เทคโนโลยีกล้องอินฟราเรด (บทความ) โดย ดร.ยุทธพงศ์ ทัพผดุง

ในการวิจัยหรือค้นคว้าทางด้านฟิสิกส์ของแสงนั้นจะมีด้วยกัน 2 วิธีคือ ทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีคลื่น แต่ทฤษฎีควอนตัมไม่ได้เป็นที่ยอมรับกัน เนื่องจากว่าไม่สามารถอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์การรบกวนและปรากฏการณ์ดีแฟรกชันได้อย่างชัดเจน สำหรับวิศวกรไฟฟ้าหรือช่างที่ได้เรียนวิศวกรรมแสงสว่าง ซึ่งส่วนใหญ่เราได้มีการนำแสงในย่านที่สามารถมองมาประยุกต์ใช้มากกว่า ซึ่งบทความนี้จะเป็นการประยุกต์ใช้แสงย่านอินฟราเรดมาใช้งาน

ปัจจุบันกล้องอินฟราเรด ได้มีการนำมาประยุกต์ใช้หลายด้าน เช่น การบำรุงรักษาเชิงป้องกัน, การวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับ Robot Vision และอุตสาหกรรมภาพยนต์ และถ้าเราพูดถึงความสัมพันธ์ระหว่างทฤษฏีการแผ่รังสีอินฟาเรดกับความร้อน หลายคนอาจจะสงสัยว่าแล้วมีสัมพันธ์กันอย่างไร และทำไมอินฟราเรดสามารถตรวจสอบหาความร้อนได้ บทความนี้จะนำคุณไปรู้จักกับรังสีอินฟราเรด กล้องร้อนอินฟราเรดมีหลักการอย่างไร และเราสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานอุตสาหกรรมอะไร ได้บ้าง

อะไรคือรังสีอินฟราเรด?

นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Sir William Herschel ได้ค้นพบ อินฟราเรดสเปกตรัม ในปี 1800 โดยเขาได้ทำการทดลองวัดอุณหภูมิของแถบสีต่าง ๆ ที่เปล่งออกมาเป็นสีรุ้งจากปริซึม และพบว่าอุณหภูมิความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามลำดับและสูงสุดที่แถบสีสีแดง ในความเป็นจริงนั้นการที่เขาเลื่อนเทอร์โมมิเตอร์จากแถบสีที่ไม่สว่างไปยังแถบสีสีแดง ซึ่งเป็นแถบสีที่สิ้นสุดของสเปกตรัม และอุณหภูมิสูงขึ้นเป็นลำดับ ซึ่งขอบเขตดังกล่าวนี้เรียกว่า "อินฟราเรด" (ของเขตที่ต่ำกว่าแถบสีแดง) 

อินฟราเรดเมื่อมองในส่วนสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

สายตาของมนุษย์นั้นธรรมชาติได้ออกแบบให้สามารถมองเห็นคลื่นได้ในระดับหนึ่งหรือเรียกว่า "รังสีการมองเห็น" โดยจะอยู่ในรูปของความสว่าง จากรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าเราสามารถมองเห็นรังสีในย่านแคบ ๆ เท่านั้น หรือเรียกว่าย่าน สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งถ้ามองด้านล่างของสเปคตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะติดกับย่านรังสีอุลตร้าไวโอเล็ต ซึ่งมนุษย์ก็ไม่สามารถมองเห็นในย่านนี้ และส่วนด้านบนของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะติดกับย่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งเราก็ไม่สามารถมองเห็นเช่นกัน

