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dq057基于MCS51的多功能温度测量仪,毕业设计
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24第2章 温度测量 2.1 概述 2.1.1 定义 温度是决定两个物体之间净热流方向的条件。在这样一个系统中，一个物体自始至终失去热量给另一个物体，则认为失去热量的物体处于较高的温度。 2.1.2 单位和温标 以开尔文（K）为单位的热力学温度（T）是基本温度。开尔文是水的三相点的热力学温度的1/273.16。由公式（2.1）定义的摄氏温度（t）用于大多数气象目的。 16.273= Tt （2.1） 温差一摄氏度（）等于一开尔文（K）。 在热力学温标中，测量值用与绝对零度（0 K）的差值表示。在0 K温度下，任何物质的分子不再具有动能。从1990年开始，通用的温标是“国际温际（ITS）90”（见附录），它是根据若干个可再现的平衡状态温度的认定值（见附录表1）和在这些温度下校准的专用标准仪器确定的。ITS是这样选定的，即根据它测量的温度与热力学温度是一致的，所有差值都在现有的测量准确度范围以内。在ITS定义的固定点之外，可利用其他二级参考点；气象上关注的点以及在这些点之间内插的标准方法在附录表2给出。ITS的温度应当称为“摄氏度”（degrees Celsius）。 2.1.3 气象要求 2.1.3.1 概述 气象学需要测量的温度主要有： （a）近地面气温； （b）地表温度； （c）不同深度的土壤温度； （d）海面和湖面的温度； （e）高空气温。 这些测量不管是共同的还是单独的，不管是局地的还是全球的，为了输入到数值天气预报模式，为了水文和农业目的，以及作为气候变化的标志都是需要的。而局地温度对于人类每天的活动具有直接的生理上的重要性。温度测量可能要求连续记录，也可能在不同的时间间隔进地采样。本章涉及的是（a），（b）和（c）。 2.1.3.2 准确度要求 本指南第一编第1章叙述了温度测量的范围、记录的分辨率和所需要的准确度。实际上，提供直接符合所要求性能的温度表是不经济的。用以替代的是经实验室标准温度表校准的较便宜的温度表，使用时对他们的读数需要加以修正。必须限制修正值的大小，使剩余误差保持在界限以内。此外，选用的温度表量程应能够反映当地气候变化的范围。作为一个例子，下表给出了温度表的典型测量范围和可以采用的校准范围和误差范围。 nts 25温度表特性要求 温度表类型 普通 最高 最低 标尺范围（） -30+45 -30+50 -40+40 校准范围（） -30+40 -25+40 -30+30 最大误差 0.2K 0.2K 0.3K 在量程之内最大修正值与最小修正值之间的最大差值 0.2K 0.3K 0.5K任意10之间修正值的最大变化 0.1K 0.1K 0.1K 所有的温度测量仪器都应当有符合准确度要求或性能规格的证书，或者是有满足准确度要求的修正值的校准证书。初始的测试和校准应该由国家级的测试机构或经认可的检定实验室来进行。温度测量仪器随后还应定期进行检查，用于校准的精密设备取决于被校准的仪器或传感器。 2.1.3.3 温度表的响应时间 在常规气象观测中，使用时间常数非常小的温度表没有好处。因为在几秒钟之内，气温会连续波动1至2度。因此，用这种温度表要得到一个有代表性的读数就要求多次读数取平均。时间常数较大的温度表则有助于平滑掉快速波动。然而时间常数太大，可能在温度发生长周期变化时导致误差。时间常数已定义为温度表显示出一个气温阶跃变化的63.2%所需要的时间。建议在风速为5m/s时，温度表的时间常数值应当在30和60秒之间。时间常数大致与风速的平方根成反比。 2.1.3.4 记录测量的环境 温度是气象参数之一，温度的测量对暴露状况特别敏感。尤其是对于气候研究来说，温度测量受到诸如环境状态、植被、建筑物和其他物体的形态、地表覆盖物、防辐射罩或百叶箱的设计及其变化、以及设备中其他改变等的影响。因此，不但保存温度数据的记录是重要的，而且保存测量环境的记录也是重要的。而这种信息就称为“与气象观测资料有关的其他资料”（metadata-data about data）。 2.1.4 测量方法 为了测量一个物体的温度，可使温度表达到与该物体相同的温度（即与之达到热力学平衡），于是温度表本身的温度即可测出。另外，也可以用一辐射表测定温度而无须热平衡。 物质的任何物理性质如果是温度函数，都可作为温度表的依据。气象温度表中最广泛应用的性质是热膨胀和电阻随温度的变化。在其他应用之中，作用于电磁波谱红外区域的辐射温度表可用于从卫星上进行的温度测量。 用以指示常见温度的温度表通常称为“普通”温度表，而用以指示在一定时段内的极湍温度的温度表则称为“最高”或“最低”温度表。 有关温度测量的仪器设计和实验室应用方面有许多文献，比如“Jones（1992）”。 2.1.4.1 温度表的安置和场地 来自太阳、云、地面以及其他周围物体的辐射，通过空气而不会使气温产生明显变化。而自由暴露的温度表则可能吸收相当多的辐射，导致温度表的温度不同于真正的气温。