《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 3-1膨脹式溫度計

膨脹式溫度計玻璃管液體溫度計玻璃管液體溫度計的結(jié)構(gòu)基本上是由裝有感溫液（或稱測溫介質(zhì)）的感溫泡、玻璃毛細管和刻度標尺3部分組成，如REF_Ref6679\h圖1所示。感溫泡位于溫度計的下端，是玻璃管液體溫度計感溫的部分，可容納絕大部分的感溫液，所以也稱為貯液泡。感溫泡或直接由玻璃毛細管加工制成（稱拉泡），或由焊接一段薄壁玻璃管制成（稱接泡）。感溫液是封裝在溫度計感溫泡內(nèi)的測溫介質(zhì)，具有體膨脹系數(shù)大、黏度小、高溫下蒸汽壓低、化學(xué)性能穩(wěn)定、不變質(zhì)以及在較寬的溫度范圍內(nèi)能保持液態(tài)等特點。圖1玻璃管液體溫度計1—感溫泡；2—玻璃毛細管；3—刻度標尺常用的測溫液體有水銀，甲苯、乙醇和煤油等有機液體。玻璃毛細管是連接在感溫泡上的中心細玻璃管，感溫液體隨溫度的變化在里面移動。標尺分度線直接刻在毛細管表面，或者通過長方形乳白色玻璃片標尺置于毛細管后。同時標尺上標有數(shù)字和溫度單位符號，用來表明所測溫度的高低。液體溫度的變化引起的體積變化為： ΔV=avVΔt式中ΔV——液體的體積變化，m3；av——液體的體積膨脹系數(shù)，m3/（m3·℃）；V——液體體積，m3；Δt——液體溫度變化，℃。常用測溫液體測溫范圍及膨脹系數(shù)如下表所示：表1常用測溫液體測溫范圍及膨脹系數(shù)測溫液體名稱使用溫度/℃體脹系數(shù)視脹系數(shù)①汞鉈-62~00.0001770.000157水銀-30~+6000.000180.00016甲苯-80~+1000.001090.00107乙醇-80~+800.001050.000103煤油0~3000.000950.00093石油醚-120~00.001420.00140戊烷-200~200.000920.00090玻璃液體膨脹式溫度計的示值誤差表明其顯示與真實值之間的偏差。普通型玻璃溫度計與精密型玻璃溫度計的允許示值誤差見表2。表2玻璃溫度計的允許示值誤差感溫液體溫度測量范圍/℃精密溫度計分度值/℃普通溫度計分度值/℃0.10.20.51.00.51.02.05.010允許示值誤差/±℃有機液體-100～1.01.0——1.52———-60~-300.60.8——1.02———-30～00.40.6——1.01———0~100————1.01———水銀-30～00.20.4——0.512——0~1000.20.3——0.512——100~2000.40.5——1.01.54——200~3000.60.7——1.023——300~400—1.01.53——410—400~500—1.22.03——410—500~600——————61010玻璃液體膨脹式溫度計使用時易產(chǎn)生多種誤差，常見誤差及處理方法見表3。

表3玻璃液體溫度計的誤差成因及處理方法誤差成因名稱誤差原因處理方法零點位移玻璃的熱后效應(yīng)如發(fā)現(xiàn)零點位移，應(yīng)將位移值加到以后所有讀數(shù)上標尺位移內(nèi)標式溫度計的標尺與毛細管之間會因熱膨脹或標尺固定位置變化而引起相對位移因熱膨脹引起的位移數(shù)值小，可忽略不計；因標尺固定位置變化生成相對位移，且位移量較大，則應(yīng)將溫度計報廢液柱斷裂工作液體夾有氣泡或搬運不慎等原因毛細管中液柱斷裂會引起很大誤差?？蓪囟扔嫾訜?，使液柱連接起來。如不能使其連接，應(yīng)將溫度計報廢。此外，還可采用冷卻法、重力法和離心法使斷裂液柱連接溫度計惰性測溫液體的黏附性和毛細管內(nèi)壁不干凈讀數(shù)前用帶橡膠頭的木棒沿溫度計輕敲，可改善惰性浸入深度溫度計未浸入到規(guī)定深度全浸式溫度計(刻度時溫度計液柱全部浸入介質(zhì)的溫度計)應(yīng)將溫度計盡量插入被測介質(zhì)中；局部浸入式溫度計則應(yīng)浸沒到規(guī)定深度(不得少于60mm)讀數(shù)方法不正確錯誤的讀數(shù)方法引起誤差應(yīng)使視線與溫度計標尺相垂直。對水銀溫度計，應(yīng)按凸出彎月面的最高點讀數(shù)，對乙醇等有機液體，應(yīng)按凹月面的最低點讀數(shù)水銀溫度計是常用的玻璃管液體溫度計，其分度值有2.0℃、1.0℃、0.5℃、0.2℃、0.1℃等，還有可用于高精度測量的分度值0.05℃、0.02℃、0.01℃等。毛細管中未加壓的水銀玻璃溫度計的測量上限一般為30℃，如果毛細管中充以2MPa的氮氣，可以將測量上限提高到500℃，充以8MPa的氮氣，可以將測量上限提高到750℃。水銀溫度計具有足夠的精度且構(gòu)造簡單、價格便宜，所以應(yīng)用相當廣泛。