大气探测学温度的测量.

温度的测量本章要求•掌握测温元件的基本原理•掌握测温元件的热滞效应•了解防辐射设备的基本特点主要内容1.概述2.测温元件3.测温元件的热滞效应4.气温测量中的防辐射问题一.概述温度测量包括大气温度、土壤温度、水体温度及植物群体温度等的观测。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、全球变化等都与温度有关。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它们之间的换算关系为：K——C换算：C——F换算：K——F换算：273.15KC273.15CK5329CF9325FC532273.159KF9273.15325FK温度尺度绝对温度T(K)摄氏温度t(℃)华氏温度t(℉)测温方法与测温仪器类型1、温度测量仪器量程的确定测温仪器量程的确定是根据区域气温的年最低、最高值确定的。如：-20℃——+60℃2、测温仪器的类型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）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）二.测温元件•液体玻璃温度表•热电偶温度表•金属电阻温度表•热敏电阻温度表2.1.液体玻璃温度表1、基本原理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，液体柱升高，反之下降。液柱的高度即指示温度的数值。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。式中为液体的热膨胀系数;为玻璃球的热膨胀系数;S为毛细管的截面积。将上式改写成等式左边称作温度表的灵敏度。表示温度改变1℃引起的液体高度变化，灵敏度高的仪器，刻度精密。V0、越大，S越小温度表灵敏度越高。设0℃时表内液体的体积为V0，当温度升高△t时，毛细管中液体柱的长度变化为△L，则体积的改变量为：0()VLtS0VtLS2、各种玻璃温度表的特性玻璃温度表液体有水银、酒精和甲苯。它们的物理特性见下表表，水银、酒精、甲苯的物理特性凝固点（℃）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-95.1110.510915.91.63610510510310410410（1）水银玻璃温度表优点：比热小；导热系数高；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，可用于低温；热胀系数大缺点:湿润玻璃，易发生断柱现象；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。3、最高、最低温度表3.1最高温度表（水银）最高温度表的结构特点：毛细管较细，液体为水银。在玻璃球部焊有一根玻璃针，其顶端伸至毛细管的末端，使球部与毛细管之间的通道形成一个极小的狭缝。如图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。3.2最低温度表（酒精）最低温度表的结构特征：毛细管较粗，内装透明的酒精，游标悬浮在毛细管中。如图最低温度表的测量原理：观测时将游标调整到酒精柱的顶端，然后将温度表平放。升温时，酒精从游标和毛细管之间的狭缝通过，游标不动；温度下降时，液柱顶端表面张力使游标向球部方向移动。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低温度。地温测量仪器1.地面温度表地面温度表（又称０厘米温度表），地面最高和最低温度表。2.曲管地温表5,10,15,20厘米曲管地温表。3.直管地温表40,80,160,320厘米直管地温表。地温的测量-玻璃液体温度表地面温度表地面温度表（又称０厘米温度表），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相同。东地温的测量-玻璃液体温度表曲管地温表5,10,15,20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、长度不一，并且在感应部分上端弯折，与表身成135°夹角。地温的测量-玻璃液体温度表直管地温表40,80,160,320厘米直管地温表是装在带有铜底帽的管形保护框内，保护框中部有一长孔，使温度表刻度部位显露，便于读数。保护框的顶端连接在一根木棒（或三节棒）上，木棒长度依深度而定。整个木棒和地温表（保护框）又放在一根硬橡胶套管内。木棒顶端有一个金属盖，恰好盖住硬橡胶套管。木棒上几处缠有绒圈，金属盖内装有毡垫，以阻滞管内空气对流和管内外空气交换，也可防止降水等物落入。东南4、液体玻璃温度表的仪器误差•基点的永恒位移•玻璃变形引起的误差•刻度误差传感器的温度特性热敏电阻金属电阻热电偶2.2热电偶温度计1、温差电现象（热电现象）两种不同的金属导体A和B的两端，彼此焊接在一起，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，如图所示。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，也称热电现象，这种电路称热电偶或温差电偶。