其差值决定于辐射强度nts 26和吸收辐射与散失热量的比值。对于某些温度表元件，例如裸线电阻温度表使用的精细金属丝，差值可能非常小，甚至可以忽略不计，但对比较常用的温度表来说，在极端不利的条件下其差值可以达到25。因此，为了保证温度表处于真正的空气温度，必需采用百叶箱或防辐射罩以防护温度表使之免受辐射，还可用它来架设温度表和遮挡降水，还可以使其周围的空气自由流通并防止温度表意外损坏。然而，在百叶箱上有凇附碰冻冰层的情况下，要保持空气的自由流通是相当困难的。为减少这种条件引起的观测误差的措施将是各式各样的，其中可能包括使用特别设计的百叶箱或温度测量仪器。 在对不同地点和不同时间的温度表读数进行比较时，为了取得具有代表性的结果，百叶箱的甚至温度表本身的暴露状况的标准化是必不可少的。对于一般气象工作，观测到的温度应当能代表气象站周围一个尽可能大的面积上高度为地面以上1.25m到2m的自由空气的温度。规定地面以上高度是因为大气的最低层可能存在大的垂直温度梯度。因此进行测量的最好场地是在平坦地面以上，自由暴露在太阳和风中，不受树木、建筑物和其他障碍物的遮挡也不与之靠近。应避免把场地设在陡坡和凹地以及易受特殊条件影响的地方。在城镇中，地方性特色预料要比农村地区明显得多。建筑物顶上的温度观测是否有意义和有用处值得怀疑，因为垂直温度梯度多变且建筑物本身对温度分布有影响。 2.1.4.2 温度标准器 实验室标准器 国家标准实验室拥有和保持基准温度表。国家气象部门的或其他的经认可的校准实验室可拥有一个溯源国家基准的高级别铂电阻温度表作为工作标准。这个温度表的准确度可以在一个水三相点槽中定期检验。水的三相点是精确定义的，而且可以在三相点槽中复现，其不确定度为110-4K。 外场标准器 WMO参考干湿表（WMO，1992）是用以确定常规地面仪器测量的气温与真实气温之间关系的参考仪器。该仪器设计成非固定式仪器，不用装在百叶箱或防辐射罩内；它是适合用于评估和比对仪器系统的最准确的仪器，它不属于在日常气象业务中连续使用的仪器。它能提供不确定度为0.04K（95%的置信水平）的温度测量。更进一步的信息见第一编第4章。 2.2 玻璃液体温度表 2.2.1 结构要求 对于常规气温观测，包括最高、最低和湿球温度的观测，通常仍采用玻璃液体温度表。这种温度表是利用一种纯液体相对于其玻璃容器不同的膨胀来指示温度的。表柱是一个有极细管腔的管子与主球部相通。温度表中液体的体积使球部完全充满，而在要测量的所有温度下只是部分地充满表柱。液体的体积相对于其容器的变化量是由表柱中液体长度的变化来指示的；用标准温度表来校准，可以把温度标度刻在表柱上，或是刻在一个紧固在表柱上的单独标尺上。 温度表使用何种液体，取决于所需测量的温度范围。水银可用于在其凝固点（-38.3）以上的温度；而酒精或其他的纯有机液体用于较低温度。玻璃应当是经认可适用于温度表的一种“标准”玻璃或“硅酸硼”玻璃。玻璃球要制成既有适当强度又薄到便于热量传入或传出球部及其内装液体。对于一个给定的表柱长度，细窄的管腔使表柱中的液体在给定的温度变化中可以有较大的移动，但却减少了温度表可使用的温度范围。温度表在进行刻度之前，应当进行适当的退火处理以减少玻璃老化引起nts 27的缓慢变化。 气象温度表的结构有四种主要形式。它们是： （a）标尺刻在温度表表柱上的套管型； （b）标尺刻在固定于温度表柱上乳白色玻璃板上的套管型； （c）标尺刻在表柱上并固定于一个金属、瓷或木质的有标度数值的背板上，无套管型； （d）标尺刻在表柱上的无套管型。 某些温度表的表柱是正面透镜型，可使水银丝的象放大。熟知的例子，就是为医学目的设计的体温表。但是，正面透镜型的温度表在气象学中并没有广泛应用。 （a）和（b）型优于（c）和（d）型之处是，它们的标度刻线不会磨损。而（c）和（d）型的刻线，就需要不时的重新涂黑；另一方面，这种温度表比（a）和（b）型容易制作。（a）和（d）型的优越性是不容易有视差（见2.2.4节）。 无论采用哪种形式，套管和支架不应过大，以便保持较低的热容量。同时套管和支架应当足够结实，经受得起使用和运输的一般风险。 对于玻璃水银温度表，特别是最高温度表，水银柱上面近于完全真空是很重要的。所有温度表都应在全浸时定标，但土壤温度表除外。不同用途的温度表的特殊要求，以后在相应的标题下予以说明。 2.2.1.1 普通（气象站用）温度表 这是在所有气象温度表中最准确的仪器，通常采用玻璃水银温度表。其刻度间隔为0.2或0.5，量程要比其他气象温度表大。 普通温度表安置在百叶箱内以避免辐射误差。用支架使其保持直立，球部在最下湍，球部形状为圆柱体状或洋葱头状。 一对普通温度表可用作干湿表。 2.2.1.2 最高温度表 推荐的形式是一种水银玻璃温度表，在其内腔管中在球部与标尺起始处之间有一缩颈。这个缩颈能阻止水银柱随着降温而退缩。然而，用人工的方法可使温度表复原：观测员拿牢它，球部向下，挥动手臂使水银柱重新合一。最高温度表应当安置成与水平面成大约两度的角度，球部在低的一头，以保证水银柱能停留在缩颈上而不会因重力穿过缩颈。为了使分离开的水银柱易于合起来，最好将表柱顶部的内腔管加粗。 