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溫度計的構造

1、“溫度計”

俗稱“寒暑表”。我國氣象上將直接能讀取數值而無自動記錄裝置的儀器,統稱爲溫度計。其種類甚多,如幹濕球溫度計、最低溫度計、最高溫度計、地面溫度計 等。家庭使用的溫度計,系常見的壹種兩端封閉內徑均勻的毛細玻璃管。封閉的下端是圓球或圓柱形,內注水銀、酒精或煤油。由于溫度的變化,液柱升降而伸縮。根據液柱頂端所在位置,即可直接讀出標度數值。

2、“水銀溫度計”

 它是利用水銀熱脹、冷縮的性質而制造的壹種測溫計。高溫可以測到300多攝氏度。由于熔點關系,測量-30℃以下的低溫時則不能使用。制造水銀溫度計,首先應選取壁厚、孔細而內徑均勻的玻璃管,經酸洗等過程使管內潔淨。壹端加熱並吹成壹個壁薄的球形或圓柱形的容器。水銀是在某種特定溫度下注入球形容器與玻管之中,此時水銀的溫度應比以後所測之最高溫度還要高些。然後用火焰將灌滿水銀玻管的頂端封閉。當水銀溫度降低時開始收縮,于是在水銀柱的上部管內出現壹段真空。溫度計的定標分度,首先要確定兩個固定標點,作爲永不改變的標記。將溫度計液泡部分,插 入在壹標准大氣壓下正在熔解的冰塊中,當水銀柱下降至某壹處穩定時,刻壹記號作爲下固定點。然後再將溫度計的整體,置于處在壹標准大氣壓下的水蒸氣中,當 水銀柱上升停在某壹位置不動時作壹記號爲上固定點。此二固定點間的距離,稱爲基本標距。此標距的長短與溫度計的管徑以及液泡的容積有關。將這段標距分成 100等分,每壹等分即爲壹度。在下固定點處標0°記號,在上固定點標100°記號。在熔點以下及沸點以上還可刻同樣長的標度。刻在0°以下的標度,稱爲 冷度,刻在0°以上稱熱度。由于溫度計的基本標度被均分爲100等分,故稱百分溫度計,又稱攝氏溫度計。除攝氏溫標外也有采用華氏溫標的,此溫標以32° 爲冰點,以212°爲沸點,其中等分180個刻度。華氏溫度計用字母F表示。兩種溫標關系爲

F= 9 5 + 32 C = F 32℃,(—)。5 9

水銀溫度計存在壹定的缺點,例如,玻璃管的內徑不可能完全相同,盡管每個刻度與每個刻度之間的距離相等,但由于管的內徑不同,則每刻度之間水銀液柱的體積 並不相等,因而造成誤差。當玻璃管內水銀受熱體積膨脹的同時,溫度計的玻璃管及液泡部分的玻璃也受熱膨脹。結果所讀出的只不過是水銀膨脹數值與玻璃膨脹數 值之間的差數而已。由于水銀的凝固點(-38.87℃)與沸點(356.7℃)的關系,故它的計量只能在這個範圍之內,可以測高溫。若用以測低溫,則必受 限制。

3、“酒精溫度計”

構造與水銀溫度計相同,唯管內裝有含紅色染料的酒精。便于觀察,此種溫度計是用酒精爲工作物質。因酒精的沸點(78℃)較低,凝固點在-117℃,因此多用酒精溫度計作測低溫物質。

4、“煤油溫度計”

煤油溫度計的工作物質是煤油,它的沸點壹般高于150℃,凝固點低于-30℃。所以煤油溫度計的量度範圍約爲-30℃~150℃。因酒精的沸點是78℃, 凝固點是-114℃。酒精溫度計能比煤油溫度計測更低的溫度,但高于78℃的溫度它就不能測定了。從中學物理實驗室經常要測量的溫度範圍來看,煤油溫度計 比酒精溫度計更適用。當學生看到溫度計的刻度在100℃,卻不加分析地把溫度計說成是酒精溫度計,這是錯誤的(酒精溫度達到78℃就已經沸騰了,豈能有 100℃的溫度刻度)。目前中學實驗室裏所用的裝有紅色工作物質的溫度計,壹般都是煤油溫度計,而不是酒精溫度計。


