可以不用水银体温计吗?

摘要

我国目前普遍使用水银体温计,利用水银体积热胀冷缩的物理性质测量温度;但水银泄露会对人体和环境造成危害,因此欧美国家现在都普遍使用电子体温计。

正常情况下,人体能很好地将体温控制在一个区间,但由于一系列疾病会伴随着体温升高,而过高的体温是有危险的,所以发烧时我们需要频繁检测体温,借助体温计了解身体的客观状况。中国目前普遍使用水银体温计,利用水银体积热胀冷缩的物理性质测量温度;但水银泄露会对人体和环境造成危害,因此欧美国家现在都普遍使用电子体温计。本文介绍两种电子体温计的物理原理。

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常见的水银体温计替代品是笔形的电子体温计。温度计的“笔尖”部分是金属模样的探测器,“笔”的后端有液晶显示屏,探测器的核心部件通常是一个热敏电阻,其电阻值随温度变化。只要温度计内部有一个测量电阻的小数字电路(更常见的做法是测量电阻两端的电压降),另一个数字电路将电阻或者电压读数转化为温度,那么就可以通过小屏幕读出温度值。

(热敏电阻温度计)

(热敏电阻温度计)

电阻和温度之间的关系取决于具体的热敏电阻,通常同一批次生产的热敏电阻有足够接近的“电阻-温度”对应关系,所以制造厂商先挑一定量的热敏电阻,在一个信得过的“源”温度计上测量电阻与温度的对应关系,存储在数字电路中。

固体的电阻通常随温度变化,如一些纯金属的电阻值就随温度线性变化,这个特性可以用于温度标定。但是金属却不适合作热敏电阻,因为金属在大温度区间上有相同的温度依赖关系,在小温度区间上的电阻相对变化值较小。而热敏电阻通常要求在感兴趣的温度区间内,有尽量大的电阻相对变化值,以便得到尽量大的温度分辨率。比如说,电饭锅里面的热敏电阻,我们只关心电阻随温度变化在100摄氏度附近时是否足够敏感,不会关心0摄氏度附近时是否敏感。根据不同的应用,厂家可以生产或购买不同的热敏电阻。用于电子体温计的热敏电阻工作区间显然需要在人体体温附近。

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图片来源:“RTDs, PTCs, and NTCs: How to Effectively Decipher This Alphabet Soup of Temperature Sensors” by Steve Taranovich

(电阻vs温度曲线:黑色实线是热敏电阻,虚线是纯Pt金属丝。)

固体物理的重要成果之一是能带论,能带论解释了为什么所有的固体都包含大量的电子,却有导体和绝缘体的区分。对于绝缘体,电子正好填充满了最低的一系列能带,而满带不产生电流;对于导体,除了被完全填满的能带之外,还有部分被电子填满的能带,因而具备导电能力。通常的热敏电阻是半导体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,在热激发下其电子能从满带“跳跃”到导带,因而导电能力与温度关系非常大。所以当用半导体来做热敏电阻时,在一个有限的温度区间内,随着温度的降低,它的电阻值可以迅速从类似导体变化到类似绝缘体,能很灵敏地反映温度变化。通过选择不同的半导体材料,人们就能调节热敏电阻的灵敏区间。

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(图片来源:google图片搜索)

红外体温计

红外体温计是另外一种常见的电子温度计,可以测量前额和耳内的温度。物体对外辐射能量的能力与温度和材料性质相关,能百分百吸收外界辐射的物体称为绝对黑体,生活中常见的煤炭对太阳光的吸收率可以接近99%。对于绝对黑体,辐射的能量与其温度的4次方成正比,因此通过测量辐射的总能量可以反推其温度。绝对黑体辐射的能量密度也随着辐射频率有一个分布,温度越高的物体辐射能量密度的峰值对应在越高的频率。普通物体虽然不是绝对黑体,但是也有类似绝对黑体的辐射行为,所以可以通过探测某一频率的辐射能量密度来探测温度。如下图所示,37摄氏度时辐射的峰值约9000nm,属于红外区域,因此利用辐射测量体温的温度计被称为红外体温计。现实中的辐射探测装置只能探测一个有限频率范围的能量密度,并且探测范围和探测效率因材料、设计和工艺而不同,所以红外体温计出厂前也需要校正。

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(辐射的波长分布图:不同温度的同一物体对外辐射的总能量不同,能量分布不同。图片来源:hyperphysics的Radiation Curves 300K)

 

电子温度计除了不使用水银外,还有其他优点。热敏体温计的一个优点是测量速度快,通常测量时间不到一分钟。普通热敏电阻的比热小于水银体温计中的水银比热,并且探测器外壳一般用金属制备,导热性能好于玻璃。对于婴儿,因为金属和塑料制品不易碎,还可以将电子温度计做成奶嘴形状,以便测量舌下温度。红外体温计的测量时间一般只需要数秒时间,它的另一个优点是不一定非得与测量目标直接接触,可以用来测量耳内鼓膜的温度,而鼓膜的温度非常接近人体体内温度。

热敏电阻体温计在美国一般3美元以上,红外体温计一般15美元以上,通常最小读数变化均可到0.1摄氏度。电子温度计的准确使用依赖于电池,当电池电量不足时,温度计的读数是不可靠的。此外,有时候对电子产品的质量顾虑也会给人带来烦扰。相比之下,水银体温计的测量稳定性非常高,并且不会给出偏高的读数。一个可以考虑的法是,隔一段时间在清醒的成人身上同时使用水银体温计和电子体温计,看看电子体温计是否能正常工作。

最后,给出一些人体体温的相关数值供大家参考。正常人体的平均体温大约37度并随年龄段变化,小孩的平均体温比成年人高一些。成人一天正常的体温波动在0.5摄氏度。最可信的体温测量方式是测量直肠处温度,其次是测量耳内和舌下温度,再次是测量腋下温度,最不可信的是测量前额温度。腋下温度与前额温度属于表皮温度,容易受环境影响。成人的腋下温度比直肠温度低0.5-1.5摄氏度,婴儿腋下温度与直肠温度差值小于成人。直肠温度大于38摄氏度或腋下温度大于37.3摄氏度时需要警惕。

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