R - 北京大学物理学院大气与海洋科学系

PekingUniversity大 气 探 测 学北 京 大 学 物 理 学 院 大 气 科 学 系刘 树 华2008-11-15 1/119 刘 树 华

PekingUniversity第 五 章 温 度 的 观 测§5.1 概 述§5.2 测 温 元 件§5.3 测 温 元 件 的 热 滞 效 应§5.4 气 温 测 量 中 的 防 辐 射 问 题§5.5 地 温 表 及 地 温 测 量§5.6 声 雷 达 探 测 (Sodar)§5.7 复 习 思 考 题2008-11-15 2/119 刘 树 华

§ 5.1 概 述PekingUniversity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 和 土 壤 温 度 ?大 气 温 度 是 重 要 的 气 象 要 素 。 世 界 万 物 的生 生 息 息 都 与 大 气 温 和 地 表 温 度 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 、 山 谷 风 、 海 陆 风 、 城 市 热 岛 环流 、 全 球 变 化 等 都 与 大 气 温 度 有 关 。温 度 变 化 气 压 变 化 大 气 运 动2008-11-15 3/119 刘 树 华

PekingUniversity一 、 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 (1013.25hPa) 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 凝 固 点 温 度 :-38.862℃;固 体 CO 2 升 华 点 温 度 :-78.476℃;液 态 氧 的 沸 点 温 度 :-182.962℃;2008-11-15 4/119 刘 树 华

PekingUniversity2. 水 的 沸 点 与 大 气 压 的 关 系−2 −5 2 −9 3tb= 100+ 2.765510( × P−P0) − 1.1339310( × P− P0) + 6.8250910( × P−P0)(5.1)式 中 P 0 为 海 平 面 气 压 或 标 准 大 气 压 力 (1013.25hPa);P 为 本 站 气 压 。固 体 CO 2 的 升 华 点 温 度 与 大 气 压 力 的 关 系 为 :−2−62t s= 1.21036×10 ( P − P0) −8.91226×10 ( P − P0) − 78.476 (5.2)无 水 乙 醇 的 沸 点 温 度 与 大 气 压 力 的 关 系 为 :Bt P= −C(5.3)A−logP其 中 :A=8.04494,B=1554.3,C=222.652008-11-15 5/119 刘 树 华

PekingUniversity3. 常 用 温 标 有 三 种 :开 尔 文 温 标 ( 绝 对 温 标 )(K):Kelvin Temperature Scale摄 氏 温 标 (℃):Celsius Temperature Scale华 氏 温 标 (℉):Fahrenheit Temperature Scale它 们 之 间 的 换 算 关 系 为 :K——C 换 算 :C——F 换 算 :K——F 换 算 :K = C+ 273.15C = K −273.1559C = ( F −32)F = C+329559K = ( F − 32)+ 273.15 F = ( K − 273.15)+ 32952008-11-15 6/119 刘 树 华

PekingUniversity温 度 尺 度绝 对 温 度 T(K)Kelvin Temperature Scale摄 氏 温 度 t(℃)Celsius Temperature Scale华 氏 温 度 F(℉)Fahrenheit TemperatureScaleT = 273. 16+t2008-11-15 7/119 刘 树 华

PekingUniversity2008-11-15 8/119 刘 树 华

PekingUniversity二 、 测 温 方 法 与 测 温 仪 器 类 型1. 温 度 测 量 仪 器 测 量 范 围 的 确 定测 温 仪 器 测 量 范 围 的 确 定 是 根 据 区 域 气 温 的 多 年 最 低 、 最高 值 确 定 的 。 例 如 某 一 地 区 50 年 最 低 温 度 -20℃, 最 低 温 度41℃, 设 计 观 测 温 度 仪 器 的 测 量 范 围 为 :-25℃—50℃ 即 可 。2. 测 温 仪 器 的 类 型A. 接 触 式 —— 测 温 仪 器 直 接 放 入 大 气 、 土 壤 或 其 它 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 的 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 )2008-11-15 9/119 刘 树 华

PekingUniversityB. 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 )本 章 重 点 讲 述 如 何 在 大 气 环 境 中 测 量 大 气 、 土 壤 温 度主 要 包 括 :1. 测 温 元 件 的 特 性 、 测 温 原 理 , 测 量 误 差 等 ;2. 气 温 的 动 态 测 量 特 性 ;3. 气 温 测 量 的 太 阳 辐 射 防 护 。2008-11-15 10/119 刘 树 华

§5.2 测 温 元 件PekingUniversity一 、 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 。设 0 ℃ 时 表 内 液 体 的 体 积 为 V 0 , 此 时 球 部 和 这 段毛 细 管 的 容 积 也 为 V 0 , 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 :2008-11-15 11/119 刘 树 华

