Emissivity คืออะไร? หนึ่งเหตุผลที่ เครื่องวัดอุณหภูมิ อินฟราเรด อ่านค่าไม่ตรง

กล้องตรวจจับความร้อน BOSCH GTC 450-13 Professional

35,560 บาท

ดิจิตอลเทอร์โมมิเตอร์แบบสัมผัส FLUKE 52-2

22,500 บาท

ดิจิตอลเทอร์โมมิเตอร์แบบสัมผัส FLUKE 54-2B

28,200 บาท

หัววัดอุณหภูมิสำหรับ THREMOMETER FLUKE 80PK-22

6,000 บาท

หัววัดอุณหภูมิสำหรับ THREMOMETER FLUKE 80PK-25

7,300 บาท

อินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์รุ่นทรหด FLUKE 62 MAX

6,000 บาท

เวลาเราเอา เครื่องวัดอุณหภูมิ อินฟราเรด ไปเล็งวัดพื้นผิวของวัตถุ เราอาจคาดหวังว่าตัวเลขที่ปรากฏบนหน้าจอคืออุณหภูมิจริงของวัตถุนั้นครับ แต่ในงานจริง เป็นที่รู้ ๆ กัน ว่าของสองอย่าง ที่วางอยู่ในบริเวณเดียวกั นอาจอ่านค่าได้แตกต่างกันมาก หรือเมื่อใช้เครื่องวัดอุณหภูมิคนละรุ่นวัดจุดเดียวกัน ตัวเลขที่ได้ก็อาจไม่ตรงกัน

ที่พบได้บ่อยคือ การวัดผิวโลหะเงา แล้วได้อุณหภูมิต่ำกว่าความเป็นจริง ความแตกต่างนี้ แต่อาจเกิดจากค่าหนึ่งที่มีความสำคัญอย่างมากต่อการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส นั่นคือ Emissivity หรือค่าการเปล่งแสง/แผ่รังสี นั่นเอง

เพราะงั้น เราจะมาทำความเข้าใจ ว่า Emissivity นั้น คืออะไร ทำไม เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดถึงวัดโลหะเงายากกว่าวัสดุทั่วไป รวมถึงปัจจัยอื่น ๆ ที่อาจทำให้ค่าที่อ่านได้คลาดเคลื่อน เพื่อให้เราสามารถเลือกใช้เครื่องมือ และตีความตัวเลขบนหน้าจอของเครื่องวัดอุณหภูมิ ได้ถูกต้องมากขึ้น

เครื่องวัดอุณหภูมิ อินฟราเรด ไม่ได้ยิงแสงเพื่อวัดความร้อน

นอกจาก 5 สิ่งที่ต้องรู้ก่อนเลือก เครื่องวัดอุณหภูมิ มาใช้งาน อีกความเข้าใจที่พบได้บ่อยคือ เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด ใช้เลเซอร์ยิงไปยังวัตถุ แล้ววัดความร้อนที่สะท้อนกลับมา เลเซอร์ที่เราเห็นเป็นเพียงตัวช่วยสำหรับชี้ตำแหน่งโดยประมาณเท่านั้นครับ ตัวเลเซอร์ไม่ได้เป็นส่วนที่ใช้วัดอุณหภูมิ 

หลักการทำงานที่แท้จริง คือ 

• ตัวรับรังสีในเครื่องวัดอุณหภูมิ ตรวจจับพลังงานอินฟราเรดที่เดินทางออกมาจากพื้นผิว

• วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ สามารถปล่อยพลังงานในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้ 

• เมื่ออุณหภูมิของวัตถุสูงขึ้น ปริมาณพลังงานที่แผ่ออกมาก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย 

• เครื่องวัดจึงนำพลังงานอินฟราเรดที่ตรวจจับได้ไปประมวลผล และแปลงเป็นค่าอุณหภูมิบนหน้าจอ 

เครื่องวัดอุณหภูมิ ต้องรู้ว่าพลังงานอินฟราเรด ที่ตรวจจับได้นั้นควรถูกตีความยังไง จึงจะคำนวณกลับมาเป็นอุณหภูมิ ของพื้นผิว ได้ใกล้เคียงความจริง

Emissivity คืออะไร?

