Các yếu tố ảnh hưởng đến thị giác

Việc đo nhiệt độ không tiếp xúc dựa trên phương pháp đo quang học. Trong đó, các đặc tính quang học của nhiệt kế có ảnh hưởng lớn và thường bị đánh giá thấp đến độ chính xác của phép đo. Trong nhiều trường hợp, chỉ các thông số được chỉ định trong bảng dữ liệu mới được so sánh khi kiểm tra độ không chắc chắn của phép đo. Tuy nhiên, việc lựa chọn hoặc điều chỉnh sai các thiết bị quang học đơn giản có thể dẫn đến các sai số đo lường nghiêm trọng hơn. Báo cáo sau đây giải thích các nguyên tắc cơ bản và tác động của các sai số quang học, cũng như các thông số quang học của nhiệt kế. Báo cáo cũng giới thiệu một phương pháp để người dùng có thể tự kiểm tra chất lượng quang học của nhiệt kế.

Sự sai lệch hình cầu (lỗi mở)
Các tia sáng chiếu gần mép thấu kính sẽ được hội tụ ở một khoảng cách khác so với các tia sáng chiếu vào giữa. Kết quả là hình ảnh bị mờ nhẹ. Sai lệch cầu có thể được giảm thiểu trong các hệ thống quang học bao gồm nhiều thấu kính bằng cách kết hợp phù hợp nhiều bề mặt thấu kính.

Sai lệch màu (sai lệch màu dọc)
Tiêu cự của thấu kính phụ thuộc vào bước sóng. Ánh sáng hoặc bức xạ có các bước sóng khác nhau được tập trung tại các điểm khác nhau. Hình ảnh của một vật thể sẽ xuất hiện với các viền màu xung quanh hình ảnh. Sai lệch màu có thể được giảm đáng kể bằng cách sử dụng các thấu kính được hiệu chỉnh cho hai (Achromat) hoặc ba (Apochromat) bước sóng (Hình 2). Vật liệu của thấu kính được lựa chọn sao cho sai lệch hình ảnh của thấu kính cho hai hoặc ba bước sóng bù đắp lẫn nhau.

Để xác định thông số kỹ thuật của hệ thống quang học, người ta chỉ định kích thước điểm đo cho một khoảng cách nhất định hoặc tỷ lệ khoảng cách, tức là tỷ lệ giữa khoảng cách đo và đường kính trường đo.

Kích thước điểm đo của nhiệt kế được tính theo tỷ lệ phần trăm năng lượng tối đa có thể nhận được trong một nửa không gian. 100% tương ứng với một vật thể đo có kích thước vô hạn. Kích thước trường đo thường được quy đổi thành 90, 95 hoặc 98% năng lượng tối đa có thể nhận được (Hình 3).

Nếu tỷ lệ bức xạ được quy đổi thành 95% thay vì 90%, trường đo sẽ lớn hơn. Do đó, các thông số về kích thước trường đo chỉ có thể so sánh được nếu chúng được quy đổi thành cùng một tỷ lệ phần trăm. Một số nhà sản xuất không nêu tỷ lệ bức xạ theo phần trăm hoặc định nghĩa nó ở một giá trị phần trăm thấp. Do đó, các nhà sản xuất này giả vờ trong bảng dữ liệu rằng trường đo rất nhỏ, vì họ biết rằng nếu định nghĩa khác, họ sẽ phải nêu một giá trị lớn hơn đáng kể. Ngoài ra, một số nhà sản xuất chỉ định kích thước trường đo mà không tính đến dung sai của thấu kính.

Đối với nhiệt kế, có sự phân biệt giữa các thiết bị có ống kính có thể điều chỉnh tiêu cự và ống kính tiêu cự cố định. Chỉ ở khoảng cách tiêu cự, trường đo mới được hiển thị rõ nét. Khi sử dụng nhiệt kế ngoài phạm vi tiêu cự, không thể đảm bảo sự phân bố đồng đều của bức xạ hồng ngoại trên cảm biến (Hình 4).

Bức xạ nhận được trên bề mặt đo sẽ được ghi nhận với cường độ khác nhau. Sự thay đổi nhiệt độ ở trung tâm có ảnh hưởng mạnh hơn so với ở vùng rìa của trường đo.