2.2.1.3 最低温度表 最普通的最低温度表是在酒精中浸有一个长约2cm的深色玻璃游标的酒精温度表。由于在酒精温度表的内腔管中残留着一些空气，因此其上端应有一安全囊，此囊的容积应能保证使仪器经受住50的温度而不损坏。与最高温度表相似，最低温度表应当安置在近乎水平的状态。 多种液体可用于最低温度表，诸如乙醇、戊烷和甲苯。重要的是液体应尽可能地纯，因为存在某些杂质在光照下暴露一段时间后，就会增加液体的聚合作用，这种聚合，会引起校准值的变化。例如，乙醇就应当完全不含丙酮。 2.2.1.4 土壤温度表 nts 28为了测量深度为20cm或小于20cm的土壤温度，通常使用的是其表身在最低刻度线以下弯成直角或任何其他适当角度的玻璃水银温度表。温度表的球部埋入地下至需要的深度，从温度表上读数是就地进行的。这些温度表应以浸没到测量深度的状况来分度。因为温度表的其余部分仍处于气温中。表柱的顶端应留有安全囊。 为了测量深度大于20cm的温度，建议使用装在木质，玻璃或塑料套管中的玻璃水银温度表，其球部埋入蜡内或含金属的涂料中。然后，该温度表连同套管一起悬挂或塞进一埋入地下至要求深度的薄壁金属外管或塑料外管中。在寒冷气候区，外管顶部应当伸出在地面以上并高于预期积雪厚度。 使用垂直钢管的方法来测量土壤特别是干燥的土壤的温度日变化是不合适的，而用这种测量方法来计算土壤热力性质会带来重大的误差。 由于增加了热容量而有较大的时间常数，这能使温度表在从外管中取出和读数的时间内其温度不会产生明显偏离土壤温度的变化。 为了使观测员接近要观测的温度表而不破坏积雪，建议构造一个平行于温度表排列的轻便桥。此桥应设计成其盖板在两次读数之间可以移走，以免影响积雪。 2.2.2 测量程序 2.2.2.1 普通温度表的读数 温度表必须尽快读数，以避免由于观测员在场而使温度变化。由于液体弯液面或游标与温度表的标尺不在同一平面上，必须注意避免视差。除非观测员保证从其眼睛到弯液面或游标的直线与温度表表柱成直角，否则就会有视差。因为温度表的标尺分度一般不会小于一整度的五分之一，而在干湿表测量中读数要精确到一度的十分之一是基本要求，对此必须靠估计得出。如果有标尺误差的修正值，应当用于对读数修正。最高和最低温度表应当每日至少两次读数与调整。它们的读数应经常与普通温度表的读数比较，以确保读数不发生严重误差。 2.2.2.2 测量最低草温 一个直接暴露于天空之下并正好处于短草之上的温度表在整个夜间达到的最低温度就是最低草温，是用2.2.1.3节中描述的最低温度表测量的。温度表应当安置在适当的支架上，使其与水平面有一个大约2的倾斜角，球部略低，约在地面以上25mm至50mm高度上并且与草尖接触。当地面有积雪，温度表应立即架在雪面以上，尽可能与雪面靠近但不能触及雪面。 通常，温度表是在日落之前的最后一次观测时放置，在次日早晨读数。白天，仪器放在百叶箱中或放在室内。然而，在接近日落时观测员已不在场的站，可能需要整天都把温度表放在外面。在强日射条件下，这样放置温度表可能导致酒精蒸馏并聚集在表腔细管的顶部。在温度表顶端安全囊外，套一个内衬棉垫的黑色金属防护罩可使这种影响减至最小；这个防护罩吸收辐射较多，达到的温度要比温度表其余部分要高。这样，所有蒸汽都将沿表腔细管向下并凝结在酒精柱的顶端。 2.2.2.3 测量土壤温度 土壤温度测量的标准深度是地面以下5、10、20、50和100cm，也可以包括其他的深度。进行这种测量的场地应当是一块约75cm2的裸露平地，其土壤就是所需资料地块周围土壤的典型。如果地面对周围环境不具有代表性，则场地范围就应当扩展到不小于100c m2。当地面为雪覆盖时，最好也测nts 29量积雪的温度。雪稀少的地方，在读数之前可以把雪拨开，观测后再盖上。 当描述土壤温度测量的场地时，土壤类型、覆土和地面倾斜的程度与走向都应当记录来，只要有可能，诸如单位体积干重，导热率和田间持水量等土壤物理常数都应当说明。地下水位高度（如果在地面以下5m之内）和土壤结构也应当包括在内。 农业气象站要连续记录土壤温度和贴近该土壤的气层中各高度上的气温（最好是地面到主要植被上限以上约10m）。 2.2.3 温度表的安置 不管是普通温度表还是最高和最低温度表都是安置在百叶箱的一个支架上。极端温度表安在适当的支架上，使其与水平面有一个大约2的倾斜角，球部略低。 最低草温温度表的安置加2.2.2.2中规定的那样。在常年有积雪且厚度不断变化的观测站，应尽可能使用一个可使温度表升降的支架，使温度表保持在雪面以上正确的高度。 2.2.4 玻璃液体温度表的误差来源 所有玻璃液体温度表共同的主要误差来源是： （a）弹性误差 （b）外露表柱引起的误差 （c）视差和读数的大误差 （d）内外压力引起的球部容积的变化 （e）毛细作有 （f）分度和校准的误差 （g）在所考虑的量程内液体和玻璃的膨胀不同 后三种误差可以通过生产工艺使其减至最小，而且可以对观测值进行修正。前三种误差是需要考虑的。误差（d）对于气象用温度表来说不会发生。 2.2.4.1 弹性误差 弹性误差分为可消除的和不可消除的两种。前一种误差只有当温度表在短时间内暴露于大范围温度变化的情况下才是重要的。