溫度與濕度｜各類型溫濕度計及常見名詞解析

測量溫溼度的種類：
 
一、概說
溫度在工業界為一重要的變數，例如反應速率依操作時的變化而昇降，反應速率依操作時的變化而昇降，
反應過程中操作溫度的高低不但影響反應完成所需的時間，還影響到轉化率的大小。因此工業上溫度的測定變成不可缺的一項要素。
 
二、溫標
一般常用的國際溫標有下列幾種：
1、攝氏溫標（℃）
由攝氏1大氣壓下水的冰點為 ℃；沸點為 100℃。
2、華氏溫標（℉）
由華氏制定一大氣壓下水的冰點為 32℉，沸點為 212℉。
3、克耳文溫標（K）
卡氏制定水的三相點為 273.16K，一大氣壓下水的冰點為 273.16K，沸點為 373.16K。
4、冉肯溫標（°R）
亦稱華氏絕對溫標。定一大氣壓下水的冰點為 491.69°R，沸點為 671.69°R。
上列各項溫標間的關係為：
℉ = 1.8℃+32；K = ℃+273.16；°R = ℉+459.69
 
三、種類
膨脹式溫度儀器，電阻式溫度計，熱電偶式溫度計，光測高溫計，輻射高溫計
1. 膨脹式溫度儀器
(1) 水銀溫度計 (mercury-in-glass thermometer)
原理：
當熱度自球莖外壁傳入時，膨漲球內之水銀即在細管中上昇至一定高度，玻璃管外壁刻以度數，水銀之
位置即代表此溫度。
構造：
為一圓形或其他形狀之玻璃管，管的中間為一內徑極小之毛細管，其下端與一裝滿水銀之膨漲球莖相連。
使用說明：
Ⅰ.普通工業用水銀溫度計之溫度指示範圍，為 -38℉至 650℉。
　 (普通水銀之凝固點為 -38℉，沸點為 675℉) 欲測高溫時，於水銀上充以高壓一自 30psi至 300psi
　之壓力，視溫度之指示範圍而定如充以乾燥之氮氣。則其溫度可測至 1000℉，此類溫度計應以石英
　替代普通玻璃，以免發生玻璃管軟化變形的現象。
Ⅱ.工業用水銀溫度計與實驗室內所用的溫度計極為相似，只差在工業用的在玻璃球莖及玻璃管外罩以
　金屬保護套，以免受意外損害。
Ⅲ. 水銀溫度計不宜應用於溫度變化激烈，驟昇驟降，或外界常易變遷之處。
優、缺點：
水銀溫度計之最大優點為價格低廉，使用便利，無需高度複雜之各種調節校正手續其缺點為：
Ⅰ.指示不夠準確，水銀溫度計指示不夠準確，其原氏為在高溫時，玻璃管受熱而膨漲，因之而改變毛細
　久體積，於是使指示值產生若干偏差。
Ⅱ.水銀之膨漲係數隨溫度之昇降而有些微變化。
Ⅲ.溫度之指示範圍不大。
Ⅳ.膨漲球莖插入待測溫度流體之深度，常易導致嚴重錯誤。欲避免此誤差，最好將膨漲球莖連玻璃桿
　一齊浸入流體內，使兩者在同一溫度，如此可避免受大氣溫度之影響。
(2) 雙金屬溫度計 (bimetal 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，因金屬片膨脹程度之不同而
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。
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。
使用說明：
Ⅰ.工業上常用之雙金屬膨脹溫度儀器，其低膨脹金屬多用恒範鋼，此為一種含鎳 36% 的鎳鐵合金。
　高膨脹金屬在較低溫時用青銅，高溫度時用鎳。
Ⅱ.為保持其精確度，此種溫度計不宜長期連續使用，以防金屬片組產生彈性疲乏現象。
Ⅲ.含有金屬片組部分應全部插入待測流體中，以求取測得的溫度之精確。
Ⅳ.為消除輻射能之影響，金屬片組之外殼應為光滑之金屬表面。
Ⅴ.雙金屬溫度計一般可測之溫度範圍為 538 ℃ ~ -184℃。
Ⅵ.雙金屬片的一端固定，則另一端撓曲，則其撓曲度與溫度平方成正比與其厚度成反比。
2. 電阻式溫度計 (resistance thermometer)
原理：
金屬導體的電阻隨溫度的升高而增加；隨溫度之降低而減少，測量此金屬導體之電阻值，即能間接求得
其溫度。
此種溫度與電阻之關係可由下列算式代表：
Rt = Ro(1 + at + bt2)
其中 Rt：在溫度t時的電阻，歐姆
Ro：溫度，℃
t ：0℃時的電阻，歐姆
a ：電阻的溫度係數
b ：校正係數
構成(金屬線型)：
Ⅰ.感測元件－電阻元件。
☆它是一個精心製造的電阻器
☆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。
Ⅱ.線材之種類
☆白金線：又稱鉑線，乃金屬線型溫度計線材之最佳材料。(使用溫度範圍為 -400℉ ~ +1200℉)
☆鎳線：亦時常被採用 (因其價廉，使用溫度範圍 -250℉~ +690℉)
☆銅線：一般限用於欲測定溫度低於鎳線者 (其可使用溫度範圍為 -328℉ ~ +250℉)。
Ⅲ.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。
Ⅳ.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。
惠斯頓電橋
(1)偏轉式 (deflection type) 又稱不平衡式 (unbalanced type)：
原理：
此電橋中其他各電阻皆固定，若Rt因溫度變化而產生改變時，則電橋失去平衡而造成指示計 (檢流器) 發生偏轉，因而指示溫度。
優點：構造簡單，價廉
缺點：感測電阻與檢流器的電壓值關係並非線性，誤差較大。
用於測量較低溫度 0 ~ 150℉
(2)平衡式 (balanced type)
原理：
R1、R2 為固定電阻器，Rt 為感溫電阻器，Rs 為可變電阻，上面標以溫度刻度。Ro 為零點調整電阻，
當Rt 感受溫度升高時Rt電阻則變大，此時電橋不平衡檢流計即產生偏轉。此時若小小變動電阻 Rs
(慢慢變大)，則必能調得一點使檢流計歸零。一般此類溫度計均直接將電阻值標示成溫度標度。
公式：Rs＝K‧Rt
優點：準確性大於偏轉式電橋
缺點：感測球莖線路的電阻值大小會影響測量值，造成誤差。滑動電阻的接觸點有電阻存在造成誤差。
電阻式溫度計的優缺點
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。
3. 熱電偶式溫度計 (Thermocouples)
構造：
兩種不同金屬，在其一端接合置於被測物體上，另一端接在測示的儀器上，即為一熱電偶溫度儀器。
原理及效應：
三效應：
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，如圖如示
☆ 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。
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。
湯木生效應 (Thomson effect)：
☆在均勻質之金屬線上，若二端之溫度不同，即發生電動勢 (emf)，此電動勢與金屬線兩端之溫度差成
　正比。
☆所得之結論為：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之現象，稱之為湯木生
　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。
熱電理論的三定律：
均勻線路定律 (law of homogeneous circuit)：
☆在單一均勻質之金屬線上，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)：
☆在一熱電反應中，使用一第三金屬線，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仍為熱電偶所產生的 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，則其發出之 emf，必等於其二接點之
　溫度在 T1、T2及在T1、T3 時所發出emf之總和。
熱電偶材料：
(1)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。
☆熱電動勢較穩定，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。
 