Điều này đặc biệt ảnh hưởng đến việc hiệu chuẩn nhiệt kế trước một "bộ phát nhiệt đen". Kích thước lò phải lớn hơn nhiều lần so với vùng đo của nhiệt kế. Đối với các thiết bị có hệ thống quang học đơn giản và vùng đo lớn, phải sử dụng các nguồn bức xạ có diện tích cực lớn làm nguồn hiệu chuẩn để giảm thiểu các sai số đo có thể phát sinh trong quá trình hiệu chuẩn. Đây là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến độ chính xác đo thấp của các thiết bị giá rẻ.

Đặc biệt đối với các vật thể đo nhỏ, chỉ lớn hơn một chút so với diện tích đo của nhiệt kế, việc điều chỉnh tiêu cự không chính xác có thể dẫn đến sai số đo đáng kể. Tuy nhiên, ngay cả khi nhiệt kế nhìn vào vật thể đo qua các lỗ, kính quan sát, thành lò hoặc ống quan sát, hệ thống quang học không phù hợp hoặc tiêu cự sai có thể nhanh chóng dẫn đến thu hẹp góc nhìn và do đó dẫn đến sai số đo. Khi đo các vật thể lớn hơn đáng kể so với trường đo của nhiệt kế, với hệ thống quang học đơn giản, nhiệt độ hiển thị sẽ thay đổi khi kích thước của vật thể đo hoặc khoảng cách đo thay đổi. Hình 5 cho thấy so sánh giữa giá trị đo giảm của hệ thống quang học cao cấp và hệ thống quang học đơn giản dựa trên đường kính của vật thể đo. Với hệ thống quang học đơn giản, giá trị đo sẽ giảm đáng kể khi kích thước của vật thể đo thay đổi. Hiệu ứng tương tự cũng xảy ra khi khoảng cách đo thay đổi trong khi kích thước vật thể không đổi. Điều này có nghĩa là các thiết bị có hệ thống quang học đơn giản sẽ hiển thị các giá trị đo khác nhau ở các khoảng cách đo khác nhau. Đặc biệt khi sử dụng các thiết bị cầm tay đơn giản, chắc chắn sẽ được sử dụng ở các khoảng cách khác nhau, cần lưu ý nguồn lỗi này. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng kích thước nguồn (SSE) và là một nguồn lỗi lớn hơn hoặc nhỏ hơn ở tất cả các nhiệt kế. Nguyên nhân là do lỗi hình ảnh của hệ thống quang học, ánh sáng tán xạ và phản xạ trên các thành phần quang học và các bộ phận vỏ, cũng như sự nhiễu xạ do bản chất sóng của ánh sáng. Hiệu ứng Size-of-Source sẽ giảm khi bước sóng đo ngắn hơn. Ảnh hưởng này có thể được giảm thiểu bằng cách hiệu chỉnh cẩn thận các sai số quang học, sử dụng các thành phần quang học chống phản xạ và tránh ánh sáng tán xạ và phản xạ trong thiết bị. Người dùng có thể giảm thiểu sai số này trong thực tế bằng cách lấy nét chính xác vào khoảng cách đo.

Tia hồng ngoại phát ra từ vật thể đo có bước sóng trong khoảng 0,6 - 20 µm, tùy thuộc vào nhiệt độ, tức là thường cao hơn ánh sáng nhìn thấy. Điều này có nghĩa là trước tiên, hệ thống quang học phải được hiệu chỉnh cho phù hợp với dải bước sóng của nhiệt kế. Nếu người dùng muốn lấy nét bằng mắt hoặc thiết bị được trang bị camera video làm thiết bị ngắm, hệ thống quang học phải được thiết kế sao cho các sai số quang học được hiệu chỉnh đồng đều cho cả dải bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại. Trong các thiết bị đơn giản, người ta sử dụng các thấu kính không được hiệu chỉnh màu hoặc chỉ được hiệu chỉnh cho một bước sóng. Khi đó, các điểm tiêu cự của bức xạ hồng ngoại và bức xạ nhìn thấy không khớp nhau (Hình 2). Nếu nhiệt kế được điều chỉnh sắc nét qua thiết bị ngắm, nó sẽ không được điều chỉnh sắc nét tối ưu cho bức xạ hồng ngoại.

Đặc biệt khi sử dụng laser để hiển thị điểm đo, điểm laser không khớp với khoảng cách đo trong các thấu kính đơn giản.