PekingUniversityµ γ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 :∆∆LtV( µ γ )0= −S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 。µV µ −γ∆ t = S×∆L0( )V 0 、 越 大 ,S 越 小 , 则 温 度 表 灵 敏 度 越 高 。2008-11-15 12/119 刘 树 华

PekingUniversity液 体 玻 璃 温 度 表 基 本 原 理2008-11-15 13/119 刘 树 华

PekingUniversity2. 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 见表 5.1表 5.1 水 银 、 酒 精 、 甲 苯 的 物 理 特 性凝 固 点( ℃)沸 点( ℃)热 膨 胀( ℃ -1 )导 热(J . cm -1. s -1. ℃ -1 )比 热(J . g -1. ℃ -1 )水 银-38.862356.9182×10 -683.6×10 -30.1256酒 精-117.578.5110×10 -518.0×10 -42.51甲 苯-95.1110.5109×10 -515.9×10 -41.632008-11-15 14/119 刘 树 华

PekingUniversity(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 。当 大 气 温 度 低 于 多 少 度 时 就 不 能 使 用 水 银 玻 璃温 度 表 测 量 大 气 温 度 ?(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 。2008-11-15 15/119 刘 树 华

PekingUniversity3. 最 高 最 低 温 度 表最 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 。通 常 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 。 另 外 , 也 可 利 用 毛 细 管 收 缩 原 理 ( 收 缩 段 ),如 图2008-11-15 16/119 刘 树 华

PekingUniversity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 。2008-11-15 17/119 刘 树 华

PekingUniversity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2008-11-15 18/119 刘 树 华

PekingUniversity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 。2008-11-15 19/119 刘 树 华

PekingUniversity4. 液 体 玻 璃 温 度 表 的 仪 器 误 差基 点 误 差 :玻 璃 温 度 表 球 部 的 容 积 随 时 间 有 缩 小 变 化 ,以 致 基 点 提 高 , 造 成 基 点 误 差 。 这 种 现 象 在 温 度表 制 成 的 初 期 较 明 显 , 以 后 逐 渐 减 小 。刻 度 误 差 :由 于 玻 璃 膨 胀 系 数 的 非 线 性 , 使 温 度 表 的 刻度 会 有 误 差 。2008-11-15 20/119 刘 树 华

二 、 双 金 属 片 测 温 元 件PekingUniversity双 金 属 片 是 由 两 种 不 同 金 属 薄 片 热 压 而 成 。 里 层 称 为 主 动 层( 热 胀 系 数 大 ); 外 层 称 为 被 动 层 ( 热 胀 系 数 小 )。双 金 属 片 测 温 测 温 原 理 如 下 图 所 示 :B( ϕ)2ds= L ( α2 −α1)dtϕ 2( h1+h2)(5.4)式 中 L 是 双 金 属 片 的 弧 线 总 长 度 ;h 1 和 h 2 为 两 种 金 属 片 的 厚度 ; α1和α2为 两 种 金 属 片 的 热 膨 胀 系 数 ;A 为 系 数 , 取 决 于 两 种 金E1 B ( ϕ )属 杨 氏 模 量 的 比 值 ; 为 弧 线 角 ϕ的函 数 , 见 《 大 气 探 测原 理 》P.13 表 2.2。E2Aϕ2008-11-15 21/119 刘 树 华

PekingUniversity我 国 使 用 的 双 金 属 片 杨 氏 模 量 的 比 值 为 :EE12= 1.1, A= 1.49, α − α = 20− 24× 10 ° C1 2−6 −1双 金 属 片 的 测 温 精 度 取 决 于 它 的 稳 定 性 。双 金 属 片 温 度 计 的 测 温 原 理 , 即 将 双 金 属 片 的一 端 固 定 , 温 度 变 化 时 双 金 属 片 会 使 另 一 端 产 生 机械 位 移 , 并 经 过 放 大 系 统 、 记 录 系 统 将 温 度 的 变 化记 录 下 来 。双 金 属 温 度 计 在 气 象 台 站 一 般 放 在 百 叶 箱 内 ,进 行 大 气 温 度 的 测 量 。2008-11-15 22/119 刘 树 华

PekingUniversity双 金 属 片 温 度 计 测 温 原 理2008-11-15 23/119 刘 树 华

双 金 属 片 温 度 计 测 温 原 理PekingUniversity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 分 、 自 记 部 分 组 成 。2008-11-15 24/119 刘 树 华