แหล่งกำเนิดของรังสีอินฟราเรดนั้นก็คือ ความร้อนหรือการแผ่รังสีความร้อน ไม่ว่าวัตถุใดก็ตามที่มีอุณหภูมิสูงกว่าค่า Absolute Zero(- 273.15 องศาเซลเซียส หรือ 0 องศาเคลวิน) จะมีการแผ่รังสีในย่านอินฟราเรดออกมา ไม่ว่าจะเป็นน้ำแข็งที่เราคิดว่าเย็นมากก็ยังแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา ซึ่งในความเป็นจริงแล้วในชีวิตประจำวัน เราจะสัมผัสและเกี่ยวข้องกับรังสีอินฟราเรดอยู่แล้ว เช่น เรารู้สึกร้อนเมื่ออยู่กลางแสงอาทิตย์ หรือใกล้ไฟ ถึงแม้ว่าตามนุษย์จะไม่สามารถมองเห็นรังสีอินฟราเรดได้ แต่ผิวเราก็สามารถรู้สึกจากความร้อนได้ และวัตถุที่ร้อนย่อมจะแผ่รังสีออกมามากกว่าวัตถุที่เย็น 

 

รูปที่ 1 สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

มาทำความรู้จักกล้องอินฟราเรด

หลายท่านคงสงสัยว่าแล้วเจ้ากล้องอินฟราเรดมีหลักการทำงานอย่างไร เพื่อไม่ให้เสียเวลาเริ่มเลยดีกว่านะครับ รังสีอินฟราเรดจะถูกส่งผ่านเลนส์ของกล้องอินฟราเรดและจะถูกโฟกัสไปยังเซนเซอร์ โดยเซนเซอร์จะทำการแปลงรังสีอินฟราเรดให้อยู่ในรูปสัญญาณไฟฟ้า และหลังจากนั้นก็จะถูกกระบวนการทางอิเล็กทรอนิกส์แปลงเป็นรูปภาพที่สามารถแสดงผลบนจอภาพได้

เลนส์ของกล้องอินฟราเรด

การออกแบบกล้องอินฟราเรดนั้นจะคล้ายกับกล้องถ่ายภาพทั่วไป แต่อย่างไรก็ตามชนิดของแก้วที่นำมาใช้ทำเลนส์กล้องถ่ายภาพทั่วไป จะไม่สามารถนำมาใช้ทำเลนส์ของกล้องอินฟราเรดได้ เนื่องจากแก้วดังกล่าวจะไม่สามารถส่งผ่านค่ารังสีอินฟราเรดได้เพียงพอ โดยส่วนใหญ่แล้วเลนส์ของกล้องอินฟราเรดจะทำด้วย Germanium ซึ่งจะมีราคาค่อนข้างสูง เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม ทำให้ไม่ชำรุดง่าย และยังสามารถนำมาผลิตเลนส์ด้วยวิธีที่ทันสมัยล่าสุดคือ "Diamond Turning Method"

การตรวจจับรังสีอินฟราเรด

เพื่อให้คุณเข้าใจมากขึ้นขอให้ดูรูปที่ 2 ประกอบด้วย ซึ่งสามารถอธิบายได้ดังนี้ พลังงานของรังสีอินฟราเรด(A)จะแผ่จากวัตถุและถูกโฟกัสโดยเลนส์(B)ไปยังตัวตรวจจับ(C)โดยตัวตรวจจับจะทำการส่งข้อมูลไปยังเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์(D)เพื่อทำการประมวลภาพ และอิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ จะทำการแปลงข้อมูลที่รับมาจากตัวตรวจจับไปเป็นรูปภาพ(E)ของวัตถุ

 

รูปที่ 2 การตรวจจับรังสีอินฟาเรด

กล้องอินฟราเรดกับงานบำรุงรักษาเชิงป้องกัน

สำภาพถ่ายความร้อนของวัตถุหรือเครื่องจักรต่าง ๆ จะช่วยบ่งบอกความผิดปกติที่เกิดขึ้นได้ และเรายังสามารถมาเป็นเครื่องมือช่วยทำการวิเคราะห์หาสาเหตุเพื่อทำการบำรุงรักษาเชิงป้องกันต่อไป

