第二章 溫度的測量2.1 ITS90 ITS90英文為International Temperature Scale of 1990，即1990年國際溫標(biāo) 溫度測量分為： 氣溫 水溫 土壤溫度2.1 ITS90（續(xù)） 為了定量地表示溫度，必須選定一個(gè)衡量溫度的標(biāo)尺。 理論上，熱力學(xué)定義的熱力學(xué)溫標(biāo)是指理想氣體在容積固定的條件下，容積內(nèi)的氣體壓力每改變1/273，相當(dāng)于溫度變化絕對溫度1K。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為氣體溫度表。 實(shí)用上，國際計(jì)量委員會(huì)引入了在各個(gè)測溫范圍內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)測溫元件系列：鉑絲電阻溫度表、輻射溫度表和鉑銠標(biāo)準(zhǔn)溫度表，利用它們進(jìn)行溫標(biāo)確定的方法稱作實(shí)用溫標(biāo)實(shí)用溫標(biāo)。2.1 ITS90（續(xù)） 實(shí)用溫標(biāo)1927年建立以來，前后進(jìn)行了四次修訂。 實(shí)用溫標(biāo)首先規(guī)定了一系列的參考點(diǎn)溫度。 如表2.1 ITS90部分溫度參考點(diǎn)。（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為1013.25hPa）2.1 ITS90（續(xù)） 大氣測溫范圍：-80+60。為了測溫儀器校準(zhǔn)上的方便，另設(shè)置了一些二類參考點(diǎn)。精度低于一類參考點(diǎn)。 參考點(diǎn)之間的各個(gè)溫度點(diǎn)的測溫基準(zhǔn)為一支基準(zhǔn)鉑電阻溫度表。 由無應(yīng)力的鉑絲制成，并滿足一定條件。表2.1 解釋 溫標(biāo)轉(zhuǎn)換： 攝氏溫度=熱力學(xué)溫度 273.15 水的三相點(diǎn)的溫度為 0.01 T90 ：熱力學(xué)溫度。單位為K。 dT/dp：溫度隨氣壓的變化。單位：10-8K/Pa W (T90) ：比電阻，等于R(T90)/R(273.16K)，即該溫度下的電阻值與水三相點(diǎn)溫度下的鉑電阻值之比。2.1 ITS90（續(xù)）ITS90測溫標(biāo)準(zhǔn)系列由三個(gè)關(guān)節(jié)組成：1.定出一系列的測溫參考點(diǎn)2.制作出國際標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度表3.各國計(jì)量部門制作出各自的鉑電阻溫度表，在參考點(diǎn)上確定出偏差函數(shù)。 每次測溫先測出 W(T90) 值換算成 Wr(T90)，再根據(jù)公式計(jì)算出溫度測定值。2.2 測溫元件2.2.1 液體玻璃溫度計(jì) 構(gòu)造： 玻璃球中充滿水銀或酒精等液體，與之相連的是中空的玻璃毛細(xì)管。 毛細(xì)管另一端封閉，背后襯有白瓷刻度板，外有保護(hù)套管。 原理： 溫度變化時(shí)，引起測溫液體體積膨脹或收縮，使進(jìn)入毛細(xì)管的液柱高度隨之變化。常用的幾種玻璃溫度表1.水銀溫度表凝固點(diǎn)： -38.862，沸點(diǎn)：356.9優(yōu)點(diǎn)：5點(diǎn)缺點(diǎn)：1.溫度在 -38.862 以下不能使用2.膨脹系數(shù)小測低溫可采用含鉈 4% 汞和金，可在 -62以上的溫度下使用常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)）2.有機(jī)液體玻璃溫度表常用：酒精、二甲苯酒精的凝固點(diǎn)-177.5，沸點(diǎn)：+78.5優(yōu)點(diǎn)：可用于低溫；膨脹系數(shù)大缺點(diǎn)：1.濕潤玻璃，易斷柱2.導(dǎo)熱系數(shù)小，球內(nèi)溫度分布不均勻3.飽和蒸汽壓高，溫度降低時(shí)會(huì)有液體小滴凝結(jié)在毛細(xì)管上部中空部分。常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)）3.最高、最低溫度表最高溫度表最低溫度表常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)）最高溫度表：是專門用來測定一定時(shí)間間隔的最高溫度它的構(gòu)造是在球部底處置一根玻璃針，直伸到毛細(xì)管口，使毛細(xì)管口變狹。