หลักการเกี่ยวกับกล้องถ่ายภาพความร้อน

THERMAL IMAGING CAMERA

---

กล้องถ่ายภาพความร้อน อาศัยหลักการทำงานของรังสีอินฟราเรด โดยกล่าวความเป็นมาของรังสีพอสังเขปได้ดังต่อไปนี้ รังสีอินฟราเรด (Infrared, IR) มีชื่อเรียกอีกชื่อว่า Sir Frederick William Herschel ตัวเขาเองเกิดที่ประเทศเยอรมัน พอเติบโตก็ได้ย้ายไปอาศัยอยู่ที่ประเทศอังกฤษนับแต่นั้นเป็นต้นมา ซึ่งได้ค้นพบรังสีอินฟราเรดสเปกตรัม (Infrared Spectrum) ในปี ค.ศ.1800 โดยทำการทดลองวัดอุณภูมิของแถบสีต่างๆ ที่เปร่งออกมาเป็นสีรุ้งจากปริซึม และพบว่าอุณภูมิจะเพิ่มขึ้นตามลำดับและสูงสุดที่แถบสีสีแดง ในความเป็นจริงนั้นการที่เขาเลื่อนเทอร์โมมิเตอร์จากแถบสีที่ไม่สว่างไปยังแถบสี สีแดงซึ่งเป็นแถบสีที่สิ้นสุดของสเปกตรัมและอุณภูมิสูงขึ้นเป็นลำดับ ซึ่งขอบเขตดังกล่าวนี้เรียกว่า "อินฟราเรด" มีขอบเขตที่ต่ำกว่าแภบสีแดงหรือ รังสีใต้แดง แสดงดัง รูปที่ 2

รูปที่ 1	รูปที่ 2

ความยาวคลื่นและสเปกตรัมของรังสีต่างๆ (Wavelength and Electromagnetic Spectrum)

ความยาวคลื่นของรังสีต่างๆ นั้นได้แสดงไว้ดังรูปที่ 2 แล้วจะเห็นได้ว่ารังสีอินฟราเรด (IR) จะมีความยาวคลื่นตั้งแต่ 0.7 um จนถึง 1000 um จะแบ่งย่อยเป็นช่วงของความสำคัญตามด้านล่าง กล้องถ่ายภาพความร้อนโดยทั่วไปแล้ว จะใช้ช่วงความยาวคลื่นอยู่ที่ Long Wave เพราะราคาถูก ส่วนแบบ Shot Wave จะมีราคาสูงเนื่องจากใช้งานเฉพาะด้าน เช่น ตรวจวัดการรั่วไหลของแก๊ส LPG ใช้วัดทะลุสิ่งทึบถังบรรจุหรือดูสารของเหลวที่อยู่ภายในสิ่งทึบได้

1. ช่วง Near IR ความยาวคลื่น 0.7 µm จนถึง 1.7 µm
2. ช่วง Shot Wave (Mid Wave) ความยาวคลื่น 2 µm จนถึง 5 µm
3. ช่วง Long Wave ความยาวคลื่น 7.5 µm จนถึง 14 µm
4. ช่วง Extreme Infrared ความยาวคลื่น 15 µm จนถึง 1000 µm

---

กฏของสเตฟราน (Stefan-Boltzmann's Law)

(W/m² การคำนวณการแผ่รังสีพลังงานความร้อน
W = σT⁴ (W/m²) สำหรับ Black Body
W = ∑σT⁴ (W/m²) สำหรับ Real Body

การแผ่พลังงานรังสีอินฟราเรดของวัตถุ

รูปที่ 3 แสดงการถ่ายเทพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ของวัตถุในรูปแบบรังสีอินฟราเรด จะได้สมการดังนี้ r + t + a = 1

กฏของ Kirchhoff's Law of Themal Radiation E = a

เมื่อวัตถุอยู่ในสภาวะแวดล้อมที่สมดุล การแผ่พลังงานของรังสีอินฟราเรดของวัตถุจะมีค่าเท่ากับปริมาณที่ดูดกลืน เป็นผลให้วัตถุที่สามารถดูดกลืนรังสีได้ดีก็จะแผ่รังสีได้ดีด้วย
a = (Absorptivity) ความสามารถดูดกลืนรังสีของวัตถุ
E = (Emissivity) ความสามารถการแผ่รังสีของวัตถุ 

เอ็นโค้ดเดอร์ในงานอุตสาหกรรม

---

เอ็นโค้ดเดอร์ คือ เซ็นเซอร์สำหรับวัดระยะทาง และวัดความเร็วในงานอุตสาหกรรมซึ่งสามารถแบ่งได้ตามลักษณะการใช้งานได้ 2 แบบ คือ.