这样，如果温度表先在汽化点进行检查，又迅速地放在冰点下，其读数先会稍稍偏低，然后指示的温度才会慢慢地上升至正确的值。这种误差取决于温度表采用的玻璃的质量，其值可多达1K（最优质的玻璃应只有0.03K），温度范围减小，误差值也会按比例地变小。这种影响对于气象测量是无关紧要的，只有在最初的校准中有可能出现这种误差。 不可消除的误差可能更重要。温度表的球部在几年当中会缓慢收缩，从而导致零点上移。这种变化第一年最大，其后变化率将逐渐减小。通过对球部进行热处理或采用最合适的玻璃可以减小这种变化。即使采用最好的玻璃，开始的时候每年也会有0.01K的变化。对于精确性的工作，特别是对于检查员用的温度表来说，应该定期地重新测定零点，并作必要的修正。 2.2.4.2 外露表柱引起的误差 用于测量气温的温度表通常全部被几乎是同一温度的空气所包围，而校准时可把温度表全部地浸没或仅仅浸到水银柱头部（即全浸或部分浸没校准）。当使用这样的温度表来测定表柱未被包围的媒nts 30介物的温度时，表柱的实际温度会不同于球部的温度，从而产生误差。 对于气象应用来说，最有可能遇到的情形是，在一个盛有液体的器皿中检查普通温度表，而液体的温度明显不同于周围环境的温度，并且只有球部或表柱下部浸在液体之中。 2.2.4.3 视差和读数的大误差 如果不是在一个通过液柱顶部并垂直于表柱的平面上观测温度表，就会产生视差。视差会随着表柱的厚度和实际视线与正确视线之间夹角的增大而增大。只有仔细观测才能避免视差。由于玻璃水银温度表是垂直悬挂在普通百叶箱里的，所以必须在水银柱顶部的水平面上进行观测。 由于观测员贴近温度表读数在一定程度上干扰了周围环境也会产生误差。因此，观测员读数必须尽快地读数至最接近的十分之一度。读数的大误差的大小通常是1，5或10，如果观测员在初次读数后再核对一下十位数和个位数的数字，这种误差是可以避免的。 2.2.4.4 膨胀差异引起的误差 水银的体膨胀系数是1.8210-4K-1，大多数玻璃的体膨胀系数介于1.010-53.0105K-1之间。因此，玻璃膨胀系数是水银膨胀系数的一个重要的分数且不可忽略。水银的和玻璃的体膨胀系数与表柱内径的截面面积，在测量的温度范围内和使用的表柱长度内都不是严格的恒定的数，所以表柱单位长度的刻度值沿着表柱而有所变化，为此温度表在交付使用之前需由生产者用标准温度表对其进行校准。 2.2.4.5 与酒精温度表有关的误差 酒精温度表中使用的液体的膨胀系数远比水银的大，而其凝固点要比水银的低（乙醇的凝固点是-115）。最低温度表使用酒精，是因为酒精无色而且膨胀系数大，这样可以采用内径较大的表柱。酒精温度表与同价格同质量的水银温度表相比，准确度要低些。除了玻璃液体温度表所共有的缺点外，液体温度表（除了水银温度表）有一些自身的特性： （a）酒精在玻璃上附着。与水银不同，有机液体通常会湿润玻璃，这样，当温度急剧下降时，有一部分液体可能还附着在表柱内壁上，引起温度表读数偏低。如果温度表是垂直悬挂的，液体会逐渐流下去。 （b）液柱断开。由于蒸发和凝结作用，在表柱上部常常形成液滴。液滴会与主要液柱重新连接，但在此过程的初始，尚未连接之前就会引起误差。在运输中也会发生断柱。为了减小这种误差，在制造时要在最低的温度下封口，以使表柱内腔含有的空气量最大。 （c）液体的缓慢变化。有机液体随着使用年限和光照的影响常常会发生聚合，从而引起液体积逐渐减小。杂质的存在会使这种效应加速；特别是，当酒精中含有丙酮时已显示出这是非常有害的。因此，温度表使用的液体必须十分仔细地制备。如果用颜料给液体加色使其更醒目，也会使这种效应增强。 减少断柱引起的误差和酒精温度表的一般维护在本章稍后论述。 2.2.5 外场和实验室的比对和校准 2.2.5.1 实验室的校准 温度表的实验室校准必须由国家级测试机构或经认可的校准实验来实施。对于玻璃液体温度表，nts 31应该使用一个能在所需的温度范围内使温度保持在任意所需数值的液体槽。槽内液体温度的变化速度不应超出推荐的界限，校准设备必须有搅动液体的装置。标准温度表和受检温度表都应该在容器中分别悬挂，且不触及容器边缘。 测量应该充分，以确保所用的修正值能代表温度表在正常条件下的性能，而任何中间点的内插值引起的误差，不会超出非系统性误差。 2.2.5.2 外场的检查和校准 所有玻璃液体温度表都要经历零点的渐变。基于此原因，需要对它们进行定期检查，通常是两年一次。检查前应在室温下至少垂直放置24小时。 冰点的检查可以用盛满碾碎的蒸馏水制成的冰块的杜瓦瓶进行，要加入更多的蒸馏水来润湿冰块，使冰块之间和器皿底部下应有空气。水面应低于冰面2cm。一个普通的保温瓶可容纳全部温度表并使之全浸直至其冰点。温度表应该插好使其水银或酒精柱露出冰块的部分为最少。读数前，应至少经过15分钟，以使温度表接受融冰的温度。每个温度表应在混和物中前后晃动，然后迅速读数，并精确到一个刻度的十分之一。然后隔5分钟再读数，并计算平均值。 量程内的其余点可以用移动标准器或检查员温度表作参考。比对应该通过将标准温度表和温度表（或受检温度表）浸没在一个盛水的深器皿中进行。最好在室内进行（特别是有阳光照射时），如果水温处于或接近环境温度就能取得最好的结果。 每支温度表与标准温度表进行比较；同类型温度表可以相互比较。