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[电动] 【物理课】继续讨论便携式红外测温仪

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发表于 2019-11-8 23:36:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 newkit 于 2019-11-9 03:56 编辑

这是我在矿石收音机看到的:
image.png

热电偶测得水温是85.5度,而红外仪却测得30.3,是表不好吗?目测是fluke,应该是好产品。


首先,一个结论:只要不是太偷工减料,不要把量程虚标,红外测温仪可以做得很准的。别说福禄克,随便拿淘宝货去测一个模拟的近似黑体,或者黑空腔里的物体,温度都很准确:
image.png


但拿到现实环境,准不准要看测量者的智商。因为任何物体在往外辐射的同时,都会反射、吸收一部分外界的红外线,铮亮的金属会反射可见光,更会反射红外线。你测到的能量,其实不是来自金属本身。据此计算的温度当然是不准确的。所以关键要厘清:红外线是谁发出的?测温仪里有“发射率”设置,材质不同,表面不同(比如光滑/生锈),发射率就不同,依此做出修正,减少误差。


我们买了一台测温仪,到手总想试一下准确度。日常最常见的参考标准就是沸水。温度作为物理量,其度量是人为设置的:即一个大气压下,冰水混合物为0,沸水为100,刻度等分100就是1摄氏度。


可是实操的结果,往往都是立马想退货——没一台是准的。一般都是偏低:
image.png

温敏电子表95度(揭盖后水温降低,正常);手里也是福禄克,偏低10度。是发射率不对吗?出厂默认是0.95,是最常见材质的发射率。查阅说明书,水也是0.95;查各种表格,水也在0.92-0.96之间。我把这些值都试了,区别不大,均偏低10度左右。搜索别人的评论,也是类似的情况。如此有规律的偏差,似乎不是我这台质量有问题?

于是去看原理,红外测温的基础是黑体辐射理论。工科生最多学到大一的《普通物理》,且多数版本并无涉及。我只能现炒现卖说些肤浅的:


1.普朗克告诉我们:黑体辐射的发射率等于吸收率。
2、水(纯H2O)对可见光来说是基本透明的,对
红外线来说也基本是透明的。

照片上我们还可以看到水面的反射性也很强。两者都导致水的红外发射率很低。那么,0.92-0.96又是怎么来的?要知道,理想黑体也才是1啊。这里我们遗漏了一个重要前提,即红外测温仪反映的是物体表面温度。水的表面,实际上是活跃的介于液态和气态之间非稳态,大白话就是“水汽”。而0.92-0.96,是指水汽的发射率。气象卫星最重要的任务之一就是拍摄红外云图和水汽通量,正是基于水汽的高发射率,通过红外成像来实现的:


image.png


回到测沸水。一般我们都是对着电热壶直接测,刚烧开的水,蒸汽四处跑,就像烟雾干扰拍照一样干扰红外成像。再加上液态水本身对红外线高度透明,所以壶体不锈钢的红外线也长驱直入进入测温仪镜头。而不锈钢的发射率只有0.5,和水汽相差悬殊。这两个因素导致最后读数偏低了。

如果把水倒入塑料杯或者纸杯(塑料、纸的发射率0.95,和水汽几乎一样),再等其冷却至没有明显蒸汽,就能准确测温了:
image.png

但这需要其他温度计来辅助验证。如果没有,那么只能用透明塑料壶来煮沸水(早先这种电热壶很常见,至少有个水位显示槽是透明塑料),此时测量塑料温度等同于沸水温度。从而避免蒸汽扰动和金属干扰。

回到第一张图。发帖人只说了这一现象,并没有分析原因。如果他的壶是塑料的,或者换别的玻璃壶,甚至换一个角度去测,都应该不会这样。玻璃(理想)对可见光来说是基本透明的,对红外线来说不是透明的;它会吸收一部分,所以太阳底下玻璃会升温甚至发烫;它也会反射一部分,原厂镀膜车玻璃就是这样“降温”;但也有一些玻璃例外,它像水一样,红外线几乎全穿透。


所以他测出30几度,我认为是背景温度。即绿色桌子和杯垫的环境温度。红外线的路径,刚好是经过壶体中心(等效成一个球体的话)且垂直于壶体两侧的切向。

同时推测其玻璃材质属于低发射率(即红外线高穿透),不适合用于间接测水温。当他换成黑色壶盖来测,结果大为不同,很准确反映了实际温度(静置一段时间后,壶盖会接近水温):


image.png

这里又引出一个原则:对着黑色物体,尤其是亚光的黑色物体测量,更为准确。黑体辐射的理论,就是基于100%吸收率的理想黑体展开的。如果我们能在被测物体上贴电工胶布,或者汽车上用的植绒胶布,待其和被测表面同温。然后按照测温仪的DS比例,掌握好距离(比如胶布1cm长宽,则在12cm处对准),山寨的测温仪也能基本准确。

长久不接触物理,临时抱佛脚。理解谬误的地方,欢迎大家交流指正。


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发表于 2019-11-9 00:02:27 | 显示全部楼层
用测温仪测过沸水,接近100度,然后测金属光滑表面就不太行了,需要调整发射率,在家测量暖气管温度,贴个电工胶带就准了。

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沸水您是如何测得?交流下。  详情 回复 发表于 2019-11-9 09:19
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发表于 2019-11-9 00:27:44 | 显示全部楼层
大概知道测不准的原因,没细究,毕竟平时用用也不用太过于准确,也不是做精准实验用
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发表于 2019-11-9 07:52:14 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
谢谢分享原理,我一般用它测油锅和烤箱的温度,大致有个判断还不错

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我还没测过这些。您测量的这两项,一般多少度?这是日常接触的高温源,有助于大家选择测温仪的量程。再高我们可能也遇不到,而量程合适,一则准确度更好,二则便宜。  详情 回复 发表于 2019-11-9 09:18
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发表于 2019-11-9 08:01:24 | 显示全部楼层
学习了,谢谢
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 楼主| 发表于 2019-11-9 09:18:15 | 显示全部楼层
aacyxjz 发表于 2019-11-9 07:52
谢谢分享原理,我一般用它测油锅和烤箱的温度,大致有个判断还不错

我还没测过这些。您测量的这两项,一般多少度?这是日常接触的高温源,有助于大家选择测温仪的量程。再高我们可能也遇不到,而量程合适,一则准确度更好,二则便宜。

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油锅和烤箱都是两百来度,用的便宜的红外测温枪,不能调整反射率。读数与热电偶差二十度左右,可以接受,发现一个规律,就是尽量对准不太光亮的地方测精度高一些。  详情 回复 发表于 2019-11-9 09:33
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 楼主| 发表于 2019-11-9 09:19:06 | 显示全部楼层
yanjinquan21 发表于 2019-11-9 00:02
用测温仪测过沸水,接近100度,然后测金属光滑表面就不太行了,需要调整发射率,在家测量暖气管温度,贴个 ...

沸水您是如何测得?交流下。
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发表于 2019-11-9 09:33:40 | 显示全部楼层
newkit 发表于 2019-11-9 09:18
我还没测过这些。您测量的这两项,一般多少度?这是日常接触的高温源,有助于大家选择测温仪的量程。再高 ...

油锅和烤箱都是两百来度,用的便宜的红外测温枪,不能调整反射率。读数与热电偶差二十度左右,可以接受,发现一个规律,就是尽量对准不太光亮的地方测精度高一些。
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发表于 2019-11-9 20:47:16 | 显示全部楼层
工业红外测温仪怎么来测体温呢?
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