水平仪水准管气泡长度与温度的关系

　　1 水平仪气泡

　　水平仪水准管是玻璃材料制成，内装有乙醚或酒精液体，管内留有稀薄的气体，形成气泡。温度变化时，水准管气泡长度有明显的变化。在 JJF 1084—2002 《框式水平仪和条式水平仪》 校准规范中，要求校准室内的温度为 20℃时，气泡长度与其中央两长刻线之间的距离，其偏差对分度值为 0. 02mm/m，0. 05mm / m 的水平仪不大于 1 格; 对分度值为 0. 10mm/m 的水平仪不大于 0. 5格。水平仪的使用，很多场合不在校准要求的温度范围内，水准管气泡可能随温度变长或缩短，甚至不在读数范围内，我们可能怀疑水准管有问题，其实不然。到底温度对水平仪气泡长度影响多大，我们以潍坊生产的水平仪为例，通过大量实验可说明这个问题。

　　2 实验结果

　　温度升高时，水准管内的液体体积膨胀，气泡长度缩短; 温度降低时，水准管的液体体积缩小，气泡长度加长。以气泡长度与水准管中央两长刻线长度的差值 ( 格) ，确定正负值，气泡长度超过两长刻线时为正值，不超过时为负值。表 1 是一组气泡长度差随温度变化的实验数据，根据实验数据可得出经验公式，推导出 20℃ 时的气泡长度。以温度 t( ℃) 为横坐标，以气泡长度与水准管中央两长刻线长度差 ΔL( 格) 为纵坐标，根据以上实验数据画出气泡长度差与温度的关系曲线图，如图1

　　从图 1 中可看出，气泡长度的变化量与温度变化基本成线性关系，可写出近似的关系式为:

　　ΔL = -0. 27t +5. 25 ( 格) ( 1)

　　由于每支水准管20℃时，气泡长度均不一致，不能直接运用 ( 1) 式推算20℃ 的气泡长度差。从 ( 1) 式我们可知温度每变化 1℃，气泡长度约变化0. 27 ( 格) ，根据这个关系，只要知道任意实际温度时的气泡长度差，就可用下式推算出 20℃时的气泡长度差。

　　ΔL20℃= ΔLt+ ( t - 20) × 0. 27 ( 格) ( 2)

　　如温度为 t = 14. 8℃ 时，气泡长度差ΔLt= 1. 2 ( 格) ，代入 ( 2 ) 式，可推算出 20℃的气泡长度差为:ΔL20℃= 1. 2 + ( 14. 8 - 20) × 0. 27 =- 0. 2( 格)

　　3 验证

　　以上数据是以潍坊生产的水平仪实验所得，选一台沈阳生产的水平仪验证公式 ( 2) 是否可行。在 t = 17. 7℃ 时，气泡长度差 ΔLt= 1. 0 ( 格) ，代入式( 2) 计算，20℃时的气泡长度差理论上应为 0. 38 ( 格) 。我们把此水平仪等温到 20℃，观察气泡长度差实际为 0. 3( 格) ，相差不到 0. 1 格。再选一台上海生产的水平仪，在 t = 23℃ 时，气泡长度差 ΔLt= 0. 6 ( 格) ，计算 20℃ 时的气泡长度差理论值应为 1. 41 ( 格) 。把此水平仪等温到 20℃，气泡长度差实际为1. 5 ( 格) ，相差不到 0. 1 格。由此证明公式 ( 2) 在实验温度范围内可近似估算出 20℃时的气泡长度。