对于每一个比对，将温度表握在一起，球部紧紧相靠，在水中前后移动约一分钟，然后读数。必须尽量读取浸没程度相差不大的两支温度表；这样，球部应尽可能深浸水中。大多数气象温度表为全浸检定，当水温与气温的差值不超过5K，外露表柱修正可以忽略不计。有时，球部在同一深度，而标准温度表和受检温度表的水银柱（或其他液柱）顶部并不是非常接近。因此，要特别小心，以免出现视差。 每对温度表的比对应该至少做三次。每组比对，读数差值的平均值不应超出2.1.3.2节的表中所规定的容限。 土壤温度表的测试方法也一样，但是必须在水中至少放置30分钟；以使埋球部的蜡接受水温。除非水温比较稳定，否则由于土壤温度表的时间常数大会使测试很难取得好的结果。如果在30分钟内温度变化不超过1K的水中仔细地进行测试，则与标准温度表修正后读数的差异应不超过0.25K。 2.2.6 修正 温度表出厂的时候，应该提供注明日期的确认符合准确度要求的证书，或注明日期并给出施加于读数的修正值以达到要求准确度的校准证书。 通常，如果在温度表量程内各选择点（如0，10，20）的误差都在0.05K以内，就无需作修正，这样无论是在自然通风百叶箱中的普通温度表，或者是最高、最低、土壤或最低草温温度表都可以直接使用。如果在这些选择点的误差大于0.05K，则应在读数处给观测员提供一张修正值表，并明确说明如何进行修正。 应该附有证书的温度表还有： （a）通风干湿表用的温度表； nts 32（b）检查员使用的移动式标准器的温度表； （c）用于特殊目的并需要施加修正值的温度表。 作干湿表用时，应选择相同的温度表。 2.2.7 维护 2.2.7.1 液柱断开 最常遇到的故障是液柱断开，特别是在运输中。酒精（最低）温度表最可能发生这种情况。与这些温度表有关的其他问题，酒精对玻璃的附着性，和由于蒸馏作用，在内腔细管上形成酒精滴。 为使断开的液柱接合，可手持温度表，球部向下，并且轻而急速地用手指或其他某种有弹性、不太硬的东西轻击。这种轻击应持续一些时间（可能需要五分钟），然后把温度表球部向下地悬挂起来或直立于某一适当容器中至少一小时，以使所有附着在玻璃上的酒精全部流回到主要液柱上去。如果这种处理方法不成功，一种较快的方法是：使球部在冰与盐的冷冻混合物中冷却，同时使表柱上部保持温暖，因此液体将慢慢蒸馏回到主要液柱中。也可直握温度表，球部浸在温水容器中，同时不时地轻敲或摇动表柱。一旦酒精柱达到表柱顶部的安全囊，立刻把温度表从水中取出。使用这种方法时，一定要特别小心。如果酒精膨胀入安全囊，温度表就有爆裂的危险。 2.2.7.2 刻度模糊不清 无套管型玻璃液体温度表的另一个缺点是刻度会随着时间变化而变得模糊不清。这个问题可以通过在观测站用一支黑彩笔或黑铅笔擦拭管壁而加以解决。 2.2.8 安全 水银是在玻璃液体温度表中最常用的液体，如果被人吞下或其气体被人吸入都是有毒的。如果温度表被打碎，水银微滴未被清除掉，就会对健康造成危害，特别是在有限的空间内（第一编第3章水银气压表一节中给出了清除的建议）。飞机对于水银温度表的运输也有限制，或采取特别的预防措施，以防止意外破损引发的水银泄漏。应该征求有关的管理机构或运输机构的意见。 2.3 机械式温度计 2.3.1 概述 仍在普遍使用的是装有双金属片或巴塘管的类型，这是因为它们比较便宜、可靠和轻便。然而，它们不能用于遥测或电子记录。这种温度计装有转动记录纸的机械，是常见的一种传统记录仪器。一般说来，如果用于大陆气候观测，温度计应当能在大约60K甚至80K的量程内工作。标度数值需要做到，在适当大小的记录纸上使温度读到0.2K而不会有困难。为此，应当有一种依季节调整仪器零点位置的装置。温度计的最大误差，不应超过1K。 2.3.1.1 双金属片温度计 这种仪器中记录笔的移动是由双金属片或双金属螺旋片的曲率变化来控制的，它的一端牢牢固定在与框架连接的臂上。应当有这个臂的精细调整装置，以便需要时能调节仪器的零位。此外，仪器应当有一种能通过调整杠杆长度来变换标度值的装置，此杠杆将双金属片的移动传送到笔尖。这种调整，最好由指定人员来做，双金属元件应适当防锈，虽然在某些气候条件下有一涂漆层可能就够了。但最好的方法是镀以厚的铜、镍或铬，在5ms-1的空气速度下，可得到的典型的时间常数大约是25秒。 nts 332.3.1.2 巴塘管温度计 这种温度计的总体结构类似于双金属片型温度计，其温度敏感元件是一截面为扁椭圆形的弯曲金属管，内充酒精。巴塘管比双金属片的灵敏度小，通常需要多重杠杆机构以便给出足够放大的标度值。在空气速度为5ms-1时，典型的时间常数大约是60秒。 2.3.2 测量程序 为提高读数的分辨率，温度计通常装有一到两种量程不同的记录纸，在不同的季节使用。更换记录纸种类的准确日期，随具体地点而有所不同，但是一旦变更，就需要对仪器进行调整。调整可在百叶箱内当实际温度保持恒定的情况下（选一个有风的阴天）进行，也可在温度恒定的室内进行。先把固定笔杆和笔轴的螺丝拧松，将笔杆移到正确的位置上，再将螺丝拧紧。然后在重新检验和再作调整之前不要再动它。 2.3.3 安装 这些仪器必须安装在一个大的温度表百叶箱内。 2.3.4 误差来源 在温度计的机件中，摩擦是主要的误差来源。