溫度上升時(shí)，水銀膨脹，壓力增大，迫使水銀擠過狹管上升。溫度下降時(shí)，因無足夠壓力使水銀擠過狹管回到球部，水銀柱就在狹管處斷裂，于是狹管以上這段水銀柱的頂端，就保持在過去一段時(shí)間內(nèi)溫度表曾感受到的最高溫度示度上，因而可測得最高溫度。常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)） 最低溫度表： 專門用來測定一定時(shí)間間隔的最低溫度 它用酒精作測溫液，在毛細(xì)管內(nèi)放一枚游標(biāo) 溫度上升時(shí)，酒精膨脹可越過游標(biāo)上升，而游標(biāo)本身由于頂端對管壁有足夠的摩擦力，能維持在原處不動(dòng)。 溫度下降時(shí)，酒精柱收縮到與游標(biāo)頂端相接觸時(shí)，由于酒精液面的表面張力比游標(biāo)對管壁的摩擦力要大，使游標(biāo)不致突破酒精柱頂而借液面的表面張力帶動(dòng)游標(biāo)下滑。 也就是說，游標(biāo)只能降低，不能升高。所以，游標(biāo)離球部較遠(yuǎn)一端的示度，就是一定時(shí)間間隔內(nèi)曾經(jīng)出現(xiàn)過的最低溫度。常用的幾種玻璃溫度表（續(xù)）4.液體玻璃溫度表的儀器誤差基點(diǎn)的永恒位移球部變形引起的誤差刻度誤差2.2.2 熱電偶溫度表 原理： 兩種不同的金屬或合金焊接在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，兩焊點(diǎn)的溫度差異越大，電動(dòng)勢越高。 如令焊點(diǎn)1維持在已知溫度下，焊點(diǎn)2的溫度可借助于回路的電動(dòng)勢來確定。 氣象上使用的熱電偶材料幾乎都是銅，或錳銅康銅。有三條優(yōu)點(diǎn)。2.2.2 熱電偶溫度表（續(xù)） 通常在氣象學(xué)專門研究工作中，當(dāng)需要溫度表有非常小的時(shí)間常數(shù)并能遠(yuǎn)距離讀數(shù)和記錄時(shí)，熱電偶用得最多。 缺點(diǎn)是，如果要求溫度絕對值，就需要在熱電偶冷結(jié)點(diǎn)有一個(gè)常溫容器和供測量電動(dòng)勢裝置用的附屬儀表。 熱電偶最合適于測量溫度差。熱電偶最合適于測量溫度差。2.2.3 金屬電阻溫度表 溫度變化小時(shí)，純金屬電阻的增加正比于溫度變化，關(guān)系為： Rt = R0 ( 1 + t + t2) R0 為 0 時(shí)電阻 、 為電阻的一次和二次項(xiàng)溫度系數(shù)2.2.3 金屬電阻溫度表（續(xù)）溫度表的金屬材料選擇主要考慮四點(diǎn)：1.溫度一次項(xiàng)系數(shù)大2.電阻與溫度關(guān)系的二次項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)小于一次項(xiàng)系數(shù)，即 3.電阻率大，易于繞制高阻值的元件4.性能穩(wěn)定氣象上常用的金屬材料：鉑。常用鉑做成標(biāo)準(zhǔn)溫度表。2.2.4 熱敏電阻溫度表 材料：某些金屬氧化物的混合物，如：氧化鎂、氧化銅、氧化鈷和氧化鐵的混合物，在800900的高溫下燒結(jié)而成。 熱敏電阻值 RT 與絕對溫度 T 的關(guān)系如下： RT = A e b/T A，b 為元件系數(shù) A 的大小反應(yīng)了元件的電阻的大小 b 的大小反應(yīng)了 RT 對溫度的靈敏度2.3 測溫元件的熱滯效應(yīng)熱滯效應(yīng)：當(dāng)測溫元件從一個(gè)環(huán)境迅速轉(zhuǎn)移到另一個(gè)溫度不同的環(huán)境時(shí)，溫度表的示度不能立即指示新的環(huán)境溫度，而是逐漸趨近于新的環(huán)境溫度。造成測溫儀器滯后的原因：1.元件與周圍環(huán)境的熱交換需要一個(gè)過程2.指示系數(shù)有延遲特征（例如測量儀表的阻尼）2.3.1 表示熱滯的參數(shù)熱滯系數(shù) 元件的熱容量越大，散熱面積越小，熱滯系數(shù)則越大。 熱交換系數(shù)的大小取決于環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)以及它的通風(fēng)量。2.3.2 環(huán)境溫度恒定時(shí)的滯差 計(jì)算分析表明： 一個(gè)熱滯系數(shù)為 300秒 的測溫元件，在初始溫差為 10 的條件下，欲使滯差達(dá)到 0.1 ，則需要1380秒，即23分鐘。