现代大气探测学3-第四讲-温度的测量

南京信息工程大学现代大气探测学致谢本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。第四讲温度的观测知识结构概述玻璃液体温度表双金属片温度计地温的测量测温仪器的热滞现象气温测量中的防辐射设备电测温度表气象应用从宏观上讲，温度是反映物体冷热程度的一个物理量；从微观上讲，温度是描述大量分子运动平均动能的一个物理量，也就是说它反映了大量分子无规则运动的剧烈程度当两个冷热不同的物体相互接触时就会发生热传导现象，较热的物体总是将热量传送到较冷的物体，直到这两个物体的冷热程度相同为止，这就是热平衡§1概述用温度表来测量物体温度的依据是什么呢？达到热平衡的不同物体具有相同的温度§1概述§1概述我们把衡量温度的尺度称为温标。那么常用的温标有哪几种呢？（1）摄氏温标（℃）：在标准大气压下，将纯水的冰点定为0℃，纯水的沸点定为100℃，中间作100等分，以每一等分为1℃，用t表示（2）华氏温标（℉）：在标准大气压下，将纯水的冰点定为32℉，纯水的沸点定为212℉，中间分为180等分，每一等分为1℉，用τ表示（3）热力学温标（K）：亦称为标准温标或绝对温标或开尔文温标。这是一个理想而又科学的温标，它用单一固定点来定义，它规定水的三相点为273.16K，用T表示三种温标之间的换算关系：tTt16.273)32(95§1概述§1概述从1990年开始，通用的温标是“国际温标（ITS-90）”，它是根据若干个可再现的平衡状态温度的认定值和在这些温度下校准的专用仪器确定的。在ITS定义的固定点之外，设置了一些气象上关注的二类参考点ITS定义的固定点和二类参考点]464.78)pp(1091226.8)pp(1021036.1[t20602类型平衡态国际温标的认定值K℃ITS固定点氩的固相、液相和气相间的平衡（氩的三相点）83.8058-189.3442水银的固相、液相和气相间的平衡（水银的三相点）234.3156-38.8344水的固相、液相和气相间的平衡（水的三相点）273.160.01镓的固相和液相间的平衡（镓的凝固点）302.914629.7646铟的固相和液相间的平衡（铟的凝固点）429.7485156.5985二类参考点在标准大气压p0时，二氧化碳的固相和气相间的平衡（二氧化碳的升华点）。温度t作为二氧化碳蒸汽压的函数，由下式给出：其中p是大气压，温度范围从194K到195K194.686-78.464在标准大气压时，水银的固相和液相间的平衡（水银的凝固点）234.296-38.854在标准大气压时，冰与含饱和空气的水之间的平衡（冰点）273.150.00苯酚盐（二苯醚）的固相、液相和气相间的平衡（苯酚盐的三相点）300.01426.864§1概述从-259.34℃到630.74℃之间使用的标准仪器是铂电阻温度表，它的电阻比R100/R0是1.3850，其中R100是100℃时的电阻，R0是0℃时的电阻为了建立标准仪器的指示值与ITS-90的值之间的关系，采用一些公式在固定点之间进行内插从0℃到630.74℃，在温度t时的电阻由下式给出：从-189.3442℃到0℃，在温度t时的电阻由下式给出：式中：Rt是铂丝在温度t时的电阻，R0是铂丝在温度0℃时的电阻，而A、B和C是在水的沸点、锌的凝固点和氧的沸点时由Rt的测量值得出的常数)BtAt1(RR20t]t)100t(CBtAt1[RR320t§1概述1直接接触的测温方法常规测温仪器有温度表和温度计两类，都是将仪器的感温元件和被测物体接触，待两者达到热平衡时，测得感温元件的形体和特性变化，从而可知被测物体的温度2遥感的测温方法遥感的测温方法是根据接收来自被测物的电磁波或声波信息，来探测被测物温度。这类仪器不需要使感应元件与被测物直接接触，因此称为遥感测温温度观测一般包括空气的温度（简称气温）、地温以及水面温度。