第五章温度的测量

1、温度的测量温度的测量第一节第一节 概述概述为什么要观测大气温度？为什么要观测大气温度？ 世界万物的生生息息都与气温有着世界万物的生生息息都与气温有着千丝万缕的联系。大气中的一切物理过千丝万缕的联系。大气中的一切物理过程如天气过程、风雨的形成、全球变化程如天气过程、风雨的形成、全球变化等都与温度有关。等都与温度有关。常用温标有三种：常用温标有三种： 开尔文温标（绝对温标）开尔文温标（绝对温标）(K):Kelvin Temperature (K):Kelvin Temperature ScaleScale 摄氏温标摄氏温标 ():Celsius Temperature Scale():Celsiu

2、s Temperature Scale 华氏温标华氏温标(F):Fahrenheit Temperature Scale(F):Fahrenheit Temperature Scale 它们之间的换算关系为：它们之间的换算关系为： K KC C换算：换算： C CF F换算：换算： K KF F换算：换算：273.15KC273.15CK5329CF9325FC532273.159KF9273.15325FK温度尺度绝对温度T(K) 摄氏温度t() 华氏温度t( ) )32(95tt3259tttT16.273测温仪器类型测温仪器类型 A.A.接触式接触式测温仪器直接放入大气介质中。测温仪器直

3、接放入大气介质中。 （1 1）液体玻璃温度表）液体玻璃温度表 （2 2）双金属片温度计）双金属片温度计 （3 3）金属电阻）金属电阻 （4 4）热敏电阻）热敏电阻 （5 5）热电偶）热电偶B.B.非接触式非接触式以遥感方式测量大气温度。以遥感方式测量大气温度。 （1 1）超声温度计）超声温度计 （利用声速随大气温度变化利用声速随大气温度变化特性特性） （2 2）红外线辐射计、微波辐射计（）红外线辐射计、微波辐射计（利用物质的利用物质的辐射效应与温度的特性辐射效应与温度的特性） （3 3）声学测温雷达（）声学测温雷达（利用声波在大气中的传播利用声波在大气中的传播与温度的特性与温度的特性）观测项目

4、（观测项目（单位以单位以表示，取一位小数）表示，取一位小数）定时气温定时气温日最高气温日最高气温日最低气温日最低气温配有温度计的气象站做气温的连续记录配有温度计的气象站做气温的连续记录地温地温地面温度地面温度地面最高、最低温度地面最高、最低温度草面草面( (雪面）温度雪面）温度浅层地温：离地面浅层地温：离地面5 5，1010，1515，2020厘米深度的厘米深度的地中温度地中温度深层地温：离地面深层地温：离地面4040，8080，160160，320320厘米深度厘米深度的地中温度的地中温度 第二节第二节 液体玻璃温度表液体玻璃温度表基本原理基本原理液体玻璃温度表的感应部分是一个充液体玻璃温度

5、表的感应部分是一个充满液体的玻璃球，示度部分为玻璃毛满液体的玻璃球，示度部分为玻璃毛细管。细管。温度变化时，引起测温液体体积膨胀温度变化时，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或收缩，使进入毛细管的液柱高度随之变化。之变化。V0：0 时表内液体体积；时表内液体体积；t：温度升高值；：温度升高值； L：毛细管中液：毛细管中液柱的长度变化量；柱的长度变化量； 为液体的热膨胀系数为液体的热膨胀系数; 为玻璃球的热膨胀系为玻璃球的热膨胀系数数;S为毛细管的截面积。为毛细管的截面积。灵敏度高的仪器，刻度精密。灵敏度高的仪器，刻度精密。V0、 越大，越大，S越小温度表灵敏度越高。越小温度表

6、灵敏度越高。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常用的液体玻璃温度表干湿球温度表最高温度表最低温度表地面温度表曲管地温表直管地温表1.1.干湿球温度表干湿球温度表 由两支型号完全由两支型号完全一样的温度表组一样的温度表组成。其中干球温成。其中干球温度表用于测定度表用于测定 1.51.5米高度处的气米高度处的气温。温。2. 最高温度表最高温度表的测量原理：最高温度表的测量原理：升温时，球部水银膨胀，水银热膨胀系升温时，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管内；但在降温时，