一个原因是螺旋片相对于轴的定位准直性差。除非准确定位，否则螺旋片的作用相当于一个强大的弹簧（如果固定），把主轴推在轴承的一侧。有了现代化的仪器，这就不是一个严重的问题了。笔和记录纸之间的摩擦可以通过恰当地调整笔架使之保持一个最小值。 2.3.5 比对和校准 2.3.5.1 实验室的校准 对双金属片温度计有两种基本的实验室校准方法。一种是将温度计固定放置并使双金属片元件插入水槽进行检验。另一种是将其置装于有气温控制装置、风扇和标准温度表的检定箱内校准。 比对应在两个温度下进行；这样，任何的零位变化和放大率变化都能够发现。量程调整应该由指定的人员按照工厂的仪器手册进行。 2.3.5.2 外场的比对 机械式温度计的时间常数比较小，约相当于普通水银温度表的一半，所以当用干球和温度计在固定的时间进行读数的日常比对，即使仪器工作状况良好，也不会产生完全一致的结果。一个较好的方法是，在一个气温基本保持恒定的日子（通常是一个有风的阴天）检验仪器的读数，或者对安装在同一百叶箱中温度计记录线的最低点读数与最低温度表的读数作比较。任何必要的调整都可以通过调节螺丝来实现。 2.3.6 修正 机械式温度计出厂时通常不带修正证书。如果观测站检验表明仪器误差过大，而且无法在当地调整，那么就应把仪器送到一个合适的校准实验室进行修理和重新检定。 2.3.7 维护 日常维护包括：外观检查，轴承间隙，记录笔杆的倾角，笔的支架，以及放大臂和记录笔之间的夹角。这种检查应按照厂家推荐的做法来进行。通常，螺旋片应该小心安装以免机械损伤，并且应该nts 34保持清洁。轴承也应保持清洁，并用备用的钟表油对其内部进行润滑。这种仪器从机械上来说非常简单，而且提供了减小摩擦和防止生锈的预防措施，应该是很好用的。 2.4 电测温度表 2.4.1 概述 在气象工作中用于测量温度的电测仪器正在普及。它的主要优点在于，能够提供适用于温度数据遥测显示、记录、存储或传送的信号输出。最常用的传感器，是电阻元件、热敏电阻和热电偶。 2.4.1.1 电阻温度表 以已知方式随温度变化的某种材料的电阻测量值，可以用来表示温度。 温度变化小时，纯金属电阻的增加正比于温度变化，如公式（2.2）所示： )(100TTaRRT+= （2.2） 式中：)(0TT 为很小值；TR为一固定量金属在温度T（以K为单位）时的电阻；0R是其在参考温度0T时的电阻；a是在0T附近该金属电阻的温度系数。 以0作为参考温度，公式（2.2）变为： 10taRRT+= （2.3） 温度变化较大时，对于某些合金，公式（2.4）表示的关系式较为准确： )()(12000TTTTaRRT+= （2.4） 以0作为参考温度，公式（2.4）变为： 120ttaRRT+= （2.5） 这些公式给出了真实温度表的电阻随温度成比例的变化，根据对有关温度表的校准，可以得出系数a与的数值。 一个好的金属电阻温度表，应满足下列要求： （a）在温度测量范围内，它的物理性质和化学性质保持不变； （b）在测量范围内，其电阻随温度的增加而稳定增加且无任何不连续； （c）诸如湿度、腐蚀或物理变形等外界影响都不会明显改变其电阻； （d）在两年或两年以上期间，其特性将保持稳定； （e）它的电阻值和温度系数应大到足以在测量电路中使用。 纯铂最能满足上述要求，因此把它用在地区间传递国际温标ITS-90所需要的一级标准温度表。铜是适用于二级标准器的材料。 气象用的实用温度表，通常都是由铂合金、镍或铜（偶尔用钨）制成，在使用前都经人工老化。它们通常用玻璃或陶瓷进行密封绝缘，但它们的时间常数仍然比玻璃液体温度表要小。 2.4.1.2 半导体温度表 常用的另一类型的电阻元件是热敏电阻。这是一种电阻温度系数相对大的半导体，随实际材料的不同，电阻温度系数可能为正值或为负值。金属烧结氧化物的混合体，适合于制作实用热敏电阻。成nts 35形通常为小圆片状、棒状或球状，并且常常外裹玻璃。热敏电阻的电阻R随温度变化的一般表达式，由公式（2.6）给出： )/exp( TbaR = （2.6） 式中：a和b是常数；T是热敏电阻的温度，以K为单位。 从测温的观点看，热敏电阻的优点是： （a）在获得相同灵敏度的前提下，大的电阻温度系数能够降低加在电阻桥两端的电压。这样，就能减少甚至可以消除对引线电阻及其变化的考虑。 （b）元件能够做得非常小，因而热容量很小，可得到小的时间常数。然而，非常小的热敏电阻及其小的热容量也有缺点，因为，对于给定的消耗，其自热效应要比大的温度表大。因此，必须注意保持小的功耗。 在-40到+40温度范围内，典型的热敏电阻的阻值有100或200倍的变化。 2.4.1.3 热电偶 1821年，塞贝克（Seebeck）发现在两种不同金属材料的接触点处会产生极小的接触电动势。如果用两种金属材料建立一个简单电路，且连接点处在同一温度，那末电路里就不会获得电动势，因为两个电动势（每个连接点一个）正好相互抵消了。如果变动一下其中一个接点的温度，两个电动势就不再平衡，电路里会产生一个净电动势，形成电流。当有多个接点的时候，能得到的电动势是各单个电动势的代数和。