張樹濤

【摘要】 玻璃液體溫度計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉、精確度較高等特點(diǎn)，在社會(huì)生產(chǎn)及日常生活中的諸多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了玻璃液體溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理，為玻璃液體溫度計(jì)的計(jì)量檢測(cè)工作提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 玻璃液體溫度計(jì);工作原理;結(jié)構(gòu)

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.01.013

Abstract： Liquid-in-glass thermometer is widely used in many fields of social production and daily life because of its simple structure，convenient use，low cost and high accuracy. In this paper，the structure and working principle of the liquid-in-glass thermometer were described in detail，which provided a theoretical basis for the measurement and detection of the liquid-in-glass thermometer.

Key words： liquid-in-glass thermometer;working principle;structure

玻璃液體溫度計(jì)是一種可以直接顯示測(cè)量結(jié)果的常用測(cè)溫儀表，測(cè)溫的范圍通常為-200～+500 ℃。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉、精確度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛地應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)療衛(wèi)生、制藥、農(nóng)業(yè)和氣象等多個(gè)領(lǐng)域。

1 溫度計(jì)的分類

1.1 按用途分

1）工業(yè)玻璃溫度計(jì)：用于工業(yè)生產(chǎn)過程的溫度測(cè)量;

2）實(shí)驗(yàn)室玻璃溫度計(jì)：用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密溫度測(cè)量;

3）標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)：經(jīng)計(jì)量部門鑒定合格后作為標(biāo)準(zhǔn)傳遞的溫度計(jì)。

1.2 按結(jié)構(gòu)分

1）棒式玻璃溫度計(jì)：標(biāo)尺直接刻在厚壁毛細(xì)管上的溫度計(jì);

2）內(nèi)標(biāo)式玻璃溫度計(jì)：標(biāo)尺版放在毛細(xì)管后面封在玻璃套管中的溫度計(jì);

3）電接點(diǎn)玻璃溫度計(jì)：可以用來作為調(diào)節(jié)溫度，發(fā)信號(hào)或報(bào)警的溫度計(jì)。

1.3 按測(cè)溫液材料分

1）玻璃水銀溫度計(jì)：用水銀或其合金（水銀-鉈、水銀-鎵）作為感溫液體的玻璃溫度計(jì);

2）玻璃有機(jī)液體溫度計(jì)：用有機(jī)液體（如乙醇、甲苯、煤油、石油醚等）作為感溫液體的玻璃溫度計(jì)。

2 溫度計(jì)的工作原理

玻璃液體溫度計(jì)的測(cè)溫原理是利用物質(zhì)的熱脹冷縮的特性來進(jìn)行溫度測(cè)量（如圖1所示）。

貯液泡中貯有測(cè)溫液體，當(dāng)貯液泡在被測(cè)介質(zhì)中受到溫度作用時(shí)，測(cè)溫液體發(fā)生膨脹或收縮，并沿著毛細(xì)管上升或下降，其液柱的高低由溫度的大小所決定，在標(biāo)尺上根據(jù)液柱彎月面位置直接讀出溫度。標(biāo)尺是按國際溫標(biāo)進(jìn)行分度的。

當(dāng)溫度計(jì)的貯液泡受熱時(shí)，不僅貯液泡內(nèi)的測(cè)溫介質(zhì)要膨脹，而且貯液泡本身也要膨脹。測(cè)溫介質(zhì)膨脹時(shí)，液柱就沿著毛細(xì)管上升，而貯液泡的膨脹則使其沿毛細(xì)管下降。但由于介質(zhì)的體膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于玻璃的體膨脹系數(shù)（約50倍），因此，溫度增高或下降時(shí)，毛細(xì)管中的液柱隨之上升或下降，毛細(xì)管內(nèi)液柱的升降（液柱長(zhǎng)度的變化）反映了測(cè)溫介質(zhì)體積與貯液泡體積變化的差值。任何物質(zhì)熱膨脹后體積通常用下式來計(jì)算：

假定測(cè)溫介質(zhì)的體膨脹系數(shù)為[β介]，玻璃的體膨脹系數(shù)為[β玻]，測(cè)溫介質(zhì)在溫度[t1]時(shí)的體積為[Vt1]（此時(shí)介質(zhì)恰好貯滿貯液泡），則當(dāng)測(cè)溫介質(zhì)的溫度為[t]時(shí)，由貯液泡內(nèi)溢出而進(jìn)入毛細(xì)管中的測(cè)溫介質(zhì)的體積為：

若忽略毛細(xì)管的膨脹，并假定體積與溫度成一次線性關(guān)系，即體膨脹系數(shù)與溫度無關(guān)，則溫度由[t1]升到[t]時(shí)，液柱上升高度計(jì)算公式為：

3 測(cè)溫范圍

玻璃液體溫度計(jì)的測(cè)溫范圍通常為-200～+500 ℃，它的上限受玻璃性能和測(cè)溫介質(zhì)的熱力學(xué)特性所限制，為了提高溫度計(jì)的使用上限，常常在液柱的上方充入一定壓強(qiáng)的中性氣體。對(duì)水銀溫度計(jì)來說，一般充有氮?dú)猓▽?duì)于其他液體也可充以空氣），可以提高毛細(xì)管中液體的沸點(diǎn)，抑制液體的蒸發(fā)和克服汞柱的中斷現(xiàn)象。100 ℃以下的溫度計(jì)可以是真空的或充氣的。高溫水銀溫度計(jì)的頂部一定要有一個(gè)安全泡，防止毛細(xì)管內(nèi)的氣體壓強(qiáng)過大而引起貯液泡的破裂。

