URN ของบริษัท CHINO เป็น Pyrometer แบบเส้นไส้หลอดหายที่มีหน้าจอดิจิทัล วัดที่ความยาวคลื่น 0.65 µm และครอบคลุม 700–3,500 °C ด้วยการสลับ 3 ช่วงวัด ตัวเลขนี้เป็นของรุ่นนี้เท่านั้น ไม่ใช่ช่วงวัดของ Optical Pyrometer ทุกรุ่น
เครื่องวัดอุณหภูมิสูงได้ เพราะรับเพียงแสงจากชิ้นงาน ตัวเครื่องไม่จำเป็นต้องร้อนถึงอุณหภูมินั้น แต่ตัวเครื่องก็มีช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่ใช้งานได้ของมันเอง ช่วงวัดสูงไม่ได้แปลว่าวางหน้าปากเตาให้รับความร้อนแผ่รังสีได้ตลอด
รุ่นพกพาที่ใช้แบตเตอรี่ช่วยให้เปลี่ยนจุดวัดในโรงงานได้ ถ้าใช้แบบนี้ ให้เลือกตำแหน่งที่ทำซ้ำระยะวัดและทิศทางมองได้เหมือนเดิม เพื่อเทียบค่าวันนี้กับครั้งก่อนได้
กับเหล็ก คุณภาพขึ้นกับเวลาคงอุณหภูมิและวิธีการระบายความร้อน ไม่ใช่แค่อุณหภูมิที่ให้ความร้อน เมื่อควบคุมงานอบชุบ เช่น การชุบแข็งและการอบคืนไฟ ให้แยกค่าที่วัดที่ผิวครั้งเดียว ออกจากการตรวจสอบเงื่อนไขทั้งกระบวนการ
Optical กับ Infrared และ Two-color ต่างกันอย่างไร
เครื่องวัดแบบรังสีทั่วไปที่ใช้ตัวรับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องวัดอินฟราเรดแบบมือถือ จะประมวลผลสัญญาณจากเซนเซอร์แล้วแสดงเป็นอุณหภูมิ ส่วน Pyrometer แบบเส้นไส้หลอดหายที่ใช้ตา คนต้องเล็งชิ้นงาน ปรับกระแสหลอด และตัดสินเองว่าความสว่างเท่ากันแล้ว
หน้าจอดิจิทัลไม่ได้เปลี่ยนจุดนี้ ถ้าการจับคู่ความสว่างยังใช้ตาตัดสิน ขั้นตอนที่ต้องใช้วิจารณญาณของคนก็ยังอยู่ ให้แยก "มีหน้าจอดิจิทัล" กับ "ตรวจจับอัตโนมัติ" เป็นคนละเรื่อง
ไพโรมิเตอร์สองสี (two-color หรือ ratio pyrometer, 二色温度計, nishoku ondokei) ใช้อัตราส่วนของรังสีที่วัดใน 2 ย่านความยาวคลื่น การเทียบเส้นไส้หลอดกับชิ้นงานไม่ใช่ "การวัดสองสี" จึงอย่านับ Pyrometer แบบเส้นไส้หลอดหายเป็นแบบสองสี รูปที่ 1 เปรียบเทียบวิธีหลัก ๆ
การวัดแบบไม่สัมผัสไม่ได้มีวิธีตรวจจับวิธีเดียว "Optical Pyrometer" ในที่นี้หมายถึงแบบเส้นไส้หลอดหายที่ใช้ตา
| วิธีวัด | สิ่งที่รับ | วิธีได้ค่าอุณหภูมิ | เงื่อนไขหลักที่ต้องตรวจ |
|---|---|---|---|
| เครื่องวัดแบบสัมผัส | ความร้อนที่นำจากชิ้นงานไปยังส่วนตรวจวัด | แปลงแรงดันเทอร์โมอิเล็กทริก ความต้านทาน ฯลฯ เป็นอุณหภูมิ | การสอดเข้า การสัมผัสความร้อน ท่อป้องกัน สายสัญญาณ |
| Optical Pyrometer แบบใช้ตา | รังสีในย่านแสงที่ตามองเห็นจากชิ้นงาน | ปรับความสว่างให้เท่ากับเส้นไส้หลอด แล้วอ่านจากกระแสที่สอบเทียบไว้ | การเล็ง โฟกัส การตัดสินว่าเท่ากัน Emissivity |
| เครื่องวัดแบบรังสีอิเล็กทรอนิกส์ (เช่น อินฟราเรด) | รังสีในย่านที่กำหนดตามสเปก | ประมวลผลสัญญาณจากเซนเซอร์ แล้วแสดงผลหรือส่งสัญญาณออก | ขอบเขตการมองเห็น ขนาดชิ้นงาน Emissivity ทางเดินแสง |
| เครื่องวัดสองสี (ratio) | รังสีใน 2 ย่านความยาวคลื่น | คำนวณจากอัตราส่วนของสัญญาณทั้งสอง | อัตราส่วน Emissivity ที่ 2 ความยาวคลื่น การส่งผ่านแสงของทางเดินแสง |
แบบสองสีก็ยังต้องตรวจ Emissivity และทางเดินแสง การใช้สองความยาวคลื่นไม่ได้ทำให้ความคลาดเคลื่อนหายไปกับชิ้นงานทุกแบบ
KELLER ผู้ผลิต Pyrometer อธิบายว่าแบบอัตราส่วนช่วยได้ตรงไหนและไม่ช่วยตรงไหน:
- ช่วยได้เมื่อ: ฝุ่น ควัน หรือหน้าต่างสกปรกที่ลดแสงทุกความยาวคลื่นเท่ากัน อัตราส่วนจึงคงที่ และค่าอ่านก็นิ่ง
