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1、第二章第二章 温度的测量温度的测量1 1第1页，本讲稿共38页2.1 ITS90n nITS90英文为International Temperature Scale of 1990，即1990年国际温标n n温度测量分为：n n气温气温n n水温水温n n土壤温度土壤温度2 2第2页，本讲稿共38页2.1 ITS90（续）（续）n n为了定量地表示温度，必须选定一个衡量温度的标尺。n n理论上，热力学定义的热力学温标是指理想气理论上，热力学定义的热力学温标是指理想气体在容积固定的条件下，容积内的气体压力每体在容积固定的条件下，容积内的气体压力每改变改变1/2731/273，相当于温度变化绝对温
2、度，相当于温度变化绝对温度1K1K。实验。实验设备为气体温度表。设备为气体温度表。n n实用上，国际计量委员会引入了在各个测温范实用上，国际计量委员会引入了在各个测温范围内使用的标准测温元件系列：铂丝电阻温度围内使用的标准测温元件系列：铂丝电阻温度表、辐射温度表和铂铑标准温度表，利用它们表、辐射温度表和铂铑标准温度表，利用它们进行温标确定的方法称作进行温标确定的方法称作实用温标实用温标实用温标实用温标。3 3第3页，本讲稿共38页2.1 ITS90（续）（续）n n实用温标1927年建立以来，前后进行了四次修订。n n实用温标首先规定了一系列的参考点温度。n n如表2.1 ITS90部分温度参
3、考点。（标准大气压力为1013.25hPa）4 4第4页，本讲稿共38页2.1 ITS90（续）（续）n n大气测温范围：-80+60。为了测温仪器校准上的方便，另设置了一些二类参考点。精度低于一类参考点。n n参考点之间的各个温度点的测温基准为一支基准铂电阻温度表。n n由无应力的铂丝制成，并满足一定条件。由无应力的铂丝制成，并满足一定条件。5 5第5页，本讲稿共38页表表2.1 解释解释n n温标转换：n n摄氏温度摄氏温度=热力学温度热力学温度 273.15 273.15n n水的三相点的温度为水的三相点的温度为 0.01 0.01 n nT90：热力学温度。单位为K。n ndT/dp：
4、温度随气压的变化。单位：10-8K/Pan nW(T90)：比电阻，等于R(T90)/R(273.16K)，即该温度下的电阻值与水三相点温度下的铂电阻值之比。6 6第6页，本讲稿共38页2.1 ITS90（续）（续）n nITS90测温标准系列由三个关节组成：1.1.定出一系列的测温参考点定出一系列的测温参考点2.2.制作出国际标准铂电阻温度表制作出国际标准铂电阻温度表3.3.各国计量部门制作出各自的铂电阻温度表，各国计量部门制作出各自的铂电阻温度表，在参考点上确定出偏差函数。在参考点上确定出偏差函数。n n每次测温先测出每次测温先测出 W(TW(T9090)值换算成值换算成 Wr(TWr(T
5、9090)，再，再根据公式计算出温度测定值。根据公式计算出温度测定值。7 7第7页，本讲稿共38页2.2 测温元件测温元件8 8第8页，本讲稿共38页2.2.1 液体玻璃温度计液体玻璃温度计n n构造：n n玻璃球中充满水银或酒精等液体，与之相连的玻璃球中充满水银或酒精等液体，与之相连的是中空的玻璃毛细管。是中空的玻璃毛细管。n n毛细管另一端封闭，背后衬有白瓷刻度板，外毛细管另一端封闭，背后衬有白瓷刻度板，外有保护套管。有保护套管。n n原理：n n温度变化时，引起测温液体体积膨胀或收缩，温度变化时，引起测温液体体积膨胀或收缩，使进入毛细管的液柱高度随之变化。使进入毛细管的液柱高度随之变化。
6、9 9第9页，本讲稿共38页常用的几种玻璃温度表常用的几种玻璃温度表1.1.水银温度表n n凝固点：凝固点：-38.862-38.862，沸点：，沸点：356.9356.9n n优点：优点：5 5点点n n缺点：缺点：1.1.温度在温度在 -38.862-38.862 以下不能使用以下不能使用2.2.膨胀系数小膨胀系数小n n测低温可采用含铊测低温可采用含铊 4%4%汞和金，可在汞和金，可在 -62-62以以上的温度下使用上的温度下使用1010第10页，本讲稿共38页常用的几种玻璃温度表（续）常用的几种玻璃温度表（续）2.2.有机液体玻璃温度表n n常用：酒精、二甲苯常用：酒精、二甲苯n n酒