单位以摄氏度（℃）表示，取一位小数气温的测定项目有：定时气温，日最高气温，日最低气温，配有温度计的气象站做气温的连续记录。地温是下垫面温度和不同深度的土壤温度的统称。下垫面温度包括裸露土壤表面的地面温度、草面（或雪面）温度及最高、最低温度。浅层地温包括离地面5，10，15，20厘米深度的地中温度。较深层地温包括离地面40，80，160，320厘米深度的地中温度。测量气温的仪器主要有干球温度表、最高温度表、最低温度表、温度计、铂电阻温度传感器；测量地温的仪器主要有玻璃液体地温表和铂电阻地温传感器§2玻璃液体温度表玻璃液体温度表的感应部分是一个充满液体的玻璃球或柱，一根一端封闭的玻璃毛细管与它相连。常用的测温液体有水银、洒精和甲苯等，它们的物理性质见下表。温度表可以根据不同的测温目的，选用不同的测温液体液体凝固点(℃)沸点（℃）热膨胀系数（18℃时）导热系数(J/cm2.s.℃)比热(J/g.℃)对玻璃的作用易否变质纯度水银-38.86356.9182×10-683.6×10-30.1256不沾湿玻璃不易易得酒精-117.378.5110×10-518.0×10-42.15沾湿玻璃易不易甲苯-95.1110.5109×10-515.9×10-41.63沾湿玻璃易易得水银、酒精、甲苯的物理性质§2玻璃液体温度表§2玻璃液体温度表玻璃液体温度表是利用装在玻璃容器中的测温液体随温度改变引起的体积膨胀，从液柱位置的变化来测定温度的设温度为0℃时，表内液体的体积为Ｖ０，液体和玻璃的膨胀系数为μ和γ，毛细管的截面积为Ｓ，当温度改变△ｔ℃时，液体的体积改变△Ｖ，液柱的长度改变△Ｌ，则△Ｖ＝V0[1+(μ-γ)Δt]-V0=V0(μ-γ)Δt△Ｌ＝△V/S=V0(μ-γ)Δt/S△Ｌ/△ｔ＝V0(μ-γ)/S§2玻璃液体温度表（1）基点的永恒位移玻璃液体温度表球部的容积随时间增加而缩小，以致基点不断提高，即所谓基点的永恒位移。这在制成温度表的初期很明显，以后位移逐渐减小。一般制造温度表均需用特种玻璃。采用标准测温玻璃制造的温度表，五年中基点的永恒位移仅为0.05℃，以后提高甚微测量误差§2玻璃液体温度表（2）玻璃变形引起的误差当温度由低温升至高温后，再令其急速冷却到初始的温度时，温度表的指示会偏低。尔后逐渐恢复正常，称之暂时跌落。升温的范围，升温和降温的速率，以及玻璃的种类对跌落值的大小都有影响。反之，当高温降至低温，再令急剧增温时，则温度表的指示会偏高。这是由于玻璃升温或降温后其剩余膨胀不能立即消失的缘故。温度表经过重复处理后，可以人为地“老化”，可大大减小暂时跌落测量误差§2玻璃液体温度表（3）刻度误差划分刻度是在一定范围内进行等分。由于标尺刻度不均匀，标尺零点位置不准确，毛细管截面积不均匀，液体和玻璃膨胀系数的非线性，都将使温度表的刻度出现误差测量误差上述误差可以通过对仪器的检定，得出订正值，并编制成检定证，使用时对读数加以订正§2玻璃液体温度表常用的玻璃液体温度表（1）干湿球温度表干湿球温度表由两支型号完全一样的温度表组成。其中干球温度表用于测定1.5米高度处的气温§2玻璃液体温度表常用的玻璃液体温度表（2）最高温度表最高温度表的构造与一般温度表不同，它的感应部分内有一玻璃针，伸入毛细管，使感应部分与毛细管之间形成一窄道。当温度升高时，感应部分水银体积膨胀，挤入毛细管；而温度下降时，毛细管内的水银，由于通道窄，却不能缩回感应部分，因而能指示出上次调整后这段时间内的最高温度感应部分鞍托毛细管水银柱刻度磁板外套管玻璃针尖最高温度表示意图（3）最低温度表(研修)最低温度表中的感应液是酒精，它的毛细管内有一哑铃形游标。