No.281

พิชิต จินตโกศลวิทย์  

pichitor@yahoo.com

 

 

 

 

การถ่ายภาพความร้อนในงานอุตสาหกรรมนั้น ใช้ในการตรวจสอบการทำงานของเครื่องจักรในระบบการผลิตซึ่งในปัจจุบันในองค์กรหรือโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้เล็งเห็นถึงความสำคัญในการตรวจสอบและบำรุงรักษาให้เครื่องจักรทำงานได้อย่างต่อเนื่อง และเต็มประสิทธิภาพ ทำให้กล้องอินฟราเรดหรือกล้องถ่ายภาพความร้อนได้เข้ามามีบทบาทในด้านการตรวจสอบและบำรุงรักษามากขึ้น

 

          ภาพถ่ายความร้อน (Thermal Image) จะแสดงถึงความเข้มของการแพร่คลื่นรังสีที่อยู่เหนือแสงสีแดง หรือส่วนที่เรียกว่า อินฟราเรด (Infrared) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Spectrum) โดยอุปกรณ์ที่เรียกว่า กล้องถ่ายภาพความร้อน (Thermal Imaging Camera) จะแปลงสเปกตรัมในช่วงดังกล่าว (ประมาณ 14,000 นาโนเมตร) ให้สามารถมองเห็นได้ อันที่จริงดวงตาของมนุษย์เรา ก็คือ อุปกรณ์ตรวจจับชนิดหนึ่งที่ถูกออกแบบโดยธรรมชาติให้สามารถตรวจจับการแพร่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใช้ช่วงสเปกตรัมที่ของแสงที่มองเห็นได้เท่านั้น (450–750 นาโนเมตร) ดังนั้นช่วงสเปกตรัมนอกเหนือ เช่น อินฟราเรด ก็จะไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้

 

 

 

รูปที่ 1 เซอร์เฟรดเดอริค วิลเลี่ยม เฮอส์เชล ผู้ค้นพบคลื่นรังสีอินฟราเรด

ที่มา: Internet

 

 

          การมีตัวตนของรังสีอินฟราเรด หรือ บางครั้งเรียกว่าคลื่นรังสีความร้อนได้ถูกค้นพบโดยนักดาราศาสตร์ ชื่อ เซอร์เฟรดเดอริค วิลเลี่ยม เฮอส์เชล (Sir Frederick William Herschel) ซึ่งมีความใคร่ที่จะรู้เกี่ยวกับความร้อนที่แตกต่างกันระหว่างแสงแต่ละสี โดยในปี ค.ศ.1800 เขาได้ทดลองผ่านแสงอาทิตย์ไปยังปริซึมแก้ว (Glass Prism) จนได้สเปกตรัมสี และได้ทำการวัดอุณหภูมิของแต่สีแสงด้วยเทอร์โมมิเตอร์ เซอร์เฮอส์เชล ได้ค้นพบว่าอุณหภูมิจะสูงขึ้นเรียงจากแสงสีม่วงไปยังแสงสีแดงตามลำดับ หลังจากการสังเกตดังกล่าว เซอร์เฮอส์เชลยังได้ตัดสินใจวัดอุณหภูมิของส่วนบริเวณที่อยู่เหนือส่วนแสงสีแดงซึ่งในบริเวณดังกล่าวไม่มีแสงสว่างที่มองเห็นด้วยตามนุษย์ได้ และก็ทำให้เขาประหลาดใจว่าพื้นที่ไม่มีแสงดังกล่าวมีอุณหภูมิสูงที่สุด การแพร่ของคลื่นรังสีอินฟราเรดจะอยู่ในช่วงระหว่างส่วนแสงสีที่มองเห็นได้กับส่วนของคลื่นไมโครเวฟ (Microwave) ตามแถบสเปกตรัม แหล่งกำเนิดหลักของการแพร่คลื่นรังสีอินฟราเรด ก็คือ ความร้อน ทุก ๆ วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาเคลวิน (Kelvin) หรือ -273.15 องศาเซลเซียส (Celsius) จะปล่อยคลื่นรังสีอินฟราเรด ดังนั้นแม้แต่วัตถุที่เราคิดว่าเย็นมาก ๆ เช่น ก้อนน้ำแข็งก็ยังปล่อยคลื่นรังสีอินฟราเรด คุณสมบัติของรังสีอินฟราเรด ก็คือ ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และคุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับความถี่ คือ ยิ่งความถี่สูงมากขึ้นพลังงานก็จะสูงขึ้นด้วย ดังนั้น ในสมัยสงครามโลกครั้ง 2 ได้มีการนําคลื่นรังสีอินฟราเรดมาใช้ประโยชน์ในการสร้างกล้องส่องอินฟราเรดที่สามารถมองเห็นวัตถุในความมืดได้ เช่น อเมริกาใช้กล้องส่องอินฟราเรดมองเห็นทหารเวียดกงได้ตั้งแต่สมัยสงครามเวียดนาม และสัตว์หลายชนิดมีนัยน์ตารับรู้รังสีชนิดนี้ได้ ทําให้มองเห็นหรือล่าเหยื่อได้ในเวลามืด

