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

膨脹式溫度計(jì)玻璃管液體溫度計(jì)玻璃管液體溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)基本上是由裝有感溫液（或稱測(cè)溫介質(zhì)）的感溫泡、玻璃毛細(xì)管和刻度標(biāo)尺3部分組成，如REF_Ref6679\h圖1所示。感溫泡位于溫度計(jì)的下端，是玻璃管液體溫度計(jì)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(xì)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(jì)感溫泡內(nèi)的測(cè)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(diǎn)。圖1玻璃管液體溫度計(jì)1—感溫泡；2—玻璃毛細(xì)管；3—刻度標(biāo)尺常用的測(cè)溫液體有水銀，甲苯、乙醇和煤油等有機(jī)液體。玻璃毛細(xì)管是連接在感溫泡上的中心細(xì)玻璃管，感溫液體隨溫度的變化在里面移動(dòng)。標(biāo)尺分度線直接刻在毛細(xì)管表面，或者通過(guò)長(zhǎng)方形乳白色玻璃片標(biāo)尺置于毛細(xì)管后。同時(shí)標(biāo)尺上標(biāo)有數(shù)字和溫度單位符號(hào)，用來(lái)表明所測(cè)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(cè)溫液體測(cè)溫范圍及膨脹系數(shù)如下表所示：表1常用測(cè)溫液體測(cè)溫范圍及膨脹系數(shù)測(cè)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(jì)的示值誤差表明其顯示與真實(shí)值之間的偏差。普通型玻璃溫度計(jì)與精密型玻璃溫度計(jì)的允許示值誤差見(jiàn)表2。表2玻璃溫度計(jì)的允許示值誤差感溫液體溫度測(cè)量范圍/℃精密溫度計(jì)分度值/℃普通溫度計(jì)分度值/℃0.10.20.51.00.51.02.05.010允許示值誤差/±℃有機(jī)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(jì)使用時(shí)易產(chǎn)生多種誤差，常見(jiàn)誤差及處理方法見(jiàn)表3。

表3玻璃液體溫度計(jì)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(diǎn)位移玻璃的熱后效應(yīng)如發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)位移，應(yīng)將位移值加到以后所有讀數(shù)上標(biāo)尺位移內(nèi)標(biāo)式溫度計(jì)的標(biāo)尺與毛細(xì)管之間會(huì)因熱膨脹或標(biāo)尺固定位置變化而引起相對(duì)位移因熱膨脹引起的位移數(shù)值小，可忽略不計(jì)；因標(biāo)尺固定位置變化生成相對(duì)位移，且位移量較大，則應(yīng)將溫度計(jì)報(bào)廢液柱斷裂工作液體夾有氣泡或搬運(yùn)不慎等原因毛細(xì)管中液柱斷裂會(huì)引起很大誤差?？蓪囟扔?jì)加熱，使液柱連接起來(lái)。如不能使其連接，應(yīng)將溫度計(jì)報(bào)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(jì)惰性測(cè)溫液體的黏附性和毛細(xì)管內(nèi)壁不干凈讀數(shù)前用帶橡膠頭的木棒沿溫度計(jì)輕敲，可改善惰性浸入深度溫度計(jì)未浸入到規(guī)定深度全浸式溫度計(jì)(刻度時(shí)溫度計(jì)液柱全部浸入介質(zhì)的溫度計(jì))應(yīng)將溫度計(jì)盡量插入被測(cè)介質(zhì)中；局部浸入式溫度計(jì)則應(yīng)浸沒(méi)到規(guī)定深度(不得少于60mm)讀數(shù)方法不正確錯(cuò)誤的讀數(shù)方法引起誤差應(yīng)使視線與溫度計(jì)標(biāo)尺相垂直。對(duì)水銀溫度計(jì)，應(yīng)按凸出彎月面的最高點(diǎn)讀數(shù)，對(duì)乙醇等有機(jī)液體，應(yīng)按凹月面的最低點(diǎn)讀數(shù)水銀溫度計(jì)是常用的玻璃管液體溫度計(jì)，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(cè)量的分度值0.05℃、0.02℃、0.01℃等。毛細(xì)管中未加壓的水銀玻璃溫度計(jì)的測(cè)量上限一般為30℃，如果毛細(xì)管中充以2MPa的氮?dú)猓梢詫y(cè)量上限提高到500℃，充以8MPa的氮?dú)猓梢詫y(cè)量上限提高到750℃。水銀溫度計(jì)具有足夠的精度且構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，所以應(yīng)用相當(dāng)廣泛。它的缺點(diǎn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量熱情性大等。