7、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。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因此，水银柱顶可指示出一段时间内的最高温度。高温度。 当观测完时，需要由人工将毛细管中的水银当观测完时，需要由人工将毛细管中的水银复位。复位。 3. 最低温度表 观测时将游标调整到酒精柱的顶端，观测时将游标调整到酒精柱的顶端，然后将温度表平放。然后将温度表平放。 升温时，酒精从游标和毛细管之间升温时，酒精从游标和毛细管之间的狭缝通过，游标不动；的狭缝通过，游标不动； 温度下降时，液柱顶端表面张力使温度下降时，液柱顶端表面张力使游标向球部方向移动。游标向球部方向移动。 因

8、此，游标指示的温度只降不升，因此，游标指示的温度只降不升，远离球部的一端将指示出一定时段的最远离球部的一端将指示出一定时段的最低温度。低温度。4. 4. 地面温度表地面温度表 地面温度表（又称厘米温度地面温度表（又称厘米温度表），地面最高和最低温度表的构造表），地面最高和最低温度表的构造和原理，与测定气温用的温度表基本和原理，与测定气温用的温度表基本相同。相同。 5. 5. 曲管（浅层）地温表曲管（浅层）地温表 5,10,15,205,10,15,20厘米曲管地温表的构造和厘米曲管地温表的构造和原理亦基本同上，只是表身下部伸长、长原理亦基本同上，只是表身下部伸长、长度不一，并且在感应部分上端弯

9、折，与表度不一，并且在感应部分上端弯折，与表身成身成 135135夹角。夹角。6. 6. 直管（深层）地温表直管（深层）地温表 40,80,160,32040,80,160,320厘米直厘米直管地温表管地温表原理亦基本同原理亦基本同上。上。 装在带有铜底帽的管装在带有铜底帽的管形保护框内，保护框中部形保护框内，保护框中部有一长孔便于读取温度数。有一长孔便于读取温度数。保护框的顶端连接在一根保护框的顶端连接在一根木棒。整个木棒和地温表木棒。整个木棒和地温表（保护框）又放在一根硬（保护框）又放在一根硬橡胶套管内。橡胶套管内。第三节第三节 双金属片温度计双金属片温度计 双金属片温度计是自动记录气温连

10、续双金属片温度计是自动记录气温连续变化的仪器。它由感应部分、传递放大部变化的仪器。它由感应部分、传递放大部分、自记部分组成。分、自记部分组成。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。第四节第四节 电测温度表电测温度表1、温差电现象（热电现象）、温差电现象（热电现象）两种不同的金属导体两种不同的金属导体A和和B的两端，彼此焊的两端，彼此焊接在一起，构成一个闭合回路时，若两个接接在一起，构成一个闭合回路时，若两个接触点的温度不同，回路中就有电流产生触点的温度不同，回路中就有电流产生两焊接点之间的温差越大，回路中的电

11、动势两焊接点之间的温差越大，回路中的电动势也越大，这种现象叫做温差电现象，也称热也越大，这种现象叫做温差电现象，也称热电现象，这种电路称热电偶或温差电偶。电现象，这种电路称热电偶或温差电偶。1. 热电偶温度表1. 热电偶温度表 22121()()ttttt21()ttt热电偶的电动势与温差之间的关系为：热电偶的电动势与温差之间的关系为： 由于系数由于系数 当温差不太大时，可用下式当温差不太大时，可用下式 气象上使用的热电偶几乎都是铜、或锰铜气象上使用的热电偶几乎都是铜、或锰铜鏮鏮铜，原因是：铜，原因是：（1 1）热电偶灵敏度高（）热电偶灵敏度高（4040v/v/）；）；（2 2）稳定性好（可做

12、成热电堆）；）稳定性好（可做成热电堆）；（3 3）焊接工艺简便；）焊接工艺简便；（4 4）成本低。）成本低。 热电偶温度表的缺点是测温时参考端温度固定。热电偶温度表的缺点是测温时参考端温度固定。2. 金属电阻温度表20(1)tRRtt 金属导体电阻的阻值随金属导体电阻的阻值随温度的升高而增大温度的升高而增大0(1)tRRt 在大气测温范围内，各种金属的电在大气测温范围内，各种金属的电阻与温度的关系曲线接近直线关系，即阻与温度的关系曲线接近直线关系，即因此上式可写成：因此上式可写成： 金属电阻温度表的选材温度一次项系数较大二次项系数远小于一次项系数电阻率大，易于绕制高阻值元件性能稳定 气象上常用

