《溫度的測量》PPT課件

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1、1 第二章 溫度的測量 向衛(wèi)國 2 2.1 ITS 90 ITS90英文為 International Temperature Scale of 1990，即 1990年國際溫標(biāo) 溫度測量分為： 氣溫 水溫 土壤溫度 3 2.1 ITS 90（續(xù)） 為了定量地表示溫度，必須選定一個衡量 溫度的標(biāo)尺。 理論上，熱力學(xué)定義的熱力學(xué)溫標(biāo)是指理想氣 體在容積固定的條件下，容積內(nèi)的氣體壓力每 改變 1/273，相當(dāng)于溫度變化絕對溫度 1K。實驗 設(shè)備為氣體溫度表。 實用上，國際計量委員會引入了在各個測溫范 圍內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)測溫元件系列：鉑絲電阻溫度 表、輻射溫度表和鉑銠標(biāo)準(zhǔn)溫度表，利用它們 進行溫標(biāo)確定的

2、方法稱作 實用溫標(biāo) 。 4 2.1 ITS 90（續(xù)） 實用溫標(biāo) 1927年建立以來，前后進行了四 次修訂。 實用溫標(biāo)首先規(guī)定了一系列的參考點溫度。 如表 2.1 ITS90部分溫度參考點。（標(biāo)準(zhǔn) 大氣壓力為 1013.25hPa） 5 2.1 ITS 90（續(xù)） 大氣測溫范圍： -80+60 。為了測溫儀器 校準(zhǔn)上的方便，另設(shè)置了一些二類參考點。 精度低于一類參考點。 參考點之間的各個溫度點的測溫基準(zhǔn)為一 支基準(zhǔn)鉑電阻溫度表。 由無應(yīng)力的鉑絲制成，并滿足一定條件。 6 表 2.1 解釋 溫標(biāo)轉(zhuǎn)換 ： 攝氏溫度 =熱力學(xué)溫度 273.15 水的三相點的溫度為 0.01 T90 ：熱力學(xué)溫度。單

3、位為 K。 dT/dp：溫度隨氣壓的變化。單位： 10-8K/Pa W (T90) ：比電阻，等于 R(T90)/R(273.16K)， 即該溫度下的電阻值與水三相點溫度下的 鉑電阻值之比。 7 2.1 ITS 90（續(xù)） ITS90測溫標(biāo)準(zhǔn)系列由三個關(guān)節(jié)組成： 1. 定出一系列的測溫參考點 2. 制作出國際標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度表 3. 各國計量部門制作出各自的鉑電阻溫度表， 在參考點上確定出偏差函數(shù)。 每次測溫先測出 W(T90) 值換算成 Wr(T90)， 再根據(jù)公式計算出溫度測定值。 8 2.2 測溫元件 9 2.2.1 液體玻璃溫度計 構(gòu)造： 玻璃球中充滿水銀或酒精等液體，與之相連的 是中空

4、的玻璃毛細管。 毛細管另一端封閉，背后襯有白瓷刻度板，外 有保護套管。 原理： 溫度變化時，引起測溫液體體積膨脹或收縮， 使進入毛細管的液柱高度隨之變化。 10 常用的幾種玻璃溫度表 1. 水銀溫度表 凝固點： -38.862 ，沸點： 356.9 優(yōu)點： 5點 缺點： 1. 溫度在 -38.862 以下不能使用 2. 膨脹系數(shù)小 測低溫可采用含鉈 4% 汞和金，可在 -62 以 上的溫度下使用 11 常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)） 2. 有機液體玻璃溫度表 常用：酒精、二甲苯 酒精的凝固點 -177.5 ，沸點： +78.5 優(yōu)點：可用于低溫；膨脹系數(shù)大 缺點： 1. 濕潤玻璃，易斷柱 2. 導(dǎo)

5、熱系數(shù)小，球內(nèi)溫度分布不均勻 3. 飽和蒸汽壓高，溫度降低時會有液體小滴凝結(jié)在 毛細管上部中空部分。 12 常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)） 3. 最高、最低溫度表 最高溫度表 最低溫度表 13 常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)） 最高溫度表： 是專門用來測定一定時間間隔的最高溫度 它的構(gòu)造是在球部底處置一根玻璃針，直伸到毛細管 口，使毛細管口變狹。 溫度上升時，水銀膨脹，壓力增大，迫使水銀擠過狹 管上升。 溫度下降時，因無足夠壓力使水銀擠過狹管回到球部， 水銀柱就在狹管處斷裂，于是狹管以上這段水銀柱的 頂端，就保持在過去一段時間內(nèi)溫度表曾感受到的最 高溫度示度上，因而可測得最高溫度。 14 常用的幾種玻璃

