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溫度計是測溫儀器的總稱。根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同,有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。


1 溫度計 -工作原理

溫度計溫度計
根據使用目的的不同,已設計製造出多種溫度計。其設計的依據有:利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮的現象;在定容條件下,氣體(或蒸氣壓強因不同溫度而變化;熱電效應的作用;電阻隨溫度的變化而變化;熱輻射的影響等。

一般地說,任何物質的任一物理屬性,只要它隨溫度的改變而發生單調的、顯著的變化,都可用來標誌溫度而製成溫度計。

根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同,有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。

2 溫度計 -發明及改進

溫度計溫度計
最早的溫度計是在1593年由義大利科學家伽利略(1564~1642)發明的。他的第一隻溫度計是一根一端敞口的玻璃管,另一端帶有核桃大的玻璃泡。使用時先給玻璃泡加熱,然後把玻璃管插入水中。隨著溫度的變化,玻璃管中的水面就會上下移動,根據移動的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低。溫度計有熱脹冷縮的作用所以這種溫度計,受外界大氣壓強等環境因素的影響較大,所以測量誤差大。

後來伽利略的學生和其他科學家,在這個基礎上反覆改進,如把玻璃管倒過來,把液體放在管內,把玻璃管封閉等。比較突出的是法國人布利奧在1659年製造的溫度計,他把玻璃泡的體積縮小,並把測溫物質改為水銀,這樣的溫度計已具備了現在溫度計的雛形。以後荷蘭人華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測量物質,製造了更精確的溫度計。他觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度;經過反覆實驗與核准,最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉,把純水凝固時的溫度定為32℉,把標準大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用℉代表華氏溫度,這就是華氏溫度計。

溫度計溫度計
在華氏溫度計出現的同時,法國人列繆爾(1683~1757) 也設計製造了一種溫度計。他認為水銀的膨脹係數太小,不宜做測溫物質。他專心研究用酒精作為測溫物質的優點。他反覆實踐發現,含有1/5水的酒精,在水的結冰溫度和沸騰溫度之間,其體積的膨脹是從1000個體積單位增大到1080個體積單位。因此他把冰點和沸點之間分成80份,定為自己溫度計的溫度分度,這就是列氏溫度計。

華氏溫度計製成后又經過30多年,瑞典人攝爾修斯於1742年改進了華倫海特溫度計的刻度,他把水的沸點定為0度,把水的冰點定為100度。後來他的同事施勒默爾把兩個溫度點的數值又倒過來,就成了現在的百分溫度,即攝氏溫度,用℃表示。華氏溫度與攝氏溫度的關係為

℉=9/5℃+32,或℃=5/9(℉-32)。

現在英、美國家多用華氏溫度,德國多用列氏溫度,而世界科技界和工農業生產中,以及中國、法國等大多數國家則多用攝氏溫度。

3 溫度計 -用途及分類

溫度計溫度計
隨著科學技術的發展和現代工業技術的需要,測溫技術也不斷地改進和提高。由於測溫範圍越來越廣,根據不同的要求,又製造出不同需要的測溫儀器。下面介紹幾種。

1、氣體溫度計:多用氫氣或氦氣作測溫物質,因為氫氣和氦氣的液化溫度很低,接近於絕對零度,故它的測溫範圍很廣。這種溫度計精確度很高,多用於精密測量。

2、電阻溫度計:分為金屬電阻溫度計和半導體電阻溫度計,都是根據電阻值隨溫度的變化這一特性製成的。金屬溫度計主要有用鉑、金、銅、鎳等純金屬的及銠鐵、磷青銅合金的;半導體溫度計主要用碳、鍺等。電阻溫度計使用方便可靠,已廣泛應用。它的測量範圍為-260℃至600℃左右。

3、溫差電偶溫度計:是一種工業上廣泛應用的測溫儀器。利用溫差電現象製成。兩種不同的金屬絲焊接在一起形成工作端,另兩端與測量儀錶連接,形成電路。把工作端放在被測溫度處,工作端與自由端溫度不同時,就會出現電動勢,因而有電流通過迴路。通過電學量的測量,利用已知處的溫度,就可以測定另一處的溫度。這種溫度計多用銅——康銅、鐵——康銅、鎳銘——康銅、金鈷——銅、鉑——銠等組成。它適用於溫差較大的兩種物質之間,多用於高溫和低濁測量。有的溫差電偶能測量高達3000℃的高溫,有的能測接近絕對零度的低溫。

4、高溫溫度計:是指專門用來測量500℃以上的溫度的溫度計,有光測溫度計、比色溫度計和輻射溫度計。高溫溫度計的原理和構造都比較複雜,這裡不再討論。其測量範圍為500℃至3000℃以上,不適用於測量低溫。

5、指針式溫度計:是形如儀錶盤的溫度計,也稱寒暑表,用來測室溫,是用金屬的熱脹冷縮原理製成的。它是以雙金屬片做為感溫元件,用來控制指針。雙金屬片通常是用銅片和鐵片鉚在一起,且銅片在左,鐵片在右。由於銅的熱脹冷縮效果要比鐵明顯的多,因此當溫度升高時,銅片牽拉鐵片向右彎曲,指針在雙金屬片的帶動下就向右偏轉(指向高溫);反之,溫度變低,指針在雙金屬片的帶動下就向左偏轉(指向低溫)。