Chỉ bằng cách sử dụng hệ thống ống kính kép hoặc ống kính ba phức tạp về mặt quang học, những sai số này mới có thể được loại bỏ gần như hoàn toàn. Ví dụ, các nhiệt kế của dòng CellaTemp PA có hệ thống ống kính phản xạ băng tần rộng với chất lượng quang học cao.

Nhờ đó, ngay cả những sợi dây có đường kính 0,3 mm cũng có thể được đo nhiệt độ chính xác.

Người dùng có thể dễ dàng kiểm tra tính năng hiển thị của nhiệt kế. Để làm điều này, nhiệt kế được hướng vào một nguồn bức xạ xác định.

Kích thước của bề mặt bức xạ phải lớn hơn nhiều lần so với trường đo của nhiệt kế. Sau đó, đặt một khẩu độ iris mở ở khoảng cách tiêu cự (a) của nhiệt kế trước nguồn bức xạ và xác định nhiệt độ bằng nhiệt kế với cài đặt độ phát xạ ε = 1 (Hình 6). Nên thực hiện phép đo ở cuối phạm vi đo của nhiệt kế, vì ở nhiệt độ cao hơn, sai số đo quang học sẽ rõ ràng hơn. Độ phát xạ trên nhiệt kế sau đó phải được điều chỉnh thành 0,98, dẫn đến sự gia tăng chỉ số nhiệt độ.

Sau đó, đường kính của khẩu độ phải được giảm cho đến khi nhiệt độ hiển thị lại khớp với giá trị ban đầu. Đường kính của lỗ khẩu độ iris sau đó tương ứng với kích thước của trường đo lường dựa trên 98% năng lượng bức xạ. Tỷ lệ khoảng cách D = được tính từ tỷ lệ khoảng cách đo a. Sau đó, lặp lại phép đo này cho kích thước trường đo 95% và 90% và so sánh kết quả với thông tin trong tài liệu của nhà sản xuất.

Bằng cách này, có thể dễ dàng kiểm tra và so sánh các đặc tính hình ảnh thực tế, bao gồm cả ảnh hưởng của các lỗi thấu kính của các thiết bị khác nhau.

Trong hình 7, ví dụ, đường kính của các đối tượng đo được cho 90% và 95% năng lượng bức xạ được chỉ ra. Liên quan đến 90%, sự khác biệt trong kích thước trường đo với Ø 14 mm cho quang học đơn giản và Ø 10,2 mm cho quang học cao cấp vẫn còn tương đối nhỏ. Tuy nhiên, ở 95% (Ø 24 mm đối với quang học đơn giản và Ø 11,5 mm đối với quang học chất lượng cao), các số liệu đã rất khác nhau. Do đó, để có thể đưa ra giá trị tốt hơn (nhỏ hơn) cho đường kính trường đo, một số nhà sản xuất thích đưa ra giá trị cho một giá trị tham chiếu bức xạ thấp hơn (ví dụ: 90%). Do đó, ống kính đơn giản có vẻ tốt hơn nhiều so với thực tế.

Đối với các nhiệt kế có đèn dẫn hướng, camera video hoặc kính ngắm, thử nghiệm này cũng có thể xác định xem khoảng cách giữa điểm lấy nét và trường đo có giống nhau hay không và liệu dấu hiệu trường đo có thực sự khớp với vị trí và kích thước của bề mặt đo của nhiệt kế hay không.

Khi lựa chọn nhiệt kế, ngoài việc so sánh các thông số đo lường, cũng cần so sánh kỹ các đặc tính quang học. Do thông tin trong tài liệu quảng cáo của một số nhà sản xuất thường không đầy đủ, nên cần hỏi chi tiết về cách xác định trường đo được chỉ định và liệu sai số thấu kính và dung sai căn chỉnh có được tính đến trong thông số kỹ thuật hay không. Chỉ khi các thông số quang học và các giá trị tham chiếu giống nhau, mới có thể so sánh các nhiệt kế khác nhau. Trong các trường hợp quan trọng, để đảm bảo an toàn, bạn nên tự kiểm tra chất lượng và thông số kỹ thuật trong tài liệu quảng cáo như đã mô tả. Bởi vì, một nhiệt kế có độ chính xác đo lường điện nhỏ hơn 1% nhưng lại sử dụng thấu kính và cấu trúc quang học đơn giản sẽ dẫn đến sai số đo lường lớn hơn nhiều.