6、溫度表（續(xù)） 最低溫度表： 專門用來測定一定時間間隔的最低溫度 它用酒精作測溫液，在毛細管內(nèi)放一枚游標(biāo) 溫度上升時，酒精膨脹可越過游標(biāo)上升，而游標(biāo)本身 由于頂端對管壁有足夠的摩擦力，能維持在原處不動。 溫度下降時，酒精柱收縮到與游標(biāo)頂端相接觸時，由 于酒精液面的表面張力比游標(biāo)對管壁的摩擦力要大， 使游標(biāo)不致突破酒精柱頂而借液面的表面張力帶動游 標(biāo)下滑。 也就是說，游標(biāo)只能降低，不能升高。所以，游標(biāo)離 球部較遠一端的示度，就是一定時間間隔內(nèi)曾經(jīng)出現(xiàn) 過的最低溫度。 15 常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)） 4. 液體玻璃溫度表的儀器誤差 基點的永恒位移 球部變形引起的誤差 刻度誤差 16 2.2.2 熱

7、電偶溫度表 原理： 兩種不同的金屬或合金焊接在一起，構(gòu)成一個 閉合回路，回路中將會產(chǎn)生電動勢，兩焊點的 溫度差異越大，電動勢越高。 如令焊點 1維持在已知溫度下，焊點 2的溫度可 借助于回路的電動勢來確定。 氣象上使用的熱電偶材料幾乎都是銅，或 錳銅 康銅。有三條優(yōu)點。 17 2.2.2 熱電偶溫度表（續(xù)） 通常在氣象學(xué)專門研究工作中，當(dāng)需要溫 度表有非常小的時間常數(shù)并能遠距離讀數(shù) 和記錄時，熱電偶用得最多。 缺點是，如果要求溫度絕對值，就需要在 熱電偶冷結(jié)點有一個常溫容器和供測量電 動勢裝置用的附屬儀表。 熱電偶最合適于測量溫度差。 18 2.2.3 金屬電阻溫度表 溫度變化小時，純金屬電阻

8、的增加正比于 溫度變化，關(guān)系為： Rt = R0 ( 1 + t + t2) R0 為 0 時電阻 、 為電阻的一次和二次項溫度系數(shù) 19 2.2.3 金屬電阻溫度表（續(xù)） 溫度表的金屬材料選擇主要考慮四點： 1. 溫度一次項系數(shù)大 2. 電阻與溫度關(guān)系的二次項系數(shù)遠小于一次項 系數(shù)，即 3. 電阻率大，易于繞制高阻值的元件 4. 性能穩(wěn)定 氣象上常用的金屬材料：鉑。常用鉑做成 標(biāo)準(zhǔn)溫度表。 20 2.2.4 熱敏電阻溫度表 材料：某些金屬氧化物的混合物，如：氧 化鎂、氧化銅、氧化鈷和氧化鐵的混合物， 在 800900 的高溫下燒結(jié)而成。 熱敏電阻值 RT 與絕對溫度 T 的關(guān)系如下： RT

9、= A e b/T A， b 為元件系數(shù) A 的大小反應(yīng)了元件的電阻的大小 b 的大小反應(yīng)了 RT 對溫度的靈敏度 21 2.3 測溫元件的熱滯效應(yīng) 熱滯效應(yīng) ：當(dāng)測溫元件從一個環(huán)境迅速轉(zhuǎn) 移到另一個溫度不同的環(huán)境時，溫度表的 示度不能立即指示新的環(huán)境溫度，而是逐 漸趨近于新的環(huán)境溫度。 造成測溫儀器滯后的原因： 1. 元件與周圍環(huán)境的熱交換需要一個過程 2. 指示系數(shù)有延遲特征（例如測量儀表的阻尼） 22 2.3.1 表示熱滯的參數(shù) 熱滯系數(shù) 元件的熱容量越大，散熱面積越小，熱滯 系數(shù)則越大。 熱交換系數(shù)的大小取決于環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì) 以及它的通風(fēng)量。 23 2.3.2 環(huán)境溫度恒定時的滯差 計

10、算分析表明： 一個熱滯系數(shù)為 300秒 的測溫元件，在初始 溫差為 10 的條件下，欲使滯差達到 0.1 ， 則需要 1380秒，即 23分鐘。 24 2.3.3 環(huán)境溫度呈現(xiàn)性變化時的滯差 環(huán)境溫度變化時，由于測溫元件的熱滯， 示度將會始終落后于實際溫度的變化。 環(huán)境溫度 升高 時，示度偏 低 ； 環(huán)境溫度 降低 時，示度偏 高 。 如：實際氣溫每小時升溫 3 ，熱滯系數(shù) 小于 300秒的元件，滯差達 0.25 ；當(dāng)熱 滯系數(shù)小于 60秒時，滯差可達 0.05 。 25 2.3.4 環(huán)境溫度呈周期性變化時的滯差 如果 1.5米高處百葉箱的氣溫日變化看作日 振幅 5 的周期性變化，要保證紀(jì)錄下

