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温度传感器简史

对热冷的感知是人类体验的基础,然而找出测量温度的方法却难倒了很多伟人。目前尚不清楚是古希腊人还是中国人最早找到测温的方法,就我们所知,温度传感器的历史从文艺复兴时期开始。

测量的挑战

Robert Hooke
Robert Hooke
Ole Roemer
Ole Roemer
热用来衡量一个整体或一块材料的能量——能量越多,物体越热。但不像质量和长度这样的物理性质,热很难衡量。大部分测量方法都是间接的,即通过观察加热时物体的效果,以此来推断温度。

创造一种测量刻度一直都是一个挑战。1664年,罗伯特·胡克提议用水的冰点作为基准点,以此来测量温度。同一时期,奥勒·雷默发现确定两个固定点很有必要,这样可以在两点间插入温度。他选择的点就是胡克的冰点和水的沸点。当然,这也留下了一个开放性的问题,即如何得到热物体和冷物体的温度。

盖·吕萨克和其他研究气体定律的科学家解答了这个问题。19世纪时期,他们在观察恒压下温度对气体的影响时,发现温度升高1摄氏度,体积就会增大1/267,(后来修改为1/273.15)。由此引出了负273.15°C零点的概念。

观察膨胀:液体和双金属

据报道,伽利略在1592年左右建造了一个显示温度变化的装置。这似乎是运用一个容器内空气的收缩来影响水柱,而水柱的高度暗示了冷却的程度。然而,这很容易受空气压力的影响,只算是个新奇的事物。

目前我们所知的温度计是由三托里奥(Santorio Santorii)在意大利于1612年发明的。他把液体密封在一个玻璃管内,观察其膨胀时的移动。在管子上做一些刻度更容易观察变化,但这套系统还是缺少精准的单元。

和雷默一起共事的是加布里埃尔·华伦海特。他用酒精和水银作为液体,开始生产温度计。水银是完美的,因为它在一个大范围内对温度变化有着线性的响应,但它具有毒性,使用越来越少。人们开发了其他的液体来替代它。尽管控制球状物浸入的深度很重要,但液体温度计目前仍被广泛使用。使用热电偶有助于保证良好的热传递。

双金属温度传感器发明于19世纪末期。它利用了两种金属片结合时的不均匀膨胀现象。温度改变造成金属片弯曲,这可用来激活类似于用在气格栅里的恒温器或计量器。这种传感器的精度不高,可能是正负两度,但因其低廉的价格,它们的应用也十分广泛。
Galileo Galilei
Galileo Galilei
 
Santorio Santorii
Santorio Santorii
 
Burial Plaque of Daniel Gabriel Fahrenheit
华伦海特的墓地牌匾

热电效应

19世纪初期,电是科学探究中令人兴奋的领域,科学家很快就发现不同金属具有不同的电阻和传导性。1821年,托马斯·约翰塞贝克发现把不同的金属末端连在一起,然后放在不同温度下,就会产生电压。珀尔贴发现热电偶效应可逆,且能用来冷却。

同一年,汉弗莱·戴维演示了金属的电阻率和温度相关。五年后,贝克雷尔提议用铂-铂热电偶进行温度测量,但直到1829年才由利奥波德真正创造了这个设备。

铂也可用在电阻温度探测器中,这由迈尔斯在1932年发明。它测量一段长度的铂线的电阻,并逐渐被认为是测量最精准的温度传感器类型。绕线RTD具有易碎的特征,因此不适合工业应用。近些年见证了薄膜RTD的发展,薄膜RTD精度不及绕线RTD,但它更加坚固。

20世纪也见证了半导体测温设备的发明。半导体测温设备响应温度变化,且具有高精度,但直到最近,它还是缺少线性度。

热辐射

William Herschel
William Herschel
Samuel Langley
Samuel Langley
非常热的金属和熔融金属会发热,散发出热量和可见光。在较低温度下,它们也会辐射热能,但具有更长的波长。英国天文学家威廉·赫歇尔在1800年首次发现这个“模糊”光或红外光会产热。在和同胞梅洛尼一起工作时,罗贝里发现了探测这种辐射能量的方法,即把热电偶一系列地连接起来,产生热电堆。

紧接其后的是1878年的辐射热测定器。这由美国塞缪尔·兰利发明,它采用两根铂条,一根在单臂电桥安排中变黑。红外辐射加热产生了可测量的电阻变化。

辐射热测定器对大范围波长的红外线很敏感。与此相反,自1940年代开始发展的辐射量子探测器类型的设备只对一个有限波段内的红外线做出响应。

今天,价格便宜的高温计应用十分广泛,而且热成像摄像机价格下滑,应用将会更加广泛。

温标

Anders Celsius
Anders Celsius
Lord Kelvin
Lord Kelvin
当华氏制作温度计时,他意识到他需要一个温标。他把30度盐水设为冰点,把超过180度盐水设为沸点。随后,便开始使用纯水,纯水在一个稍高的温度下结冰,即在32华氏度结冰,在212华氏度沸腾。

25年后,安德斯·摄氏提议用0到100的标度,今天的“摄氏度”也就是用他的名字命名的。后来,威廉·汤姆森发现了在标度一端设定固定点的好处,随后,开尔文提议把绝对零度设置为摄氏度系统的起点。这就形成了今天科学领域使用的开氏温标。

今天,温度测量温标在国际温度系统90文件(简称ITS-90)中有所定义。想要查阅或更好理解温度单元的读者应当获取这份文件。

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