7、精的凝固点酒精的凝固点-177.5-177.5，沸点：，沸点：+78.5+78.5n n优点：可用于低温；膨胀系数大优点：可用于低温；膨胀系数大n n缺点：缺点：1.1.湿润玻璃，易断柱湿润玻璃，易断柱2.2.导热系数小，球内温度分布不均匀导热系数小，球内温度分布不均匀3.3.饱和蒸汽压高，温度降低时会有液体小滴凝结在饱和蒸汽压高，温度降低时会有液体小滴凝结在毛细管上部中空部分。毛细管上部中空部分。1111第11页，本讲稿共38页常用的几种玻璃温度表（续）常用的几种玻璃温度表（续）3.3.最高、最低温度表最高、最低温度表最高温度表最低温度表1212第12页，本讲稿共38页常用的几种玻璃温度表（
8、续）常用的几种玻璃温度表（续）最高温度表：最高温度表：是专门用来测定一定时间间隔的最高温度是专门用来测定一定时间间隔的最高温度 它的构造是在球部底处置一根玻璃针，直伸到毛细管口，它的构造是在球部底处置一根玻璃针，直伸到毛细管口，使毛细管口变狭。使毛细管口变狭。温度上升时，水银膨胀，压力增大，迫使水银挤过狭管上升。温度上升时，水银膨胀，压力增大，迫使水银挤过狭管上升。温度下降时，因无足够压力使水银挤过狭管回到球部，水银柱温度下降时，因无足够压力使水银挤过狭管回到球部，水银柱就在狭管处断裂，于是狭管以上这段水银柱的顶端，就保持在就在狭管处断裂，于是狭管以上这段水银柱的顶端，就保持在过去一段时间内温
9、度表曾感受到的最高温度示度上，因而可测过去一段时间内温度表曾感受到的最高温度示度上，因而可测得最高温度。得最高温度。1313第13页，本讲稿共38页常用的几种玻璃温度表（续）常用的几种玻璃温度表（续）n n最低温度表：最低温度表：n n专门用来测定一定时间间隔的最低温度专门用来测定一定时间间隔的最低温度n n它用酒精作测温液，在毛细管内放一枚游标它用酒精作测温液，在毛细管内放一枚游标n n温度上升时，酒精膨胀可越过游标上升，而游标本身由于温度上升时，酒精膨胀可越过游标上升，而游标本身由于顶端对管壁有足够的摩擦力，能维持在原处不动。顶端对管壁有足够的摩擦力，能维持在原处不动。n n温度下降时，酒
10、精柱收缩到与游标顶端相接触时，由于酒精液温度下降时，酒精柱收缩到与游标顶端相接触时，由于酒精液面的表面张力比游标对管壁的摩擦力要大，使游标不致突破酒面的表面张力比游标对管壁的摩擦力要大，使游标不致突破酒精柱顶而借液面的表面张力带动游标下滑。精柱顶而借液面的表面张力带动游标下滑。n n也就是说，游标只能降低，不能升高。所以，游标离球部较远一也就是说，游标只能降低，不能升高。所以，游标离球部较远一端的示度，就是一定时间间隔内曾经出现过的最低温度。端的示度，就是一定时间间隔内曾经出现过的最低温度。1414第14页，本讲稿共38页常用的几种玻璃温度表（续）常用的几种玻璃温度表（续）4.4.液体玻璃温度
11、表的仪器误差基点的永恒位移基点的永恒位移球部变形引起的误差球部变形引起的误差刻度误差刻度误差1515第15页，本讲稿共38页2.2.2 热电偶温度表热电偶温度表n n原理：n n两种不同的金属或合金焊接在一起，构成一个两种不同的金属或合金焊接在一起，构成一个闭合回路，回路中将会产生电动势，两焊点的闭合回路，回路中将会产生电动势，两焊点的温度差异越大，电动势越高。温度差异越大，电动势越高。n n如令焊点如令焊点1 1维持在已知温度下，焊点维持在已知温度下，焊点2 2的温度可的温度可借助于回路的电动势来确定。借助于回路的电动势来确定。n n气象上使用的热电偶材料几乎都是铜，或锰铜康铜。有三条优点。