Emissivity อ่านว่า อีมิสซิวิตี หมายถึงค่าความสามารถของพื้นผิวในการแผ่รังสีความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับวัตถุดำอุดมคติ หรือ Blackbody ที่อุณหภูมิเดียวกัน ค่านี้ไม่มีหน่วย และโดยทั่วไปจะแสดงอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 1 (เช่น 0.10, 0.19, 0.20…) และ เครื่องวัดอุณหภูมิ บางรุ่นสามารถปรับค่าเหล่านี้ให้เหมาะกับวัสดุที่ต่างกัน ได้

ถ้าพื้นผิวมีค่า Emissivity เท่ากับ 1 หมายความว่า พื้นผิวนั้นสามารถแผ่รังสีได้เทียบเท่าวัตถุดำอุดมคติ ส่วนพื้นผิวที่มีค่า Emissivity ต่ำ เช่น 0.10 หมายความว่าพื้นผิวนั้นแผ่รังสีออกมาได้เพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับวัตถุดำ ที่อุณหภูมิเดียวกัน อย่างไรก็ตาม วัตถุในโลกจริงแทบไม่มีพื้นผิวใดที่มีค่าเท่ากับ 1 อย่างสมบูรณ์ครับ วัสดุทั่วไปมีค่าอยู่ระหว่าง 0 และ 1 โดยพื้นผิวที่มืด ด้าน หยาบ หรือไม่สะท้อนแสงจะมีค่า Emissivity สูง ขณะที่พื้นผิวโลหะที่เรียบ มันวาว และสะท้อนแสงมักมีค่าต่ำ

สิ่งสำคัญคือ สีที่ตามองเห็น ไม่ได้เป็นตัวกำหนด Emissivity โดยตรงเสมอไป วัตถุสีดำไม่ได้หมายความว่าจะมีค่า Emissivity สูงทุกกรณี และวัตถุสีขาว ก็ไม่ได้หมายความว่าจะแผ่รังสีอินฟราเรดได้น้อย เพราะสีที่ตามองเห็น อยู่ในช่วงคลื่นแสง ที่แตกต่างจากช่วงอินฟราเรด ที่เครื่องวัดอุณหภูมิ ใช้งาน วัสดุที่ดูขาวในสายตาของเราอาจมีค่า Emissivity ในช่วงอินฟราเรดสูงได้เช่นกัน

ทำไมตั้งค่า Emissivity ผิด แล้วอุณหภูมิจึงผิดตาม?

เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดจำเป็นต้องสมมติว่าพื้นผิวที่กำลังวัดมีค่า Emissivity เท่าใด เพื่อใช้คำนวณอุณหภูมิจากพลังงานอินฟราเรดที่ตรวจจับได้ เครื่องวัดอุณหภูมิรุ่นทั่วไปมักตั้งค่า Emissivity คงที่ไว้ประมาณ 0.95 เพราะเป็นค่าที่เหมาะกับวัสดุทั่วไปหลายประเภท เช่น ไม้ กระดาษ พลาสติก ยาง ผิวทาสี คอนกรีต และพื้นผิวอินทรีย์

ถ้าเราใช้เครื่องวัดอุณหภูมิ ที่ตั้งไว้ 0.95 ไปวัดพื้นผิว ที่มีค่าใกล้เคียงกัน ผลลัพธ์ก็มักอยู่ในระดับที่ใช้งานได้ แต่ถ้านำไปวัด อะลูมิเนียมขัดเงา สเตนเลสเงา หรือทองแดงสะอาด ซึ่งอาจมีค่า Emissivity ต่ำกว่ามาก เครื่องจะตีความพลังงานที่ได้รับ โดยใช้สมมติฐานผิด พลังงานบางส่วนที่เซนเซอร์รับได้อาจเป็นรังสีที่สะท้อนมาจากสิ่งแวดล้อม ไม่ใช่พลังงาน ที่พื้นผิวปล่อยออกมาเอง