PekingUniversity2008-11-15 25/119 刘 树 华

双 金 属 片 温 度 计 测 温 原 理PekingUniversity1 感 应 部 分感 应 部 分 是 一 个 双 金 属 片 。 双 金 属 片 具 有 受 温 度 变 化而 发 生 形 状 和 曲 率 变 化 的 特 性 , 可 利 用 这 种 特 性 测 量 温度 。双 金 属 片 是 将 两 种 膨 胀 系 数 不 同 的 金 属 片 焊 接 在 一 起 。如 果 膨 胀 系 数 大 的 金 属 片 在 下 面 , 膨 胀 系 数 小 的 金 属 片 在上 面 , 当 温 度 升 高 时 , 双 金 属 片 将 成 凹 形 , 温 度 降 低 时 成凸 形 , 随 着 温 度 的 变 化 , 双 金 属 片 的 曲 率 也 就 随 之 变 化 ,这 样 就 可 利 用 双 金 属 片 曲 率 随 温 度 变 化 的 特 性 来 测 量 温度 。2008-11-15 26/119 刘 树 华

双 金 属 片 温 度 计 测 温 原 理PekingUniversity如 果 固 定 双 金 属 片 的一 端 , 另 一 端 作 为 自 由 端可 以 随 温 度 变 化 自 由 移动 , 那 么 自 由 端 的 位 移 量和 温 度 的 变 化 是 何 关 系 呢 ?2008-11-15 27/119 刘 树 华

双 金 属 片 温 度 计 测 温 原 理PekingUniversity设 温 度 为 零 度 时 , 双 金 属 片 是 平 直 的 , 其 长 度 为 L0, 当 温 度 为 t 时 ,双 金 属 片 产 生 了 弯 曲 , 由 于 两 个 金 属 片 的 膨 胀 系 数 不 一 样 , 因 此 ,其 长 度 分 别 为 :L 1=L 0(1+α1t)L 2=L 0(1+α2t)L 1= (R+1/2h1)ΨL 2= (R-1/2h1/2h2)Ψ弯 曲 的 双 金 属 片 可 视 为 以 R 为半 径 ( 以 焊 接 面 计 算 即 双 金 属 片的 中 间 ), 以 O 点 为 圆 心 的 一 段圆 弧 , 圆 心 角 为 ψ 弧 度 。 如 果 取双 金 属 片 的 厚 度 分 别 为 h1、h2 ,则 其 长 度 又 可 表 示 为 :2L0t(α1−α2)2008-11-15 28/119 刘 树 华ψ=h1+h2

双 金 属 片 温 度 计 测 温 原 理PekingUniversity若 此 时 , 双 金 属 片 焊 接 面 自 由 端 的 位移 量 为 λ, 则 :λ=R-Rcosψ=2Rsin 2 (ψ/2)当 ψ 很 小 时 , 可 以 认 为R≈L 0 /ψ,sin 2 (ψ/2) ≈(ψ/2 ) 2 =ψ 2 /4λ =L20( α1−α2)=h1+h2At由 此 可 见 , 双 金 属 片 自由 端 位 移 量 的 大 小 是 与 温度 变 化 成 正 比 的 , 故 温 度自 记 纸 具 有 等 分 的 刻 度 。2008-11-15 29/119 刘 树 华

PekingUniversity双 金 属 片 温 度 计 测 温 原 理2 传 递 放 大 部 分主 要 作 用 是 把 双 金 属 片 变 形 的 位 移 量 , 进 行 传 递 和 放大 。 这 是 因 为 双 金 属 片 的 位 移 量 是 很 小 的 , 需 要 在 本 部 分中 利 用 杠 杆 原 理 加 以 放 大 ; 为 了 将 感 应 部 分 所 得 的 温 度 信号 记 录 下 来 , 也 需 要 通 过 本 部 分 传 递 到 记 录 部 分 。3 自 记 部 分包 括 自 记 钟 、 自 记 纸 和 自 记 笔 三 部 分 。温 度 计 应 稳 固 地 安 装 在 大 百 叶 箱 中 下 面 架 子 上 , 底 座 保持 水 平 , 感 应 部 分 中 部 离 地 1.5m。2008-11-15 30/119 刘 树 华

三 、 热 电 偶 温 度 计PekingUniversity利 用 热 电 原 理 进 行 温 度 测 量 的 仪 器 称 为 热 电 偶 温 度 计 ( 表 )若 将 两 个 不 同 的 金 属 导体 , 连 接 成 一 个 闭 合 回 路 。由 于 不 同 导 体 的 自 由 电 子 密度 不 同 , 在 接 触 处 就 会 发 生电 子 的 扩 散 , 若 两 端 接 触 点的 温 度 不 同 , 就 会 产 生 温 差电 动 势 , 回 路 中 就 有 电 流 产生 。 接 触 点 的 温 差 越 大 , 回路 中 电 动 势 也 就 越 大 , 这 种现 象 叫 热 电 现 象 。2008-11-15 31/119 刘 树 华