- ข้อสมมุติ: ค่าอ่านจะเท่าอุณหภูมิจริงก็ต่อเมื่อ Emissivity เท่ากันที่ทั้งสองความยาวคลื่น KELLER ระบุว่าในทางปฏิบัติแทบไม่เป็นเช่นนั้น
- อาจแย่กว่า: ถ้า Emissivity ต่างกันระหว่างสองความยาวคลื่นและแกว่งไปมา ความคลาดเคลื่อนอาจมากกว่า Pyrometer ความยาวคลื่นเดียว โดยเฉพาะกับโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก
หลักการทำงานของ Pyrometer แบบเส้นไส้หลอดหาย
เพื่อเข้าใจหลักการ ให้แยกแหล่งแสงเป็น 2 ตัว คือแสงที่มาจากชิ้นงาน กับแสงที่เครื่องสร้างขึ้นเอง Pyrometer ไม่ได้แปลงอุณหภูมิชิ้นงานเป็นกระแสโดยตรง แต่ผู้วัดจะปรับกระแสของหลอดเปรียบเทียบแทน
เลนส์ใกล้วัตถุ (objective lens) สร้างภาพของชิ้นงานบนระนาบเดียวกับเส้นไส้หลอด ผู้วัดมองผ่านฟิลเตอร์และเลนส์ตา (eyepiece) เพื่อเทียบความสว่างสองอย่างในช่องมองเดียวกัน
ฟิลเตอร์สีแดงจำกัดการเปรียบเทียบให้อยู่ในย่านความยาวคลื่นสีแดงแคบ ๆ การเทียบความสว่างในย่านคงที่ ไม่ใช่การดูว่าสีโดยรวมคล้ายกันหรือไม่ คือสิ่งที่ผูกค่าอ่านเข้ากับอุณหภูมิ
เครื่องจริงยังมีฟิลเตอร์ลดความสว่างสำหรับสลับช่วงวัดด้วย รูปที่ 2 แสดงเพียงความสัมพันธ์ระหว่างภาพกับการเปรียบเทียบ ส่วนฟิลเตอร์จริงและตำแหน่งให้ดูจากการออกแบบทางแสงของแต่ละรุ่น
วาดรังสีตัวแทน 2 เส้นจากจุดบนสุดของชิ้นงานไปยังระนาบเส้นไส้หลอด เส้นประสีน้ำเงินแสดงเฉพาะทางฝั่งเลนส์ตา ไม่ใช่การติดตามรังสีจริง
เส้นไส้หลอดเรืองแสงเองและมองเห็นพร้อมกับภาพชิ้นงาน การเลือกย่านสีแดงและการลดแสงเป็นหน้าที่ทางแสงของการวัด รูปนี้ไม่ได้หมายความว่าฟิลเตอร์ใช้แทนอุปกรณ์ป้องกันดวงตา
เส้นไส้หลอดมืด หาย และสว่าง
เมื่อกระแสต่ำและเส้นไส้หลอดมืดกว่าชิ้นงาน จะเห็นเส้นสีเข้มพาดบนพื้นหลังที่สว่าง ถ้าเพิ่มกระแส เส้นไส้หลอดจะสว่างขึ้นและความต่างจากพื้นหลังจะลดลง
ถ้ากระแสสูงเกินไป เส้นไส้หลอดจะสว่างกว่าชิ้นงานและเห็นเป็นเส้นสว่าง กรณีนี้ให้ลดกระแส แล้วหาจุดที่พอดีระหว่างด้านมืดกับด้านสว่าง
เมื่อชิ้นงานกับเส้นไส้หลอดสว่างเท่ากัน ขอบของเส้นไส้หลอดจะมองยากเมื่อซ้อนกับชิ้นงาน นี่คือที่มาของ "เส้นไส้หลอดหาย" หลอดยังติดอยู่ และไม่มีอะไรหายไปจริง
ปรับเลนส์ตาและโฟกัสที่ชิ้นงานให้เทียบความสว่างได้ง่าย ถ้าภาพเบลอ หรือเส้นไส้หลอดไปซ้อนที่ขอบชิ้นงาน การตัดสินว่าเท่ากันจะไม่แน่นอน รูปที่ 3 แสดงภาพ 3 แบบ
เทียบโดยให้ความสว่างของชิ้นงานคงที่ เส้นโค้งในแต่ละช่องมองคือเส้นไส้หลอดเส้นเดียวกัน
สีและความหนาเส้นเป็นเพียงภาพประกอบ ในภาพกลางหลอดยังติดอยู่ เพียงแต่เส้นไส้หลอดกลืนไปกับพื้นหลัง
ทำไมกระแสหลอดแปลงเป็นอุณหภูมิได้
การเพิ่มกระแสทำให้อุณหภูมิและการแผ่รังสีของเส้นไส้หลอดเปลี่ยน แต่ลำพังความสัมพันธ์นี้ไม่ได้บอกอุณหภูมิชิ้นงาน เครื่องต้องมีการสอบเทียบ (calibration) ที่เชื่อมกระแสตอนที่ความสว่างเท่ากัน เข้ากับอุณหภูมิความสว่าง
ในการสอบเทียบ ห้องแล็บใช้หลอดมาตรฐานหรือแบล็กบอดีที่รู้อุณหภูมิความสว่างแล้ว แล้วหากระแสที่เส้นไส้หลอดของเครื่องสว่างเท่ากับมาตรฐานนั้น สเกลหรือการแปลงค่าภายในเครื่องใช้ความสัมพันธ์นี้อ่านเป็นอุณหภูมิ
ถ้าหลอดหรือชิ้นส่วนทางแสงเปลี่ยนสภาพ กระแสเดิมอาจให้ภาพที่เห็นต่างไป ในงานบำรุงรักษาให้แยก 2 อย่างออกจากกัน คือ "เส้นไส้หลอดติด" กับ "ค่าอ่านตรงกับมาตรฐาน"