ผลที่เกิดขึ้นคือ ตัวเลขบนหน้าจอ อาจต่ำกว่า หรือสูงกว่าความเป็นจริงได้ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุ อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม และปริมาณรังสีที่สะท้อนเข้าสู่เครื่อง ตัวอย่างเช่น วัตถุร้อนแต่สะท้อนภาพของสภาพแวดล้อมที่เย็น เครื่องวัดอุณหภูมิ อาจแสดงค่าอุณหภูมิต่ำกว่าความเป็นจริงมาก 

ดังนั้น Emissivity เป็นตัวแปรที่ช่วยให้เครื่องแยกพลังงานที่พื้นผิวปล่อยออกมาออกจากพลังงานที่สะท้อนมาจากสิ่งแวดล้อมได้เหมาะสมขึ้น

Emissivity ไม่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุอย่างเดียว

เมื่อรู้แบบนี้แล้ว เราอาจพยายาม หาค่า Emissivity จากชื่อวัสดุ เพื่อใช้เครื่องวัดอุณหภูมิ เช่น ดูว่าเหล็กมีค่าเท่าไหร่ สเตนเลสควรตั้งยังไง หรืออะลูมิเนียมควรใช้ค่านี้ไหม? แต่คำตอบไม่ได้มีตัวเลขเดียวที่ใช้ได้กับทุกชิ้นครับ เพราะค่า Emissivity เปลี่ยนแปลงได้ตามสภาพผิวอ

• เหล็กที่เพิ่งผ่านการขัดจนเงาอาจมีค่า Emissivity ต่ำ 

• เหล็กชิ้นเดียวกันเมื่อเกิดสนิม มีคราบออกไซด์ มีเขม่า หรือถูกทาสีทับ อาจมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน 

• สเตนเลสขัดเงากับสเตนเลสพ่นทราย อาจมีพฤติกรรมในการแผ่รังสีแตกต่างกัน แม้จะเป็นวัสดุพื้นฐานชนิดเดียวกันก็ตาม

• สภาพผิวที่หยาบ ด้าน มีคราบ หรือมีชั้นเคลือบมักช่วยลดการสะท้อน และเพิ่มความสามารถในการแผ่รังสี ทำให้วัดอุณหภูมิด้วยอินฟราเรดได้ง่ายขึ้น 

• พื้นผิวเรียบและเป็นเงาจะทำหน้าที่คล้ายกระจกในช่วงอินฟราเรด สามารถสะท้อนรังสีจากบริเวณรอบข้างเข้าสู่เครื่องได้มาก จึงเป็นพื้นผิวที่วัดยาก

เพราะเหตุนี้ ตารางค่า Emissivity จึงควรใช้เป็นข้อมูลเริ่มต้น ไม่ใช่ตัวเลขตายตัวครับ หากงานต้องการความแม่นยำสูง ควรทดลองเทียบกับเครื่องวัดอุณหภูมิ แบบสัมผัส หรือสร้างพื้นที่อ้างอิงบนชิ้นงาน ก่อนวัดจริง

ทำไมโลหะเงา เป็นวัสดุที่ใช้ เครื่องวัดอุณหภูมิ วัดยาก?