12、1616第16页，本讲稿共38页2.2.2 热电偶温度表（续）热电偶温度表（续）n n通常在气象学专门研究工作中，当需要温度表有非常小的时间常数并能远距离读数和记录时，热电偶用得最多。n n缺点是，如果要求温度绝对值，就需要在热电偶冷结点有一个常温容器和供测量电动势装置用的附属仪表。n n热电偶最合适于测量温度差。热电偶最合适于测量温度差。1717第17页，本讲稿共38页2.2.3 金属电阻温度表金属电阻温度表n n温度变化小时，纯金属电阻的增加正比于温度变化，关系为：Rt =R0(1+t +t2)n nR R0 0 为为 0 0 时电阻时电阻n n、为电阻的一次和二次项温度系数为电阻的一次和
13、二次项温度系数1818第18页，本讲稿共38页2.2.3 金属电阻温度表（续）金属电阻温度表（续）n n温度表的金属材料选择主要考虑四点：1.1.温度一次项系数大温度一次项系数大2.2.电阻与温度关系的二次项系数远小于一次项电阻与温度关系的二次项系数远小于一次项系数，即系数，即 3.3.电阻率大，易于绕制高阻值的元件电阻率大，易于绕制高阻值的元件4.4.性能稳定性能稳定n n气象上常用的金属材料：铂。常用铂做成标准温度表。1919第19页，本讲稿共38页2.2.4 热敏电阻温度表热敏电阻温度表n n材料：某些金属氧化物的混合物，如：氧化镁、氧化铜、氧化钴和氧化铁的混合物，在800900的高温下
14、烧结而成。n n热敏电阻值 RT 与绝对温度 T 的关系如下：RT =A e b/Tn nA A，b b 为元件系数为元件系数n nA A 的大小反应了元件的电阻的大小的大小反应了元件的电阻的大小n nb b 的大小反应了的大小反应了 R RT T 对温度的灵敏度对温度的灵敏度2020第20页，本讲稿共38页2.3 测温元件的热滞效应测温元件的热滞效应n n热滞效应：当测温元件从一个环境迅速转移到另一个温度不同的环境时，温度表的示度不能立即指示新的环境温度，而是逐渐趋近于新的环境温度。n n造成测温仪器滞后的原因：1.1.元件与周围环境的热交换需要一个过程元件与周围环境的热交换需要一个过程2.
15、2.指示系数有延迟特征（例如测量仪表的阻尼）指示系数有延迟特征（例如测量仪表的阻尼）2121第21页，本讲稿共38页2.3.1 表示热滞的参数表示热滞的参数热滞系数热滞系数n n元件的热容量越大，散热面积越小，热滞系数则越大。n n热交换系数的大小取决于环境介质的性质以及它的通风量。2222第22页，本讲稿共38页2.3.2 环境温度恒定时的滞差环境温度恒定时的滞差n n计算分析表明：一个热滞系数为一个热滞系数为 300300秒秒 的测温元件，在初始的测温元件，在初始温差为温差为 10 10 的条件下，欲使滞差达到的条件下，欲使滞差达到 0.1 0.1，则需要，则需要13801380秒，即秒，
16、即2323分钟。分钟。2323第23页，本讲稿共38页2.3.3 环境温度呈现性变化时的滞差环境温度呈现性变化时的滞差n n环境温度变化时，由于测温元件的热滞，示度将会始终落后于实际温度的变化。n n环境温度升高时，示度偏低；n n环境温度降低时，示度偏高。n n如：实际气温每小时升温 3 ，热滞系数小于300秒的元件，滞差达 0.25 ；当热滞系数小于60秒时，滞差可达 0.05 。2424第24页，本讲稿共38页2.3.4 环境温度呈周期性变化时的滞差环境温度呈周期性变化时的滞差n n如果1.5米高处百叶箱的气温日变化看作日振幅 5 的周期性变化，要保证纪录下来的日振幅误差小于 0.05
17、，则测温元件的热滞系数应小于2000秒。n n如同时要求最高（最低）温度出现的时刻相应落后所引起的误差不超过5分钟，则测温元件的热滞系数应小于300秒。2525第25页，本讲稿共38页n n进行气象观测时应规定元件的热滞系数。n nWMO对地面观测中测温元件要求为：当通风速度为 5 m/s 时，热滞系数在 3060s 之间。2626第26页，本讲稿共38页2.3.5 热滞系数和风速的关系热滞系数和风速的关系n n成反比：风速越大，热滞系数越小。风速越大，热滞系数越小。2727第27页，本讲稿共38页2.4 气温测量中的防辐射设备气温测量中的防辐射设备n n各种形式的辐射将使测温元件的示度与实际