5、“全輻射高溫計”

它是壹種測量高溫輻射源的儀器。將來自輻射源的輻射,經凹面鏡會聚到壹塊塗黑的箔片上,此箔片貼在溫差電偶上。根據測出的溫差電動勢,即可知道箔片的溫度。于是從箔片上的溫度反映,得知輻射源的溫度。

6、“最高最低溫度計”

即“息克斯溫度計”。它能指出在測量時間內所達到的最高溫度和最低溫度,但不能指出確切的時間。管內分別裝入水銀和無色酒精,由于酒精與水銀膨脹系數懸 殊,當溫度上升時,酒精膨脹,于是迫使水銀擠向毛細管內而上升,上指針亦隨之而上升,指示到達最高溫度;當溫度下降,則水銀回流至另壹管,將下指針推至最 低溫度處。

7、“貝克曼溫度計”

它也是壹種玻璃管裏貯有水銀的溫度計。它的構造特點是在裝水銀的細管上部,有壹個可調節水銀量的空泡,通過調節水銀的流入量,從而改變可測溫度的高低,但 整個管長只允許有幾度範圍的溫度變化。它的用途是能比較准確地測量溫度差。刻度可直接讀出0.01℃,可估計到0.001℃,相當精確。這壹溫度計的整個 測溫範圍僅有5℃或6℃,所以它能測5℃或6℃的溫度差。

8、“簧片溫度計”

在水銀面上放壹短小的鐵棒,當溫度變化上升時,水銀推棒前進;溫度下降時,水銀縮回,而鐵棒則留在實際溫度所到的最高刻度處。記錄最高溫度時,將此測溫計橫放。如計劃再作測定時,可用磁鐵將鐵棒吸回,或將溫度計直立即可。

9、“氣體溫度計”

利用壹定質量的氣體作爲工作物質的溫度計。用氣體溫度計來體現理想氣體溫標爲標准溫標。用氣體溫度計所測得的溫度和熱力學溫度相吻合。氣體溫度計是在容器裏裝有氫或氮氣,它們的性質可外推到理想氣體。這種溫度計有兩種類型:定容氣體溫度計和定壓氣體溫度計。定容氣體溫度計是氣體的體積保持不變,壓強隨溫度改變。定壓氣體溫度計是氣體的壓強保持不變,體積隨溫度改變。

10、“定容氣體溫度計”

定容氣體溫度計,是保持氣體體積不變,由氣體的壓強算出所測溫度的壹種裝置。如圖2-2所示。測溫泡B(材料由待測溫度範圍和所用的氣體決定)內貯有壹定 質量的氣體(壹般裝有氦,氫或氮氣),經毛細管與水銀壓強計的左臂M相連。測量時,使測溫泡與待測系統相接觸,然後上下移動壓強計的右臂M',使左臂中的 水銀面在不同的溫度下始終保持固定在同壹位置0處,以保持氣體的體積不變。當待測溫度不同時,氣體的壓強不同,這個壓強可由壓強計兩臂水銀面的高度差h和 右臂上端水銀面所受的大氣壓強求得。這樣,就可由壓強隨溫度的改變來確定溫度。在實際測量的過程中,還必須考慮到各種誤差的影響,例如,測溫泡和毛細管的 體積隨溫度的改變,以及毛細管中那部分氣體的溫度與待測溫度不壹致等等。因此,對測量的結果還必須進行修正。

11、“定壓氣體溫度計”

定壓氣體溫度計是保持氣體的壓強不變,由氣體的體積算出所測溫度的裝置。這種溫度計的結構比定容氣體溫度計複雜,操作和修正工作也麻煩得多,除在高溫範圍外,在實際工作中壹般都使用定容氣體溫度計。


12、“體溫計”