任意接点接触电动势的大小和符号，取决于连接的金属类型和接点处的温度，根据经验，任何两种金属的电动势可用下式表示： 2)()()(SSSTTTTTaEE += （2.7） 式中TE是在温度T处的接触电动势，SE是在某一标准温度ST处的电动势，a和是常数。假如两个接点的温度分别为1T和2T，那么净电动势nE（热电动势）为（21EE ），1E是温度1T处的电动势，2E是温度2T处的电动势。nE也可由给出的二次公式近似表示为： )(21EEEn= （2.8） 22121)()( TTbTTaEn+= （2.9） 式中a和b是与两种金属有关的常数。对于气象用途来说，可能常常将b忽略，因为与a相比它总是很小。 制作热电偶就是将有关的金属丝焊接（或熔接）在一起。连接点可以做得非常小，而且可以忽略其热容量。 当用于测量温度时，将一个连接点保持在一个已知的标准温度，用另一个接点感受需要测量的温度，计算这时产生的电动势。通过对该系统的事先校准，电动势可以直接与两个连接点间温差建立联系，这样通过已知校准温度加上差值的代数和，就可得出未知的温度。 通常在气象学的研究工作中，当需要温度表有非常小的时间常数（约1或2秒）并能远距离读数和记录时，热电偶用得最多。缺点是如果要求测量温度绝对值，就需要有一个恒温容器，把冷接点和nts 36供测量电动势装置用的附属仪表都装在容器内，热电偶最适合于测量温度差，因为没有这种复杂情况出现。采用适当的灵敏仪表，热电偶温度表的精密度可以非常高，但是需要经常检定。铜-康铜或铁-康铜组合适用于气象工作，因为它们每摄氏度产生的电动势高于高温测量用的稀有金属和贵金属的热电偶。 2.4.2 测量方法 2.4.2.1 电阻和热敏电阻 电阻和热敏电阻温度表可以联接到各种电测线路中，其中很多是平衡的或不平衡的电桥线路。在平衡电桥中，调节一精密电位差计，直到指示器上无电流流过，则电位差计桥臂的位置与温度有关。在不平衡电桥中，可以用一电流表测量不平衡电流。然而，这一电流不单是温度的函数，而且还部分地依赖于其他效应。避免这一情况的方法是用恒流电源供给桥路，并且测量不平衡电压以取得温度读数。 至于遥测，应该考虑到电阻温度表和电桥之间的导线也会形成一个随温度而变化的电阻。可以采取适当的预防措施以避免这种误差。 数字电压表可以用一恒流电源联接，以测量温度表元件两端随温度而变的电压降；其输出可直接以温度来标度。而此数字输出也能存储或传送而不失其准确度，因此可供进一步使用。如果需要，数字电压表的数字输出还能接着转换回模拟电压形式，例如馈入一记录器。 2.4.2.2 热电偶 测量热电偶电动势的方法主要有两种： （a）用一个灵敏的电流表测量电路的电流； （b）用一个已知的电动势来平衡热电电动势，使热电偶本身实际上没有电流流过。 在方法（a）中，电流表以串联方式直接和两个接点相连。如果要求测量准确度优于0.5%时，通常采用方法（b）。这种方法不依赖于导线电阻的大小或变化，因为在平衡条件下无电流通过。 2.4.3 安装 电测温度表的安装要求，一般与玻璃液体温度表的相同（见2.2.3节）。此外还包括： （a）极端值测量。如果电测温度表与一个连续运行的数据记录系统相连，那么就不再需要单一的最高和最低温度表； （b）表面温度测量。电测温度表的辐射特性有别于玻璃液体温度表。因此，电测温度表如果用作草面（或其他表面）最低温度表，其所测的值，与相同条件下安装的普通温度表所测的值是不一样的。将电测温度表放在一个玻璃套里可以减少这种差异。 （c）土壤温度测量。放在垂直钢管里的水银温度表非常不适于测量土壤温度的日变化。把电测温度表置于铜套中并按深度要求插入未经干扰的垂直土壤截面，该土壤截面通过开挖已暴露在外。电气连接线通过埋在深沟的塑料管引出，然后用同样的方法将土回填，恢复原来的土层和排水特性。这样就可能获得更有代表性的读数。 2.4.4 误差来源 2.4.4.1 电阻和热敏电阻 nts 37用电阻温度表测量温度的主要误差来源是： （a）温度表元件自身加热； （b）导线电阻补偿不当； （c）传感器或处理仪器非线性补偿不当； （d）开关接触电阻的突变。 自身加热的发生是因为电阻元件有电流通过而产生热量，这样，温度表元件的温度比周围介质温度要高。 连接线的电阻将引起温度读数误差。长的引线会使误差更为明显，比如当电阻温度表放在离测量仪器相当远的地方，读数误差也会因电缆温度改变而有所变化。这些误差可以用外接导体（平衡电阻）和一个合适的电桥网路来补偿。 在扩大的温度范围内，电阻温度表和热敏电阻温度表都不是线性的，但是如果在一个有限的温度范围内使用，仍可以取得接近线性的输出。因此必须采取措施，对这种非线性进行补偿。热敏电阻温度表可能最需要这种补偿，以达到一个可用的气象测量范围。 当开关使用年限增加时，就会发生开关接触电阻的突变。除非定期进行系统校准检查，否则可能不易觉察（见2.4.5）。 2.4.4.2 热电偶 热电偶测量温度的主要误差来源是： （a）导线电阻随温度而变。减少这种影响的办法是，使所有的导线尽量短而紧凑，并绝缘良好； （b）当温度测量点附宾存在一个温度梯度时，从接头出来的导线上就会有热传导； （c）由于联接电路里使用与热电偶不同的金属，偶尔会产生第二种热电动势。