1. Increment Encoder
2. Absollute Encoder

---

Increment Encoder

เป็นเอ็นโค้ดเดอร์ที่มีใช้งานอยู่ทั่วไปในโรงงานอุตสาหกรรม ภายในเซ็นเซอร์จะประกอบไปด้วย

1. Disk คือ แผ่นจานหมุนซึ่งติดอยู่กับเพลาหมุนที่ต้องการจะตรวจวัดระยะจัดเชิงมุม แผ่นจานหมนจะถูกเจาะให้เป็นร่องโดยจะเรียกว่า Window จะเป็นตัวระบุ Pulse Per Revolution (P/R) เช่นบนแผ่นจานหมุนมีช่อง 12 ช่อง ก็คือ 12 P/R หรือมี 250 ช่อง ก็คือ 250 P/R
2. LED (Light Emitting Diode) And Sensor โดยจะมี LED เป็นแหล่งกำเนิดแสง และชุด Senser ตรวจจับแสง เมื่อมีการตรวจจับแสงเกิดขึ้นก็จะส่งเป็น Output ออกมา โดยจะแบ่งเป็นชุด A, B และ Z (หรือ O บางรุ่น) และในบางรุ่นจะมีสัญญาน Output แบบ Inverse ซึ่งจะเป็นแบบ A B และ C รวมอยู่ด้วย
3. Mask คือ ช่องที่ทำการแยกช่องสัญญานพัลส์ ของ Phase A, B, และ Z หลักการทำงาน คือ เมื่อแกนของเอ็นโค้ดเดอร์หมุนจะทำให้เกิดลูกคลื่นพัลส์สี่เหลี่ยม ซึ่งจำนวนพัลส์เอาต์พุตที่ได้จะมีความสัมพันธ์กับจำนวนพัลส์ต่อรอบ เช่น 500 พัลส์ต่อรอบ คือ เมื่อหมุนแกนเอ็นโค้ดเดอร์ไป 1 รอบ จะให้พัลส์เอาต์พุตออกมา 500 ลูก เราสามารถใช้ความสัมพันธ์นี้ไปคำนวณหาความเร็ว และระยะทางการหมุนได้

ทฤษฏี FLOW METER

---

Electronmagnetic Flow Meter (เครื่องวัดอัตราการไหลแบบสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) Flow Meter ชนิดนี้ก็คือ การนำกฏ "Faraday" มาใช้เมื่อของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ไหลผ่าน สนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับทอศทางของสนามแม่เหล็ก โดยค่า EMF (Electronmagnetic Flow Rate หรือ Q) จะแปรผันตรงกับความเร็วของการไหลของของเหลว

จะเห็นได้ว่า Voltage (แรงเคลื่อนไฟฟ้า) ที่เกิดขึ้น จะสัมพันธ์กับความหนาแน่นของ สนามแม่เหล็ก, ขนาดของท่อและความเร็วของอัตราไหลโดยที่ค่า Density และ Viscosity (ความหนืด) ของเหลวไม่มีผลต่อการวัดใดๆ เลย โดยที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นขณะมีของเหลวไฟลผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถหาได้จากสมการ Um = BLV โดยที่

• U = แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
• B = ความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็ก
• L = ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรด
• d = เส้นผ่าศูนย์กลางภายในท่อ
• V = ความเร็วเฉลี่ยของของเหลว
• Q = AV = (3.14d↓2/4) V

ดังนั้น U = 4QB/3.14d

---

ส่วนประกอบของ Electron Flow Meter

• ตัวสร้างสนามแม่เหล็กมีอยู่ 2 ชนิดคือ Permannent Magnetic ( แม่เหล็กถาวร) และ Electronmagnetic ทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กให้ Flow Meter
• Coil Drive สร้างพลังงานให้ Magnetic Coil
• โครงเครื่องทำจากโลหะที่มี Line (ฉนวน) บุอยู่ภายใน
• ขั้ว Electrode จะติดตั้งอยู่ด้านในของท่อ Flow Meter ติดตั้งทำมุม 180° ต่อกัน ทำหน้าที่ตรวจจับ Induce Voltage ที่เกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก
• Converter และ Display ทำหน้าที่แปลงสัญญานจาก Electrode เป็นค่าอัตราการไหล - ปริมาณการไหล และส่งสัญญานเอาต์พุต 4 - 20mADC และ Pluse ออกมาให้เอาไปใช้งานต่อ