 

 

 

 

รูปที่ 2 สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของรังสีอินฟราเรด

ที่มา: Internet

 

 

          เราเผชิญกับคลื่นรังสีอินฟราเรดอยู่ทุก ๆ เวลา โดยความร้อนที่เรารู้สึก ไม่ว่าจากแสงอาทิตย์ เปลวไฟ หรือ ไออุ่นของร่างกายทั้งหมดทั้งสิ้น ก็คือ คลื่นรังสีอินฟราเรด ถึงแม้ว่าดวงตาของมนุษย์เราไม่สามารถมองเห็นคลื่นรังสีอินฟราเรด แต่ระบบประสาทของผิวหนังของมนุษย์สามารถตรวจจับได้ในรูปของความร้อน โดยวัตถุยิ่งร้อนเท่าใด ก็จะปล่อยคลื่นรังสีอินฟราเรดมากเท่านั้น

 

          กล้องถ่ายภาพความร้อน และอินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์ (Infrared Thermometer) เป็นอุปกรณ์ตรวจจับพลังงานที่มาจากคลื่นรังสีอินฟราเรดที่แพร่จากวัตถุโดยจะรวบรวมรังสีอินฟราเรดส่งไปยังอุปกรณ์ตรวจจับอินฟราเรด (Infrared Detector) ซึ่งก็คือ เซนเซอร์อินฟราเรดซึ่งให้ค่าวัดทางฟิสิกส์ หลังจากนั้นก็จะค่าวัดไปยังเซนเซอร์อิเล็กทรอนิกส์อีกทีหนึ่งเพื่อประมวลผลแปลงเป็นภาพหรือค่าวัดที่สามารถนำแสดงผลบนจอแสดงผล เช่น จอ LCD เป็นต้น

 

 

 

รูปที่ 3 ระบบการวัดคลื่นอินฟราเรดแบบทั่วไป

ที่มา: Internet

 

 

          แต่ถ้าจะกล่าวถึงเครื่องมือที่ดีที่สุดในการตรวจวัดค่าคลื่นรังสีอินฟราเรด ก็คือ กล้องถ่ายภาพความร้อน สําหรับกล้องถ่ายภาพความร้อนประกอบด้วยเซนเซอร์ชนิดอินฟราเรดหลายตัว แต่ละตัวแสดงผลออกมาในรูปแบบของสีที่แตกต่างกันตามอุณหภูมิของจุดนั้น ๆ โดยทั่วไป สีแดงแสดงผลของบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงและสีน้ำเงินแสดงผลของบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำหรือโทนสีสว่างแสดงผลของบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง และโทนสีมืดแสดงผลของบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ผลของแต่ละจุดที่ได้จากเซนเซอร์แต่ละตัว เมื่อนําผลมารวมกันจะประกอบขึ้นเป็นภาพ เรียกว่า ภาพถ่ายความร้อน (Thermal Image) ซึ่งการแปลงรังสีอินฟราเรดที่เซนเซอร์ตรวจจับได้ให้อยู่ในหน่วยของอุณหภูมิ อาศัยกฎของแพล็ค (Planck's Law) และกฎของสตีเฟน (Stefan-Boltzman's Law) ตามลักษณะการทํางานของไพโรมิเตอร์ชนิดอินฟราเรด