หลอดที่ใช้เปรียบเทียบตอนวัด กับหลอดมาตรฐานที่ใช้สอบเทียบ มีหน้าที่ต่างกัน การสอบเทียบคือขั้นตอนเชื่อมค่าอุณหภูมิที่ได้จากกระแสของหลอดเปรียบเทียบ เข้ากับหลอดมาตรฐานหรือแบล็กบอดีอ้างอิง
0.65 µm ไม่ใช่จุดพีคของการแผ่รังสีความร้อน
เมื่อวัตถุร้อนขึ้น การแผ่รังสีความร้อนในย่านแสงที่ตามองเห็นจะแรงขึ้น จนเห็นเป็นสีแดงเรืองแสง ยิ่งอุณหภูมิสูง จุดพีคของสเปกตรัมแบล็กบอดีจะเลื่อนไปทางความยาวคลื่นสั้น แต่วัตถุที่เพิ่งเริ่มเรืองแสงก็ไม่ได้แผ่รังสีแรงที่สุดในย่านแสงที่ตามองเห็น
กฎการกระจัดของวีน (Wien's displacement law) ให้ค่าประมาณของจุดพีคของการแผ่รังสีต่อหน่วยความยาวคลื่นของแบล็กบอดี เมื่อใช้ความยาวคลื่นเป็น µm และอุณหภูมิอุณหพลศาสตร์เป็น K ค่าคงที่คือประมาณ 2,898 µm·K
สำหรับแบล็กบอดีที่ 700 °C จุดพีคอยู่ที่ประมาณ 2.98 µm ซึ่งอยู่ในย่านอินฟราเรดเต็มที่ แต่ Pyrometer ก็ยังเทียบความสว่างในย่านแสงที่ตามองเห็นได้ ดังนั้นให้ถือว่าความยาวคลื่นที่จุดพีคกับความยาวคลื่นที่เครื่องวัดเป็นคนละเรื่อง
ในทำนองเดียวกัน 650 nm (0.65 µm) ไม่ได้แปลว่าฟิลเตอร์เลื่อนไปหาจุดพีคเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน รุ่นตัวอย่างใช้ย่านสีแดงที่ 0.65 µm แต่ความยาวคลื่นประสิทธิผล (effective wavelength) ขึ้นกับฟิลเตอร์ ความไวของตา และปัจจัยอื่น รูปที่ 4 วางค่าเหล่านี้บนแกนเดียวกัน
แกนความยาวคลื่นเป็นสเกลเชิงเส้น จุดแสดงตำแหน่งพีคที่คำนวณได้ ไม่ได้แสดงความแรงของรังสี
ความกว้างของแถบสีแดงเป็นเพียงภาพประกอบ ไม่ใช่ความกว้างย่านผ่านจริงของรุ่นใด การเทียบจุดพีคไม่ได้รวมผลของ Emissivity ที่ทำให้การกระจายสเปกตรัมเปลี่ยน
อุณหภูมิความสว่าง กับ อุณหภูมิจริง
อุณหภูมิความสว่าง (brightness temperature, kido ondo) คืออุณหภูมิของแบล็กบอดีที่จะดูสว่างเท่ากับชิ้นงานพอดี ที่ความยาวคลื่นหนึ่ง แบล็กบอดีคือวัตถุในอุดมคติที่ดูดกลืนรังสีที่ตกกระทบทั้งหมด และใช้เป็นเกณฑ์เทียบการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุจริงที่อุณหภูมิเดียวกัน
ชิ้นงานที่มี Emissivity (ค่าการแผ่รังสี, 放射率, hosharitsu) ต่ำกว่า 1 จะแผ่รังสีน้อยกว่าแบล็กบอดีที่อุณหภูมิเดียวกัน ถ้าไม่นับแสงสะท้อนจากสิ่งรอบข้าง อุณหภูมิความสว่างที่อ่านเทียบกับแบล็กบอดีจะต่ำกว่าอุณหภูมิจริง
ถ้าจะชดเชยด้วย Emissivity ให้ใช้ค่าที่เหมาะกับความยาวคลื่นที่วัดและสภาพผิว อย่ากำหนดค่าจากชื่อวัสดุอย่างเดียว ให้ดูด้วยว่าชั้นออกไซด์ ความหยาบผิว อุณหภูมิ และมุมมอง เปลี่ยนค่านี้อย่างไร
ตัวอย่างคำนวณ: Emissivity ทำให้ค่าอ่านเลื่อนเท่าไร
เมื่อใช้การประมาณของวีน ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิความสว่างกับอุณหภูมิจริงเป็นไปตามสมการที่ตำราของ IIT Madras เรียกว่า ideal pyrometer equation ดังด้านล่าง ตัวเลขเป็นค่าสมมุติ ใช้ดูขนาดของผลเท่านั้น
ความยาวคลื่นสำคัญมาก ถ้าใช้ ε = 0.80 เท่าเดิมกับเครื่องสมมุติที่ 1.6 µm อุณหภูมิจริงที่อยู่หลังค่าอ่าน 1,000 °C จะอยู่ที่ประมาณ 1,042 °C ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าทำให้ค่าอ่านไวต่อความผิดพลาดของ Emissivity น้อยลง KELLER ก็แนะนำให้ใช้ Pyrometer ความยาวคลื่นสั้นกับโลหะเช่นกัน
นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่เครื่องวัดอินฟราเรดกับ Optical Pyrometer อ่านผิวเดียวกันได้ไม่เท่ากัน แม้ทั้งสองเครื่องจะสอบเทียบแล้ว ก่อนสงสัยว่าเครื่องเสีย ให้เทียบความยาวคลื่นและค่า Emissivity ที่ตั้งไว้ก่อน
ค่าที่ผิว กับ อุณหภูมิภายใน
กับเหล็กที่ทึบแสง Optical Pyrometer รับรังสีจากผิวที่มองเห็นเป็นหลัก ไม่สามารถอ่านอุณหภูมิตรงกลางของชิ้นงานหนา หรืออุณหภูมิหลังผนังได้โดยตรง
ระหว่างให้ความร้อน ผิวจะร้อนก่อน และความร้อนต้องใช้เวลาเข้าไปถึงแกนกลาง ค่าที่ผิวถึงค่าที่ตั้งไว้แล้ว ไม่ได้แปลว่าชิ้นงานร้อนสม่ำเสมอตลอดทั้งชิ้น
เครื่องวัดแบบสัมผัสก็มีปัญหาเดียวกัน ถ้าวางผิดตำแหน่ง ก็ไม่ได้อุณหภูมิที่ต้องการ กับอุณหภูมิของไหล ความลึกการสอดของ thermowell และเวลาตอบสนองก็ตั้งคำถามเดียวกัน คือเซนเซอร์รับความร้อนจากตรงไหนจริง ๆ
กับวัสดุที่แสงผ่านได้ เช่น แก้ว รังสีจากภายในหรือจากด้านหลังอาจปนเข้ามา อย่าคิดว่า Pyrometer วัดเฉพาะผิวของทุกวัสดุ ให้ตรวจว่าชิ้นงานทึบแสงที่ความยาวคลื่นที่วัดหรือไม่
ท่อหุ้มฉนวนก็เหมือนกัน อุณหภูมิของแผ่นหุ้มด้านนอกไม่ใช่อุณหภูมิของของไหลข้างใน ให้นึกถึงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาฉนวน การสูญเสียความร้อน และอุณหภูมิผิว แล้วตรวจว่าผิวที่วัดตรงกับอุณหภูมิที่ต้องควบคุมจริงหรือไม่
แสงสะท้อน หน้าต่าง ควัน และขนาดชิ้นงาน
เมื่อรังสีจากผนังเตาสะท้อนจากผิวโลหะเงาเข้าเครื่อง จะมีส่วนที่สะท้อนบวกเข้ากับแสงที่ชิ้นงานปล่อยเอง กรณีนี้จะสรุปง่าย ๆ ว่า Emissivity ต่ำแล้วค่าอ่านต้องต่ำเสมอไม่ได้ รูปที่ 5 แยกเส้นทางของแสงให้ดู
แยกให้เห็นการแผ่รังสีของชิ้นงานเอง แสงสะท้อนจากพื้นหลัง และหน้าต่างกับควันที่อยู่ระหว่างทาง เส้นทางบนและล่างวาดเหลื่อมกันเพื่อให้อ่านง่าย
ลูกศรใช้แยกเส้นทางเท่านั้น ไม่ได้แสดงปริมาณรังสีหรือมุมสะท้อนตามสเกล ผลของหน้าต่าง ควัน และพื้นหลังต่อค่าอ่าน ขึ้นกับการดูดกลืน การแผ่รังสี และความเข้มของแต่ละอย่าง
แต่ละจุดในทางเดินแสงต้องตรวจแยกกัน:
- หน้าต่างสังเกต: สิ่งสำคัญคือหน้าต่างให้แสงผ่านที่ความยาวคลื่นที่วัดได้เท่าไร หน้าต่างที่ตามองว่าใสไม่ได้แปลว่าผลต่อค่าอ่านเล็กน้อยจนข้ามได้ KELLER อธิบายวิธีชดเชยการสูญเสียที่รู้ค่าของหน้าต่างผ่านการตั้งค่า Emissivity (ค่าที่ตั้งในเครื่อง = Emissivity ของชิ้นงาน × ค่าส่งผ่านแสงของทางเดินแสง)
- คราบสกปรก ฝ้า และสิ่งสะสม: เมื่อมีมากขึ้น แสงจากชิ้นงานที่มาถึงเครื่องจะเปลี่ยน และค่าอ่านจะเลื่อน KELLER ระบุว่าสิ่งสะสมบนเลนส์ทำให้ค่าอ่านต่ำลง ให้บันทึกสภาพหน้าต่างและเส้นทางที่เล็ง เพื่อแยกออกจากการเปลี่ยนอุณหภูมิจริง
- แสงสะท้อนจากพื้นหลัง: ถ้าทำได้ ให้เล็งจุดที่รังสีจากผนังเตาเข้าไม่ถึง
- ชิ้นงานเล็ก: ระบบทางแสงของแบบใช้ตาอาจช่วยได้ แต่ต้องตรวจว่าเห็นพื้นที่ชิ้นงานใต้เส้นไส้หลอดชัดเจน และกำลังขยายกับระยะโฟกัสของเครื่องเหมาะสม
- เครื่องอิเล็กทรอนิกส์: ชิ้นงานต้องเต็มขอบเขตการวัดที่กำหนด อย่าถือว่าจุดเลเซอร์ที่เล็งคือพื้นที่วัด ให้ตรวจขนาดชิ้นงานกับความสัมพันธ์ระหว่างระยะวัดกับขนาดจุดวัดในสเปก
ข้อดีและข้อจำกัดของ Optical Pyrometer
ข้อดีหลักคือได้อุณหภูมิจากรังสีของชิ้นงานร้อนโดยไม่ต้องวางเซนเซอร์บนชิ้นงาน ไม่รบกวนชิ้นงานด้วยการสัมผัส และไม่ต้องให้เซนเซอร์ทนอุณหภูมิสูงนั้นเอง
