認識各種溫度計

溫度計種類 溫度計是利用一系列物理反應測量溫度。   水銀 溫度計(Mercury-in-glass thermometer)   酒精溫度計(Alcohol-in-glass thermometer)   紅外線溫度計(Infra-red thermometer)   雙金屬溫度計(Bi-metal mechanical thermometer)   電阻溫度計(Electrical resistance thermometer)   熱電偶溫度計(Thermocouple Thermometer)   伽利略溫度計(Galileo thermometer)   液晶溫度計(Liquid Crystal Thermometer)   最高最低溫度計(Maximu Minimum thermometer)   顛倒溫度計/倒置式溫度計(Reversing thermometer)   矽帶溫度傳感器(Silicon bandgap temperature sensor)   息克斯溫度計/悉氏溫度計(Six's thermometer)   熱敏電阻溫度計(Thermistor Thermometer)   旋轉式溫度計(Rotary Thermometer )

  水銀/酒精溫度計 原理: 液體熱膨脹係數 溫度範圍: 水銀: -36℃ ~343℃; (538℃ if 填充氮氣) 酒精: -117 ℃ ~78 ℃ 由於水銀廢棄物對環境危害的顧慮，有些國家已禁止使用水銀溫 度計。   紅外線溫度計 (Infra-red thermometer) 原理: 物體表面因溫度會有紅外線產生。利用偵測待測物發出紅 外線能量計算物體溫度。位於紅外線溫度計內的光學設備，可以 收集物體輻射的紅外能量並將能量聚集於檢測器上。隨後，檢測 器把能量轉化為電信號，電信號經放大並顯示為溫度讀數   雙金屬溫度計(Bi-metal mechanical thermometer) 原理：將二種或二種以上具有不同膨脹係數之金屬片焊合在一起， 當溫度改變時，因金屬片膨脹度之不同而使此金屬片組產生彎曲。 如將此金屬片組之一端固定，另一端裝上指針則因偏轉而產生指 示。 溫度範圍: -184 ℃ ~538 ℃ 構造：將具有不同物理特性（熱膨脹）之兩合金熔合在一起成雙 金屬片。再將之形成螺旋形狀，其兩合金之一，係一種稱為因鋼 之鎳合金，易於受熱時幾乎全無膨脹；另一乃使用一種鎳合金， 於受熱時膨脹甚多。將該兩合金熔接在一起，輾平至想要厚度， 使成雙金屬片。

原理: 利用溫度變化造成電阻改變的材料做成溫度感應 器, 使用材料多為鉑。故也常稱白金(鉑)電阻温度計。 溫度與電阻的關係通常如下 R T = R ０ (1+aT+bT 2 ) 式中 R T ：溫度 T 時的電阻(歐姆)值; R 0 ：0℃時的電阻(歐姆) ; T：溫度(℃) a ：電阻的溫度係數 ; b ：校正係數 溫度測量範圍 : ☆白金線：金屬線型溫度計之最佳感溫線材 溫度範圍：-240℃ ~650℃/-400℉~1200℉ ☆鎳 線：因其價廉亦常被採用 溫度範圍：-157℃ ~365℃/-250℉～690℉ ☆銅 線：限用於欲測定溫度低於鎳線者 溫度範圍為 -200 ℃ ~121℃/-328℉～+250℉ 電阻温度計 (Pt-Electrical resistance thermometer）

構造： 1.感測元件－電阻元件：精心製造的電阻器，最常使用之電阻線材，有鉑線、 銅線或鎳線，捲繞於一絕緣體（雲母片）上。 ☆當電阻元件受熱時，電阻線之電阻增加；此增加電阻係以溫度度數表示。 ☆這種溫度計的外型，和雙金屬溫度計之球泡相似，其本體呈圓柱形。 2.線材之選擇：選擇時須考慮的要點為： ☆金屬的純度（purity）要高 ☆線材的均勻度（uniformity）要夠 ☆線材的穩定度佳 ☆電阻隨溫度的改變要大。 ☆對環境污染抵的抗性要好。 3.不同線材的感測電阻球莖 ☆白金電阻溫度計在0℃時，一般有25、50、或100的電阻。 ☆鎳線電阻溫度計：在25℃時，一般有100的電阻。 ☆銅線電阻溫度計：在25℃時，一般有10的電阻。 優點：溫度測量準確，多用於校正其他儀器；測低溫時，不需冷接點且準確度 比熱電偶高。 缺點：需供應電源；電阻線與溫度不成線性關係，需做溫度補償工作，且不耐 機械震盪。