 

 

รูปที่ 4 หลักการทำงานของไพโรมิเตอร์

ที่มา: Internet

 

 

          กล้องถ่ายภาพความร้อนยังต้องมีศาสตร์เกี่ยวกับความร้อนจากคลื่นรังสีอินฟราเรด (Infrared Thermography) ในการแปลภาพถ่ายความร้อนให้อยู่ในรูปที่วัดค่าได้ หรือ เรดิโอเมทริกซ์ (Radiometric) เพื่อที่จะสามารถอ่านค่าความร้อนในแต่จุดบนภาพได้ ดังนั้นแต่ละพิกเซล (Pixel) ในภาพเรดิโอเมทริกซ์ ก็คือ ความร้อนจริงที่วัดได้อ้างอิงถึงตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ และเพื่อที่จะได้ค่าวัดที่แม่นยำที่สุดอัลกอริทึมที่ซับซ้อนก็ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

 

 

 

รูปที่ 5 กล้องถ่ายภาพความร้อน

ที่มา: Internet

 

 

          โดยปกติกล้องถ่ายภาพความร้อนในท้องตลาดมีย่านการวัดอุณหภูมิตั้งแต่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติช่วงการใช้งานของเครื่องมือวัดขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างอุปกรณ์ รวมถึงช่วงความยาวคลื่นที่ผู้ผลิตเลือกใช้ ปัจจุบันกล้องถ่ายภาพความร้อนบางรุ่นสามารถวัดอุณหภูมิได้ต่ำถึง -20°C ซึ่งมักใช้ในงานที่พิเศษจริง ๆ

 

          ค่าความถูกต้องของอุณหภูมิที่วัดได้จากกล้องถ่ายภาพความร้อนขึ้นอยู่กับชนิดและลักษณะพื้นผิวของวัตถุเป้าหมายหรือวัตถุที่ต้องการวัดอุณหภูมิ, ระยะห่างระหว่างเครื่องมือวัดและวัตถุเป้าหมาย และคุณลักษณะเฉพาะของเครื่องมือวัดนั้น ๆ รายละเอียดของปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าความถูกต้อง มีดังต่อไปนี้

 

ค่าความสามารถในการแผ่รังสีของวัตถุ (Emissivity, ε)

 

          การแปลผลพลังงานความร้อนที่ได้จากการตรวจจับการแผ่รังสีอินฟราเรดของวัตถุเป็นอุณหภูมิที่ถูกต้อง จําเป็นต้องกําหนดค่า ε ของวัตถุที่เหมาะสม เพื่อให้ค่าอุณหภูมิของวัตถุที่วัดได้มีค่าใกล้เคียงกับค่าที่แท้จริง นอกจากนี้เครื่องมือวัดอุณหภูมิชนิดอินฟราเรดที่ดีควรมีฟังก์ชั่นใช้งานที่สามารถปรับค่า ε ให้เหมาะสมกับชนิดและลักษณะพื้นผิวของวัตถุได้

 

 

 

รูปที่ 6 แสดงตัวอย่างค่า ε ของวัตถุทั่วไป

ที่มา: Internet

 

 

 

รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างค่า ε ของโลหะ

ที่มา: Internet

 

 

ค่าการสะท้อนรังสีของผิววัตถุ (Reflection, Gref)

 

          เนื่องจากตัวเซนเซอร์รังสีอินฟราเรดที่ติดตั้งภายในเครื่องมือวัดไม่ได้รับเฉพาะคลื่นรังสีอินฟราเรดที่เกิดจากตัววัตถุเป้าหมายเท่านั้น แต่ยังรับรังสีที่สะท้อนมาจากวัตถุอื่น ๆ ด้วย ทําให้ค่าอุณหภูมิที่วัดได้เกิดความคลาดเคลื่อน ดังนั้นเพื่อให้รังสีอินฟราเรดที่เซนเซอร์รับไปเป็นคลื่นรังสีที่เกิดจากวัตถุต้องการจริงเท่านั้น จึงต้องป้อนค่าอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมหรือวัตถุอื่นที่แผ่รังสีมากระทบกับวัตถุเป้าหมายให้กับเครื่องมือวัดด้วยเพื่อนําอุณหภูมิ ดังกล่าวไปใช้ในการชดเชยค่าการสะท้อน ซึ่งค่าที่อ่านได้จากเครื่องมือวัดจะมีความถูกต้องมากยิ่งขึ้น