它的缺點主要有由于水銀的膨脹系數(shù)小，致使其靈敏度較低，玻璃管易損壞，無法實現(xiàn)遠距離測量熱情性大等。水銀溫度計的使用看似容易，其實許多人尤其是初學(xué)者往往因使用不當造成不應(yīng)有的測量誤差。使用水銀溫度計測溫時應(yīng)注意以下事項：（1）使用前應(yīng)進行校驗（可以采用標準液溫多支比較法進行校驗或采用精度更高級的溫度計校驗）。（2）不允許被測溫度超過該種溫度計的最大刻度值。（3）溫度計有熱慣性，應(yīng)在溫度計達到穩(wěn)定狀態(tài)后讀數(shù)，讀數(shù)時應(yīng)在溫度凸形彎月面的最高切線方向讀取，目光直視。（4）水銀溫度計應(yīng)與被測工質(zhì)流動方向相垂直或呈傾斜狀。（5）水銀溫度計常常發(fā)生水銀柱斷裂的情況，消除方法有以下兩種。①冷修法。將溫度計的測溫包插入干冰和乙醇混合液中（溫度不得超過-38℃）進行冷縮，使毛細管中的水銀全部收縮到測溫包中為止。②熱修法。將溫度計緩慢插入溫度略高于測量上限的恒溫槽中，使水銀斷裂部分與整個水銀柱連接起來，再緩慢取出溫度計，在空氣中逐漸冷至室溫。雙金屬溫度計圖2所示為雙金屬溫度計敏感元件。它由兩種熱脹系數(shù)不同的金屬片組合而成，將兩片金屬片粘貼在一起，一端固定，另一端為自由端，自由端與指示系統(tǒng)相連接。當溫度由t0變化到t時，由于兩種不同的金屬片熱膨脹程度不一致而發(fā)生彎曲，即雙金屬片由t0時初始位置變化到t時的相應(yīng)位置，最后導(dǎo)致自由端產(chǎn)生一定的角位移α α=ft-t0即α的大小與溫度差成一定的函數(shù)關(guān)系，通過標定刻度，即可測量溫度。雙金屬溫度計一般應(yīng)用在-80~600℃范圍，最好情況下，精度可達0.5~1.0級，常被用作恒定溫度的控制元件，如一般用途的恒溫箱、加熱爐等就是采用雙金屬片來控制和調(diào)節(jié)“恒溫”的。雙金屬溫度計的突出特點是：抗振性能好，結(jié)構(gòu)簡單，牢固可靠，讀數(shù)方便，但它的精度不高，測量范圍也不大。圖2雙金屬溫度計敏感元件壓力式溫度計壓力式溫度計屬于膨脹式溫度計，但并非利用物體受熱膨脹后的體積變化或尺寸變化反映溫度，而是利用密閉容積內(nèi)工作介質(zhì)受熱后壓力升高來反映溫度，是測量工作介質(zhì)的壓力來判斷溫度值的一種機械式儀表。壓力式溫度計的工作介質(zhì)可以是氣體、液體或蒸汽。壓力式溫度計主要由感溫包、毛細管和壓力敏感元件（如彈簧管、膜盒、波紋管等）組成。感溫包、毛細管和彈簧管三者的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個封閉容器，其中充滿工作物質(zhì)，典型構(gòu)造如REF_Ref107\h圖3所示。感溫包直接與被測介質(zhì)接觸，因其把溫度變化充分地傳遞給內(nèi)部工作物質(zhì)，所以其材料應(yīng)具有防腐能力，并有良好的導(dǎo)熱系數(shù)。為了提高靈敏度，感溫包本身的受熱膨脹應(yīng)遠遠小于其內(nèi)部工作物質(zhì)的膨脹，故材料的體脹系數(shù)要小。此外，還應(yīng)有足夠的機械強度以便在較薄的容器壁上承受較大的內(nèi)外壓力差。通常用不銹鋼或黃銅制造感溫包，但黃銅只能用在非腐蝕性介質(zhì)里。感溫包受熱后使內(nèi)部工作物質(zhì)溫度升高使壓力增大，此壓力經(jīng)毛細管傳到彈簧管內(nèi)，使彈簧管產(chǎn)生變形，并由傳動系統(tǒng)帶動指針，指示相應(yīng)的溫度值。圖3壓力式溫度計1—感溫包；2—毛細管；3—基座；4—彈簧管；5—拉桿；6—扇齒輪；7—柱齒輪；8—指針；9—刻度值目前，生產(chǎn)的壓力溫度計根據(jù)充入密閉系統(tǒng)內(nèi)工作物質(zhì)的不同可分為充氣體壓力溫度計和充蒸氣壓力溫度計。（1）充氣體壓力式溫度計理想氣體狀態(tài)方程式pV=mRT表明，對一定質(zhì)量m的氣體，如果它的體積V一定，則它的溫度T與壓力p成正比。因此，在密封容器內(nèi)充以氣體，就構(gòu)成充氣體的壓力溫度計。工業(yè)上用的充氣體的壓力溫度計通常充氮氣，它能測量的最高溫度可達500~550℃，在低溫下則充氫氣，它的測溫下限可達-120℃。在過高的溫度下，溫包中充填的氣體會較多地透過金屬壁而擴散，會使儀表讀數(shù)偏低。充蒸汽壓力式溫度計充蒸汽的壓力溫度計是根據(jù)低沸點液體的飽和蒸氣壓力只和氣液分界面的溫度有關(guān)這一原理制成的。其感溫包中充入約占2/3容積的低沸點液體，其余容積則充滿同一液體的飽和蒸汽。當感溫包溫度變化時，蒸汽的飽和蒸汽壓力發(fā)生相應(yīng)變化，這一壓力變化通過插入到感溫