สำหรับเซนเซอร์แบบสัมผัส ความทนทานขึ้นกับชนิดเซนเซอร์ ท่อป้องกัน บรรยากาศ และเงื่อนไขการใช้งานต่อเนื่อง จึงเลือกด้วยขีดจำกัดตายตัวอย่าง "เทอร์โมคัปเปิลทุกชนิดใช้ได้ถึง 2,000 °C" หรือ "RTD ทุกชนิดใช้ได้ถึง 700 °C" ไม่ได้
อุณหภูมิที่อยู่ในช่วงวัดของ Optical Pyrometer ไม่ได้ทำให้ Pyrometer ดีกว่าแบบสัมผัสเสมอไป ให้เลือกตามจุดที่ต้องวัดและวิธีใช้ค่าที่วัดได้
วัดเป็นจุด กับ เฝ้าดูต่อเนื่อง
การเทียบด้วยตาเหมาะกับการวัดที่มีคนเล็งและตัดสินว่าเท่ากัน ถ้าต้องบันทึกอุณหภูมิที่เปลี่ยนเร็วอย่างต่อเนื่อง และส่งค่าเข้าระบบควบคุมอัตโนมัติ ให้พิจารณาเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ หรือชนิดอื่นที่มีสัญญาณออกตามต้องการ
สำหรับการควบคุมแบบ PID เลือกเครื่องจากอุณหภูมิสูงสุดอย่างเดียวไม่ได้ ต้องดูเวลาตอบสนอง รอบการอัปเดต สัญญาณออก และการบำรุงรักษาเมื่อทางเดินแสงสกปรก ให้ตรงกับที่ลูปควบคุมต้องการ
ความละเอียดของหน้าจอ (resolution) ที่ละเอียด ไม่ได้แปลว่าวัดอุณหภูมิจริงได้ละเอียดเท่ากัน เครื่องแบบสัมผัส เช่น เทอร์โมมิเตอร์ควอตซ์ ก็เช่นเดียวกัน อย่าตัดสินความน่าเชื่อถือจากจำนวนหลักที่แสดงเพียงอย่างเดียว
เมื่อเทียบเครื่องวัดหลายตัว ให้ตรวจก่อนว่าวัดจุดเดียวกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกันหรือไม่ เซนเซอร์แบบ dual-element ให้สัญญาณ 2 ช่อง แต่ไม่ได้ตรงกับค่าที่วัดแบบไม่สัมผัสบนผิวอื่นโดยอัตโนมัติ
การสอบเทียบและความสอบกลับได้
การสอบเทียบคือการหาความต่างระหว่างเครื่องกับมาตรฐานอ้างอิง แม้เครื่องจะสอบเทียบแล้ว ค่าหน้างานก็ยังต่างได้ ถ้าจุดวัด Emissivity หรือหน้าต่างสังเกตเปลี่ยน
ประเด็นต่อไปนี้ช่วยเมื่ออ่านเอกสารสอบเทียบ Pyrometer ของญี่ปุ่น:
- ITS-90: เหนือจุดเยือกแข็งของเงิน (961.78 °C) มาตรวัดอุณหภูมิสากล ค.ศ. 1990 (ITS-90) นิยามอุณหภูมิผ่านกฎการแผ่รังสีของพลังค์ โดยอ้างอิงจุดเยือกแข็งของเงิน ทอง (1,064.18 °C) หรือทองแดง (1,084.62 °C) เหนือจุดนี้ มาตรวัดเองก็ถูกทำให้เป็นจริงด้วยเครื่องวัดแบบรังสี
- JCSS: ระบบการสอบเทียบที่ได้รับการรับรองของญี่ปุ่น (Japan Calibration Service System) ครอบคลุมเครื่องวัดอุณหภูมิแบบรังสี ถ้าต้องการให้เอกสารเป็นที่ยอมรับในระดับสากล ให้ถามว่าเป็นการสอบเทียบแบบ JCSS หรือไม่ และใบรับรองมีเครื่องหมาย ilac-MRA หรือไม่
- ITS-90 หรืออุณหภูมิอุณหพลศาสตร์: ประกาศของ NITE (สถาบันประเมินเทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์ของญี่ปุ่น) เมื่อมกราคม ค.ศ. 2020 แจ้งห้องแล็บ JCSS ว่า NMIJ (สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติของญี่ปุ่น) เปลี่ยนมาตรฐานเครื่องวัดแบบรังสีช่วง 960 °C ถึง 2,800 °C ให้อิงอุณหภูมิอุณหพลศาสตร์ ไม่ใช่ ITS-90 และขอให้ห้องแล็บระบุในใบรับรองว่าแต่ละค่าอิงเกณฑ์ใด จึงควรตรวจบรรทัดนี้
- ช่วงที่สอบเทียบ: อย่าคิดว่าความคลาดเคลื่อนที่จุดสอบเทียบจะเท่ากันนอกจุดเหล่านั้น ให้เทียบจุดในใบรับรองกับช่วงที่ใช้งานจริง
เอกสารข้อมูลของเครื่องวัดแบบรังสีจากญี่ปุ่นอาจอ้างถึง JIS C 1612:2023 ซึ่งเป็นมาตรฐานญี่ปุ่นว่าด้วยวิธีทดสอบสมรรถนะของเครื่องวัดอุณหภูมิแบบรังสี ฝั่งสหรัฐฯ และสากล เอกสารที่อาจพบคือ ASTM E1256 (วิธีทดสอบเครื่องวัดแบบรังสีย่านความยาวคลื่นเดียว) และ IEC TS 62492-1 (ข้อมูลทางเทคนิคที่ควรระบุในเอกสารข้อมูลเครื่อง)