 

 

 

รูปที่ 8 แสดงตัวอย่างการวัดค่าความร้อนผิดพลาดจากอินฟราเรดจากวัตถุอื่น

ที่มา: Internet

 

 

ระยะห่างระหว่างวัตถุกับเครื่องมือวัดค่าความผิดพลาดของไพโรมิเตอร์ชนิดอาศัยการเปลี่ยนแปลงการแผ่รังสีของวัตถุ

 

          อาจเกิดจากการเคลื่อนที่ของรังสี ผ่านตัวกลาง เช่น อากาศที่มีไอ ควัน ก๊าซหรือฝุ่นละอองกระจายอยู่ เป็นต้น อีกประการคือ ความสะอาดของเลนส์ก็มีผลต่อการวัดค่าเช่นกัน

 

 

ทำไมต้องใช้ภาพถ่ายความร้อน

 

          การผลิตสินค้าที่เร็วขึ้น ดีขึ้น ประสิทธิผลดีขึ้น ณ ต้นทุนต่ำสุด เป็นสิ่งของผู้ผลิตทุกรายต้องการ และเพื่อจะไปให้ถึงเป้าหมายดังกล่าว โรงงานอุตสาหกรรมจำเป็นต้องผลิตอย่างต่อเนื่อง บางโรงงานอุตสาหกรรมอาจทำงานตลอดทั้งวันทั้งคืนทั้งปีไม่มีวันหยุด เพื่อไม่ให้เกิดหยุดการผลิตที่ก่อให้เกิดการสูญเสีย ดังนั้นส่วนงานบำรุงรักษาต้องคอยมอนิเตอร์และคาดการณ์เพื่อบำรุงรักษาก่อนที่อุปกรณ์ในการผลิตจะเกิดทำงานล้มเหลว ถ้าเราสามารถรับรู้ล่วงหน้าว่าอุปกรณ์ หรือองค์ประกอบส่วนใดใกล้ชำรุด เราก็จะสามารถวางแผนอย่างแม่นยำว่าสมควรจะบำรุงรักษาช่วงเวลาใดดีที่สุด แต่ในความเป็นจริงยังมีปัญหาที่ซ่อนอยู่ในการกระบวนการผลิตมากจนกระทั้งมันอาจลุกลามจนเกินการป้องกัน อย่างไรก็ตามยังมีอุปกรณ์ประเภทหนึ่งที่ช่วยลดความน่าจะเป็นในการล้มเหลวของระบบการผลิตนั้นคือ กล้องถ่ายภาพความร้อน หรือ อินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์ที่สามารถช่วยในการคาดการณ์ว่าอุปกรณ์ หรือองค์ประกอบนั้นเสื่อมสภาพ หรือกำลังเสื่อมสภาพอยู่ทั้ง ๆ ที่ระบบนั้นยังทำงานเสมือนเป็นปกติ ภาพถ่ายความร้อนหรือค่าวัดความร้อนสามารถช่วยได้อย่างดี ในโรงงานอุตสาหกรรมที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง แน่นอนต้องมีองค์ประกอบที่เคลื่อนที่ หรือ ระบบไฟฟ้า โดยปกติอุปกรณ์ชนิดดังกล่าวถ้ามีความผิดปกตินั้นมักจะสร้างความร้อนสูงขึ้นจากที่ควรจะเป็น อย่างเช่น เกิดมีความเสียดทานมากขึ้น หรือ ฉนวนไฟฟ้าเกิดมีความเปลี่ยนแปลงค่าอย่างชัดเจน การวัดอุณหภูมิก็สามารถช่วยตรวจสอบความผิดปกติดังกล่าวแล้วแต่การประยุกต์ใช้ตามลักษณะงาน

 