PekingUniversity热电现利 用 热 电 现 象 的 装 置 称 为 热 电 偶或 温 差 电 偶 。利 用 这 种 原 理 进 行 温 度 测 量 的 仪器 称 热 电 偶 温 度 计 ( 表 )。实 验 表 明 , 在 气 象 测 温 范 围 内 ,热 电 偶 电 动 势 E 和 温 度 差 (t2- t1)有 这 样 的 关 系 :象 E = ε t − t ) 2(1式 中 ε 为 与 两 金 属 性 质 有 关 的 常数 , 称 为 热 电 系 数 。2008-11-15 32/119 刘 树 华

PekingUniversity根 据 导 体 的 物 理性 质 及 所 组 成 的 热 电回 路 的 电 流 方 向 , 可以 将 各 种 金 属 导 体 排列 成 一 定 的 次 序 。一 些 常 用 金 属 的 热 电 序 为 : 铋 、 康铜 、 镍 、 钴 、 铂 、 铝 、 镁 、 铅 、 锡 、银 、 锰 铜 、 铜 、 镉 、 铁 、 锑 、 硅 。2008-11-15 33/119 刘 树 华

PekingUniversity一 般 由 于 温 差 电动 势 很 小 , 为 了 提 高测 温 灵 敏 度 , 往 往 将若 干 对 热 电 偶 串 连 起来 , 组 成 热 电 堆 。2008-11-15 34/119 刘 树 华

PekingUniversity一 种 是 测 定 热电 偶 回 路 中 温 差 电动 势 的 电 位 计 法 ;另 一 种 是 测 定 热 电偶 回 路 中 电 流 的检 流 计 法 。2008-11-15 35/119 刘 树 华

PekingUniversity感 应 元 件 体 积 小 、惯 性 系 数 小 、 受 辐 射 影响 较 小 。 常 用 于 测 量 小空 间 的 脉 动 温 度 和 平 均温 度 , 对 直 接 测 量 近 地层 温 度 梯 度 也 十 分 有利 。 另 外 , 测 量 时 不 需要 供 电 电 流 , 可 以 避 免电 源 系 统 造 成 测 量 误 差2008-11-15 36/119 刘 树 华

PekingUniversity热 电 偶 的 电 动 势 与 温 差 之 间 的 关 系 为 :εt = α( t2 − t1) + β( t2 − t1)2(5.5)α >> β由 于 系 数 , 当 温 差 不 太 大 时 , 可 用 下 式 :εt = α( t2 −t1)(5.6)2008-11-15 37/119 刘 树 华

PekingUniversityεT与t2 − t1的 关 系 可 由 下 图 表 示图 6 电 动 势 与 温 差 的 关 系2008-11-15 38/119 刘 树 华

PekingUniversity气 象 上 使 用 的 热 电 偶 几 乎 都 是 铜 、 或 锰 铜 —— 鏮铜 , 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 ?2008-11-15 39/119 刘 树 华

PekingUniversity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 :6×40μV/℃=240μV/℃=0.24mV/℃如 果 使 用 6 位 mV 表 作 为 指 示 表 (***.***), 读 数 分 辨率 可 到 多 少 摄 氏 度 ?表 上 末 位 显 示 1 时 ,1μV/240μV/℃=0.004℃2008-11-15 40/119 刘 树 华

PekingUniversity使 用 热 电 偶 回 路 要 求 :(1) 导 线 均 一 ( 使 用 一 种 导 线 );(2) 消 除 化 学 电 动 势 : 焊 接 点 无 杂 质 ;(3) 导 线 导 热 引 起 的 误 差 : 防 止 热 量 沿 导线 传 至 电 偶 接 点 ;(4) 引 线 电 阻 对 测 温 的 影 响 : 引 线 均 一 、 架 空 。2008-11-15 41/119 刘 树 华

四 、 金 属 电 阻 测 量 温 度 原 理PekingUniversity1. 原 理金 属 导 体 的 电 阻 值 随 温 度 增 加 的 关 系 式 为 :R = R + t + tt(1 2)0α β(5.7)式 中 t 为 摄 氏 温 度 ;R 0 为 金 属 在 0 ℃ 时 的 电 阻 ;R t 为t℃ 时 的 电 阻 ; α和β 为 因 金 属 而 异 的 电 阻 温 度 系 数 。几 种 金 属 电 阻 温 度 关 系 曲 线 如 图 所 示 。金 属 电 阻R tR0与 温 度 t 的 关 系 示 意 图2008-11-15 42/119 刘 树 华