水銀溫度計(jì)的使用看似容易，其實(shí)許多人尤其是初學(xué)者往往因使用不當(dāng)造成不應(yīng)有的測(cè)量誤差。使用水銀溫度計(jì)測(cè)溫時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）使用前應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)（可以采用標(biāo)準(zhǔn)液溫多支比較法進(jìn)行校驗(yàn)或采用精度更高級(jí)的溫度計(jì)校驗(yàn)）。（2）不允許被測(cè)溫度超過(guò)該種溫度計(jì)的最大刻度值。（3）溫度計(jì)有熱慣性，應(yīng)在溫度計(jì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后讀數(shù)，讀數(shù)時(shí)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(jì)應(yīng)與被測(cè)工質(zhì)流動(dòng)方向相垂直或呈傾斜狀。（5）水銀溫度計(jì)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(jì)的測(cè)溫包插入干冰和乙醇混合液中（溫度不得超過(guò)-38℃）進(jìn)行冷縮，使毛細(xì)管中的水銀全部收縮到測(cè)溫包中為止。②熱修法。將溫度計(jì)緩慢插入溫度略高于測(cè)量上限的恒溫槽中，使水銀斷裂部分與整個(gè)水銀柱連接起來(lái)，再緩慢取出溫度計(jì)，在空氣中逐漸冷至室溫。雙金屬溫度計(jì)圖2所示為雙金屬溫度計(jì)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(dāng)溫度由t0變化到t時(shí)，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(shí)初始位置變化到t時(shí)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(guò)標(biāo)定刻度，即可測(cè)量溫度。雙金屬溫度計(jì)一般應(yīng)用在-80~600℃范圍，最好情況下，精度可達(dá)0.5~1.0級(jí)，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(lái)控制和調(diào)節(jié)“恒溫”的。雙金屬溫度計(jì)的突出特點(diǎn)是：抗振性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠，讀數(shù)方便，但它的精度不高，測(cè)量范圍也不大。圖2雙金屬溫度計(jì)敏感元件壓力式溫度計(jì)壓力式溫度計(jì)屬于膨脹式溫度計(jì)，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(lái)反映溫度，是測(cè)量工作介質(zhì)的壓力來(lái)判斷溫度值的一種機(jī)械式儀表。壓力式溫度計(jì)的工作介質(zhì)可以是氣體、液體或蒸汽。壓力式溫度計(jì)主要由感溫包、毛細(xì)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(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)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(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)械強(qiáng)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(xì)管傳到彈簧管內(nèi)，使彈簧管產(chǎn)生變形，并由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)指針，指示相應(yīng)的溫度值。圖3壓力式溫度計(jì)1—感溫包；2—毛細(xì)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(jì)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(jì)和充蒸氣壓力溫度計(jì)。（1）充氣體壓力式溫度計(jì)理想氣體狀態(tài)方程式pV=mRT表明，對(duì)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(jì)。工業(yè)上用的充氣體的壓力溫度計(jì)通常充氮?dú)?，它能測(cè)量的最高溫度可達(dá)500~550℃，在低溫下則充氫氣，它的測(cè)溫下限可達(dá)-120℃。在過(guò)高的溫度下，溫包中充填的氣體會(huì)較多地透過(guò)金屬壁而擴(kuò)散，會(huì)使儀表讀數(shù)偏低。充蒸汽壓力式溫度計(jì)充蒸汽的壓力溫度計(jì)是根據(jù)低沸點(diǎn)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(diǎn)液體，其余容積則充滿同一液體的飽和蒸汽。當(dāng)感溫包溫度變化時(shí)，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(guò)插入到感溫