ข้อได้เปรียบในการใช้กล้องอินฟราเรด 

ภาพถ่ายที่ได้จากกล้องอินฟราเรด เราสามารถมาใช้ในการตรวจวัดอุณหภูมิของกระบวนการหรือผลิตภัณฑ์ที่ไม่สามารถสัมผัสได้ ซึ่งบางกระบวนการผลิตเราไม่สามารถที่มองด้วยตาเปล่าได้ เช่น เตาเหลอมเหล็กหรือห้องเผาไหม้ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งกล้องอินฟราเรดจะช่วยเราสามารถตรวจสอบสิ่งผิดปกติ และทำการแก้ไขเครื่องมือเครื่องจักรก่อนที่ระบบคุณจะเสียหาย

กล้องอินฟราเรดสามารถตรวจสอบระบบไฟฟ้าขณะมีโหลดได้ ทำให้เราสามารถทำการตรวจสอบความร้อนด้วยวิธีแบบไม่สัมผัสได้ และยังสามารถตรวจหาจุดผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว อีกทั้งยังมีความปลอดภัยในขณะตรวจสอบเนื่องจากไม่จำเป็นต้องเข้าไปใกล้กับจุดหรือพื้นที่อันตราย

โดยทั่วไปแล้วเครื่องมือหรือเครื่องจักรในอุตสาหกรรมทั่วไป, ไฟฟ้า และเครื่องกล จะเกิดปัญหาขึ้นเมื่อมีอุณหภูมิสูงหรือมากกว่า 10 องศาเซลเซียล ของอุณหภูมิใช้งานปกติ โดยกล้องอินฟราเรดสามารถมองเห็นจุดบกพร่องดังกล่าวล่วงหน้าก่อนที่เครื่องมือหรือเครื่องจักรของคุณจะชำรุด

กล้องอินฟราเรดกับการตรวจสอบระบบไฟฟ้า 

โดยทั่วไปแล้วระบบการตรวจสอบความร้อนด้วยกล้องอินฟราเรดนั้น จะประยุกต์ใช้กับการตรวจสอบระบบไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากผลของค่าความต้านทานกับค่ากระแสไฟฟ้า(Power Loss =I2R)ที่ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น และเป็นต้นเหตุให้อุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าชำรุดเสียหายแบบไม่สามารถคาดการณ์ได้ ซึ่งการเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ ถ้าเราไม่มีการตรวจสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของอุปกรณ์ที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ จะทำให้จุดต่อหรือหน้าสัมผัสถึงจุดหลอมละลายทำให้ระบบไฟฟ้าเสียหายได้ และจากการสำรวจในต่างประเทศพบว่า 35% ของอุตสาหกรรมทั้งหมดที่เกิดเพลิงไหม้นั้นเหตุการณ์ส่วนใหญ่ จะเกิดจากปัญหาของระบบไฟฟ้า ทำให้สูญเสียเงินเป็น 3 แสนล้านยูโร ต่อปี

ในระบบไฟฟ้าการสูญเสียพลังงานเนื่องจากความร้อนที่จุดต่อ, โหลดที่ไม่สมดุลย์ และปัญหาการกัดกร่อนนั้นเป็นปัญหาที่สำคัญ ซึ่งการใช้กล้องอินฟราเรดนั้นก็จะช่วยให้คุณสามารถหาจุดบกพร่องระบบไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว ไม่ว่าจะเป็นการหาจุดบกพร่องภายในอาคาร เช่น เบรกเกอร์, สวิตซ์ตัดตอน, หม้อแปลง และระบบควบคุมมอเตอร์ หรือภายนอกอาคาร เช่น หม้อแปลง, สวิตซ์เกียร์, เซอร์กิตเบรกเกอร์, จุดต่อทางไฟฟ้า และอื่น ๆ 

 

รูปที่ 3 การประยุกต์ใช้กล้องอินฟราเรดกับการตรวจสอบระบบไฟฟ้า

กล้องอินฟราเรดกับอุตสาหกรรมปิโตรเคมี

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่างานอุตสาหกรรมปิโตรเคมีนั้น จะมีระบบรักษาป้องกันความปลอดภัยและการจัดการด้านบำรุงรักษาเป็นอย่างดี เมื่อเทียบกับอุตสาหกรรมประเภทอื่น สำหรับการใช้กล้องอินฟราเรดกับอุตสาหกรรมปิโตรเคมีจะให้ในการบำรุงรักษา เช่น การบำรุงรักษาเตาหลอม, การจัดการด้าน Refractory Loss, การตรวจสอบระดับสารเคมีในถังกักเก็บ, การวิเคราะห์ครีบระบายความร้อน หรืออื่น ๆ

