常规观测仪器课件

常

规

观

测

仪

器概述

温标:

为了定量地表示温度,必须选定一个衡量温度的标尺——温标。温标给出了一系列的参考点，如：1.在标准大气压力条件下，有：纯水的冰点温度：0.00℃；冰、水、汽三相点温度：0.01℃；纯水和水汽的平衡沸点温度：100℃；水银的熔点温度：-38.862℃；固体升华点温度：-78.476℃；液态氧的沸点温度：-182.962℃；概述2.水的沸点与大气压力的关系

式中P0为海平面气压或标准大气压力（1013.25hpa);P为本站气压。固体CO2的升华点温度与大气压力的关系为：

无水乙醇的沸点温度与大气压力的关系为：

其中：A=8.04494,B=1554.3,C=222.65概述3.常用温标有三种：开尔文温标（绝对温标）(K):KelvinTemperatureScale摄氏温标(℃):CelsiusTemperatureScale华氏温标(F):FahrenheitTemperatureScale概述三种温标（摄氏温标、华氏温标、绝对温标）的换算关系：概述观测项目：气温（1.5m）土壤温度地表温度（0cm）地中浅层（5、10、15、20cm）较深层（40、80、160、320cm）水温最高温度（气温、地表温度）最低温度（气温、地表温度）1.1.1温度测定仪器的基本原理根据物理学原理，任何物质随着温度的变化，都会引起它本身的物理特性或几何形状的改变。测温仪器就是利用这一原理，选择物理特性与几何形状随温度变化比较明显的液体、固态或气态物质作为感应元件，以此来测定温度。

A.接触式——测温仪器直接放入大气介质中。（1）玻璃温度表（利用液体膨胀特性；不便转换成电信号）（2）双金属片温度计（利用固体线膨胀系数之差；自记仪器）（3）金属电阻温度计（热电效应；性能稳定近似线性灵敏度低)

（4）热敏电阻温度计（半导体电阻随温度特性；灵敏度高，阻值大，体积小，非线性，互换性差）（5）热电偶温度计（热电效应；可测高温，灵敏度低，冷端电偶需温度固定）测温仪器的分类B.非接触式——以遥感方式测量大气温度。（1）超声温度计（利用声速随大气温度变化特性；观测速度快，观测记录复杂）（2）红外线辐射计、微波辐射计（利用物质的辐射效应与温度的特性；可远距离遥测，冠层及大气边界层温度观测）（3）声学测温雷达（利用声波在大气中的传播与温度的特性；可远距离遥测，大气边界层观测）

测温仪器的分类1.1.2玻璃液体温度表普通温度表——液体玻璃温度表液体玻璃温度表的感应部分是一个充满液体的玻璃球，示度部分为玻璃毛细管。由于玻璃球内的液体的热膨胀系数远大于玻璃，当温度升高时，引起测温液体体积膨胀，液体柱升高，反之下降。液柱的高度即指示温度的数值。

设0℃、t℃时，球部与管部的液体体积为V0、Vt。当温度改变△t℃时，液体体积的变化量为△V，则有： 因温度变化△t℃而引起的测温液体体积变化量△V，这时，△V量的测温液进入截面积为S的毛细管内。使得毛细管内液柱的长度改变了△L，即：

故液柱长度的改变量△L与温度的变化成正比，温度升高，毛细管中的液柱就伸长；反之，温度降低，液柱缩短，这就是玻璃液体温度表的测温原理。灵敏度上式表示温度每变化1℃时，液柱的改变量，即单位刻度的长度，称为温度表的灵敏度。当温度表球部的容积越大，毛细管横截面越小，视膨胀系数越大，则灵敏度越大，读数越精确。常用的液体温度表1.普通温度表用于测定空气温度和湿度的干湿球温度表、地面温度表及浅层土壤温度表均属此类。制作温度表的玻璃是专门经过热处理和陈化过的玻璃，以减少日久后玻璃自然老化变形而引起温度表的零点位移。常用测温液有水银和酒精（另有少部分是二甲苯）三种测温液体的比较：凝固点（℃）沸点（℃）

热膨胀（1/℃）

导热（J/cm.s.℃)比热(J/g.℃)水银-38.862356.918283.60.1256酒精-117.578.511018.02.51甲苯-95.1110.510915.91.63常用的液体温度表水银温度表凝固点：-38.862℃，沸点：356.9℃优点：比热小；导热系数大；沸点高；饱和蒸汽压较小；性能稳定，对玻璃无湿润作用；纯水银易得缺点：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：熔点低，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。（1）水银玻璃温度表