ANSI型 正　　　線 負　　　線
T 100% 銅 55% 銅 + 45% 鎳
J 100% 鐵 55% 銅 + 45% 鏡鎳
K 90% 鉻 + 10% 鋁 97% 鎳 + 3% 鋁
S 87% 鉑 + 13% 銠 100% 鉑
R 90% 鉑 + 10% 銠 100% 鉑
 
優缺點：
優點：
1. 些微的溫度變化亦可測定
2. 測定時反應快
3. 不而能源供應。
缺點：
1. 參考點需作補整 (compensation)
2. 如儀器沒有作補償的工作，常溫左右的溫度不易精確測定。
安裝熱電偶溫度計的注意事項：
☆避免將熱電偶裝於火焰經過之處。
☆將熱電偶置於平均溫度處，於加熱爐之情況，可多裝數對熱電偶並聯相接。
☆將熱電偶之熱點儘可能置於可窺見之處。
☆熱電偶必須深深插入，使其熱點確實在所測量溫度之中。
☆考慮熱電偶是否因所測溫度太高而有熔融之危險。
☆切勿將瓷管保護套管突然插入高溫之流體中，防止套管之破裂。
☆測量各式加熱爐氣體溫度時，須將煙突及爐壁之輻射問題詳加考慮。
☆因熱電偶產生的emf很小，故配線時須注意不能與其他電路共同一導管，並至少離開一至二呎以上。
熱電偶的校正：
熱電偶使用的日久，常使溫度與emf的特性改變，故視操作情況的需要給予校正。
4. 光測高溫計 (optical pyrometer)
原理：
集中於一幕屏 (screen)上，幕屏後裝一紅色濾鏡，僅讓波長為 0.65 輻射能透過，俾使觀察者易觀察幕
屏上之情形。同時另裝一標準鎢絲燈，其發出之輻射能亦可集中在幕屏上，以作為比較。調整變阻器
以調整通過標準鎢絲燈之電流，使標準光源在幕屏上之亮度 (brightness) 與輻射熱之亮度相等。此時
變阻器之刻度即代表此輻射熱源之溫度。
優缺點：
優點：
1. 輕便
2. 可測 1000℃以上之高溫
3. 勿需接近待測物
缺點：
1. 需人工操作
2. 因人工操作，可能產生讀出誤差
5. 輻射高溫計 (Rediation pyrometer)
原理：當熱源放射之輻射光射到物體時，則使該物體之溫度上升，溫度上升的程度與熱源輻射光之
強度成一定的關係。因此如將高溫待測物體放射出之輻射光用小型之受光器予以吸收，而測受光器
溫度之上升，便可測知高溫待測物之溫度。

 
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