采用水銀作為溫度計(jì)的測(cè)溫介質(zhì)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，可在-38.9～+356.6 ℃的溫度范圍內(nèi)保持液態(tài);2）水銀的飽和蒸氣壓比其他液體的低，所以充氣壓強(qiáng)可相應(yīng)低一些;3）水銀的內(nèi)聚力大，不易沾到玻璃壁上;4）不易氧化，容易得到純度很高的水銀;5）在200 ℃以下水銀的體膨脹與溫度幾乎呈線性關(guān)系，所以用水銀作測(cè)溫液體的玻璃溫度計(jì)其刻度是均勻的。

水銀溫度計(jì)的測(cè)溫范圍可達(dá)-35～+500 ℃。如果采用石英玻璃，并充以80個(gè)大氣壓的氮?dú)猓瑒t可將溫度上限提高到800 ℃，下限溫度不能低于水銀的凝固點(diǎn)-38.9 ℃。

用汞鉈劑（8.5%鉈，重量比）作為測(cè)溫介質(zhì)時(shí)，溫度下限可達(dá)-60 ℃。若需測(cè)量更低的溫度，則須以有機(jī)液體作為測(cè)溫介質(zhì)，如表1所示。例如，用乙醇作為測(cè)溫液體的玻璃溫度計(jì)測(cè)量下限為-100 ℃，用甲苯作為測(cè)溫液體的玻璃溫度計(jì)其溫度測(cè)量下限為-90 ℃，用石油醚作為測(cè)溫液體的玻璃溫度計(jì)其溫度測(cè)量下限為-130 ℃，用戊烷作為測(cè)溫液體的玻璃溫度計(jì)其溫度測(cè)量下限為-200 ℃。但是應(yīng)該指出，有機(jī)液體易于沾附在毛細(xì)管內(nèi)壁上（浸潤性大于水銀），從而降低了溫度計(jì)示值的準(zhǔn)確度。此外，有機(jī)液體的視膨脹系數(shù)隨溫度的變化較大，所以標(biāo)尺的分度是不均等的，盡管有以上缺點(diǎn)，但由于有機(jī)液體的視膨脹系數(shù)較大而使其溫度計(jì)的靈敏度較高，加之有機(jī)液體還可以著色，使玻璃有機(jī)液體溫度計(jì)讀數(shù)清晰可見，故有機(jī)液體玻璃溫度計(jì)仍為廣泛應(yīng)用的測(cè)溫儀器，尤其在低溫時(shí)更是如此。

4 棒式與內(nèi)標(biāo)式溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)

玻璃液體溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式很多，但用在容量計(jì)量中主要有棒式和內(nèi)標(biāo)式兩種，以下就這兩種結(jié)構(gòu)形式的溫度計(jì)作以說明。

4.1 棒式玻璃液體溫度計(jì)

棒式玻璃液體溫度計(jì)是將標(biāo)尺直接刻在厚壁毛細(xì)管的外表面上的一種結(jié)構(gòu)形式（如圖2所示），是由貯液泡、測(cè)溫液體、標(biāo)尺、毛細(xì)管、安全泡等五部分組成。貯液泡中貯有測(cè)溫液體，毛細(xì)管與貯液泡（或稱感溫泡）相熔接，液體充滿貯液泡和毛細(xì)管中的一部分。

標(biāo)尺系包括分度線、數(shù)字和溫度攝氏度符號(hào)（℃）。安全泡系指位于毛細(xì)管頂端的擴(kuò)大部分，它主要用于當(dāng)被測(cè)溫度越過溫度計(jì)上限時(shí)容納測(cè)溫液體，使溫度計(jì)不致?lián)p壞，并便于接上中斷的液柱。

為了提高示值的準(zhǔn)確度，往往采用如圖3的縮短標(biāo)尺的溫度計(jì)。一、二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)就屬于此種類型。它的標(biāo)尺下限可以從任一溫度開始，而在貯液泡與標(biāo)尺下刻線之間的毛細(xì)管中有一膨脹部分，成為中間泡。在中間泡下面刻有零位線，以便檢查溫度計(jì)的零位變化。該類型溫度計(jì)主要用于實(shí)驗(yàn)室的溫度測(cè)量。

4.2 內(nèi)標(biāo)式玻璃液體溫度計(jì)

內(nèi)標(biāo)式玻璃液體溫度計(jì)是將測(cè)量毛細(xì)管和標(biāo)尺封閉在玻璃套管中的一種結(jié)構(gòu)形式的溫度計(jì)。分度線刻在標(biāo)尺板上，它緊貼在測(cè)量毛細(xì)管后面，并與毛細(xì)管一起封在套管內(nèi)。該類溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4（a）、（b）、（c）所示，它的下體形狀有直形、130°角形和90°角形三種。其上體長(zhǎng)度l為220 mm，下體長(zhǎng)度l3為60～200 mm，上體直徑d為8 mm，下體直徑d2為8～9 mm，標(biāo)尺長(zhǎng)度l2為130 mm。

內(nèi)標(biāo)式玻璃液體溫度計(jì)的標(biāo)尺通常是乳白玻璃制造，其封口可以是軟木和石膏或玻璃熔封，也可以是金屬帽等。而其套管就是將測(cè)量毛細(xì)管和標(biāo)尺封于其中的玻璃管。

5 結(jié)語

通過對(duì)玻璃液體溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)，工作原理，誤差來源等方面的介紹，使我們?cè)谑褂貌煌臏囟扔?jì)測(cè)溫時(shí)，測(cè)得的溫度值盡可能的接近真實(shí)溫度，確保獲得的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，從而進(jìn)一步為科研技術(shù)服務(wù)。

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