是測量人體溫度用的溫度計。亦稱“體溫表”或“醫用溫度計”。體溫計的工作物質是水銀。它的液泡容積比上面細管的容積大的多。泡裏水銀,由于受到體溫的影 響,産生微小的變化,水銀體積的膨脹,使管內水銀柱的長度發生明顯的變化。人體溫度的變化壹般在35℃到42℃之間,所以體溫計的刻度通常是35℃到 42℃,而且每度的範圍又分成爲10分,因此體溫計可精確到1/10度。體溫計的下部靠近液泡處的管頸是壹個很狹窄的曲頸,在測體溫時,液泡內的水銀,受 熱體積膨脹,水銀可由頸部分上升到管內某位置,當與體溫達到熱平衡時,水銀柱恒定。當體溫計離開人體後,外界氣溫較低,水銀遇冷體積收縮,就在狹窄的曲頸 部分斷開,使已升入管內的部分水銀退不回來,仍保持水銀柱在與人體接觸時所達到的高度。體溫計是壹種最高溫度計,它可以記錄這溫度計所曾測定的最高溫度。 用後的體溫計應“回表”,即拿著體溫計的上部用力往下猛甩,可使已升入管內的水銀,重新回到液泡裏。其它溫度計絕對不能甩動,這是體溫計與其它液體溫度計 的壹個主要區別。

13、“高溫計”

測量由物體輻射形成的極高溫度(約1000℃以上)用的裝置。它用在冶金工業和其它技術部門。由于待測溫度的範圍不同。高溫計的類型亦有多種,如光測高溫計,輻射高溫計,電阻溫度計及熱電偶溫度計等。

14、“低溫計”

用來測量極低溫度的溫度計。管內盛無色酒精及壹個啞鈴狀黑色細小的玻璃棒,用時平放,溫度降低時酒精收縮,由表面張力作用使棒下降;溫度升高時,此小棒即附著不動。若再作測定時,可將溫度計倒立即可恢複原狀。

15、“電阻溫度計”

利用導體電阻隨溫度變化而改變的性質而制成的測溫裝置。通常是把純鉑細絲繞在雲母或陶瓷架上,防止鉑絲在冷卻收縮時産生過度的應變。在某些特殊情況裏,可將金屬絲繞在待測溫度的物質上,或裝入被測物質中。在測極低溫的範圍時,亦可將碳質小電阻或滲有砷的鍺晶體,封入充滿氦氣的管中。將 鉑絲線圈接入惠斯通電橋的壹條臂,另壹條臂用壹可變電阻與兩個假負載電阻,來抵償測量線圈的導線的溫度效應。電阻將按下 列公式隨溫度發生變化:

R=R0(1+aθ)

式中R是θ℃的電阻,R0是0℃時的電阻,a是常數。比較精確的式子 是: R=R0(l+aθ+bθ2) 式中b是第二個常數。電阻溫度計在-260℃~+1200℃範圍內,可作極精確的測定。它適用範圍廣,遠遠超出水銀溫度計。可作測溫的標准。

16、“溫差電偶溫度計”

利用溫差電偶來測量溫度的溫度計。將兩種不同金屬導體的兩端分別連接起來,構成壹個閉合回路,壹端加熱,另壹端冷卻,則兩個接觸點之間由于溫度不同,將産 生電動勢,導體中會有電流發生。因爲這種溫差電動勢是兩個接觸點溫度差的函數,所以利用這壹特性制成溫度計。若在溫差電偶的回路裏再接入壹種或幾種不同金 屬的導線,所接入的導線與接觸點的溫度都是均勻的,對原電動勢並無影響,通過測量溫差電動勢來求被測的溫度,這樣就構成了溫差電偶溫度計。這種溫度計測溫 範圍很大。例如,銅和康銅構成的溫差電偶的測溫範圍在200~400℃之間;鐵和康銅則 被使用在200~1000℃之間;由鉑和鉑铑合金(铑10%)構成的溫差電偶測 溫可達千攝氏度以上;銥和銥铑(铑50%)可用在2300℃;若用鎢和钼(钼 25%)則可高達2600℃。