原理：利用金屬在不同溫度下，會產生熱電流。藉由不同金屬連接時與參考接 點造成不同熱電流產生的電壓差換算或是利用自動補償電流表得到溫度 值。 熱電偶材料：熱電偶的熱電流運動力係與線徑大小或長度無關。但與導線的規 格有關。熱電偶通常都置於絕緣體內且密封於保護管中，此保護管與端 子座及鑲嵌附件相連。 熱電偶材料須具備的條件: ☆ 熱電效率須較高，亦即能發出較大之emf。 ☆ 熱電動勢穩定，且長期使用亦不發生變化。 ☆ 具有抗蝕，抗氧化及抗濕等性質。 ☆ 具有較高之熔點。 ☆ 易製造，有互換性及價格較廉。 上述產品以外特殊的熱電偶，例如 W-W26%Re ， Cu-CoAu 等也是可以做的。 ( 熱電偶溫度計 Thermocouple Thermometer)

  W5 型熱電耦 ( 鎢．錸 5% －鎢．錸 26%) 正負極均添加錸防止脆化並增加機械強度，常用溫度 2000 ℃，最高使用溫度高達 2300 ℃。經不斷改良，使用中鮮有斷線之慮。 0~900 ℃間的熱起電力是鎢錸系列熱電耦 最大者，且直線性良好。但由於容易氧化故不適於空氣中或其它氧化性氣體中使用。 除了適用於還元，不活性氣體，真空中外，高溫核子環境下亦具有諸多使用的實例。   W3 型熱電耦 ( 鎢．錸 3% 一鎢．錸 25%) 此類熱電耦之使用環境與 W5 相同，惟 1100~2300 ℃的熱起電力比 W5 大，但直線性 略遜於 W5 。   B 型熱電耦 ( 白金．銠 30% －白金．銠 6%) 由於白金中銠的含量增加，熔點及機械強度均提高。且可消除純白金於使中產生由正 極向負極銠 (Rh) 分子擴散所產生熱起電力特性的劣化現象。氧化性，中性氣體中可連 續使用，即使在還原性氣體中亦比 R 型熱電耦之使用壽命長，且比 R ， S 型熱電耦之使 用溫度高，尤適於高溫域下需求 “ 精密測定與耐久性 ” 之狀況， 低溫域的熱起電力極小 故精度較差。   R 型熱電耦 ( 白金．銠 13% －白金 ) 因採用高純度 (99.999~ %) 之白金， 所以能充分滿足 ±0.25% 的高精度要求。 此種熱電耦不可在真空中，還原氣體中或金屬蒸氣中直接使用，務必選用含鐵量低的 高純度氧化鋁保護管及絕緣磚子。組合裝配時更不可有汗濕與油污，需用酒精或石油 精拭淨，以免影響其精度。安定性良好，適合於標準熱電耦及氧化氣體中使用，但熱 起電力小，稍有變化由補償線所影響的誤差大。 ( 熱電偶溫度計 Thermocouple Thermometer)

  S 型熱電耦 ( 白金．銠 10% －白金 ) 法國化學家 Henry Louis Chatelier 於西元 1886 年開發之熱電耦。以銻的凝固點 ( ℃ ) 至金的凝固點 ( ℃ ) 之間的溫度標準使用之 ( 即校正用熱電耦 ) 。使用上 注意事項與適用範圍 “R” 型熱電耦相同。   K 型熱電耦 ( 鉻．鎳－鋁．鎳 ) 由美國 Hoskins 公司於西元 1906 年 A.L.Marsh 氏開發，其後曾經一再改良，而成為目 前工業上最廣泛使用，具有高度信賴性之熱電耦。   E 型熱電耦 ( 鉻．鎳－鏮 ) 工業用熱電耦中，熱起電力值最高的一種，近來需求急速增加，大型火力及原子能發 電廠均採用，而其電阻較大。鏮為銅鎳合金。   J 型熱電耦 ( 鐵－鏮 ) 適合於還原性氣體中使用，熱起電力特性僅次於 E 型熱電稱，但是在含有水份的氧化 氣體中，由於鐵之氧化作用激烈，使用時須注意。   T 型熱電耦 ( 銅－鏮 ) 比較適用於低溫域 (-200~300 ℃ ) 之還原氣體中及弱氧化氣體。熱起電力安定，精度高 ，使用簡便，實驗室等常採用。在國外漸有取代 J 型熱電耦於低溫域使用之趨勢。 ( 熱電偶溫度計 Thermocouple Thermometer)