ในส่วนของไทย ยังไม่ได้ยืนยันว่ามี มอก. ที่เทียบเท่า JIS C 1612 โดยตรง และเรายังไม่ทราบความสัมพันธ์ระหว่าง JIS C 1612 กับ IEC/ASTM ด้วย ถ้าตัวเลขสมรรถนะมีผลต่อการตรวจรับ ให้ถามซัพพลายเออร์ว่าใช้มาตรฐานและเงื่อนไขทดสอบใด
ถ้าส่งเครื่องไปสอบเทียบในไทย ให้ถามห้องแล็บว่าได้รับการรับรอง ISO/IEC 17025 หรือไม่ และใบรับรองสอบกลับได้ (traceability) ไปที่มาตรฐานแห่งชาติใด (เช่น สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ (มว. / NIMT) ของไทย หรือ NMIJ ของญี่ปุ่น) แล้วตกลงกับลูกค้าหรือฝั่งญี่ปุ่นว่ายอมรับใบรับรองแบบใด
เมื่อส่งสอบเทียบ ให้แจ้งช่วงอุณหภูมิและช่วงวัดที่ใช้จริง แล้วตรวจความคลาดเคลื่อนของค่าอ่านภายใต้เงื่อนไขนั้น ให้บันทึกความคลาดเคลื่อนเทียบกับมาตรฐาน แยกจากสาเหตุความคลาดเคลื่อนหน้างาน
เมื่อค่าอ่านไม่ตรงกัน: แยกหาสาเหตุ
ถ้าเครื่อง 2 ตัวอ่านไม่ตรงกัน หรือค่าวันนี้ต่างจากสัปดาห์ก่อน ให้แยกสาเหตุตามจุดวัด ทางเดินแสง และการอ่านค่า บันทึกความต่างของอุณหภูมิกับความต่างของเงื่อนไขแยกกัน และทำให้เงื่อนไขการเปรียบเทียบเหมือนกันก่อนปรับตั้งค่าใด ๆ รูปที่ 6 แสดง 4 ส่วน
แยกความต่างของอุณหภูมิ ออกจากความต่างของเงื่อนไขการวัด ทำเงื่อนไขการเปรียบเทียบให้ตรงกันก่อนเปลี่ยนค่าตั้ง
การปรับ Emissivity เพียงเพื่อให้ตัวเลขตรงกัน จะซ่อนสาเหตุจริง ให้ใช้ค่าที่สอดคล้องกับชิ้นงานและเงื่อนไขอ้างอิง
เก็บบันทึกที่ทำให้วัดซ้ำได้:
- เล็งตรงไหนและอย่างไร: หมายเลขเครื่อง ค่าอ่าน ตำแหน่งชิ้นงาน และทิศทางมอง รวมถึงเล็งผ่านช่องไหนของเตา และเล็งส่วนไหนของชิ้นงาน
- ค่าที่ตั้ง: ช่วงวัด ค่า Emissivity ที่ตั้ง และสภาพหน้าต่างหรือฟิลเตอร์
- การเปลี่ยนแปลงตามเวลา: วันที่ทำความสะอาดหน้าต่าง และการเปลี่ยนของผิวชิ้นงาน เพื่อแยกออกจากการเปลี่ยนของสภาพการเดินเครื่อง
- การกระจายของค่า: ถ้าตัดสินการจับคู่ด้วยตาครั้งเดียวได้ยาก ให้ตรวจว่าอุณหภูมิชิ้นงานนิ่งแล้ว แล้วดูการกระจายของค่าที่วัดซ้ำ แยกการแกว่งของชิ้นงานออกจากความผันแปรของการเล็งและการตัดสิน
- ความสม่ำเสมอระหว่างผู้วัด: เมื่อเปลี่ยนกะ ให้ตกลงวิธีโฟกัสและตำแหน่งที่เทียบให้ตรงกัน อย่าบันทึกค่าที่วัดเฉพาะจุดที่สว่างที่สุด ว่าเป็นจุดเดียวกับค่าที่วัดที่อื่น
นำไปใช้ได้ทันที: เช็คลิสต์และคำถามถึงฝั่งญี่ปุ่น
ใช้เช็คลิสต์นี้เมื่อสเปก บันทึกตรวจ หรือคู่มือเตาจากญี่ปุ่น ให้ค่าอ่านของ Optical Pyrometer:
- ชนิดเครื่อง: แบบเส้นไส้หลอดหายที่ใช้ตา แบบอินฟราเรดย่านเดียว หรือแบบสองสี
- ความยาวคลื่นที่วัด (ประสิทธิผล) เช่น 0.65 µm
- ค่าที่บันทึกเป็นอุณหภูมิความสว่าง (kido ondo) หรือเป็นอุณหภูมิที่ชดเชย Emissivity แล้ว
- ค่า Emissivity ที่ใช้ และเลือกมาอย่างไร (สภาพผิว ความยาวคลื่น)
- หน้าต่างสังเกต: วัสดุ สภาพ และได้ชดเชยค่าส่งผ่านแสงหรือไม่
- จุดวัด: ด้าน ตำแหน่ง และช่องของเตาที่ใช้ รวมถึงทิศทางมอง
- มีแสงสะท้อนจากผนังเตาหรือฮีตเตอร์ที่จุดนั้นหรือไม่
- มีควัน ไอน้ำ หรือฝุ่นในทางเดินแสงหรือไม่
- ใบรับรองการสอบเทียบ: เป็น JCSS หรือไม่ จุดสอบเทียบเทียบกับช่วงใช้งานของเรา และมีเครื่องหมาย ilac-MRA หรือไม่ (ถ้าจำเป็น)