PekingUniversity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α >> β因 此 ,(5.7) 式 可 写 成 :R = Rt 0 (1 +α t )(5.8)2008-11-15 43/119 刘 树 华

PekingUniversity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 α >> β ;(3) 电 阻 率 要 大 , 易 于 绕 制 大 阻 值 元 件 ;(4) 性 能 稳 定 。2008-11-15 44/119 刘 树 华

2. 金 属 电 阻 测 温 电 路PekingUniversity用 电 阻 温 度 表 测 量温 度 , 实 际 上 就 是 对 元件 电 阻 的 测 量 。 因 此 ,温 度 测 量 的 精 确 度 取 决于 电 阻 测 量 的 精 确 度 。对 电 阻 的 测 量 通 常 都 是采 用 电 桥 式 测 量 电 路 。2008-11-15 45/119 刘 树 华

金 属 电 阻 测 温 电 路PekingUniversity用 电 阻 温 度 表 测 量 温 度 , 实 际 上 就 是 测 量 在 温度 变 化 时 元 件 的 电 阻 值 。 通 常 是 用 平 衡 电 桥 和 不 平衡 电 桥 进 行 测 量 。 下 面 分 别 讲 述 这 两 种 电 桥 的 测 温原 理 。(1) 平 衡 电 桥平 衡 电 桥 的 测 温 电 路 原 理 如 下 图 所 示 :图 7 平 衡 电 桥 的 测 温 电 路 原 理2008-11-15 46/119 刘 树 华

PekingUniversity当 环 境 温 度 变 化 时 ,Rt 的 阻 值改 变 , 可 借 助 对 r3 的 调 整 (r3 为 可调 电 阻 ), 使 电 桥 达 到 平 衡 , 并 做出 r3 与 t 的 刻 度 关 系 , 或 Rt 与 t 的 关系 式 , 就 可 由 r3 的 刻 度 盘 读 数 或 计算 式 来 确 定 Rt 所 处 的 环 境 温 度 。r′ 为 外 接 导 线 电 阻 。 对 同 种 引 出 导 线 有 :r = r = r = r' ' ' '1 2 3因 ∆t 温 度 变 化 引 起 外 接 导 线 电 阻 的 变 化 为 :∆ r =∆ r =∆ r =∆r' ' ' '1 2 3因 ∆t温 度 变 化 引 起 热 敏 电 阻 阻 值 的 变 化 为 : ∆Rt; 要 求∆Rt>> ∆r′2008-11-15 47/119 刘 树 华

PekingUniversity为 了 补 偿 导 线 电 阻 随 温 度 的 变 化 , 常 采 用 三 线法 。 导 线 的 接 法 如 上 图 所 示 。 由 于 两 个 对 称 的 桥 臂r3 和 Rt 都 接 有 电 阻 为 的 r′ 同 种 导 线 , 可 大 大 减 小 导线 电 阻 随 温 度 变 化 产 生 的 影 响 。在 电 桥 平 衡 时 :''r3+ r Rt+ r2 1r3R ⎛tr′ r′⎞移 项 得 : = + ⎜ − ⎟r2 r1 ⎝ r1 r2⎠r=r2008-11-15 48/119 刘 树 华

PekingUniversity假 设 r = r , 则 上 式 简 化 为 :1 2(5.9)在 这 种 情 况 下 , 完 全 消 除 了 桥 臂 电 阻 r 1 、r 2 和 导 线 电 阻r′的 影 响 , 但 必 须 桥 臂 导 线 电 阻 r′ 完 全 一 致 。 所 以 :其 中 : , B= −1α(5.10)2008-11-15 49/119 刘 树 华

PekingUniversity式 中 A、B 为 常 数 , 和 电 阻 的 温 度 系 数 有关 。(5.10) 式 说 明 了 温 度 t 与 r3 的 关 系 , 对 r3电 阻 可 作 等 分 的 温 度 刻 度 , 直 接 读 取 温 度 值 。2008-11-15 50/119 刘 树 华

PekingUniversity(2) 双 滑 臂 测 温 平 衡 电 桥双 滑 臂 测 温 平 衡 电 桥 如 下 图 所 示 :图 8 双 滑 臂 测 温 平 衡 电 桥其 中 0≤p≤1与 一 般 平 衡 电 桥 相 比 , 差 别 在 于 r 1 与 r 2 之 间 , 以 及 r 2 与 r 3之 间 加 了 一 对 精 密 同 步 电 位 器 S 1 和 S 2 , 其 中 0≤p≤1。2008-11-15 51/119 刘 树 华