溫度計溫度計
6、玻璃管溫度計:玻璃管溫度計是利用熱脹冷縮的原理來實現溫度的測量的。由於測溫介質的膨脹係數與沸點及凝固點的不同,所以我們常見的玻璃管溫度計主要有:煤油溫度計、水銀溫度計、紅鋼筆水溫度計。他的優點是結構簡單,使用方便,測量精度相對較高,價格低廉。缺點是測量上下限和精度受玻璃質量與測溫介質的性質限制。且不能遠傳,易碎。

7、壓力式溫度計:壓力式溫度計是利用封閉容器內的液體,氣體或飽和蒸氣受熱后產生體積膨脹或壓力變化作為測信號。它的基本結構是由溫包、毛細管和指示表三部分組成。它是最早應用於生產過程溫度控制的方法之一。壓力式測溫系統現在仍然是就地指示和控制溫度中應用十分廣泛的測量方法。壓力式溫度計的優點是:結構簡單,機械強度高,不怕震動。價格低廉,不需要外部能源。缺點是:測溫範圍有限制,一般在-80~400℃;熱損失大響應時間較慢;儀錶密封系統(溫包,毛細管,彈簧管)損壞難於修理,必須更換;測量精度受環境溫度、溫包安裝位置影響較大,精度相對較低;毛細管傳送距離有限制。

8、轉動式溫度計:轉動式溫度計是由一個捲曲的雙金屬片製成。雙金屬片一端固定,另一端連接著指針。兩金屬片因膨脹程度不同,在不同溫度下,造成雙金屬片捲曲程度不同,指針則隨之指在刻度盤上的不同位置,從刻度盤上的讀數,便可知其溫度。

溫度計溫度計
9、半導體溫度計:半導體的電阻變化和金屬不同,溫度升高時,其電阻反而減少,並且變化幅度較大。因此少量的溫度變化也可使電阻產生明顯的變化,所製成的溫度計有較高的精密度,常被稱為感溫器。

10、熱電偶溫度計:熱電偶溫度計是由兩條不同金屬連接著一個靈敏的電壓計所組成。金屬接點在不同的溫度下,會在金屬的兩端產生不同的電位差。電位差非常微小,故需靈敏的電壓計才能測得。由電壓計的讀數,便可知道溫度為何。

11、光測高溫計:物體溫度若高到會發出大量的可見光時,便可利用測量其熱輻射的多寡以決定其溫度,此種溫度計即為光測溫度計。此溫度計主要是由裝有紅色濾光鏡的望遠鏡及一組帶有小燈泡、電流計與可變電阻的電路製成。使用前,先建立燈絲不同亮度所對應溫度與電流計上的讀數的關係。使用時,將望遠鏡對正待測物,調整電阻,使燈泡的亮度與待測物相同,這時從電流計便可讀出待測物的溫度了。

12、液晶溫度計:用不同配方製成的液晶,其相變溫度不同,當其相變時,其光學性質也會改變,使液晶看起來變了色。如果將不同相變溫度的液晶塗在一張紙上,則由液晶顏色的變化,便可知道溫度為何。此溫度計之優點是讀數容易,而缺點則是精確度不足,常用於觀賞用魚缸中,以指示水溫。

4 溫度計 -現狀和發展

溫度計溫度計
隨著科學技術的發展和現代工業技術的需要,測溫技術也不斷地改進和提高。由於測溫範圍越來越廣,根據不同的要求,又製造出不同需要的測溫儀器。下面介紹幾種。  

氣體溫度計多用氫氣或氦氣作測溫物質,因為氫氣和氦氣的液化溫度很低,接近於絕對零度,故它的測溫範圍很廣。這種溫度計精確度很高,多用於精密測量。  

電阻溫度計分為金屬電阻溫度計和半導體電阻溫度計,都是根據電阻值隨溫度的變化這一特性製成的。金屬溫度計主要有用鉑、金、銅、鎳等純金屬的及銠鐵、磷青銅合金的;半導體溫度計主要用碳、鍺等。電阻溫度計使用方便可靠,已廣泛應用。它的測量範圍為-260℃至600℃左右。

溫差電偶溫度計是一種工業上廣泛應用的測溫儀器。利用溫差電現象製成。兩種不同的金屬絲焊接在一起形成工作端,另兩端與測量儀錶連接,形成電路。把工作端放在被測溫度處,工作端與自由端溫度不同時,就會出現電動勢,因而有電流通過迴路。通過電學量的測量,利用已知處的溫度,就可以測定另一處的溫度。這種溫度計多用銅——康銅、鐵——康銅、鎳銘——康銅、金鈷——銅、鉑——銠等組成。它適用於溫差較大的兩種物質之間,多用於高溫和低濁測量。有的溫差電偶能測量高達3000℃的高溫,有的能測接近絕對零度的低溫。

高溫溫度計是指專門用來測量500℃以上的溫度的溫度計,有光測溫度計、比色溫度計和輻射溫度計。高溫溫度計的原理和構造都比較複雜,這裡不再討論。其測量範圍為500℃至3000℃以上,不適用於測量低溫。
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