11、來 的日振幅誤差小于 0.05 ，則測溫元件的 熱滯系數(shù)應(yīng)小于 2000秒。 如同時要求最高（最低）溫度出現(xiàn)的時刻 相應(yīng)落后所引起的誤差不超過 5分鐘，則測 溫元件的熱滯系數(shù)應(yīng)小于 300秒。 26 進行氣象觀測時應(yīng)規(guī)定元件的熱滯系數(shù)。 WMO對地面觀測中測溫元件要求為：當(dāng)通 風(fēng)速度為 5 m/s 時，熱滯系數(shù)在 3060s 之 間。 27 2.3.5 熱滯系數(shù)和風(fēng)速的關(guān)系 成反比： 風(fēng)速越大，熱滯系數(shù)越小。 28 2.4 氣溫測量中的防輻射設(shè)備 各種形式的輻射將使測溫元件的示度與實 際氣溫存在差異。 防止輻射誤差的途徑： 1. 屏蔽 2. 增加元件的反射率 3. 通風(fēng) 4. 采用極細的金屬絲

12、元件 29 2.4.1 百葉箱 30 2.4.1 百葉箱（續(xù)） 百葉箱壁用雙層百葉木片做成，一面向內(nèi) 傾斜 45度，一面向外傾斜 45度，空氣可自 由流通。 百葉片寬 26毫米，厚 6毫米。百葉箱門朝北， 安置在固定的架子上，架底高出地面 1.25米。 箱門前面安置一個小矮梯。 整個箱子涂上白漆，使它具有良好反射率。 31 2.4.1 百葉箱（續(xù)） 百葉箱有兩種規(guī)格。 較大的：高 612mm、寬 460mm、深 460mm 安放：溫度、濕度自記儀器 較小的：高 537mm、寬 460mm、深 290mm 安放：干濕溫度表、最高溫度表、最低溫 度表、毛發(fā)濕度表 32 2.4.2 阿斯曼通風(fēng)干濕表

13、 阿斯曼通風(fēng)干濕球溫度表是 德國人 R阿斯曼 1887年所創(chuàng)， 兩支棒狀溫度表放置在防輻 射性能極好的通風(fēng)管道內(nèi)， 機械或電動通風(fēng)速度為 2.5米 / 秒 。 儀器測量精度高，使用方便，常 用作野外測量氣溫和濕度。 33 2.4.3 防輻射罩 防輻射罩是一種利用自然通風(fēng)、結(jié)構(gòu)簡單 的防輻射設(shè)施，適用于野外考察。 結(jié)構(gòu)： 罩的上板為傘形金屬薄板，下為金屬平板，外 部涂鉻，使其具有良好的反射率，內(nèi)面圖黑， 以便吸收照射到內(nèi)層的輻射，不致放射到元件 上。 在金屬板之間有兩塊透明的有機玻璃板，測溫 元件安置在它們之間的夾層中。 34 2.4.3 防輻射罩（續(xù)） 缺點： 當(dāng)太陽高度角較低（日出和日落）時

14、，太陽 輻射能直接照射到測溫元件上。 一些測溫精度要求較高的觀測中，常把通 風(fēng)管和傘形罩結(jié)合起來使用。 35 補充：金屬溫度計 是能夠自動記錄氣溫連續(xù) 變化的儀器。 感應(yīng)元件是雙金屬片，由 膨脹系數(shù)相差較大的兩片 金屬焊接成，將其一端固 定，另一端隨溫度變化而 發(fā)生位移，位移量與氣溫 接近線性關(guān)系。 自記系統(tǒng)由自記鐘，自記 筆組成，自記筆與放大杠 桿相連并受感應(yīng)元件操縱。 36 補充：溫度的觀測 觀測的程序： 小百葉箱：干濕球、毛發(fā)表、最高、最低溫度 表讀數(shù)并調(diào)整 大百葉箱：溫度計、濕度計讀數(shù)并做時間記號 37 補充：溫度的觀測（續(xù)） 調(diào)整最高溫度表： 調(diào)整：取下，手握溫度表上部，球部朝下，手 向外伸出 30度角，前后甩動，直到它的示度接 近干球示度為止。 放置：先放球部，后放頭部。 注意：避免陽光照射，手不要接觸水銀球，甩 動時勿使球部向上，以免水銀柱撞壞窄道。 38 補充：溫度的觀測（續(xù)） 調(diào)整最低溫度表： 調(diào)整：將表身傾斜，球部向上，使指標(biāo)借助本 身的重力作用，落到酒精柱頂端即可。 放置：先放頭部，后放球部，以免指標(biāo)下滑。