(接上期)
四、玻璃液體溫度計的主要類型
(一)玻璃體溫計
人們最熟悉的玻璃體溫計又稱為體溫表。最早是由歐洲人桑克托留斯醫(yī)生發(fā)明的。他是伽利略的朋友。1595年當(dāng)伽利略制作出氣體溫度計后，桑克托留斯按自己的設(shè)想和診病的需要，對上述氣體溫度計進(jìn)行了改進(jìn)，將直管改為環(huán)狀類似蛇形的玻璃管。1611年，他制作出世界上第一支玻璃體溫計，當(dāng)時溫度計內(nèi)裝的是紅色酒精。1714年，遷居荷蘭的德國科學(xué)家華倫海特將感溫液體改為水銀，制作出第一支實用的水銀體溫計。
上述玻璃體溫計體積較大，使用起來比較復(fù)雜，非常不方便，測量一次體溫一般需要20min。直到1865年，英國的阿爾伯特發(fā)明了一種特殊結(jié)構(gòu)的玻璃體溫計。這種體溫計的感溫泡與毛細(xì)管之間非常狹窄。在接觸人體時，與其他玻璃體溫計一樣，水銀柱會上升到一個固定的位置。當(dāng)體溫計離開人體時，狹窄處以下部分的水銀收縮至感溫泡內(nèi)，而狹窄處以上部分用于讀數(shù)的水銀柱不下降，而是在狹窄處斷開。這樣就可以很容易測得體溫的讀數(shù)。這種體溫計一經(jīng)問世就得到普及和推廣。這一特殊結(jié)構(gòu)一直沿用至今。
玻璃體溫計是用于測量記錄最高溫度的溫度計，因此屬于最高溫度計。實現(xiàn)這一功能可以采用兩種結(jié)構(gòu):縮喉結(jié)構(gòu)和玻璃絲堵塞毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)。
縮喉結(jié)構(gòu)就是通過一定的加工工藝將感溫泡上部一定位置的毛細(xì)管孔徑縮小變狹窄。圖3就是一種縮喉結(jié)構(gòu)。
圖3 縮喉結(jié)構(gòu)
玻璃絲堵塞毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，顧名思義，就是用一根玻璃絲，在感溫泡封底時，將其一端垂直地熔接在感溫泡的底部中心處，另一端伸入毛細(xì)孔內(nèi)，與毛細(xì)孔之間形成一圈狹縫，這種結(jié)構(gòu)形式與縮喉的形式相似，也是縮小了毛細(xì)管的孔徑，如圖4所示。
圖4 玻璃絲堵塞毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)
玻璃體溫計的測溫原理如下:當(dāng)體溫計接觸人體，溫度升高，感溫泡內(nèi)的水銀體積膨脹，涌向毛細(xì)管，水銀有足夠的力量克服縮喉部位狹窄通道的阻力，連續(xù)的水銀柱逐漸升高填充毛細(xì)管，直至一個固定位置，水銀上端面在標(biāo)尺上指示所測量的最高溫度數(shù)值。當(dāng)溫度降低時，水銀體積要收縮。因為感溫泡內(nèi)的水銀體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于毛細(xì)管內(nèi)水銀的體積，因此毛細(xì)管內(nèi)的水銀向感溫泡內(nèi)收縮。由于縮喉結(jié)構(gòu)的阻礙作用，水銀柱便從縮喉部位斷開?？s喉部位以上的水銀柱單純依靠自身重量是無法通過縮喉部位的。因此，水銀上端面仍停留在所測量的最高溫度的位置上。當(dāng)使用玻璃體溫計再次測量體溫時，要手握玻璃體溫計的上部，用力甩動，在離心力的作用下，停留在縮喉部位上部的水銀柱，便可克服縮喉的阻力流入感溫泡內(nèi)。玻璃體溫計的縮喉通道制作得不能過窄，也不能過寬。若過窄，水銀通過縮喉所克服的阻力太大，一方面造成體溫計的示值滯后于被測介質(zhì)的實際溫度，影響到測溫結(jié)果的準(zhǔn)確度；另一方面，由于阻力過大，也會造成體溫計使用前的難甩。若過寬，水銀通過縮喉所克服的阻力太小，當(dāng)體溫計離開身體，環(huán)境溫度降低時，水銀柱在縮喉部位不能迅速斷開，導(dǎo)致水銀柱冷縮自流，指示溫度位置會低于實際最高溫度位置。