โลหะเงามีค่า Emissivity ต่ำและมีความสามารถในการสะท้อนรังสีอินฟราเรดสูง อาจทำหน้าที่คล้ายกระจกที่สะท้อนความร้อนจากสภาพแวดล้อม หากเราหันลำกล้องไปยังแผ่นโลหะเงา บางครั้งอาจเห็นภาพความร้อนของตัวผู้วัดสะท้อนอยู่บนแผ่นนั้นได้ แม้ว่าตามองเห็น จะไม่เห็นภาพสะท้อนชัดเจนก็ตาม

จุดที่ทำให้เกิดความสับสน คือ เครื่องวัดอุณหภูมิ อาจแสดงตัวเลขที่นิ่ง และดูสมเหตุสมผลครับ ตัวเลขที่นิ่งไม่ได้แปลว่าถูกต้องเสมอไป เครื่องอาจตรวจจับรังสีสะท้อนที่ค่อนข้างคงที่ แล้วคำนวณออกมาเป็นค่าอุณหภูมิที่ผิดอย่างสม่ำเสมอ เป็นหนึ่งใน ข้อควรระวังในการใช้งาน เครื่องวัดอุณหภูมิ แบบไม่สัมผัส

วิธีวัดโลหะเงา ให้ได้ค่าใกล้เคียงความจริง

วิธีที่ใช้งานได้ง่าย ๆ คือ สร้างพื้นที่บนผิวโลหะให้มีค่า Emissivity สูงและทราบค่าโดยประมาณ เช่น ติดเทปสีดำด้านที่ออกแบบมาให้ทนความร้อน ทาสีดำด้านที่ทนต่ออุณหภูมิของชิ้นงาน หรือใช้วัสดุเคลือบอ้างอิงที่เหมาะกับงาน จากนั้นรอให้เทป หรือสารเคลือบมีอุณหภูมิสมดุลกับพื้นผิวก่อนเล็งวัด

การติดเทปสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของพื้นผิวบริเวณนั้นให้แผ่รังสีได้ดีขึ้น เครื่องวัดอุณหภูมิ จึงประเมินอุณหภูมิได้ง่ายกว่าเดิม แต่ต้องจำไว้ว่าเรากำลังหาค่าอุณหภูมิใกล้เคียงโดยการวัดอุณหภูมิของเทป 

Emissivity ไม่ใช่สาเหตุเดียวที่ทำให้เครื่องอ่านค่าผิด

หลายคนอาจเข้าใจว่าการตั้งค่านี้ให้ถูกต้องเพียงอย่างเดียว ก็เพียงพอสำหรับการใช้เครื่องวัดอุณหภูมิ ให้แม่นยำ แต่ในความเป็นจริงยังมีปัจจัยอื่น ๆ อีกหลายอย่างที่ส่งผลต่อค่าที่เครื่องวัดอุณหภูมิ อ่านได้ เช่น

• วัดไกลเกินไปจนพื้นที่วัดใหญ่กว่าชิ้นงาน 
• จุดเลเซอร์ไม่ใช่ขนาดพื้นที่วัด
• วัดผ่านกระจก อาจได้อุณหภูมิของกระจก
• ไอน้ำ ฝุ่น ควัน และเปลวไฟ รบกวนการวัดได้
• เลนส์สกปรก และอุณหภูมิตัวเครื่องยังไม่คงที่ 

อุณหภูมิ และความยาวคลื่นก็มีผล

ที่ควรทำความเข้าใจเพิ่มเติม คือ Emissivity ของวัสดุอาจเปลี่ยนตามอุณหภูมิ และช่วงความยาวคลื่นที่ใช้ตรวจวัด เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดแต่ละชนิดไม่ได้รับรังสีทุกช่วงคลื่นเหมือนกัน เครื่องทั่วไปที่ใช้ในงานซ่อมบำรุงอาจตรวจจับรังสีในช่วงอินฟราเรดคลื่นยาว ขณะที่เครื่องสำหรับงานอุณหภูมิสูงหรือการวัดโลหะ อาจเลือกใช้ช่วงคลื่นที่สั้นกว่า