PekingUniversity当 S1 旋 转 至 处 a,S2 在 A 处 ; 若 使 S1 连 续 旋 转 至 b 处 ,S2 则 可 同 步 旋 转 到 B 处 。S1 的 总 电 阻 为 Rs,S2 的 总 电 阻 为 2Rs。电 位 器 滑 臂 处 在 A,a 两 点 时 , 电 桥 平 衡 的 条 件 为 :''Rtmin+ r r3+ r=r + R r + R1 s 22电 位 器 滑 臂 处 在 B,b 两 点 时 , 电 桥 平 衡 的 条 件 为 :''Rtmax+ r r3+ r + 2 Rs=r r + R1 2ss2008-11-15 52/119 刘 树 华

PekingUniversity其 中 Rtmax 和 Rtmin 分 别 为 测 温 范 围 内 最 高 和 最 低 点时 Rt 的 值 。 令 电 桥 线 路 满 足 下 述 条 件 :r = R + r(5.11)1 s 2R R RRttmax =tmin + 2s=rmin 3如 果 电 位 器 的 触 点 在 S1,S2 中 间 某 点 , 电 桥 平 衡 的 条 件''为 : Rt+ r 2pRs+ r + r3=(5.12)r + (1 − p) R r + pR + (1 − p)2R1 s 2 s s或 :( 1 )( )r + − p R= = =r r pR r pR p R r p R'Rt+ r (1 − p)Rs+ r11s'3+ + 2s 2+s+ (1 − )2s 2+ 2 −s12008-11-15 53/119 刘 树 华

PekingUniversity由 (5.11) 和 (5.12) 式 得 :令 :R = r + 2 pR = R + 2 pRt 3 s t mins2 Rs则 : t − tmin=p(5.13)α Rt min( )Rt= Rt min⎡⎣1+ α t − tmin环 境 温 度 与 最 低 温 度 之 差 , 只 决 定 于 同 步 电 位 器 的 位置 , 而 与 导 线 电 阻 无 关 。r′⎤⎦2008-11-15 54/119 刘 树 华

PekingUniversity存 在 问 题 :(1) 电 阻 与 温 度 的 关 系 存 在 二 次 项 ( β ≠ 0 ),因 此 电 位 器 的 刻 度 无 法 完 全 线 性 化 ;(2) 自 动 跟 踪 问 题 难 以 解 决 。2008-11-15 55/119 刘 树 华

3. 不 平 衡 电 桥PekingUniversity将 r3 阻 值 固 定 即 为 不 平 衡 电 桥 。 如 下 图 所 示 , 在 不 平 衡 电 桥中 , 电 桥 不 平 衡 时 , 检 流 计 上 有 电 流 流 过 , 对 角 线 上 有 输 出 电 压 。可 根 据 检 流 计 的 读 数 或 电 压 确 定 测 温 元 件 R t 所 处 的 环 境 温 度 。 为了 简 化 公 式 形 式 , 忽 略 导 线 电 阻 变 化 并 将 导 线 电 阻 考 虑 到 R t 和 r 3内 , 不 平 衡 电 桥 对 角 线 的 输 出 电 压 e 可 用 下 式 表 示 :R t0(5.14)R, 为 当 电 桥 平 衡 时 的t= Rt0+ ∆Rt阻 值 ; ∆R 为 温 度 变 化 引 起 阻 值 的 变 化 。t当 电 桥 平 衡 时 电 桥 对 角 线 上 无 电 压 差 :∆R t= 0 , e = 0r1Rt0=r + r r + R1 2 3 t 0(5.15a)2008-11-15 56/119 刘 树 华

PekingUniversity将 (5.15a) 式 代 入 (5.14) 式 , 得 :将 上 式 右 边 括 号 中 的 项 展 成 幂 级 数 , 并 忽 略 二 次 以 上 高 阶 项 , 则 :(5.15b)2008-11-15 57/119 刘 树 华

PekingUniversity设 :r = δ R t3 0代 入 (5.15-2) 式 , 式 右 边 则 变 为 :α >> β若 , 忽 略 以 上 的 高 阶 项 , 得 :V 1 1 2 1 1 2 2e = {(1 − ) α∆ t+ (1 − ) β∆ t + [ − ] α ∆t}21+ δ 1+ δ 1 + δ (1 + δ) 1+δ(5.16)2008-11-15 58/119 刘 树 华

PekingUniversity为 了 使 输 出 电 压 e 和 温 度 变 化 ∆t成 线 性 关 系 , 应 使2(5.16) 式 中 含 ∆t 项 的 系 数 总 和 为 零 , 因 此 ,1 1 11 + δ (1 + δ ) 1+δ2(1 − ) β + [ − ] α = 022 2则 : δβ + δ β − δα = 0(5.17)2α − β则 得 : δ = 0, 或 δ = 两 个 解 。β由 可 知 d>0, 即 β>0 才 有 意 义 。r = δ R t3 02008-11-15 59/119 刘 树 华