熱電偶溫度計 (Thermocouple Thermometer) 三個重要的熱電效應： 1. 西貝克效應(seebeck effect)：兩種不同之金屬線連結兩端，若其兩端之溫度不 同，則有連續電流產生。 T2為熱接合點：或稱為測定接合點，係熱電偶二金屬線之接合端點，所形成之 接合點謂之。 T1為冷接合點：或稱為參考接合點，係連接於測定儀器之二金屬線各一端點， 所形成接合點謂之。加熱測定接合點所產生的電壓，此電壓會隨接合點與參 考點間的溫度差而不同。 2. 潘第效應(Peltier effect)：電流通過兩種不同的金屬導線之接合點時，接合點 處產生放熱或吸熱之現象。至於放熱或吸熱端視電流流動之方向，此可謂西貝 克氏發現之逆現象。 若X點溫度升高，則產生放熱現象，而Y點則產生吸熱現象。 3. 湯木生效應(Thomson effect)：均質金屬線上，若二端溫度不同，即產生電動 勢(emf)，此電動勢與金屬線兩端的溫度差成正比。故當電流通過一個有溫度 梯度的導線時，電流有增加或減少溫度差的現象，即為湯木生效應。 若電流方向相反，產生相反的反應，故亦稱為可逆性效應。

熱電偶溫度計 (Thermocouple Thermometer) 熱電理論的三定律： 均勻線路定律(Law of homogeneous circuit)： 在單一均質金屬線上，若僅改變此金屬線兩端之溫度，並不能維 持一定的電流。由此可知 emf 的發生係由於熱電偶二端之溫度不 同所致，此 emf 與熱電偶上的其他中間溫度差異無關。 中間金屬定律(Law of intermediate metals)： 在熱電反應中，使用第三金屬線，若第三金屬線與熱電偶金屬線 的二接合點處的溫度相同，便不會在第三金屬線上產生emf，其 總emf主要仍為第一、二種金屬的熱電偶所產生的emf。 中間溫度定律(Law of intermediate temperature)： 任何由均勻金屬所組成之熱電偶，若其兩端之溫度為T1及T3， 則其產出之emf，必等於其二接點之溫度在T1、T2及在T1、T3 時所產出emf之總和。

熱電偶的起電力特徵指標 單位 ： mV Temp [ ℃ ] BRSKEJT Pt70 ‧ Rh30Pt87 ‧ Rh13Pt90 ‧ Rh10 鉻鉻鐵銅 Pr90 ‧ Rh6 Pt 鋁銅鎳合金 -200 －－－ －－－

保護管

各種熱電耦接點 (a) 暴露型； (b) 不暴露型不接地； (c) (d) 不暴露型接地 ( 熱電偶溫度計 Thermocouple Thermometer)

  暴露型熱耦器主要的優點為響應速度快，能測得微小的溫度變化，但因密封 性與機械強度較差，且在腐蝕性氣體及高溫高壓環境下不能長時間使用。   不暴露型不接地，主要應用於靜態或流動腐蝕性氣體或液體溫度的測量，不 受雜音的影響。   不暴露型接地，其應用的場合與不接地型類似，但較易受雜音干擾，但有較 不接地型快速響應的優點。

補償導線顏色區分表 International thermocouple and Extension wire Color Codes

伽利略溫度計 (Galileo thermometer) 原理： 利用同溫度下, 不同比重的液體分開置於小球中, 比重小球內包含有色液體，至於玻璃容器。 當液體的溫度改變，它們的密度會隨之改變， 並且那些懸浮的小球也會上升或下降到一個與 周圍的液體密度相等的位置。 如果重物有差異少，排列為最低密度的在上面， 最高密度在底部，這樣便形成溫度標度。 溫度一般是讀取自一個被刻記的在各重物上的 金屬圓盤。頂面重物的最低重物是表示四周的 溫度。

針對不同種類的溫度感測器於安裝時需注意下列幾點：   熱阻器溫度感測元件使用於高溼度環境中時，絕對不可採 用接合器將元件與導線連結，以防止漏電。   白金溫度感測元件由於元件端部有 60mm 長度之白金，因 此若因量測需要彎曲感測器，應離端點 70mm 以上。   包覆型熱電偶溫度元件由於係取護管全長溫度之平均值， 因此插入深度需達護管直徑之 10 倍至 20 倍。   裸露型熱電偶溫度元件安裝時應裝在導線與塑膠護套接合 處，同時亦需注意溫度是否會造成塑膠護套熔化。   量測液體溫度時，溫度感測元件需與流體流向相反，才能 獲得正確之量測數據，因此安裝時需考慮是否穩固，不受 液體之擾動而晃動。   導線均應該盡量遠離電源及負載線路，同時導線不得纏繞 糾結，以防止溫度感測元件受到雜訊之干擾。