18、气温存在差异。n n防止辐射误差的途径：1.1.屏蔽屏蔽2.2.增加元件的反射率增加元件的反射率3.3.通风通风4.4.采用极细的金属丝元件采用极细的金属丝元件2828第28页，本讲稿共38页2.4.1 百叶箱百叶箱2929第29页，本讲稿共38页2.4.1 百叶箱（续）百叶箱（续）n n百叶箱壁用双层百叶木片做成，一面向内倾斜45度，一面向外倾斜45度，空气可自由流通。n n百叶片宽26毫米，厚6毫米。百叶箱门朝北，安置在固定的架子上，架底高出地面1.25米。箱门前面安置一个小矮梯。n n整个箱子涂上白漆，使它具有良好反射率。3030第30页，本讲稿共38页2.4.1 百叶箱（续）百叶箱（续
19、）n n百叶箱有两种规格。n n较大的：高 612mm、宽 460mm、深 460mm安放：温度、湿度自记仪器n n较小的：高 537mm、宽 460mm、深 290mm安放：干湿温度表、最高温度表、最低温度表、毛发湿度表3131第31页，本讲稿共38页2.4.2 阿斯曼通风干湿表阿斯曼通风干湿表n n阿斯曼通风干湿球温度表是德国人R阿斯曼1887年所创，两支棒状温度表放置在防辐射性能极好的通风管道内，机械或电动通风速度为2.5米/秒。n n仪器测量精度高，使用方便，常仪器测量精度高，使用方便，常用作野外测量气温和湿度。用作野外测量气温和湿度。3232第32页，本讲稿共38页2.4.3 防辐射
20、罩防辐射罩n n防辐射罩是一种利用自然通风、结构简单的防辐射设施，适用于野外考察。n n结构：n n罩的上板为伞形金属薄板，下为金属平板，外罩的上板为伞形金属薄板，下为金属平板，外部涂铬，使其具有良好的反射率，内面图黑，部涂铬，使其具有良好的反射率，内面图黑，以便吸收照射到内层的辐射，不致放射到元件以便吸收照射到内层的辐射，不致放射到元件上。上。n n在金属板之间有两块透明的有机玻璃板，测温在金属板之间有两块透明的有机玻璃板，测温元件安置在它们之间的夹层中。元件安置在它们之间的夹层中。3333第33页，本讲稿共38页2.4.3 防辐射罩（续）防辐射罩（续）n n缺点：当太阳高度角较低（日出和日
21、落）时，太阳当太阳高度角较低（日出和日落）时，太阳辐射能直接照射到测温元件上。辐射能直接照射到测温元件上。n n一些测温精度要求较高的观测中，常把通风管和伞形罩结合起来使用。3434第34页，本讲稿共38页补充：金属温度计补充：金属温度计n n是能够自动记录气温连续变化是能够自动记录气温连续变化的仪器。的仪器。n n感应元件是双金属片，由膨感应元件是双金属片，由膨胀系数相差较大的两片金属胀系数相差较大的两片金属焊接成，将其一端固定，另焊接成，将其一端固定，另一端随温度变化而发生位移，一端随温度变化而发生位移，位移量与气温接近线性关系。位移量与气温接近线性关系。n n自记系统由自记钟，自记笔组自
22、记系统由自记钟，自记笔组成，自记笔与放大杠杆相连并成，自记笔与放大杠杆相连并受感应元件操纵。受感应元件操纵。3535第35页，本讲稿共38页补充：温度的观测补充：温度的观测n n观测的程序：n n小百叶箱：干湿球、毛发表、最高、最低温度小百叶箱：干湿球、毛发表、最高、最低温度表读数并调整表读数并调整n n大百叶箱：温度计、湿度计读数并做时间记号大百叶箱：温度计、湿度计读数并做时间记号3636第36页，本讲稿共38页补充：温度的观测（续）补充：温度的观测（续）n n调整最高温度表：n n调整：取下，手握温度表上部，球部朝下，手调整：取下，手握温度表上部，球部朝下，手向外伸出向外伸出3030度角，
23、前后甩动，直到它的示度接度角，前后甩动，直到它的示度接近干球示度为止。近干球示度为止。n n放置：先放球部，后放头部。放置：先放球部，后放头部。n n注意：避免阳光照射，手不要接触水银球，甩注意：避免阳光照射，手不要接触水银球，甩动时勿使球部向上，以免水银柱撞坏窄道。动时勿使球部向上，以免水银柱撞坏窄道。3737第37页，本讲稿共38页补充：温度的观测（续）补充：温度的观测（续）n n调整最低温度表：n n调整：将表身倾斜，球部向上，使指标借助本调整：将表身倾斜，球部向上，使指标借助本身的重力作用，落到酒精柱顶端即可。身的重力作用，落到酒精柱顶端即可。n n放置：先放头部，后放球部，以免指标下滑。放置：先放头部，后放球部，以免指标下滑。3838第38页，本讲稿共38页