- ค่าในใบรับรองอิง ITS-90 หรืออุณหภูมิอุณหพลศาสตร์ (ช่วง 960–2,800 °C ตามประกาศของ NITE)
- ข้อกำหนดกระบวนการของเราต้องการอุณหภูมิผิว อุณหภูมิภายใน หรืออุณหภูมิในเตา
ถ้าข้อมูลขาดหายไป อีเมลสั้น ๆ มักแก้ได้ ด้านล่างเป็นตัวอย่างอีเมลภาษาอังกฤษถึงฝั่งญี่ปุ่น ปรับแก้และแทนที่ส่วนในวงเล็บเหลี่ยมได้เลย
Subject: Optical pyrometer readings for [furnace / process name] – measurement conditions
Hello [name],
Thank you for the inspection record dated [date]. It lists the temperature as a brightness temperature (輝度温度) measured with an optical pyrometer (光高温計). To compare it with our own measurements, could you confirm the following?
- The pyrometer model and its measuring wavelength.
- Whether the recorded value is a brightness temperature or has been corrected for emissivity, and if corrected, the emissivity value used.
- Whether the measurement was taken through a viewing window, and if so, whether the window transmittance was included in the setting.
- The measuring point (which face and position of the workpiece) and the viewing port used.
- The latest calibration certificate for the instrument, including the calibration points, and whether the values are based on ITS-90 or thermodynamic temperature.
- Whether the temperature requirement in the specification refers to the surface, the core, or the furnace atmosphere.
Best regards,
[Your name]
[Company]
ข้อจำกัดของบทความนี้
- ช่วงวัด ความแม่นยำ ความยาวคลื่น และฟังก์ชัน ขึ้นกับแต่ละรุ่น ตัวเลขของ CHINO IR-URN เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่ง ไม่ใช่สเปกทั่วไป
- ตัวอย่างคำนวณใช้ค่า Emissivity และค่าส่งผ่านแสงสมมุติ และไม่นับรังสีที่สะท้อน Emissivity จริงขึ้นกับวัสดุ สภาพผิว อุณหภูมิ ความยาวคลื่น และมุมมอง
- บทความนี้ไม่ได้ให้ค่า Emissivity ของวัสดุแต่ละชนิด ให้ขอจากผู้ผลิตเครื่องหรือวัดจากชิ้นงานของคุณเอง
- แนวปฏิบัติการสอบเทียบและถ้อยคำในใบรับรองต่างกันตามห้องแล็บ ใบรับรองจากญี่ปุ่นจะเป็นที่ยอมรับในระบบคุณภาพของคุณหรือไม่ ขึ้นกับข้อกำหนดของคุณและของลูกค้า
- ยังไม่ได้ยืนยันว่ามี มอก. ที่เทียบเท่า JIS C 1612 หรือไม่ ควรยืนยันกับผู้ผลิตและซัพพลายเออร์
- บทความนี้ไม่ใช่วิธีการทำงานสำหรับการมองเข้าเตา การป้องกันดวงตาและตำแหน่งที่ยืนมองอย่างปลอดภัย ให้เป็นไปตามกฎความปลอดภัยของโรงงาน และสอบถาม จป. (เจ้าหน้าที่ความปลอดภัยในการทำงาน) ของโรงงาน
FAQ
ดูอุณหภูมิจากสีที่เรืองแสงอย่างเดียวได้ไหม
ไม่ได้ สิ่งที่เห็นขึ้นกับแสงรอบข้างและการปรับตัวของตาด้วย ดังนั้นสีอย่างเดียวใช้แทนเครื่องวัดไม่ได้ Pyrometer แบบเส้นไส้หลอดหายเทียบความสว่างกับเส้นไส้หลอดอ้างอิงในย่านที่กำหนด แล้วอ่านอุณหภูมิจากความสัมพันธ์ที่สอบเทียบไว้
เมื่อเส้นไส้หลอดหาย แปลว่าชิ้นงานเป็นแบล็กบอดีใช่ไหม
ไม่ใช่ เส้นไส้หลอดหายหมายถึงแสงจากชิ้นงานที่ถึงเครื่อง สว่างเท่ากับเส้นไส้หลอดเท่านั้น ไม่ได้บอกว่าชิ้นงานเป็นแบล็กบอดี ถ้าจะหาอุณหภูมิจริง ต้องตรวจ Emissivity และทางเดินแสง