2.3.3 環(huán)境溫度呈現(xiàn)性變化時(shí)的滯差 環(huán)境溫度變化時(shí)，由于測溫元件的熱滯，示度將會(huì)始終落后于實(shí)際溫度的變化。 環(huán)境溫度升高時(shí)，示度偏低； 環(huán)境溫度降低時(shí)，示度偏高。 如：實(shí)際氣溫每小時(shí)升溫 3 ，熱滯系數(shù)小于300秒的元件，滯差達(dá) 0.25 ；當(dāng)熱滯系數(shù)小于60秒時(shí)，滯差可達(dá) 0.05 。2.3.4 環(huán)境溫度呈周期性變化時(shí)的滯差 如果1.5米高處百葉箱的氣溫日變化看作日振幅 5 的周期性變化，要保證紀(jì)錄下來的日振幅誤差小于 0.05 ，則測溫元件的熱滯系數(shù)應(yīng)小于2000秒。 如同時(shí)要求最高（最低）溫度出現(xiàn)的時(shí)刻相應(yīng)落后所引起的誤差不超過5分鐘，則測溫元件的熱滯系數(shù)應(yīng)小于300秒。 進(jìn)行氣象觀測時(shí)應(yīng)規(guī)定元件的熱滯系數(shù)。 WMO對地面觀測中測溫元件要求為：當(dāng)通風(fēng)速度為 5 m/s 時(shí)，熱滯系數(shù)在 3060s 之間。2.3.5 熱滯系數(shù)和風(fēng)速的關(guān)系 成反比： 風(fēng)速越大，熱滯系數(shù)越小。2.4 氣溫測量中的防輻射設(shè)備各種形式的輻射將使測溫元件的示度與實(shí)際氣溫存在差異。防止輻射誤差的途徑：1.屏蔽2.增加元件的反射率3.通風(fēng)4.采用極細(xì)的金屬絲元件2.4.1 百葉箱2.4.1 百葉箱（續(xù)） 百葉箱壁用雙層百葉木片做成，一面向內(nèi)傾斜45度，一面向外傾斜45度，空氣可自由流通。 百葉片寬26毫米，厚6毫米。百葉箱門朝北，安置在固定的架子上，架底高出地面1.25米。箱門前面安置一個(gè)小矮梯。 整個(gè)箱子涂上白漆，使它具有良好反射率。2.4.1 百葉箱（續(xù)） 百葉箱有兩種規(guī)格。 較大的：高 612mm、寬 460mm、深 460mm安放：溫度、濕度自記儀器 較小的：高 537mm、寬 460mm、深 290mm安放：干濕溫度表、最高溫度表、最低溫度表、毛發(fā)濕度表2.4.2 阿斯曼通風(fēng)干濕表 阿斯曼通風(fēng)干濕球溫度表是德國人R阿斯曼1887年所創(chuàng)，兩支棒狀溫度表放置在防輻射性能極好的通風(fēng)管道內(nèi)，機(jī)械或電動(dòng)通風(fēng)速度為2.5米/秒 。 儀器測量精度高，使用方便，常用作野外測量氣溫和濕度。 2.4.3 防輻射罩 防輻射罩是一種利用自然通風(fēng)、結(jié)構(gòu)簡單的防輻射設(shè)施，適用于野外考察。 結(jié)構(gòu)： 罩的上板為傘形金屬薄板，下為金屬平板，外部涂鉻，使其具有良好的反射率，內(nèi)面圖黑，以便吸收照射到內(nèi)層的輻射，不致放射到元件上。 在金屬板之間有兩塊透明的有機(jī)玻璃板，測溫元件安置在它們之間的夾層中。2.4.3 防輻射罩（續(xù)） 缺點(diǎn)： 當(dāng)太陽高度角較低（日出和日落）時(shí)，太陽輻射能直接照射到測溫元件上。 一些測溫精度要求較高的觀測中，常把通風(fēng)管和傘形罩結(jié)合起來使用。補(bǔ)充：金屬溫度計(jì) 是能夠自動(dòng)記錄氣溫連續(xù)變化的儀器。 感應(yīng)元件是雙金屬片，由膨脹系數(shù)相差較大的兩片金屬焊接成，將其一端固定，另一端隨溫度變化而發(fā)生位移，位移量與氣溫接近線性關(guān)系。 自記系統(tǒng)由自記鐘，自記筆組成，自記筆與放大杠桿相連并受感應(yīng)元件操縱。補(bǔ)充：溫度的觀測 觀測的程序： 小百葉箱：干濕球、毛發(fā)表、最高、最低溫度表讀數(shù)并調(diào)整 大百葉箱：溫度計(jì)、濕度計(jì)讀數(shù)并做時(shí)間記號補(bǔ)充：溫度的觀測（續(xù)） 調(diào)整最高溫度表： 調(diào)整：取下，手握溫度表上部，球部朝下，手向外伸出30度角，前后甩動(dòng)，直到它的示度接近干球示度為止。 放置：先放球部，后放頭部。 注意：避免陽光照射，手不要接觸水銀球，甩動(dòng)時(shí)勿使球部向上，以免水銀柱撞壞窄道。補(bǔ)充：溫度的觀測（續(xù)） 調(diào)整最低溫度表： 調(diào)整：將表身傾斜，球部向上，使指標(biāo)借助本身的重力作用，落到酒精柱頂端即可。 放置：先放頭部，后放球部，以免指標(biāo)下滑。