 

 รูปที่ 4 การประยุกต์ใช้กล้องอินฟราเรดในท่ออุตสาหกรรมปิโตรเคมี

กล้องอินฟราเรดกับงานด้านระบบเครื่องกล 

งานด้านเครื่องกลนั้นโดยทั่วไปแล้ว ส่วนประกอบของเครื่องมือเครื่องจักรเมื่อมีการใช้งานเป็นระยะหนึ่ง ก็จะเกิดการสึกหรอ และประสิทธิภาพจะลดลง ในระบบเครื่องกลต่าง ๆ ชิ้นส่วนที่มีการสัมผัสหรือเสียดสีกัน ก็จะทำให้เกิดความร้อนสูงขึ้นกว่าปกติ ถ้าไม่มีการบำรุงรักษาหรือมีการหล่อลื่นเป็นประจำอย่างสม่ำเสมอ

ดังนั้นอุณหภูมิจะเป็นดัชนีหนึ่งที่สามารถบ่งชี้ว่าเกิดสิ่งผิดปกติอะไรในเครื่องมือเครื่องจักรของคุณ โดยปกติแล้วกล้องอินฟราเรดที่ร่วมใช้ในการตรวจสอบระบบเครื่องกลในส่วนการบำรุงรักษาแบบทำนาย(Predictive Maintenance) เช่น ชุดตลับลูกปืน, มอเตอร์, ปั้ม, คอมเพรสเซอร์ และระบบสายพาน ซึ่งกล้องอินฟราเรดสามารถใช้ในการเก็บข้อมูล เพื่อหาสาเหตุและวิเคราะห์การสั่นสะเทือน หรือแนวโน้มของอัตราการเสียของเครื่องมือเครื่องจักรได้ 

 

รูปที่ 5 การประยุกต์ใช้กล้องอินฟราเรดกับงานด้านระบบเครื่องกล

 เป็นอย่างไรกันบ้างครับกล้องอินฟราเรดไม่เป็นสิ่งที่ยากต่อการเข้าใจอีกแล้วใช่ไหมครับ และจริง ๆ แล้วการตรวจวัดความร้อนโดยใช้รังสีอินฟราเรดนั้น มีอุปกรณ์ที่ไม่ได้กล่าวในบทความนี้อีก เช่น กล้องอินฟราเรดแบบ Snap Short ซึ่งจะมีลักษณะคล้ายกับกล่องดิจิตอล และอีกชนิดก็คือ เครื่องวัดอุณหภูมิแบบเล็งไปยังวัตถุและแสดงผลเป็นตัวเลข แต่ทั้งนี้ในการที่จะตัดสินใจซื้ออุปกรณ์ชนิดใดก็ขึ้นอยู่กับการใช้งานของคุณ และงบประมาณเป็นหลักด้วย และผมขอฝากข้อคิดไว้ว่าในบางครั้งถึงแม้ราคาของอุปกรณ์ที่จะนำมาใช้งานด้านบำรุงรักษานั้นจะมีราคาสูงมาก แต่ขอให้พิจารณาย้อนกลับไปว่าถ้าไม่มีอุปกรณ์ดังกล่าว เมื่อเกิดเหตุการณ์ผิดปกติในอุตสาหกรรม หรือระบบไฟฟ้าของคุณจะมีมูลค่าเสียหายแต่ละครั้งเป็นจำนวนเงินเท่าใด และมีจุดคุ้มทุนในปีใดเมื่อเทียบกับราคาของอุปกรณ์ที่ต้องการจัดซื้อ สวัสดีครับ

เอกสารอ้างอิง :

- FLIR news,FLIR SYSTEMS

- http://www.x20.org/library/thermal/pdm/ir_thermography.htm

- http://tes.la.asu.edu/images/emspec.GIF