13、的金属材料：气象上常用的金属材料：铂铂、镍、铜。、镍、铜。 常用铂做成标准温度表、气温和地温传常用铂做成标准温度表、气温和地温传感器。感器。地面和浅层地温传感器地面和浅层地温传感器 深层地温传感器深层地温传感器 3. 热敏电阻温度表原料常是某些金属氧化物的混合物。常原料常是某些金属氧化物的混合物。常见的有棒状、珠状和片状。见的有棒状、珠状和片状。半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。减小。/b TTRAe灵敏度高于金属电阻温度表，但稳定性稍差，灵敏度高于金属电阻温度表，但稳定性稍差，广泛应用于高空遥测。广泛应用于高空遥测。第五节第五节 测温元件的热滞效应测温

14、元件的热滞效应当测温元件从一个环境迅速地转移到另当测温元件从一个环境迅速地转移到另一个温度不同的环境时，温度测量仪表一个温度不同的环境时，温度测量仪表的示度不能立即指示新的环境温度，而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，这种现象是逐渐趋近于新的环境温度，这种现象称为温度表的热滞（或滞后）现象。称为温度表的热滞（或滞后）现象。 在它的示度尚未达到新的环境温度之在它的示度尚未达到新的环境温度之前进行观测，就会产生误差，称作滞差。前进行观测，就会产生误差，称作滞差。元件在元件在d d? 的时间内与周围介质交换的热量为：的时间内与周围介质交换的热量为：()dQhs Td 其中：

15、其中：T:T:元件温度；元件温度； ：环境温度；：环境温度； S S：有效散热面积；：有效散热面积； h h：热交换系数：热交换系数元件得到（或失去）热量元件得到（或失去）热量dQdQ后，增（或降）后，增（或降）温温dTdT，则有：，则有： dQ=CMdT一、热滞系数一、热滞系数()d Th sTdC M 令：令： 为热滞系数，则：为热滞系数，则：1()h sC M1()d TTd 其中其中为热滞系数，单位为秒。热滞系数为热滞系数，单位为秒。热滞系数特性：元件的热容量越大，散热面积越小，特性：元件的热容量越大，散热面积越小，则则越大；热交换系数越大；热交换系数h h的大小取决于环境的大小取决于

16、环境介质性质和通风量；介质性质和通风量；热滞系数和风速的关系()nkV环境温度恒定时的滞差环境温度恒定时的滞差001TTd TdT0lnTT 0TeT则则 ：1()d TTd 1 1、一定时，一定时，愈小，愈小，T T愈趋近于愈趋近于。 2 2、一定时，一定时，愈长，愈长，T T愈趋近于愈趋近于。 3 3、时，时，T T1/1/(t(t0 0)。 热滞系数热滞系数的物理意义的物理意义为：当介质温度保为：当介质温度保持不变时，温度表示度和介质温度之差持不变时，温度表示度和介质温度之差T T减小到起始温度差减小到起始温度差T T0 0的，即减小到的，即减小到起始温差的时所需要的时间。起始温差的时所

17、需要的时间。0TeT环境温度呈线性变化引起的滞差环境温度呈线性变化引起的滞差环境温度如不恒定，由于测温元件的热滞，示环境温度如不恒定，由于测温元件的热滞，示度将会始终落后实际温度的变化。环境升温时度将会始终落后实际温度的变化。环境升温时示度偏低；降温时示度偏高。示度偏低；降温时示度偏高。01()dTTd 01()dTTd (1)Te 例：气温每小时升例：气温每小时升33，=300s=300s，=1/1200=1/1200/s/s，求求T-T- ？113000.25(0.25)601()600.05(1200CssCCsTCssC 1解:T-=-=-偏低1200当偏低0.05 C)上式可简化为T=-环境温度呈周期性变化时的滞差002sinAp 10022222sin(tan)1 4/ATppp 温度表读数也呈周期为P的正弦变化温度指示的振幅A小于实际振幅A0温度表读数的正弦变化相位落后第六节第六节 气温测量中的防辐射设备气温测量中的防辐射设备防辐射途径屏蔽增加元件的反射率人工通风，促使元件散热采用极细金属丝元件，细丝