当温度下降时，酒精柱便相应下降，由于酒精柱顶端张力作用，带动游标下降；当温度上升时，酒精膨胀，酒精柱经过游标周围慢慢上升，而游标仍停在原来位置上，因此它能指示上次调整以来这段时间内的最低温度§2玻璃液体温度表（4）地面温度表地面温度表（又称０厘米温度表），地面最高和最低温度表的构造和原理，与测定气温用的温度表基本相同常用的玻璃液体温度表§2玻璃液体温度表（5）曲管地温表5,10,15,20厘米曲管地温表的构造和原理亦基本同上，只是表身下部伸长、长度不一，并且在感应部分上端弯折，与表身成135°夹角常用的玻璃液体温度表§2玻璃液体温度表（6）直管地温表40,80,160,320厘米直管地温表是装在带有铜底帽的管形保护框内，保护框中部有一长孔，使温度表刻度部位显露，便于读数。保护框的顶端连接在一根木棒（或三节棒）上，木棒长度依深度而定。整个木棒和地温表（保护框）又放在一根硬橡胶套管内。木棒顶端有一个金属盖，恰好盖住硬橡胶套管。木棒上几处缠有绒圈，金属盖内装有毡垫，以阻滞管内空气对流和管内外空气交换，也可防止降水等物落入常用的玻璃液体温度表§3双金属片温度计双金属片温度计是自动记录气温连续变化的仪器。它由感应部分、传递放大部分、自记部分组成自记钟笔挡笔杆杠杆双金属片调整螺旋§3双金属片温度计１感应部分感应部分是一个双金属片。双金属片具有受温度变化而发生形状和曲率变化的特性，可利用这种特性测量温度双金属片是将两种膨胀系数不同的金属片焊接在一起。如果膨胀系数大的金属片在下面，膨胀系数小的金属片在上面，当温度升高时，双金属片将成凹形，温度降低时成凸形，随着温度的变化，双金属片的曲率也就随之变化，这样就可利用双金属片曲率随温度变化的特性来测量温度§3双金属片温度计如果固定双金属片的一端，另一端作为自由端可以随温度变化自由移动，那么自由端的位移量和温度的变化是何关系呢?§3双金属片温度计设温度为零度时，双金属片是平直的，其长度为L0，当温度为ｔ时，双金属片产生了弯曲，由于两个金属片的膨胀系数不一样，因此，其长度分别为：Ｌ1＝L0(1+α1t)Ｌ2＝L0(1+α2t)Ｌ1＝(R+1/2h1)ΨＬ2＝(R-1/2h2)Ψ弯曲的双金属片可视为以Ｒ为半径（以焊接面计算即双金属片的中间），以Ｏ点为圆心的一段圆弧，圆心角为ψ弧度。如果取双金属片的厚度分别为h1、h2，则其长度又可表示为:21210)(2hhtL§3双金属片温度计若此时，双金属片焊接面自由端的位移量为λ，则：λ＝Ｒ－Ｒcosψ=2Rsin2(ψ/2)当ψ很小时，可以认为Ｒ≈L0/ψ,sin2(ψ/2)≈(ψ/2)2=ψ2/4双金属片自由端位移量的大小是与温度变化成正比的，故温度自记纸具有等分的刻度tthhLA)(212120§3双金属片温度计２传递放大部分主要作用是把双金属片变形的位移量，进行传递和放大。这是因为双金属片的位移量是很小的，需要在本部分中利用杠杆原理加以放大；为了将感应部分所得的温度信号记录下来，也需要通过本部分传递到记录部分３自记部分包括自记钟、自记纸和自记笔三部分温度计应稳固地安装在大百叶箱中下面架子上，底座保持水平，感应部分中部离地1.5m§4电测温度表4.1热电偶温度表利用热电原理进行温度测量的仪器称为热电偶温度表若将两个不同的金属导体，连接成一个闭合回路。由于不同导体的自由电子密度不同，在接触处就会发生电子的扩散，若两端接触点的温度不同，就会产生温差电动势，回路中就有电流产生。接触点的温差越大，回路中电动势也就越大，这种现象叫热电现象t1＜t2A（正导体）B（负导体）t1t2§4电测温度表4.1热电偶温度表利用热电现象的装置称为热电偶或温差电偶利用这种原理进行温度测量的仪器称热电偶温度表实验表明，在气象测温范围内，热电偶电动势Ｅ和温度差（t2-t1）有这样的关系：式中ε为与两金属性质有关的常数，称为热电系数t1＜t2A（正导体）B（负导体）t1t2热电现象)(12ttE§4电测温度表根据导体的物理性质及所组成的热电回路的电流方向，可以将各种金属导体排列成一定的次序一些常用金属的热电序为：铋、康铜、镍、钴、铂、铝、镁、铅、锡、银、锰铜、铜、镉、铁、锑、硅§4电测温度表一般由于温差电动势很小，为了提高测温灵敏度，往往将若干对热电偶串连起来，组成热电堆§4电测温度表一种是测定热电偶回路