สภาวะที่เหมาะสมแก่การใช้งาน

• ของเหลวที่ต้องการวัดต้องมีค่าความนำไฟฟ้า (Conductivity) มากกว่า 5 uS เท่านั้น
• ของเหลวควรไหลเต็มท่อตลอดเวลาจึงจะได้ผลแม่นยำ Flow Meter แต่ละรุ่นจะมีย่านวัดบอกเป็นค่ามาตราฐานอยู่ ท่านสามรถเลือกได้
• ของเหลวที่มีการกัดกร่อนหรือตะกอนผสมอยู่ก็สามารถใช้งานได้เพียงแต่จะต้องเลือกประเภทของวัสดุที่ใช้ทำ Line และ Electrode ให้เหมาะสมกับของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
• ของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงสามารถใช้ได้ (ควรดูค่า Maximum Temp สูงสูดที่ Flow Meter รุ่นนั้นๆทนได้ประกอบด้วย
• ตำแหน่งของการติดตั้งควรอยู่ในตำแหน่งด้าน Discharge ของปั๊มและควรติดตั้งในแนวท่อตรง ซึ่งปราศจากวาล์วหรือข้องอ อย่างน้อย 5 เท่าของขนาดท่อ ก่อนนำของเหลวไหลเข้า Flow Meter และทางด้านหลัง 3 เท่าของขนาดท่อ หรือเรียกง่ายๆว่า "หน้า 5 หลัง 3" นั่นเอง
• กรณีจะติดตั้ง Flow Meter ในแนวตั้งควรติดตั้งบนท่อแนวนอนที่มีการไหลไหลขึ้นเท่านั้น ส่วนหากต้องการติดตั้งแนวนอนสามารถติดตั้งได้โดยไม่มีข้อจำกัดใดๆเลย
• Flow Meter ชนิดนี้ ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ใดๆภายใน ทำให้ประหยัดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา มีความแม่นยำ Accuracy ตั้งแต่ 0.25 - 0.5% Full Scale ซึ่งสูงมากและแม่นยำ สามารถวัดโดยการนำของเหลวมาตวงได้เลย

คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors)

---

รูปคาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors)

คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors) เป็นเซนเซอร์ที่ใช้หลักการเปลี่ยนแปลงของค่าคาปาซิแตนซ์ โดยการสร้างสนามไฟฟ้าสถิตย์ ซึ่งต่างจากอินดักทีฟ เซนเซอร์(Inductive Sensors) ที่จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้จะมีความสามารถตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะหรือมีส่วนประกอบของโลหะเท่านั้น แต่คาปาซิทีฟ เซนเซอร์ (Capacitive Sensors) ซึ่งใช้หลักการสร้างไฟฟฟ้าสถิตย์นั้น ทำให้สามารถตรวจจับวัตถุได้เกือบทุกประเภท ทั้งโลหะและอโลหะ ซึ่งทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายเพราะมีสารหรือปุ่มปรับ เซนซิทีวิตี้ (Sensitivity Adjustment) ซึ่งทำให้สารตรวจจับระดับของเหลวในภาชนะทึบแสงเช่น ใช้เช็คระดับน้ำมันเครื่องในถังพลาสติกทึบแสง เป็นต้น

คาปาซิทีฟ พร๊อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors) เป็นเซนเซอร์ที่สามารถทำการตรวจจับได้โดยตัวเซนเซอร์ไม่ต้องสัมผัสกับตัววัตถุเลย เหตุนี้จึงทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้มีอายุการใช้งานที่ยืนยาวเป็นอย่างมาก และยังสามารถตรวจจับได้ทั้งโลหะและอโลหะเช่น กระดาษ ขวด แก้ว พลาสติก น้ำ โดยความสามารถของการตรวจจับของเซนเซอร์ชนิดนี้นั้น จะขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของค่าไดอิเล็กตริก (Dielectric Constant) หรือค่า k ของวัตถุ

สารไดอิเล็กตริก คือ สารที่ไม่นำไฟฟ้าเช่น ยาง แก้ว กระดาษไข พาราฟิน และเทฟลอน เป็นต้น ส่วนวัตถุที่เป็นตัวเก็บประจุนั้นเป็นแผ่นโลหะบางๆวางซ้อนกันโดยมีสารไดอิเล็กตริกอยู่ตรงกลาง จะมีลักษณะเป็นแผ่นระนาบสองแผ่นที่วางขนานกัน โดยจะมีระยะห่างระหว่างแผ่นขนาน และมีค่าความจุเริ่มต้น เมื่อใส่สารไดอิเล็กตริกเข้าไปแทนที่ ที่ว่างดังกล่าว จะทำให้ตัวเก็บประจุนั้น มีค่าความจุเพิ่มขึ้น สมมติว่าเป็น C และเรียกอัตราส่วนของค่าความจุใหม่ขณะที่มีไดอิเล็กตริก เทียบกับค่าความจุขณะไม่มีสารไดอิเล็กตริกว่า ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