由于人體溫度是衡量人體是否健康的一個非常重要的指標(biāo)。因此，玻璃體溫計誕生100多年來，在醫(yī)療診斷、個人保健等方面得到了廣泛的普及和應(yīng)用。但是玻璃體溫計在使用中也存在一些致命的缺陷，如破碎的體溫計可能造成水銀污染、人體外傷等。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，一些結(jié)構(gòu)新穎、使用方便的體溫計相繼問世。如顯示直觀的數(shù)字體溫計、測量迅速的紅外耳式體溫計、紅外額式體溫計、體積小巧價格低廉的片式體溫計、適于嬰兒使用的奶嘴式體溫計等。
(二)貝克曼溫度計
德國化學(xué)家恩斯特·奧托·貝克曼通過使沸點升高和凝固點降低測量了一些物質(zhì)的相對分子質(zhì)量，改進(jìn)了在溶液中測定分子量的凝固點法和沸點法；在這些測量中需要精確測量溫差，他因此于1887年發(fā)明了分辨力可達(dá)0.001℃的溫度計。為了紀(jì)念他的功績，將其稱作貝克曼溫度計。也稱這種溫度計為“內(nèi)標(biāo)式可調(diào)量程溫度計”。
貝克曼溫度計的結(jié)構(gòu)型式為內(nèi)標(biāo)式，浸沒方式為局浸式。
貝克曼溫度計的結(jié)構(gòu)如圖5所示。貝克曼溫度計具有兩個儲液泡和兩個標(biāo)尺。其感溫泡內(nèi)的水銀量是可調(diào)的。
圖5 貝克曼溫度計結(jié)構(gòu)示意圖
貝克曼溫度計有兩個儲液泡:其中一個就是感溫泡，與常規(guī)溫度計一樣，儲存較多的水銀，位于溫度計的下方。另一個稱為備用泡，儲存較少的水銀，在溫度計的上方，與毛細(xì)管的上端相連，是比較復(fù)雜的回紋狀結(jié)構(gòu)。
貝克曼溫度計有兩個標(biāo)尺，即標(biāo)注非常明顯的主標(biāo)尺和位于備用泡處的副標(biāo)尺。主標(biāo)尺主要用于測量溫差，其示值范圍有0～4℃、0～5℃或0～6℃等。分度值為0.01℃，通過讀數(shù)裝置可以估讀到0.001℃。副標(biāo)尺表示溫度計所測量溫差的溫度范圍。因為在相差較大的不同的溫度中測量溫差，需要調(diào)整感溫泡內(nèi)的水銀量。如溫度較高，感溫泡內(nèi)的水銀量就要少些，需要將多余水銀儲存到備用泡內(nèi)。而溫度較低時，感溫泡內(nèi)的水銀量就要多些，需要將備用泡內(nèi)的部分水銀轉(zhuǎn)移到感溫泡內(nèi)。在調(diào)整感溫泡內(nèi)的水銀量時，要以副標(biāo)尺作參考。貝克曼溫度計的副標(biāo)尺測量范圍一般為-20℃～120℃，進(jìn)口貝克曼溫度計的也有-20℃～140℃和0℃～200℃。副標(biāo)尺的分度值為2℃。
總之，貝克曼溫度計主要用于不同溫度范圍內(nèi)的高精度溫差測量。貝克曼溫度計自發(fā)明至今已有百余年的歷史，它在工業(yè)和科學(xué)研究上曾起到積極的作用。但貝克曼溫度計也存在操作繁瑣、計算復(fù)雜等缺陷，現(xiàn)在使用量日趨減少。
目前高精度數(shù)字溫度計已經(jīng)非常普及，使用簡單，功能完善，測量范圍、最小分辨力和穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)也明顯優(yōu)于貝克曼溫度計。
（三）其他專用溫度計