热电偶测温原理热电偶的电动势与温差之间的关系为：由于系数当温差不太大时，可用下式22121()()ttttt21()ttt21Ttt与的关系可由下图表示图：电动势与温差的关系气象上使用的热电偶几乎都是铜、或锰铜-康铜，原因是：（1）热电偶灵敏度高（40μv/℃）；（2）稳定性好（可做成热电堆）；（3）焊接工艺简便；（4）成本低。热电偶温度表的缺点是测温时参考端温度固定。采用何种方法来提高热电偶温度表的灵敏度和精度？为了提高热电偶温度表的灵敏度，可将若干对热电偶串接起来组成热电堆，如图所示：灵敏度为：40μv/℃*5=200μv/℃=0.2mv/℃热电偶测温误差来源1.焊接点清洗不干净2.元件和焊剂受潮氧化3.焊接点附近有电解物质而产生附加化学电动势4.导线导热2.3金属电阻温度20(1)tRRtt1.原理金属导体的电阻值随温度增加的关系式为：式中t为摄氏温度；R0为金属在0℃时的电阻；Rt为t℃时的电阻；为因金属而异的电阻温度系数。和在大气测温范围内，各种金属的电阻与温度的关系曲线接近直线关系，即因此，Rt可写成：0(1)tRRt温度表的金属材料的选择主要考虑以下几点：（1）温度系数α要大；（2）电阻值与温度的线性度要好，即；（3）电阻率要大，易于绕制大阻值元件；（4）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。地温测量仪器的使用-铂电阻传感器地面和浅层地温传感器地温传感器一般使用铂电阻地温传感器。自动观测系统中的地面温度和浅层地温的观测地段，设在原安装地面温度表和曲管地温表东侧的裸地内，地表应疏松、平整、无草，并与观测场地相平。地温测量仪器的使用-铂电阻传感器深层地温传感器深层(40、80、160、320cm)地温传感器各安装在一根木棒(或三节棒)上，木棒的长度依深度而定(可使用原直管地温表的木棒)，整个木棒及传感器放在专用套管内。木棒顶端有一个金属盖，用以盖住专用套管，木棒上几处缠有绒圈，金属盖内装有毡垫，以阻滞管内空气对流和管内外空气交换，也可防止降水等物落入。专用套管安装在人工观测的直管地温表套管的南侧50cm处，并一一对应。然后将传感器安装在相应的专用套管内地温测量仪器的使用-铂电阻传感器地温传感器深层地温:40、80、160、320cm深层地温传感器：40、80、160、320cm2.4热敏电阻温度表测量温度热敏电阻的原材料多是金属氧化物的混合物：如氧化镍（NiO）、氧化锰（Mn3O4）的混合物。用这一类半导体材料制成的电阻元件，其温度系数大，灵敏度高。对于气象测温范围内，热敏电阻的阻值RT与绝对温度T的关系可用下式表示：/bTTRAe式中A、b为元件的系数。•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。（1）当T=T0时，RT=RT00/0bTTTRRAe0/0bTTARe所以:0//0bTbTTTRRe00ln[ln]TTbbRRTT由此可见，热敏电阻阻值的对数与绝对温度的倒数成线性关系。上式中右边中括号中的数为一常数。将上式代入（1）得：对上式取对数得：（2）1TTTdRRdT/22()()bTTTdRbbAeRdTTT2TbTRT和T为非线性关系，其解决办法是通过线性化平衡电桥电路实现线性化测量。定义半导体热敏电阻温度系数αT，为温度变化1℃引起的元件阻值的相对变化率，即由（1）式求导得：将（3）代入（2）式得：（3）三、测温元件的热滞效应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前进行观测，就会产生误差，称作滞差。造成测量仪器滞后的原因有两个：一是元件与四周环境的热交换需要一个过程（热滞效应）；二是指示系统有延迟特性（例电表的阻尼）。元件在dז的时间内与周围介质交换的热量为：()dQhsTd其中：T:元件温度；θ：环境温度；S：有效散热面积；h：热交换系数元件得到（或失去）热量dQ后，增（或降）温dT，则有：dQ=cMdTc为比热容，M为元件的质量3.1、热滞系数()dThsTdcM其中：为热滞系数,单位为秒（s）。1()hscM1()dTTd热滞系数特性：元件的热容量越小，散热面积越大，则λ越小；热交换系数h的大小取决于环境介质性质和通风量；简化为3.2环境温度恒定时的滞差001TTdTdT0lnTT0TeT对上式积分：则3.3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。01()dTTd01()dTTd若温度呈线性变化：000TT得：(1)Te,T当时上式可简化为例：气温每小时升3℃，λ=300s，β=3/3600℃/s，求T-？解上式，并设初始条件113000.25(0.25)601()600.05(1200CssCCsTCssC1解:T-=-=-偏低1200当偏低0.05C)热滞系数越小，滞差越小。（*）式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。3.4、环境温度呈周期性变化002sinAp若环境温度以初始温度0，周期P，振幅A0的正弦变化，即：100222:22sin(tan)14/ATppp计算