淺談玻璃液體溫度計的結構與工作原理

張樹濤

【摘要】 玻璃液體溫度計因其結構簡單、使用方便、成本低廉、精確度較高等特點，在社會生產及日常生活中的諸多領域都有所應用。本文詳細闡述了玻璃液體溫度計的結構與工作原理，為玻璃液體溫度計的計量檢測工作提供理論基礎。

【關鍵詞】 玻璃液體溫度計;工作原理;結構

【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

玻璃液體溫度計是一種可以直接顯示測量結果的常用測溫儀表，測溫的范圍通常為-200～+500 ℃。它具有結構簡單、使用方便、成本低廉、精確度較高等優點，因此廣泛地應用于石油、化工、醫療衛生、制藥、農業和氣象等多個領域。

1 溫度計的分類

1.1 按用途分

1）工業玻璃溫度計：用于工業生產過程的溫度測量;

2）實驗室玻璃溫度計：用于科學實驗中的精密溫度測量;

3）標準玻璃溫度計：經計量部門鑒定合格后作為標準傳遞的溫度計。

1.2 按結構分

1）棒式玻璃溫度計：標尺直接刻在厚壁毛細管上的溫度計;

2）內標式玻璃溫度計：標尺版放在毛細管后面封在玻璃套管中的溫度計;

3）電接點玻璃溫度計：可以用來作為調節溫度，發信號或報警的溫度計。

1.3 按測溫液材料分

1）玻璃水銀溫度計：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;

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

2 溫度計的工作原理

玻璃液體溫度計的測溫原理是利用物質的熱脹冷縮的特性來進行溫度測量（如圖1所示）。

貯液泡中貯有測溫液體，當貯液泡在被測介質中受到溫度作用時，測溫液體發生膨脹或收縮，并沿著毛細管上升或下降，其液柱的高低由溫度的大小所決定，在標尺上根據液柱彎月面位置直接讀出溫度。標尺是按國際溫標進行分度的。

當溫度計的貯液泡受熱時，不僅貯液泡內的測溫介質要膨脹，而且貯液泡本身也要膨脹。測溫介質膨脹時，液柱就沿著毛細管上升，而貯液泡的膨脹則使其沿毛細管下降。但由于介質的體膨脹系數遠大于玻璃的體膨脹系數（約50倍），因此，溫度增高或下降時，毛細管中的液柱隨之上升或下降，毛細管內液柱的升降（液柱長度的變化）反映了測溫介質體積與貯液泡體積變化的差值。任何物質熱膨脹后體積通常用下式來計算：

假定測溫介質的體膨脹系數為[β介]，玻璃的體膨脹系數為[β玻]，測溫介質在溫度[t1]時的體積為[Vt1]（此時介質恰好貯滿貯液泡），則當測溫介質的溫度為[t]時，由貯液泡內溢出而進入毛細管中的測溫介質的體積為：

若忽略毛細管的膨脹，并假定體積與溫度成一次線性關系，即體膨脹系數與溫度無關，則溫度由[t1]升到[t]時，液柱上升高度計算公式為：

3 測溫范圍

玻璃液體溫度計的測溫范圍通常為-200～+500 ℃，它的上限受玻璃性能和測溫介質的熱力學特性所限制，為了提高溫度計的使用上限，常常在液柱的上方充入一定壓強的中性氣體。對水銀溫度計來說，一般充有氮氣（對于其他液體也可充以空氣），可以提高毛細管中液體的沸點，抑制液體的蒸發和克服汞柱的中斷現象。100 ℃以下的溫度計可以是真空的或充氣的。高溫水銀溫度計的頂部一定要有一個安全泡，防止毛細管內的氣體壓強過大而引起貯液泡的破裂。

采用水銀作為溫度計的測溫介質有以下幾個優點：1）在一個標準大氣壓下，可在-38.9～+356.6 ℃的溫度范圍內保持液態;2）水銀的飽和蒸氣壓比其他液體的低，所以充氣壓強可相應低一些;3）水銀的內聚力大，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系，所以用水銀作測溫液體的玻璃溫度計其刻度是均勻的。

水銀溫度計的測溫范圍可達-35～+500 ℃。如果采用石英玻璃，并充以80個大氣壓的氮氣，則可將溫度上限提高到800 ℃，下限溫度不能低于水銀的凝固點-38.9 ℃。

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

4 棒式與內標式溫度計的結構

玻璃液體溫度計的結構形式很多，但用在容量計量中主要有棒式和內標式兩種，以下就這兩種結構形式的溫度計作以說明。

4.1 棒式玻璃液體溫度計

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

標尺系包括分度線、數字和溫度攝氏度符號（℃）。安全泡系指位于毛細管頂端的擴大部分，它主要用于當被測溫度越過溫度計上限時容納測溫液體，使溫度計不致損壞，并便于接上中斷的液柱。

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

4.2 內標式玻璃液體溫度計

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

內標式玻璃液體溫度計的標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。而其套管就是將測量毛細管和標尺封于其中的玻璃管。

5 結語

通過對玻璃液體溫度計的結構，工作原理，誤差來源等方面的介紹，使我們在使用不同的溫度計測溫時，測得的溫度值盡可能的接近真實溫度，確保獲得的數據更準確，從而進一步為科研技術服務。

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