五 、 半 导 体 热 敏 电 阻 测 温PekingUniversity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 (Mn 3 O 4 ) 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 :RT=Aeb/ T式 中 A、b 为 元 件 的 系 数 。(5.18)2008-11-15 60/119 刘 树 华

PekingUniversity当 T=T 0 时 ,R T =R T0b/T0b / T0R = R = AeTTT 0将 上 式 代 入 (5.18) 得 :R = R eT0b / T −b / T对 (5.19) 式 取 对 数 得 :b bln RT= + [ln RT0− ]T T00所 以 : A = R e −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 右 边 括 号 中 的 数 为 一 常 数 。T0(5.19)(5.20)2008-11-15 61/119 刘 树 华

PekingUniversity定 义 半 导 体 热 敏 电 阻 温 度 系 数 α T, 为 温 度 变 化 1℃引 起 的 元 件 阻 值 的 相 对 变 化 率 , 即α =T1 dRTRTdT由 (5.18) 式 得 :dR Tb / T= Ae ( − b ) = R ( b )2 T−2dT T T(5.21)(5.22)将 (5.22) 代 入 (5.21) 式 得 :bαT=−(5.23)2TR T 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 。2008-11-15 62/119 刘 树 华

线 性 化 输 出 平 衡 电 桥 ( 三 点 补 偿 式 )PekingUniversity设 : 测 温 范 围 在 T 0 和 T 1{R ( T ) = R之 间 ,T0 + T1如 10-30℃ 之 间 变 化 , 则 令 : R ( )2R ( T ) = R0 01 12008-11-15 63/119 刘 树 华=Rm10 ℃, T 020 ℃, Tm30 ℃, T 1

PekingUniversity由 电 桥 平 衡 的 条 件 可 得 :}(5.24)2008-11-15 64/119 刘 树 华

PekingUniversity解 上 述 联 立 方 程 , 求 出 r1、r2 和 r3, 得 :(5.25)注 意 (5.25) 式 的 推 导2008-11-15 65/119 刘 树 华

PekingUniversity计 算 r1, r2,r3式 的 推 导 :设 : 温 度 为 T0 时 , 热 敏 电 阻 的 值 为 R0,r′ 的 指 针 位 于 a 点 ;温 度 为 Tm 时 , 热 敏 电 阻 的 值 为 Rm,r′ 的 指 针 位 于 m 点 ;温 度 为 T1 时 , 热 敏 电 阻 的 值 为 R1,r′ 的 指 针 位 于 b 点 ;由 电 桥 平 衡 的 条 件 可 得 :T = T 0,T = T m,T = T 1,rr22r1+r1r′+2rr12=r′=R1=r + r′3rRr330Rmr′+2(1)(2)(3)2008-11-15 66/119 刘 树 华

PekingUniversity由 (1)、(2)、(3) 式 得 :(4)(5)(6)将 (4) 式 代 入 (6) 式 , 移 项 整 理 得 :(7)2008-11-15 67/119 刘 树 华

PekingUniversity将 (7) 代 入 (6) 式 可 得 :(8)2008-11-15 68/119 刘 树 华

PekingUniversity将 (4) 式 代 入 (5) 式 得 :合 并 同 类 项 :(9)将 (7) 式 代 入 (9) 式 :消 去 r ′, 分 解 合 并 同 类 项 :2008-11-15 69/119 刘 树 华

PekingUniversity通 分 、 合 并 同 类 项 、 移 项 得 :r1=Rm( R + R ) −2RRR + R −2R0 1 0 10 1将 (10) 式 代 入 (7) 式 得 :Rm− R0r2=r′R + R − R0 12将 (10) 式 代 入 (8) 式 得 :R0( R1−Rm)r3=r′R ( R + R ) −2RRmmm0 1 0 1(10)(11)(12)2008-11-15 70/119 刘 树 华

PekingUniversity电 位 器 的 数 值 , 可 根 据 测 温 范 围 和 灵 敏 度 要 求 选择 ,r1、r2 和 r3 的 数 值 由 (10)、(11) 和 (12) 式 计 算 。实 际 检 定 线 只 在 两 端 和 中 点 与 直 线 吻 合 , 其 余 各 点皆 与 直 线 有 一 定 的 偏 差 , 一 般 在 20℃ 的 测 量 范 围 内 , 最大 偏 差 可 不 超 过 ±0.05℃。 此 法 称 为 三 点 吻 合 法 。格 或 阻 值2008-11-15 71/119 刘 树 华

