浅谈玻璃液体温度计的结构与工作原理

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　　【摘要】 玻璃液体温度计因其结构简单、使用方便、成本低廉、精确度较高等特点，在社会生产及日常生活中的诸多领域都有所应用。本文详细阐述了玻璃液体温度计的结构与工作原理，为玻璃液体温度计的计量检测工作提供理论基础。
　　【关键词】 玻璃液体温度计;工作原理;结构
　　【DOI编码】 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
　　玻璃液体温度计是一种可以直接显示测量结果的常用测温仪表，测温的范围通常为-200～+500 ℃。它具有结构简单、使用方便、成本低廉、精确度较高等优点，因此广泛地应用于石油、化工、医疗卫生、制药、农业和气象等多个领域。
　　1 温度计的分类
　　1.1 按用途分
　　1）工业玻璃温度计：用于工业生产过程的温度测量;
　　2）实验室玻璃温度计：用于科学实验中的精密温度测量;
　　3）标准玻璃温度计：经计量部门鉴定合格后作为标准传递的温度计。
　　1.2 按结构分
　　1）棒式玻璃温度计：标尺直接刻在厚壁毛细管上的温度计;
　　2）內标式玻璃温度计：标尺版放在毛细管后面封在玻璃套管中的温度计;
　　3）电接点玻璃温度计：可以用来作为调节温度，发信号或报警的温度计。
　　1.3 按测温液材料分
　　1）玻璃水银温度计：用水银或其合金（水银-铊、水银-镓）作为感温液体的玻璃温度计;
　　2）玻璃有机液体温度计：用有机液体（如乙醇、甲苯、煤油、石油醚等）作为感温液体的玻璃温度计。
　　2 温度计的工作原理
　　玻璃液体温度计的测温原理是利用物质的热胀冷缩的特性来进行温度测量（如图1所示）。
　　贮液泡中贮有测温液体，当贮液泡在被测介质中受到温度作用时，测温液体发生膨胀或收缩，并沿着毛细管上升或下降，其液柱的高低由温度的大小所决定，在标尺上根据液柱弯月面位置直接读出温度。标尺是按国际温标进行分度的。
　　当温度计的贮液泡受热时，不仅贮液泡内的测温介质要膨胀，而且贮液泡本身也要膨胀。测温介质膨胀时，液柱就沿着毛细管上升，而贮液泡的膨胀则使其沿毛细管下降。但由于介质的体膨胀系数远大于玻璃的体膨胀系数（约50倍），因此，温度增高或下降时，毛细管中的液柱随之上升或下降，毛细管内液柱的升降（液柱长度的变化）反映了测温介质体积与贮液泡体积变化的差值。任何物质热膨胀后体积通常用下式来计算：
　　假定测温介质的体膨胀系数为[β介]，玻璃的体膨胀系数为[β玻]，测温介质在温度[t1]时的体积为[Vt1]（此时介质恰好贮满贮液泡），则当测温介质的温度为[t]时，由贮液泡内溢出而进入毛细管中的测温介质的体积为：
　　若忽略毛细管的膨胀，并假定体积与温度成一次线性关系，即体膨胀系数与温度无关，则温度由[t1]升到[t]时，液柱上升高度计算公式为：
　　3 测温范围
　　玻璃液体温度计的测温范围通常为-200～+500 ℃，它的上限受玻璃性能和测温介质的热力学特性所限制，为了提高温度计的使用上限，常常在液柱的上方充入一定压强的中性气体。对水银温度计来说，一般充有氮气（对于其他液体也可充以空气），可以提高毛细管中液体的沸点，抑制液体的蒸发和克服汞柱的中断现象。100 ℃以下的温度计可以是真空的或充气的。高温水银温度计的顶部一定要有一个安全泡，防止毛细管内的气体压强过大而引起贮液泡的破裂。