优点：比热小；导热系数大；沸点高；饱和蒸汽压较小；性能稳定，对玻璃无湿润作用；纯水银易得。

缺点：凝固点高（-38.862℃)；膨胀系数小。（2）有机液体（酒精、甲苯）温度表

优点：凝固点低；热胀系数大

缺点:易湿润玻璃;比热大不易平衡;导热系数小易造成球内温度分布不均;饱和蒸气压高，易发生毛细管凝结和断柱现象。常用的液体温度表（续）2.最高温度表（MaximunThermomter）专门用来测定一定时间间隔的最高温度的一种仪器。测温液体为水银可测最高气温、地温主要特征：毛细管较细；接近球部附近的内管里嵌有一根玻璃针；最高温度表毛细管的上部，不象一般温度表那样充有干燥气体，而是真空的。最高温度表原理：升温时，球部水银膨胀，水银热膨胀系数大于玻璃热膨胀系数，水银被挤进毛细管内；但在降温时，毛细管内的水银不能通过狭缝退回到球部，水银柱在此中断。因此，水银柱顶可指示出一段时间内的最高温度。 当观测完时，需要由人工将毛细管中的水银复位。最高温度表最高温度表调整方法：用手握住表身，球部向下，磁板面与摔动方向平行，手臂向外伸出约30°的范围内甩动，使毛细管中高于当时气温的一部分水银流回球部，使示度接近于当时的干球温度。调整后，放回时应先放球部，后放表身。量程：测量空气最高温度的温度表刻度范围－36℃――＋61℃。测量地面最高温度的温度表刻度范围为－16℃――＋81℃，最小分度值均为0.5℃。

常用的液体温度表（续）3.最低温度表（MinimuThermomter）专门测定一定时间间隔内的最低温度的一种仪器。最低温度表测温液体为酒精。可测最低气温、地温主要特征：毛细管较粗，内装透明的酒精，游标悬浮在毛细管中。最低温度表原理：当温度上升时，酒精膨胀绕过游标而上升，而游标由于其顶端对管壁有足够的摩擦力，使它能维持在原处不动；当温度下降时，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表面张力将游标带下去。最低温度表观测方法：游标远离球部的一端的示度即为一定时间内的最低温度。调整方法：抬高温度表的球部，表身倾斜，直至游标远离球部的一端滑到与酒精面相接触时为止。放回时应先先放头部，后放球部，以免指标下滑。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。液体玻璃温度表的仪器误差基点的永恒位移：玻璃温度表球部的容积随时间有缩小的趋势，以致基点下端提高，即所谓基点的永恒位移；这在制成温度表的初期明显，以后位移逐渐减小；液体玻璃温度表的仪器误差球部变形引起的误差：当温度表由低温升至高温后，再令其急速冷却到初始的温度时，温度表的指示会偏低；而后逐渐恢复为正常，称之为暂时跌落；反之，当高温降至低温，再令其急剧增温时，则温度表的指示会偏高。升（降）温的范围，升降温的速率，玻璃的种类对跌落值的大小有影响。液体玻璃温度表的仪器误差

划分刻度是在一定的范围内进行划分，刻度误差产生的原因：由于毛细管横截面积的不均匀性；液体和玻璃膨胀系数的非线性。1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）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。1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）

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：热电灵敏度较高（40μV·℃－1）；检定线稳定性好；价格低廉，焊接工艺简便。1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）热电偶的电动势与温差之间的关系为：当：当温差不大时可用下式：

1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）注意事项：配套设备必须注意由于温差、材料差异以及等造成的误差。1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）均一性回路定律：热电性质均一的导体，如纯度较高的金属或质地均匀的合金，不论其各段温度相差如何悬殊，都不会产生附加热电动势。非均一性回路定律：如果回路中任意一部分温度分布均一时，不论其热电性质差别如何悬殊，也不会产生附加的热电动势。

1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）温度叠加定律：1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）其他关键性技术：（1）消除化学电动势

（2）导线导热的误差

1.1.3热电偶温度表（ThermocoupleThermometer）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。1.1.4金属电阻温度表（MetallicResistanceThermometer）温度变化小时，纯金属电阻的增加正比于温度变化，关系为：R0为0℃时电阻α、β为电阻的一次和二次项温度系数1.1.4金属电阻温度表（MetallicResistanceThermometer）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。1.1.5热敏电阻温度表（ThermisterThermometer）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：

A，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。1.1.6红外线测温仪

（InfraredThermometer）1.1.6红外线测温仪

（InfraredThermometer）原理：采用新型红外探测元件的非接触式测温仪器，根据高于绝对温度零度的任何物体都能释放热辐射能的原理，将测量目标物的辐射强度，用新的物理模式及单片微机转换为温度测量。应用：该仪器除用于测量植物叶面及植物群体温度外，也可广泛用于测量土壤、水体、动物等各种常温物体的表面温度。

