第二章 温度的测量

第二章温度的测量1第一页，共三十八页，2022年，8月28日2.1ITS—90ITS—90英文为InternationalTemperatureScaleof1990，即1990年国际温标温度测量分为：气温水温土壤温度2第二页，共三十八页，2022年，8月28日2.1ITS—90（续）为了定量地表示温度，必须选定一个衡量温度的标尺。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改变1/273，相当于温度变化绝对温度1K。实验设备为气体温度表。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实用温标。3第三页，共三十八页，2022年，8月28日2.1ITS—90（续）实用温标1927年建立以来，前后进行了四次修订。实用温标首先规定了一系列的参考点温度。如表2.1ITS—90部分温度参考点。（标准大气压力为1013.25hPa）4第四页，共三十八页，2022年，8月28日2.1ITS—90（续）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。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。由无应力的铂丝制成，并满足一定条件。5第五页，共三十八页，2022年，8月28日表2.1解释温标转换：摄氏温度=热力学温度–273.15℃水的三相点的温度为0.01℃T90

：热力学温度。单位为K。dT/dp：温度随气压的变化。单位：10-8K/PaW

(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第六页，共三十八页，2022年，8月28日2.1ITS—90（续）ITS—90测温标准系列由三个关节组成：定出一系列的测温参考点制作出国际标准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。每次测温先测出W(T90)值换算成Wr(T90)，再根据公式计算出温度测定值。7第七页，共三十八页，2022年，8月28日2.2测温元件8第八页，共三十八页，2022年，8月28日2.2.1液体玻璃温度计构造：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。毛细管另一端封闭，背后衬有白瓷刻度板，外有保护套管。原理：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。9第九页，共三十八页，2022年，8月28日常用的几种玻璃温度表水银温度表凝固点：-38.862℃，沸点：356.9℃优点：5点缺点：温度在-38.862℃以下不能使用膨胀系数小测低温可采用含铊4%汞和金，可在-62℃以上的温度下使用10第十页，共三十八页，2022年，8月28日常用的几种玻璃温度表（续）有机液体玻璃温度表常用：酒精、二甲苯酒精的凝固点-177.5℃，沸点：+78.5℃优点：可用于低温；膨胀系数大缺点：湿润玻璃，易断柱导热系数小，球内温度分布不均匀饱和蒸汽压高，温度降低时会有液体小滴凝结在毛细管上部中空部分。11第十一页，共三十八页，2022年，8月28日常用的几种玻璃温度表（续）最高、最低温度表最高温度表最低温度表12第十二页，共三十八页，2022年，8月28日常用的几种玻璃温度表（续）最高温度表：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，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。13第十三页，共三十八页，2022年，8月28日常用的几种玻璃温度表（续）最低温度表：专门用来测定一定时间间隔的最低温度它用酒精作测温液，在毛细管内放一枚游标温度上升时，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。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，使游标不致突破酒精柱顶而借液面的表面张力带动游标下滑。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。14第十四页，共三十八页，2022年，8月28日常用的几种玻璃温度表（续）液体玻璃温度表的仪器误差基点的永恒位移球部变形引起的误差刻度误差15第十五页，共三十八页，2022年，8月28日2.2.2热电偶温度表原理：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，两焊点的温度差异越大，电动势越高。如令焊点1维持在已知温度下，焊点2的温度可借助于回路的电动势来确定。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。16第十六页，共三十八页，2022年，8月28日2.2.2热电偶温度表（续）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。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。热电偶最合适于测量温度差。17第十七页，共三十八页，2022年，8月28日2.2.3金属电阻温度表温度变化小时，纯金属电阻的增加正比于温度变化，关系为：

Rt=R0(1+αt+βt2)R0为0℃时电阻α、β为电阻的一次和二次项温度系数18第十八页，共三十八页，2022年，8月28日2.2.3金属电阻温度表（续）温度表的金属材料选择主要考虑四点：温度一次项系数大电阻与温度关系的二次项系数远小于一次项系数，即β<<α电阻率大，易于绕制高阻值的元件性能稳定气象上常用的金属材料：铂。常用铂做成标准温度表。19第十九页，共三十八页，2022年，8月28日2.2.4热敏电阻温度表材料：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800~900℃的高温下烧结而成。热敏电阻值RT

与绝对温度T的关系如下：

RT=Aeb/TA，b为元件系数A的大小反应了元件的电阻的大小b的大小反应了RT对温度的灵敏度20第二十页，共三十八页，2022年，8月28日2.3测温元件的热滞效应热滞效应：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。造成测温仪器滞后的原因：元件与周围环境的热交换需要一个过程指示系数有延迟特征（例如测量仪表的阻尼）21第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日2.3.1表示热滞的参数—热滞系数元件的热容量越大，散热面积越小，热滞系数则越大。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。22第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日2.3.2环境温度恒定时的滞差计算分析表明：一个热滞系数为300秒的测温元件，在初始温差为10℃的条件下，欲使滞差达到0.1℃，则需要1380秒，即23分钟。23第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日2.3.3环境温度呈现性变化时的滞差环境温度变化时，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。环境温度升高时，示度偏低；环境温度降低时，示度偏高。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℃。24第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日2.3.4

环境温度呈周期性变化时的滞差如果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℃，则测温元件的热滞系数应小于2000秒。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。25第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日进行气象观测时应规定元件的热滞系数。WMO对地面观测中测温元件要求为：当通风速度为5m/s时，热滞系数在30~60s之间。26第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日2.3.5热滞系数和风速的关系成反比：风速越大，热滞系数越小。27第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日2.4气温测量中的防辐射设备各种形式的辐射将使测温元件的示度与实际气温存在差异。防止辐射误差的途径：屏蔽增加元件的反射率通风采用极细的金属丝元件28第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日2.4.1百叶箱29第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日2.4.1百叶箱（续）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。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。整个箱子涂上白漆，使它具有良好反射率。30第三十页，共三十八页，2022年，8月28日2.4.1百叶箱（续）百叶箱有两种规格。较大的：高612mm、宽460mm、深460mm

安放：温度、湿度自记仪器较小的：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31第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日2.4.2阿斯曼通风干湿表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。仪器测量精度高，使用方便，常用作野外测量气温和湿度。32第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日2.4.3防辐射罩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。结构：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，以便吸收照射到内层的辐射，不致放射到元件上。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。33第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日2.4.3防辐射罩（续）缺点：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。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。34第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日补充：金属温度计是能够自动记录气温连续变化的仪器。感应元件是双金属片，由膨胀系数相差较大的两片金属焊接成，将其一端固定，另一端随温度变化而发生位移，位移量与气温接近线性关系。自记系统由自记钟，自记笔组成，自记笔与放大杠杆相连并受感应元件操纵。35第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日补充：温度的观测观测的程序：小百叶箱：干湿球、毛发表、最高、最低温度表读数并调整大百叶箱：温度计、湿度计读数并做时间记号36第三十六页，共三十八页，202