ดังนั้น ค่า Emissivity ที่ใช้ได้ดีกับ เครื่องวัดอุณหภูมิ หรือเครื่องตรวจจับความร้อน รุ่นหนึ่ง อาจไม่ตรงกับค่าที่เหมาะสมสำหรับ เครื่องวัดเกรดอุตสาหกรรมอีกชนิด โดยเฉพาะเมื่อต้องวัดโลหะร้อน เตาหลอม กระบวนการอบชุบ หรือชิ้นงานที่มีอุณหภูมิสูงมาก

ในงานทั่วไป ความแตกต่างนี้อาจไม่เห็นผลชัดจนต้องกังวลมาก แต่สำหรับงานควบคุมกระบวนการผลิต งานตรวจสอบคุณภาพ หรือการตัดสินใจด้านความปลอดภัย การทราบช่วงคลื่นของเครื่อง และคุณสมบัติของพื้นผิว ที่กำลังวัดจะช่วยลดความผิดพลาดได้ดีขึ้น 

การวัดแบบเปรียบเทียบ สำคัญกว่าการหาค่าที่แม่นที่สุด

ในงานช่างหรืองานซ่อมบำรุง จุดประสงค์ของการวัดอุณหภูมิ ไม่ได้อยู่ที่การตอบว่าอุปกรณ์มีอุณหภูมิเท่ากับ 72.3 หรือ 73.1 องศาเซลเซียส แต่อยู่ที่การค้นหาว่าอุปกรณ์ชิ้นไหน ร้อนผิดปกติเมื่อเทียบกับชิ้นอื่น หรืออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจากสภาพปกติมากแค่ไหน

แต่ ถ้านำค่าจากพื้นผิวต่างชนิดมาเปรียบเทียบกันโดยตรง เช่น เปรียบเทียบอุณหภูมิของขั้วทองแดงกัน เงากับฉนวนพลาสติกสีดำ อาจทำให้สรุปผิดได้ เพราะวัสดุทั้งสองมีค่า Emissivity แตกต่างกัน เครื่องวัดอุณหภูมิ อาจแสดงว่าพลาสติกร้อนกว่าทองแดง ทั้งที่อุณหภูมิจริงใกล้เคียงกันครับ

สรุป Emissivity สำคัญกับ เครื่องวัดอุณหภูมิ อินฟราเรด ยังไง?

Emissivity เป็นหนึ่งในตัวแปรสำคัญที่เครื่องวัดอุณหภูมิ อินฟราเรด ใช้คำนวณอุณหภูมิจากพลังงานรังสีที่ตรวจจับได้ครับ ถ้าค่าที่ตั้งไว้ ไม่เหมาะกับพื้นผิว ตัวเลขบนหน้าจอ อาจสูง หรือต่ำกว่าความเป็นจริงไปมาก โดยเฉพาะเมื่อตรวจวัดโลหะที่เรียบ และเป็นเงา

สิ่งที่ควรจำคือ Emissivity ไม่ได้ขึ้นอยู่กับวัสดุอย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับสภาพผิว การเคลือบ คราบออกไซด์ ความหยาบ อุณหภูมิ ช่วงคลื่น และมุมวัดด้วย ตารางค่าต่าง ๆ จึงเหมาะสำหรับใช้เป็นจุดเริ่มต้นมากกว่าการใช้ เป็นคำตอบตายตัว

เครื่องวัดอุณหภูมิ อินฟราเรด เป็นเครื่องมือที่รวดเร็ว ปลอดภัย และมีประโยชน์มากสำหรับงานตรวจสอบอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส แต่การกดไกแล้วอ่านค่าทันทีอาจยังไม่เพียงพอ เมื่อเราเข้าใจ Emissivity และข้อจำกัดของการวัด ตัวเลขบนหน้าจอจะกลายเป็นข้อมูลที่เราสามารถวิเคราะห์ ตรวจสอบ และนำไปใช้งานได้อย่างมีเหตุผลมากขึ้น