1.1.7自记温度计（Thermograph）可以获得任何时间的气温情况、极端值（最高值与最低值）及其出现时间；三部分组成。感应部分

双金属片自记温度计双金属片一端固定在仪器支架上，另一端可以自由伸展并且与杠杆装置连接。自由端的位移与温度变化成正比。传递放大部分

自记部分

自记钟、自计纸、自记笔组成。1.1.8测温元件的热滞效应热滞（滞后）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。滞差：在它的示度尚未达到新的环境温度之前进行读数，就会产生误差，称为滞差。1.1.8测温元件的热滞效应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（热滞效应）；指示系统有延迟特征（例如测量仪表的阻尼）。1.表示热滞的参数—热滞系数元件在dτ时间内与四周介质交换的热量为：元件得到（或失去）热量后dQ后，增温（或降温）dT，则：T、θ分别为元件和环境的温度，S为测温元件的有效散热面积，h为热交换系数；C为元件材料的比热容，M为元件的质量。1.表示热滞的参数—热滞系数合并上面两个式子：令：得：（1）式中的λ称为热滞系数。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。设

对（1）式积分：

则：（2）2.环境温度恒定时的滞差（初始条件）

2.环境温度恒定时的滞差当τ→∞时，T→θ；当τ→λ时， 即测温元件指示的温度和环境温度的差降低至初始差值的36.8%的时间为λ2.环境温度恒定时的滞差示度与环境的温差达到初始差值的1/10时，需要2.3λ；示度与环境的温差达到初始差值的1/100时，需要4.6λ；（2）例1：一支温度表λ=50s,与环境温度差为5摄氏度，欲使测温误差小于0.1摄氏度，则温度表感应时间至少需多少秒？例2：一个热滞系数为300秒的测温元件，在初始温差为10℃的条件下，于测温元件欲使滞差达到0.1℃，则需要1382秒。2.环境温度恒定时的滞差例3：阿斯曼通风干湿表，在通风3m/s时，λ=40s，如果在室内T0=20℃，移至室外测量环境温度θ=10℃的空气温度，在通风3分钟后观测，问此时的滞差为多少？2.环境温度恒定时的滞差3.热滞系数的测定对于一给定的温度表来说，热滞系数就是一个以时间为度量的常数，因此称为时间常数。想个法子，怎么能测出热滞系数呢？3.热滞系数的测定这个时间常数在实验中这样来测定：即测温元件指示的温度和环境温度的差降低至初始差值的36.8%的时间为λ；

把温度表加热（或冷却）到高于（或低于）介质温度若干度后，把它放入介质中，然后用秒表测定测温元件指示的温度和环境温度的差变化到初始差值的36.8%的时间，这个时间就是该温度表的热滞系数值。使用公式：当τ→λ时，3.热滞系数的测定例：将处在环境温度

=0℃的温度表加热到10℃，然后放入环境温度为0℃的环境中，用秒表测定当温度表温度下降到3.68℃时的时间，即为λ。4.环境温度呈现线性变化时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。其中变温率为β，将（3）式代入（1）式，设环境温度线性变化：得：（3）

（4）4.环境温度呈现线性变化时滞差解(4)，并设初始条件：（5)（6）4.环境温度呈现线性变化时滞差当τ<<λ时，上式简化为：上式即为环境温度呈线性变化时的滞差的计算办法。同时表明温度表对变化均匀的介质环境温度的示度差值为一常数。在小风度的晴天早晨，日出后气温近于线性上升。例：气温每小时升3℃，λ=300s，β=3/3600℃/s，求T-

？4.环境温度呈现线性变化时滞差5.环境温度呈周期性变化时滞差若环境温度以初始温度

0，周期P，振幅A0的正絃变化，即：将上式代入（1）式，得：解上面这个微分方程，得：5.环境温度呈周期性变化时滞差解上面这个微分方程，得：常数C1由初始条件确定，当τ<<λ时：5.环境温度呈周期性变化时滞差由上式可以得出下述几点结论：温度表读数也呈周期为p的正弦变化；温度表的振幅A小于实际振幅A0：温度表指示的读数的正弦变化位相落后，相移角为：例1：百叶箱内，气温变化振幅为A0=5℃，要求日振幅误差<0.05℃，计算测温元件的热滞系数应该小于多少？ 解：由解：由5.环境温度呈周期性变化时滞差例2：最高、最低气温出现时间相位落后引起的误差小于5分钟，求热滞系数？热滞系数的规定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。6.热滞系数和风速的关系热滞系数和风速的实验关系为：

式中，n,K为常数，ρ为空气密度，它和通风速度的乘积称通风量。

结论：风速越大，热滞系数越小。1.1.9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，使太阳辐射和地面发射辐射不能直接照射到测温元件上；增加元件的反射率；通风，促使元件散热；采用极细的金属丝元件，细丝具有较大的散热系数。1.百叶箱1.百叶箱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。1.百叶箱百叶箱有两种规格。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2.阿斯曼通风干湿表构造与原理原理同干湿球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。3.防辐射罩结构：罩的上板为伞形金属薄板，下为金属平板