專用玻璃液體溫度計的品種、規(guī)格很多，廣泛應(yīng)用于石油、焦化、氣象、海洋、船舶等行業(yè)，有的與普通玻璃液體溫度計基本相近，有的結(jié)構(gòu)非常特殊。
1.石油產(chǎn)品用溫度計
石油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已對石油產(chǎn)品的一系列性能作了規(guī)定，為確定這些性能參數(shù)，又制定了一系列試驗方法標(biāo)準(zhǔn)。與溫度測量有關(guān)的性能參數(shù)有凝點、結(jié)晶點、閃點、沸點、熔點、軟化點、滴點、密度和黏度、發(fā)熱量等。而這些參數(shù)的測量均需要專用的試驗儀器。石油產(chǎn)品用溫度計便是與這些試驗儀器配用進(jìn)行溫度測量的。為了適應(yīng)這些試驗儀器的結(jié)構(gòu)要求和被測參數(shù)溫度的高低，需要設(shè)計出不同浸沒深度和不同測溫范圍的溫度計。為此，國家有關(guān)部門頒布了《石油產(chǎn)品試驗用液體溫度計技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)。高精密和普通石油產(chǎn)品用玻璃溫度計的檢定依據(jù)是JJG130-2011《工作用玻璃液體溫度計》檢定規(guī)程。
石油和石油產(chǎn)品都是易燃易爆物質(zhì)，對于確定它的性能參數(shù)中的溫度測量儀表的選擇，并非是隨意的。玻璃液體溫度計是以體積改變進(jìn)行測溫的，因此，在測溫過程中無自熱效應(yīng)，不需要采取防爆措施。用它在具有易燃易爆物質(zhì)的現(xiàn)場進(jìn)行溫度測量是最安全的，它的這一優(yōu)勢，是電子類測溫儀表無法比擬和無法取代的。這也是時至今日，無論是國內(nèi)還是國外的石油行業(yè)仍廣泛采用玻璃液體溫度計的重要原因。
2.焦化產(chǎn)品用溫度計
工業(yè)用煤煉焦過程產(chǎn)生的酚類、苯類、萘類等產(chǎn)品。為確定它們的性能參數(shù)，制定了試驗方法標(biāo)準(zhǔn)。與溫度測量有關(guān)的性能參數(shù)有結(jié)晶點、熔點、軟化點、密度及蒸餾等。焦化產(chǎn)品用溫度計也是配用相應(yīng)的試驗儀器進(jìn)行測溫的。國家有關(guān)部門頒布了《焦化產(chǎn)品用玻璃溫度計》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。焦化產(chǎn)品用玻璃溫度計的檢定依據(jù)是JJG130-2011《工作用玻璃液體溫度計》檢定規(guī)程。
3.氣象用溫度計
氣象用溫度計主要是為氣象測量而設(shè)計的專用溫度計，有的結(jié)構(gòu)較為特殊，有的則與工作用玻璃液體溫度計相近。它們不僅指測量大氣的最高、最低溫度和地面溫度，還能用來測量空氣的相對濕度及其風(fēng)速。因此，氣象用溫度計除了用于氣象測量外，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究等對環(huán)境溫度、濕度以及風(fēng)速要求嚴(yán)格的場合也得到了廣泛的應(yīng)用。
氣象用溫度計應(yīng)用的歷史最為久遠(yuǎn)。為確保它們的示值準(zhǔn)確和穩(wěn)定，從制定溫度計的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)程，到實施溫度計的檢定，在全國氣象部門已形成一套完整的量值傳遞系統(tǒng)。
這里簡要介紹氣象用溫度計的分類和用途。
（1）干、濕球溫度計（見圖8）
干、濕球溫度計用于測量空氣的溫度和相對濕度。它是由測溫范圍、分度值、外觀尺寸以及誤差等幾乎完全相同的兩支溫度計配對組成的。
測量前，用干凈脫脂紗布的一端將濕球溫度計的感溫泡包裹住，另一端浸泡在盛有純凈水的容器內(nèi)，注意紗布柱下垂時，應(yīng)與溫度計保持同軸(特別是帶動力抽風(fēng)的阿斯曼干濕溫度計)，否則影響氣流及蒸發(fā)速度。由于毛細(xì)作用使水順紗布上升到包裹感溫泡的紗布上端，濕潤感溫泡。感溫泡上的水蒸發(fā)時要吸收熱量，就會導(dǎo)致濕球溫度計的溫度示值下降，使之與干球溫度計的示值產(chǎn)生示值差，根據(jù)這個溫度差值，通過計算或查表可得出空氣的相對濕度?？諝庠礁稍?，裹在濕球溫度計感溫泡上的紗布水分蒸發(fā)得就越快，示值低得就越多，干、濕溫度計的溫度差值就越大，反映出空氣的相對濕度就越小。反之，當(dāng)空氣中的濕度大，水分蒸發(fā)慢時，干、濕溫度計的示值差小，顯示空氣濕度大。
（2）最高和最低溫度計（見圖9）
屬于結(jié)構(gòu)特殊的溫度計。用于測量環(huán)境的最高和最低溫度。
（3）直管地溫計、曲管地溫計、地面溫度計（見圖10）。
用來測量地表面和具有一定深度的溫度，溫度計有一定的角度，方便觀察讀數(shù)。
4.海洋用溫度計
在海洋學(xué)、海洋生物學(xué)、湖泊學(xué)、水產(chǎn)學(xué)等科學(xué)研究和海洋作業(yè)中，需要對表面水溫度和深水溫度進(jìn)行測量。用一般結(jié)構(gòu)的玻璃液體溫度計直接進(jìn)行測量是不行的，而需要用特殊結(jié)構(gòu)和具有保護(hù)裝置的海洋用溫度計進(jìn)行測量。
海洋用溫度計有水溫計、深水溫度計和顛倒溫度計，用于測量井水、江河水、湖泊水和水庫水、海水的水溫。
（1）水溫計：適用于測量水的表層溫度（見圖11）
將一支水銀溫度計安裝在特制金屬套管內(nèi)，套管開有可供讀取溫度計示值的窗孔，套管上端有一提環(huán)，以供系住繩索，套管下端旋緊著一只上部有孔的用于盛水的金屬圓筒杯，水溫計的感溫泡位于金屬圓筒杯的中央。水溫計的測量范圍為-6℃~+40℃，分度值為0.2℃。
表層水溫的測定：將水溫計投入水中至待測深度，感溫5min后，迅速上提并立即讀數(shù)。從水溫計離開水面至讀數(shù)完畢應(yīng)不超過20s，讀數(shù)完畢后，將筒內(nèi)水倒凈。因為圓筒杯內(nèi)的水熱容量遠(yuǎn)大于溫度計感溫泡的熱容量，所以當(dāng)溫度計從水中取出直至讀數(shù)完畢時，示值不會很快發(fā)生變化。
（2）深水溫度計：適用于水深40m以內(nèi)的水溫測量（見圖12）
其結(jié)構(gòu)與水溫計相似。盛水的圓筒杯較大，并有上、下活門，利用其放入水中和提升時自動開啟和關(guān)閉，使筒內(nèi)裝滿欲測溫度的深度部位的水樣。其測量范圍為-2℃～+40℃，分度值為0.2℃。
測定方法：將深水溫度計投入水中至欲測深度，感溫后，圓筒的上、下活門自動關(guān)閉，使筒內(nèi)裝滿測量部位的水樣。提起后要迅速讀數(shù)。由于其圓筒容積要比測水表層的水溫計的大好幾倍，且熱容量更大，從感溫角度分析，提起后的讀數(shù)基本能反映出深水部位的溫度。由于溫度計是開放式的，處在深水部位和提升到水面后的溫度計感溫泡所受外壓是不同的，兩者的示值會有差別。通過用不受外壓影響的其他類型溫度計(如電子類的數(shù)顯溫度計)比較測試，這一差值會顯現(xiàn)出來。
（3）顛倒溫度計(閉式，見圖13)
適用于測量水深在40m以上的各層水溫，最深可達(dá)10000m。
5.船舶行業(yè)用船舶溫度計（見圖14）