วัดชิ้นงานที่เคลื่อนที่ได้ไหม
ได้ ตราบใดที่ยังรักษาชิ้นงานให้อยู่ในช่องมองและตัดสินความสว่างได้ ให้พิจารณาความเร็ว เวลาที่ชิ้นงานอยู่ในสายตา และขนาดชิ้นงาน ถ้าต้องวัดต่อเนื่อง ให้เลือกวิธีตรวจจับและเวลาตอบสนองให้เหมาะ
เครื่องที่สอบเทียบแล้ว จะอ่านเท่าเดิมเมื่อวัดผ่านหน้าต่างหรือไม่
ไม่จำเป็น การสอบเทียบครอบคลุมตัวเครื่องอย่างเดียว ส่วนค่าส่งผ่านแสงและคราบของหน้าต่างทำให้แสงที่ถึงเครื่องเปลี่ยน ให้เทียบเงื่อนไขสอบเทียบกับเส้นทางเล็งจริง แล้วตัดสินว่าต้องชดเชยและตรวจเช็คอย่างไร
ทำไมเครื่องวัดอินฟราเรดกับ Optical Pyrometer อ่านไม่ตรงกัน
สาเหตุที่พบบ่อยคือความยาวคลื่น ค่า Emissivity ที่ตั้ง และขนาดจุดวัดต่างกัน ความผิดพลาดของ Emissivity ค่าเดียวกันทำให้เครื่องความยาวคลื่นยาวกว่าเลื่อนมากกว่าเครื่อง 0.65 µm ก่อนสงสัยเครื่องใดเครื่องหนึ่ง ให้เทียบค่าตั้งของทั้งสองเครื่องและเล็งจุดเดียวกัน
แหล่งอ้างอิง
- เส้นไส้หลอดหาย อุณหภูมิความสว่าง และพื้นฐานการแผ่รังสีความร้อน: NBS/NIST, Self-Study Manual on Optical Radiation Measurements, Technical Note 910-8 (1985), §8.2
- Ideal pyrometer equation ความยาวคลื่นประสิทธิผล และการทำงานแบบเส้นไส้หลอดหาย: S. P. Venkateshan, Mechanical Measurements, IIT Madras (NPTEL)
- หลักการวัดและสเปกของ IR-URN: CHINO Corporation, digital optical pyrometer (ภาษาญี่ปุ่น)
- ระบบทางแสงและย่านวัดของ IR-URN: CHINO Corporation, catalog CP-107-02 (ภาษาญี่ปุ่น)
- อุณหภูมิความสว่างกับอุณหภูมิจริง: Ushio, "Basics of halogen lamps," §8(1) (ภาษาญี่ปุ่น)
- ค่าคงที่การกระจัดของวีน: NIST, 2022 CODATA values (ปัดเป็น 2,898 µm·K ในบทความนี้)
- แสงสะท้อนจากพื้นหลัง การส่งผ่านแสงของทางเดินแสง และ ratio pyrometer: KELLER, "Metrological errors"
- Emissivity และความยาวคลื่น: KELLER, "Definition and influence of emissivity"
- ITS-90 เหนือจุดของเงิน: BIPM/CCT, Guide to the Realization of the ITS-90: Radiation Thermometry (2018)
- JCSS เครื่องวัดแบบรังสี และอุณหภูมิอุณหพลศาสตร์ช่วง 960 °C ถึง 2,800 °C: NITE, ประกาศถึงห้องแล็บ JCSS ด้าน radiation thermometry, 30 มกราคม 2020 (ภาษาญี่ปุ่น)
- วิธีทดสอบเครื่องวัดแบบรังสีย่านความยาวคลื่นเดียว: ASTM E1256-17(2022)
- หัวข้อในเอกสารข้อมูลเครื่องวัดแบบรังสี: IEC TS 62492-1:2008
บทความต้นฉบับภาษาญี่ปุ่นคู่มือนี้เรียบเรียงจากบทความของ MONOSCOPE ที่เขียนสำหรับผู้อ่านในญี่ปุ่น: 光高温計の原理とは？線条消失・放射温度計との違いと測定誤差
เกี่ยวกับบรรณาธิการ
บรรณาธิการ MONOSCOPEFOUNDER & EDITORทำงานกับผู้ผลิตอุปกรณ์โรงงานและบริษัทวิศวกรรมโรงงานราว 10 ปี ดูแลการเสนอ ออกแบบ และทดสอบเดินเครื่องอุปกรณ์ ก่อนผันตัวมาทำการตลาดออนไลน์ ปัจจุบันเป็นที่ปรึกษาเว็บไซต์ให้ผู้ผลิตแบบ B2B ช่วยให้บริษัทอธิบายผลิตภัณฑ์และเทคโนโลยีของตนได้ชัดเจน ถือใบอนุญาตระดับชาติของญี่ปุ่นด้านผู้จัดการพลังงาน (Energy Manager) และวิศวกรไฟฟ้าหัวหน้าระดับ 3
ดูแลบล็อกด้านวิศวกรรมตั้งแต่ปี 2017 (กว่า 500 บทความ) และช่อง YouTube ภาษาญี่ปุ่นที่มีผู้ติดตามราว 20,000 คน คู่มือทุกเรื่องเขียนจากมุมมองหน้างานในญี่ปุ่น และตรวจสอบกับมาตรฐานที่อ้างอิง