因此，电路其余部分的温差必须尽量的小；当被测电动势较小的时候尤其重要（这种情况需要定期重新校准）； （d）电源电路近旁会有泄漏电流。适当屏蔽导线可以使这种影响减至最小； （e）如果导线或接点沾水就会产生激励电流； （f）电流计的温度变化引起其特性改变（首要的是改变其电阻）。这决不会影响用电位法测取的读数，但会影响直接读数的仪器。使电流计的温度尽量接近校准时电路的温度，可以使这种影响减至最小； （g）在电位法测量中，标准电池电动势（电位计电流据此进行调整）的变化，和各次调整之间的电位计电流的变化都会引起测量电动势的相应误差。如果使用校正过的标准电池，而且电位计的电流只在温度测量前进行调整，这种误差一般很小。 当要求的准确度非常高时，误差（a）和（f）使电位测量法的优势显得更加突出。 2.4.5 比对和校准 2.4.5.1 电阻和热敏电阻 电测温度表的实验室校准和外场检查的基本技术与方法，与玻璃液体温度表是一样的（见2.2.5节）。但是，由于检查应该包括温度表的正常的电气导线在内，不可能只把电阻温度表拿到室内来检查，因此不得不在百叶箱内进行温度表的检查。除非有两个观测员，否则，电测温度表和玻璃水银标nts 38准温度表（或当地正在使用的电阻温度表）的温度示值的精确比对，将是难以实现的。由于测量仪表是电测温度表的一个组成部分，因此，其校准可以用一个精确的十进的电阻箱代替电阻温度表，在整个工作温度范围内每隔5K用等量电阻来进行。任意点的误差都不应超过0.1K。这项工作应当由技术人员来完成。 2.4.5.2 热电偶 热电偶的校准和检查需要将冷接点和热接点都准确地保持在已知的温度上。承担这项工作所需的技术和设备都非常专业化，就不在这里描述了。 2.4.6 修正 电测温度表出厂时，应该提供： （a）注明日期的确认符合相关标准的证书；或 （b）注明日期的并给出在所用温度范围内固定点的真实电阻值的校准证书。这些阻值是在温度表使用前（和使用期间）用以检查测量仪表的精密度或系统接口的精密度时使用。一般，电阻值偏离名义值的差，用相当的温度误差表示时不应大于0.1或0.2 K。 2.4.7 维护 定期的外场检查应该确定系统校准中的任何变化。这些变化可以由下面一些原因引起：温度表电气特性的长期变化、电缆或其接头的老化、开关接触电阻的变化或测量设备电气特性的变化。确切来源的判定和误差修正需要专门的设备和培训，只能由维护技术人员来做。 2.5 辐射屏蔽罩 一个辐射屏蔽罩或百叶箱，应当尽可能设计成罩内和箱内温度均匀并与外界空气温度一致。它应当能把温度表完全包围在内，并且挡住辐射热与降水。最好的结果是要有强制通风就是用一个风扇抽吸空气并使之流经温度表元件；在这种情况下，屏蔽罩可以用高度抛光的金属制作，虽然绝热材料更合适些。如果系统依靠自然通风，则必须使用绝热材料。 2.5.1 百叶箱 在各类百叶箱中，大多数依靠自然通风。百叶箱的四壁最好是双层百叶板，底板应当由交错的木板制成。但是，也可有满足上述要求的其他结构型式。箱顶板应是双层的，两层之间有供通风的空间。在寒冷的气候中，因为雪的反射率高（高达88%），百叶箱也应当有双层底板。同时底板应易于卸下或翻转，以便暴风雪期间进入百叶箱的雪能被清除。 百叶箱的大小和结构应当是既能保持其热容量尽可能低，又使得仪器与四壁之间有足够的空间。后者的好处是排除了温度表感应部分与四壁直接接触的可能性，这在热带尤其重要，那里的日射对四壁的加热可引起百叶箱内相当大的温度梯度。感应部分与温度表支架之间的直接接触也应当避免。百叶箱的内外，应当涂以白色、不吸湿的油漆。 如果装置了双层箱壁，它们之间的空气层就起到减少向内传送热量的作用。否则，那些热量就要由外壁传送到箱内来，在强日照的时候尤其如些。当风相当大时，箱壁之间的空气不断变换，使由外壁向内的热传导进一步减少。 在整个百叶箱内自由流通的空气使得内层箱壁的温度适应环境空气的变化。这样一来，内层箱壁nts 39对温度表温度的影响就减少了。百叶箱内空气的自由流通，也使温度表随箱内空气温度的变化而变化的速度比只有辐射交换起作用时要快得多。然而，穿过百叶箱的空气流要接触外壁要花费一定的时间，这可能使其温度因此而改变。当风很小以及外箱壁的温度与空气温度有明显差别时，这种影响相当大。因此可以预期，在强日照和静风的白天，误差也许分别能达到2.5K和0.5K。下雨之后，由于潮湿，百叶箱的蒸发冷却也可以引起附加误差。所有这些误差对于百叶箱中诸如湿度表，蒸发表等其他仪器的读数也有直接影响。 如果百叶箱安装一套经适当设计的强制通风系统，以保持一个恒定和已知的通风率，至少可保持在低风速，这样，由自然通风变化引起的误差就可以减少。在系统设计中应当注意，要保证从风扇和电机来的热量不会影响百叶箱的温度。 一般情况下，百叶箱只需要一个门，百叶箱的安置要保证观测时打开门后太阳照射不到温度表。在热带，需要两个门供一年中不同的时期使用。同样，极地地区太阳高度角很低，要提防太阳的直射光线进入百叶箱内部。可采用遮阳板，或者采用一种能在打开门读数时可转动到适当角度的百叶箱。 尽管大多数百叶箱仍是木制的，但最近某些设计使用塑料材料可更好地防止辐
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