　　采用水银作为温度计的测温介质有以下几个优点：1）在一个标准大气压下，可在-38.9～+356.6 ℃的温度范围内保持液态;2）水银的饱和蒸气压比其他液体的低，所以充气压强可相应低一些;3）水银的内聚力大，不易沾到玻璃壁上;4）不易氧化，容易得到纯度很高的水银;5）在200 ℃以下水银的体膨胀与温度几乎呈线性关系，所以用水银作测温液体的玻璃温度计其刻度是均匀的。
　　水银温度计的测温范围可达-35～+500 ℃。如果采用石英玻璃，并充以80个大气压的氮气，则可将温度上限提高到800 ℃，下限温度不能低于水银的凝固点-38.9 ℃。
　　用汞铊剂（8.5%铊，重量比）作为测温介质时，温度下限可达-60 ℃。若需测量更低的温度，则须以有机液体作为测温介质，如表1所示。例如，用乙醇作为测温液体的玻璃温度计测量下限为-100 ℃，用甲苯作为测温液体的玻璃温度计其温度测量下限为-90 ℃，用石油醚作为测温液体的玻璃温度计其温度测量下限为-130 ℃，用戊烷作为测温液体的玻璃温度计其温度测量下限为-200 ℃。但是应该指出，有机液体易于沾附在毛细管内壁上（浸润性大于水银），从而降低了温度计示值的准确度。此外，有机液体的视膨胀系数随温度的变化较大，所以标尺的分度是不均等的，尽管有以上缺点，但由于有机液体的视膨胀系数较大而使其温度计的灵敏度较高，加之有机液体还可以着色，使玻璃有机液体温度计读数清晰可见，故有机液体玻璃温度计仍为广泛应用的测温仪器，尤其在低温时更是如此。 　　4 棒式与内标式温度计的结构
　　玻璃液体温度计的结构形式很多，但用在容量计量中主要有棒式和内标式两种，以下就这两种结构形式的温度计作以说明。
　　4.1 棒式玻璃液体温度计
　　棒式玻璃液体温度计是将标尺直接刻在厚壁毛细管的外表面上的一种结构形式（如图2所示），是由贮液泡、测温液体、标尺、毛细管、安全泡等五部分组成。贮液泡中贮有测温液体，毛细管与贮液泡（或称感温泡）相熔接，液体充满贮液泡和毛细管中的一部分。
　　标尺系包括分度线、数字和温度摄氏度符号（℃）。安全泡系指位于毛细管顶端的扩大部分，它主要用于当被测温度越过温度计上限时容纳测温液体，使温度计不致损坏，并便于接上中断的液柱。
　　为了提高示值的准确度，往往采用如图3的缩短标尺的温度计。一、二等标准水银温度计就属于此种类型。它的标尺下限可以从任一温度开始，而在贮液泡与标尺下刻线之间的毛细管中有一膨胀部分，成为中间泡。在中间泡下面刻有零位线，以便检查温度计的零位变化。该类型温度计主要用于实验室的温度测量。
　　4.2 内标式玻璃液体温度计
　　内标式玻璃液体温度计是将测量毛细管和标尺封闭在玻璃套管中的一种结构形式的温度计。分度线刻在标尺板上，它紧贴在测量毛细管后面，并与毛细管一起封在套管内。该类温度计的结构如图4（a）、（b）、（c）所示，它的下体形状有直形、130°角形和90°角形三种。其上体长度l为220 mm，下体长度l3为60～200 mm，上体直径d为8 mm，下体直径d2为8～9 mm，标尺长度l2为130 mm。
　　内标式玻璃液体温度计的标尺通常是乳白玻璃制造，其封口可以是软木和石膏或玻璃熔封，也可以是金属帽等。而其套管就是将测量毛细管和标尺封于其中的玻璃管。
　　5 結语
　　通过对玻璃液体温度计的结构，工作原理，误差来源等方面的介绍，使我们在使用不同的温度计测温时，测得的温度值尽可能的接近真实温度，确保获得的数据更准确，从而进一步为科研技术服务。
　　【参考文献】
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