          กล่าวถึงเพลิงไหม้ ปัญหาเล็ก ๆ จากระบบไฟฟ้าในโรงงานอาจจะส่งผลให้เกิดความเสียหายอย่างมหันต์ได้ ประสิทธิผลของระบบไฟฟ้าจะต่ำลง ถ้าพลังงานที่จ่ายเข้าระบบถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ถ้าตรวจสอบไม่พบและไม่ได้รับการแก้ไข ความร้อนที่จุดนั้นสามารถเพิ่มสูงขึ้นจนถึงจุดที่จุดเชื่อมต่อหลอมละลายได้ และไม่เพียงแค่นั้นกระแสไฟฟ้าอาจเกิดสปาร์ก (Spark) ข้ามช่องว่างเล็ก ๆ เป็นประกายไฟจนนำไปสู่เพลิงไหม้ได้ ผลกระทบของเพลิงไหม้มักจะประเมินความเสียหายไม่ได้ นอกจากความเสียหายในสินค้า และเครื่องจักรจากไฟและน้ำ ค่าความเสียหายจากการสูญเสียโอกาสในการผลิต การสูญเสียและบาดเจ็บของพนักงานก็เป็นการเสียหายอย่างใหญ่หลวงที่ประเมินค่าไม่ได้สำหรับครอบครัวของพนักงานเหล่านั้น ประมาณ 35% ของจำนวนสาเหตุเพลิงไหม้ในงานอุตสาหกรรมเกิดจากการขัดข้องของระบบไฟฟ้า ซึ่งผลให้เกิดมูลค่าความเสียหายทั่วโลกประมาณ 30,000 ยูโรต่อปี หลายปัญหา หรือ สาเหตุนั้นสามารถหลีกเลี่ยงได้ด้วยการวัดค่าอุณหภูมิ ซึ่งสามารถช่วยพนักงานบำรุงรักษาตรวจสอบความผิดปกติที่ปกติไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่า และทำการแก้ปัญหาก่อนที่การผลิตจะหยุดลง หรือมีเพลิงไหม้เกิดขึ้น

 

          ทำไมต้องมีกล้องถ่ายภาพความร้อน มีหลายเทคโนโลยีที่ช่วยในการตรวจวัดอุณหภูมิโดยไม่ต้องสัมผัส เช่น อินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์ เป็นต้น โดยอินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์มีความเชื่อถือได้ ราคาถูก และวัดอุณหภูมิแบบจุดเดียวได้อย่างแม่นยำ แต่ถ้าเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่ การสแกนแต่ละจุดด้วยมนุษย์นั้น อาจจะก่อเกิดการผิดพลาดในการตรวจสอบความผิดปกติได้ แตกต่างจากกล้องถ่ายภาพความร้อนที่สามารถสแกนเครื่องจักร หรือตู้อุปกรณ์ได้ในคราวเดียว ทำให้ความผิดพลาดในการตรวจจุดที่มีความร้อนผิดปกตินั้นมีโอกาสน้อยมาก สำหรับความสามารถของกล้องถ่ายภาพความร้อนขึ้นอยู่กับความละเอียดของภาพ หรือ ขนาดพิกเซลที่ถ่ายได้ โดยความละเอียดต่ำสุดควรอยู่ที่ 60 x 60 ซึ่งสามารถเทียบเคียงกับอินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์ 3,600 จุด แต่ถ้าในปัจจุบันสามารถทำได้ถึง 640 x 480 หรือเท่ากับตรวจสอบด้วยอินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์ 307,200 จุดในคราวนี้ ก็จะทำให้ลดโอกาสในการตรวจหาจุดผิดปกติไม่พบลงอย่างมาก

 

 

 

 

เอกสารอ้างอิง
1. Thermal Imaging Guidebook for Industrial, FLIR Infrared Training Center, 2011
2. Basic Principles of Non-Contact Temperature Measurement, Optris GmbH
3. Mikaél A.Bramson: Infrared Radiation, A Handbook for Applications, Plenum Press, N.Y.
4. William L.Wolfe, George J.Zissis: The Infrared Handbook, Office of Naval Research, Department of Navy, Washington, D.C.
5. Madding, R.P.: Thermographic Instruments and Systems. Madison, Wisconsin: University of Wisconsin - Extension, Department of Engineering and Applied Science.
6. Paljak, Pettersson: Thermography of Buildings, Swedish Building Research Institute, Stockholm 1972.
7. Vlcek, J.Determination of emissivity with imaging radiometers and some emissivities at λ = 5 µm. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing.