温度计的基本结构四年级_温度计的基本结构

温度计的基本结构

温度计由玻璃外壳、液体泡（水银、煤油、酒精）、毛细管和刻度组成。其工作原理是利用固体、液体、气体受温度的影响而出现热胀冷缩的现象；在定容条件下，气体（或蒸气）的压强因区别温度而变换，是热电效应的作用，电阻随温度的变换而变换，受热辐射的影响。

物理科普：温度计的发展

温度计是测温仪器的总称。根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计等。

最早的温度计是在1593年由伽利略发明的。他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。这种温度计，受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。

伽利略温度计

后来伽利略的学生和其他科学家，在这个基础上反复改进，如把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭等。其中比较突出的是法国人布利奥在1659年制造的温度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。以后华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银作为测温物质，制造了更精确的温度计。他考察了水的沸腾温度、水和冰混合时的温度、盐水和冰混合时的温度；经过反复实验与核准，最后把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0℉，把纯水凝固时的温度定为32℉，把标准大气压下水沸腾的温度定为212℉，用℉代表华氏温度，这就是华氏温度计。

在华氏温度计出现的同时，列缪尔也设计制造了一种温度计。他认为水银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。他专心研究用酒精作为测温物质的优点，经反复实践后发现，含有1/5水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之间，其体积的膨胀是从1000个体积单位增大到1080个体积单位。因此他把冰点和沸点之间分成80份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。

实验室温度计，测量范围-20 ~ 120 ℃

华氏温度计制成后又经过30多年，摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为零度，把水的凝固点定为100度。后来他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来，就成了现在的摄氏温度，用℃表示。华氏温度与摄氏温度的关系为

现在英、美等国在日常生活中仍在使用华氏温度，而我国、法国等大多数国家则用摄氏温度。

热力学温标是在热力学第二定律的基础上建立起来的最为科学的温标，过去也叫做开氏温标或绝对温标。由热力学温标定义的温度叫热力学温度。热力学温度的单位是开尔文，简称开，符号是K。热力学温度是以水的三相点来定义的，规定水的三相点的温度为273.16K。水的三相点是水、水蒸气和冰共存的状态。在标准大气压下，水的冰点实际上是水、冰、空气的一种混合状态，水的冰点的温度是273.15K，即冰点比水的三相点的温度低0.01K。摄氏温度以冰点为零度。

热力学温度单位开尔文是国际单位制的七个基本单位之一。摄氏度也是国际单位制中的单位，摄氏度与开尔文所表示的温度间隔相等，摄氏温度t与热力学温度T的换算关系是

t = T - 273.15 ℃

体温计，量程36 ~ 42 ℃，分度值0.1 ℃

（1）水银温度计的测温范围

水银的凝固点是-38.87 ℃，标准大气压下的沸点是365.58 ℃，是不是水银温度计的测温范围就只能是-38.87 ~ 365.58 ℃呢？不是。液体的凝固点与沸点都与液面处的压强有关，尤其是沸点随压强的变化非常显著，利用改变液面处气体压强的方法，可以大大提高水银温度计的测温范围，特别是高温段的测温范围。一般的液体温度计液柱上方是真空，这种水银温度计的测温上限一般不超过300 ℃。但如果把毛细管的上部充入2.02×106 Pa的氮气，水银的沸点就提高到582.4 ℃，则温度计的测温上限至少可以提高到500 ℃，而如果使用抗压的石英玻璃，在毛细管上部充入5.05×105 ~ 6.06×105 Pa的氮气，则水银的沸点可达到750 ℃以上，这样的水银温度计测温上限就可以达到750 ℃以上，但一般情况下，水银温度计的测温范围为-30 ~ 600 ℃。

（2）怎样能使温度计的刻度更加精细

使温度计的刻度更加精细，就是提高温度计的灵敏度（又叫感度，或称最小分度值）。考虑到人眼的分辨本领，温度计上相邻两条刻线之间的距离一般是0.3 ~ 0.5mm，如果用放大镜或望远镜来读数，则还可把刻线标得更密些，但由于刻线本身还要占有一定的宽度，也不可能把刻线标得过密。对于一个温度计来说，温度变化1 ℃，液柱升高的距离越长，就可以把刻度标得越精细。在已经选定水银作为测温物质的情况下，怎样才能使温度计的刻度更加精细呢？从温度计的结构来看，可以从两个方面入手，一是加大温度计下面的贮囊，贮存的液体越多，受热后膨胀出来的就越多；二是把毛细管做得更细，在膨胀出来的液体一定的情况下，毛细管越细，液柱升高的距离就越长。但这两个办法都有一定的局限。首先贮囊不能做得太大，如果做得过大，贮存的水银过多，玻璃壁将承受更大的压力，而玻璃泡如果做得过厚，将对传热带来不利影响。另外水银过多，达到热平衡的过程中需要吸收的热量会过多，既影响测量的速度，又使系统误差加大。其次，毛细管也不能太细，毛细管过细，液柱容易断裂。在实际设计和制造温度计时，要结合需要和可能，从诸多因素去考虑，选择一个最佳方案。

此外，刻度的精细与测量范围是一对矛盾，由于一个温度计不可能做得过长，要想刻度精细，测量范围就要减小。

（3）其他种类的温度计

随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也在不断地改进和提高。由于测温范围越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器。下面介绍几种。

气体温度计 多用氢气或氦气作测温物质，因为氢气和氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故它的测温范围很广。这种温度计精确度很高，多用于精密测量。

电阻温度计 分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计，都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。电阻温度计使用方便可靠，已被广泛应用。一般电阻温度计的测量范围为-260 ~ 600 ℃。

电阻温度计

温差电偶温度计 是一种工业上广泛应用的测温仪器。利用温差电现象制成。两种不同的金属丝焊接在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接，形成电路。把工作端放在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过回路。通过电学量的测量，利用已知处的温度，就可以测定另一处的温度。这种温度计多用铜—康铜、铁—康铜、镍铬—康铜、金钴—铜、铂—铑等组成。它适用于温差较大的两种物质之间，多用于高温和低温测量。有的温差电偶能测量高达3 000 ℃的高温，有的能测接近绝对零度的低温。

电接点温度计 水银是液态的金属，具有良好的导电性，利用它可以制成电接点温度计，在实现温度自动控制方面发挥了巨大的作用。其原理很简单。在温度计的毛细管的规定部位分别安装两根金属丝，当温度升高到上面金属丝所处的部位时，水银柱把两金属丝接通，电路被连通；而当温度下降，水银柱离开上面金属丝后，电路即被断开。外面连上电源、继电器等设备，就可以实现温度的自动控制。常用的电接点温度计有两种形式：一种是固定电接点温度计，另一种是可调电接点温度计。二者的区别仅在于前者的两根金属丝的位置是固定在某一设定的位置上的，而后者两金属丝中至少有一个的位置是可以任意(或在一定范围内）调节的。

测温枪

高温温度计是指专门用来测量500 ℃以上的温度的温度计，有光测温度计、比色温度计和辐射温度计。高温温度计的原理和构造都比较复杂，这里不再讨论。其测量范围为500 ℃以上，不适用于测量低温。

从气体到电子，小物件的大改变：温度计的前世今生，附最新专利

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秋风乍起，一天之中温差巨大。从炎热的夏季骤然转入凉爽的初秋，一不留神我们就容易被感冒风寒所击倒。当我们生病时，我们通常做的第一件事就是用温度计测量体温。其实，测量一个人的温度也是一个完整的临床检查的初始部分。

随着科学技术的发展，温度计的形式也与几十年前相比发生了很大变化。温度计的选择越来越多，从其测量原理到使用范围，温度计呈现出愈加细分及个性化的趋势，人们得以通过检测体温这一简单数据掌握自身健康情况。而故事的一切，始于16世纪。

要讲体温计的发明，离不开温度计的问世。温度计是西方近代科学革命的产物。伽利略首先发明了一种利用空气热胀冷缩原理的气体温度计，其由玻璃圆筒、透明液体及不同密度的重物构成。当温度改变时，液体的密度会随之改变，使得悬浮的重物上下移动，直到与周围的液体密度相等。

伽利略发明的温度计

1654年，伽利略的学生福迪南用酒精代替水柱，并将另一端也封闭起来。三年后，意大利人阿克德米亚选择以水银替代了酒精。而我们更熟悉的水银温度计则是由华伦海特于1714年发明。

水银温度计末端水银球随测量位有不同形状和大小，水银受热膨胀，升高的度数依受热程度而定。水银柱与水银球连接的上端轻微狭窄，防止水银倒流至球中，这也是体温计使用后水银柱不会自动下降的原因，需快速甩动水银才会下降至球内。

后来常见的水银温度计

但因为水银的凝固点为零下39度，因此无法测量更低的温度。以我国内蒙古地区为例，冬日最低温可低至零下50多度，这种情况下只能转而使用酒精温度计。

水银温度计价格低廉，测量准确度高，更重要的是它不怕坏、不怕丢，同时易于清洗和消毒。这些优点使得水银体温计在过去几十年中一直备受青睐，成为家庭和医院的不二选择，也成为我们70、80、90后小孩集体记忆中一抹共同的色彩。

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而现在，如果你稍有留心就会发现，水银温度计正在逐渐消失：能够买到水银温度计的药房越来越少，而在各大综合性医院以及专科医院中，水银体温计也逐步被电子体温计取代。

原因是多方面的，水银体温计的测温时间较长，易破碎，且最重要的是存在重金属汞中毒的风险。因此我国从2016年已经开始逐步淘汰水银温度计，世界卫生组织也发出倡议2020年全球弃用水银体温计。

电子体温计逐渐占据了更高的市场份额。而红外线耳温枪、额温枪等很多种类的新型测体温装置也正被越来越多的应用在日常生活中。那么面对如此多的选择，我们应该如何挑选出最适合自己的体温计呢？今天这篇文章就从以下几个角度分析这些体温计的不同，以及在该领域的专利技术改良趋势。

先我们需要明确的是，任何一种类型的体温计，所得测量数据都是没有问题的。但由于不同体温计对于操作上的要求不同，同时测量部位的体温也不尽相同，因此会造成所得测量数据之间出现差异的情况。

从原理上来说，水银体温计等液体体温计利用的是液体的热胀冷缩规律。电子体温计利用某些物质的物理参数，如电阻、电压、电流等，与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示。其具有读数方便、不含汞及对人体无害等优点，但其测量精度与所采用的电子元件息息相关。

电子体温计

耳温枪和额温枪主要依靠传感器接收人体的红外线来判断体温。耳温枪的工作原理是使用热电堆传感器，主要是红外线传感器，检测人体耳膜的远红外6-15μm的辐射强度。该辐射强度与热电堆本身的温度有关，因此需要通过计算辐射强度与所使用热电堆本身温度间的关系来得到被测物的温度。额温枪与耳温枪原理相同，但由于量测部位不同，故而其辐射率与口温补偿值不同。

在理想状态下，耳温枪和额温枪的测量结果应该是准确的，但在实际使用过程中，许多消费者反映自己得到的测量结果并不准确，或者不具有重复性。这让许多人对耳温枪和额温枪的测量准确度产生了怀疑。

实际上，这两种测量方式本身的精度并没有问题，但是由于会受到室温、皮肤干燥程度等的影响，它们对操作者有一定的技术要求，且所得测量结果准确程度会随测量次数的增加而呈现下降趋势。例如耳温枪本身会影响耳道的温度，如果短时间内多次反复测量，会对测量结果的准确性造成影响。

耳温枪与额温枪

依据体温计种类的不同，国家推荐性标准中的最大允许误差值也有所不同。

体温计允许误差值

不同的温度计的最佳测量部位不同，可以说近几年兴起的耳温枪及额温枪正是由于其改变了传统的口腔舌头、腋下及肛门直肠等测量部位，改为耳朵、额头等更为方便的部位，才引起购买热潮。

许多新晋父母意外地发现给宝宝测量体温远比他们想象中困难得多。由于婴幼儿大脑对于温度还无法做到很好的控制，很容易产生高热。如果忽视婴儿身体的发热症状，可能导致婴儿出现高热惊厥。所以能够准确的测量孩子体温也是育儿中很重要的一点。

然而孩子就像是气球，对一切针状甚至棒状物品都充满了抵触情绪。同时，电子体温计置于舌下测量时，孩子有时会不由自主咬到探头部分，损伤电子元件，进而造成读数不准确的情况。在这种情况下，耳温枪和额温枪就成了更好的选择。

水银温度计尽量不要给小孩儿用

耳温枪测量的是耳鼓膜温度，分为可接触式和非接触式两种。接触式耳温计测量耳内温度，每次使用都需戴上耳套，当耳套破裂时需要及时更换。额温枪若遭到重摔或碰撞极易损坏，同时虽然其测量速度极快但准确性较差，因此更适合人群中快速筛查出异常体温个体，或快速判断孩子是否发烧。

需要注意的是耳温枪插入过浅或存在耳垢都会造成一定误差。测量时向外拉直耳廓，对准骨膜，堵住外耳道，这样封闭式测量的体温才准确。这也是专家建议6个月以下的婴儿避免采用耳温枪测量体温的原因，因为婴儿们的耳道较短且身体皮肤娇嫩，有可能被耳温枪头误伤。

日本欧姆龙和德国博朗

这里选择大家熟悉的两个家用健康器械品牌日本欧姆龙和德国博朗进行专利技术分析。

红外线体温计的重要问题之一，是在将探头插入耳孔时，热从耳孔等发出，经探头、导波管等传至红外线传感器，红外线传感器的输出不稳定。不能忽视从外壳传到红外线传感器的、周围环境的热的不良影响。其它问题包括尘埃等进入到导波管内，降低测定精度。

CN1615793A是欧姆龙所推出的第一款红外线温度计。该基本结构尽可能减少了从外部，即耳孔等测量部位，传到导波管的热给红外线传感器带来的影响，同时尽量减少环境温度变化带来的不利影响，以提高测定温度准确度。

具体设计包括将导波管的内端与红外线传感器的红外线入射面相接触，以阻断从导波管向红外线传感器传热的状态支撑着的形式。由于红外线传感器以阻断从导波管传热的状态保持着，所以即使热从目标传到了导波管，也能阻止热从导波管传到红外线传感器。这样一来，红外线传感器就保持在热稳定状态下。

欧姆龙的第一款红外线温度计

CN107209065B中是一种内部温度测定装置和温差测定模块。内部温度测定装置具有微机电系统(MEMS)器件，该MEMS器件配置于基材上。该专利是针对温度传感器模式运算进行改良的技术。其将具有热电堆的MEMS芯片用于温差的测定，大幅减小用于测定深部体温模块的热电阻和热容量，因此能够以响应性良好的形式测定深部体温。同时其采用不易受到来自测量者以外人员的热流影响的内部温度测定装置和温差测定模块。

内部温度测定装置和温差测定模块

CN1389713A中的红外线体温计利用侧头部分安装的多个温度传感器来推断体温计主体和环境温度状态，进行适合各种温度状态的处理。以辅助温度传感器测定热环境不同部位的温度，计算这些部位间的热时间常数，因此准确推断温度及主体以及所检测环境的温度状态。

利用多个传感器检测环境的温度状态

博朗旗下专利CN1287267A中是一种适用于在温度上稳定的红外线传感器和一种使用这种适用于在温度上稳定的红外线传感器的红外线温度计。该传感器的壳具有良好的导热性能并且与导热元件相接，同时具有多个红外线传感器元件安排成矩阵样。同时传感器被直接安排在探头的前端，可以调节到所要求的温度。所以在把探头放进耳道中时，耳道中的热平衡实际上不受干扰，这就避免了测量误差。

博朗旗下带有红外传感器矩阵、能避免误差的红外线温度计

电子体温计的使用测量部位仍然是口腔舌头、腋下、肛门直肠。从医学角度来说，肛门直肠温度最为稳定和准确，但测量操作时对温度计插入深度有较高要求，因此一般需要在医院进行。其次较为准确的是口腔温度，这也是目前应用较为广泛的测量方式。多要求测量者将体温计放于舌下并紧闭嘴唇。腋下测量方式最为方便快捷，但是准确度一般，有汗液或测量者姿势不正确都会影响实际测量的效果。

欧姆龙在CN101952700A中针对电子体温计插入腋下或舌下的探头部位进行了技术改良，针对现有探头在与人体以外的东西接触或探头与手或手指等接触的情况下会发生误检的情况，提出能够高精度地检测出测温部分与被测定部位之间的接触状态的电子体温计。简而言之就是在探头部共安装两个传感器，从而判定探头接触是否良好并提高精度。

利用探头两个传感器判断接触是否良好

答案是肯定的。科技的发展没有上限，现在也不断有发明者针对体温计进行不断的改良，力求得到更轻便携带、操作简易且测量结果准确的新型体温计。

例如CN206518547U中提出一种可穿戴智能体温检测器，其采用医疗级硅胶材质，为水滴形弧面壳体结构，能够根据服装尺寸更换检测探头，利用手机终端，实现使用者全天候检测体温。

水滴型穿戴智能体温检测器

CN203139143U针对婴幼儿使用提出了一种安抚奶嘴式小儿测温计，将温度传感器放入传统的安抚奶嘴的胶头奶嘴结构中，采用口含方式测量婴儿体温，且采用锂电池供电，方便更换电池。

安抚奶嘴式小儿测温计

有数据显示含汞体温计从中国医疗市场消失后，将出现高达数亿元的电子替代品生存空间。而新型体温计的发展趋势必然是向着高精度、高可靠性和长寿命的方向发展。对于消费者来说，这意味着我们很快就能在市场上看到更加轻便、价钱合理且值得信赖的新型体温计。

责任编辑：Dr发明家服务平台

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