รูป แสดงสารไดอิเล็กตริก
ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dielectric) = C1/C2

---

หลักการทำงานของ คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้ เซนเซอร์

(Capacitive Proximity Sensors)

เซนเซอร์ชนิดนี้มีรูปร่างและหน้าตาของตัวเซนเซอร์คล้ายกับ อินดักทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Inductive Proximity Sensors) แต่หลักการทำงานของเซนเซอร์สองชนิดนี้จะต่างกัน โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าความจุของตัวประจุ เมื่อวัตถุที่เราจะตรวจจับ เคลื่อนที่เข้ามาใกล้กับสนามไฟฟ้าของตัวเซนเซอร์มากขึ้น โดยใช้แอกทีฟอิเล็กโทรด (A) และ เอิทธ์อิเล็กโทรด (B) การเปลี่ยนแปลงค่าความจุ (Capacitance Value) ดังกล่าว จะขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างวัตถุเป้าหมายกับตัวเซนเซอร์ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เข้าใกล้ตัวเซนเซอร์มากขึ้น ค่าความจุไฟฟ้าระหว่างตัววัตถุกับคาปาซิทีฟเซนเซอร์ยิ่งมีค่าเปลี่ยนแปลงไปโดยค่าความจุไฟฟ้าจะมากขึ้น ขนาดและรูปร่างของวัตถุ และชนิดของ วัตถุเป้าหมาย ค่าไดอิเล็กตริกหรือค่า k ของวัตถุต่างกัน จะมีค่าความจุที่แตกต่างกัน เมื่อค่าความจุเปลี่ยนแปลงไปจนถึงค่าๆหนึ่ง ซึ่งมีค่าความต้านทาน (ในวงจรออสซิลเลเตอร์ RC) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงคือตั้งเป็นค่าคงที่ตั้งแต่แรก จะส่งผลให้เกิดการออสซิลเลทสัญญาณขึ้น และค่าแอมพลิจูด และ ความถี่สูงขึ้นเมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับที่ความถี่สูงค่าหนึ่ง วงจรทริกเกอร์จะสั่งให้มีค่าเอ้าท์พุทออกไป (DC, 4-20 mA หรือ 0-10 VDC)และส่งต่อไปที่เอ้าท์พุท เพื่อสั่งการให้เอ้าท์พุททำงาน ส่วนประกอบของตัว คาปาซิทีฟ พร๊อกซิมิตี้ เซนเซอร์ได้แก่ อิเล็กโทรด(แบ่งเป็นแอ็คทีฟอิเล็กโทรด (A) กับอิเล็กโทรดชดเชย (B)) ออสซิลเลเตอร์ วงจรทริกเกอร์ ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท

รูป ส่วนประกอบต่างๆ ภายในตัวเซนเซอร์

A ได้แก่ แอ็คทีฟอิเล็กโทรด
B ได้แก่ อิเล็กโทรดชดเชย

ขั้นตอนการทำงานจะเริ่มจาก ในขณะปรกติ คือ ไม่มีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับตัวออสซิลเลเตอร์์จะอยู่ในสภาวะที่ไม่ทำงาน แต่เมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะทำงาน ตัวออสซิลเลเตอร์จะเริ่มทำงานโดยจะค่อยๆเพิ่มความถี่ของสัญญาณให้มากขึ้น เนื่องจากสนามไฟฟ้าสถิตที่สร้างขึ้นถูกรบกวนด้วยวัตถุที่เคลื่อนที่เข้ามาในระยะตรวจจับ เมื่อวัตถุเข้ามาอยู่ในระยะตรวจจับออสซิลเลเตอร์จะสร้างความถี่และแอมพลิจูดมากที่สุด และเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ออกจากระยะออสซิลเลเตอร์จะค่อยๆลดความถี่ลงจนวัตถุเคลื่อนที่ออกไปจนพ้นระยะ ออสซิลเลเตอร์ก้จะหยุดทำงานอีกครั้งหนึ่ง ตามรูปภาพด้านล่าง

รูป ขั้นตอนการทำงานของ ออสซิลเลเตอร์