§5.3 测 温 元 件 的 热 滞 效 应PekingUniversity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 后 误 差 。造 成 测 量 仪 器 滞 后 误 差 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 指 示 表 的 阻 尼 )。观 测 目 的 不 同 对 测 温 元 件 的 热 滞 系 数 要 求 也 不 同 ( 探空 仪 与 一 般 温 度 观 测 仪 器 在 热 滞 系 数 上 的 差 异 )。2008-11-15 72/119 刘 树 华

PekingUniversity一 、 热 滞 系 数元 件 在 dt 的 时 间 内 与 周 围 介 质 交 换 的 热 量 为 :dQ =−hs( T −θ)dτ(5.26)其 中 :T: 元 件 温 度 ;θ: 环 境 温 度 ;S: 感 应 元 件 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=CMdT (5.27)2008-11-15 73/119 刘 树 华

PekingUniversity其 中 C 为 元 件 比 热 ;M 为 元 件 的 质 量 。合 并 式 (5.26)、(5.27), 移 项 得dTdτ hs=− ( T −θ )CMhsCM−1令 : λ = ( ) 为 热 滞 系 数 , 则 :dTd τ1= − ( T − θ )λ(5.28)其 中 λ 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 , 则 λ 越 大 ; 热 交换 系 数 h 的 大 小 取 决 于 环 境 介 质 性 质 和 通 风 量 。2008-11-15 74/119 刘 树 华

二 、 环 境 温 度 恒 定 时 的 滞 差PekingUniversity设 :θ、λ 为 常 数 ,τ=0 时 T=T 0 。对 (5.28) 式 积 分 :ln T −θτ=−T 0−θλTT0−−θθ=eτ−λ则 : (5.29)注 意 (5.29) 式 的 应 用 。2008-11-15 75/119 刘 树 华

PekingUniversity例 1: 一 支 温 度 表 λ=50s, 与 环 境 温 度 差 为 5℃,欲 使 测 温 误 差 小 于 0.1℃, 则 温 度 表 感 应 时 间 至 少 需多 少 秒 ?解 : 由 (5.29) 式 :若 取 τ=λ 时 , 由 (5.29) 式 得 :(5.30)2008-11-15 76/119 刘 树 华

PekingUniversity由 (5.30) 可 见 , 测 温 元 件 温 度 和 介 质 温 度 的差 值 降 至 初 始 差 值 的 36.8% 的 时 间 为 λ 。 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 。 这 个 时 间 常 数 在 实 验中 可 以 用 这 样 的 方 法 来 测 定 :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 温 度 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 。2008-11-15 77/119 刘 树 华

PekingUniversity例 2: 将 初 始 温 度 T 0 =10℃ 的 温 度 表 , 放 入 环 境 温 度 q=0℃的 环 境 中 , 用 秒 表 测 定 当 温 度 表 示 值 下 降 到 3.68℃ 时 的 时间 即 为 λ。 求 当 温 差 达 到 初 始 温 差 1/10 和 1/100 时 需 要 的时 间 是 多 少 ?解 : 对 (5.29) 式 取 对 数 得 :(5.31)若 温 度 表 示 值 与 环 境 温 度 的 温 差 达 到 初 始 差 值 的 1/10 时 :则 :2008-11-15 78/119 刘 树 华

PekingUniversity若 温 度 表 示 值 与 环 境 温 度 的 温 差 达 到 初 始 差 值 的 1/100 时 :则 :例 3:λ=300s,T 0 -θ=10℃,T -θ=0.1℃, 求 τ。解 : 由 (5.31) 式 有 :则 :τ=2×2.3×300=1380s=23min2008-11-15 79/119 刘 树 华

PekingUniversity例 4: 设 环 境 温 度 θ=16.0℃, 温 度 表 初 始 温 度 T 0 =30.0℃,求 τ=λ 时 温 度 表 的 示 值 T λ 是 多 少 ?解 :在 测 量 l 时 , 把 温 度 表 预 先 加 热 到 高 于 环 境 温 度 一 定 值 ,再 放 入 环 境 中 , 注 意 观 察 , 当 温 度 表 的 示 度 为 30.0℃ 时 ,立 即 开 动 秒 表 计 时 , 而 在 示 度 为 21.2℃ 时 停 止 秒 表 , 这 时秒 表 的 计 时 为 值 l。2008-11-15 80/119 刘 树 华

PekingUniversity例 5: 阿 斯 曼 通 风 干 湿 表 , 在 通 风 3m/s 时 ,λ=40s, 如果 在 室 内 T 0 =20℃, 移 至 室 外 测 量 环 境 温 度 θ=10℃ 的 空气 温 度 , 要 求 精 度 为 0.1℃, 问 通 风 多 长 时 间 方 可 观 测 ?解 : 由 (5.29) 式 , T-q 为 感 应 元 件 温 度 与 环 境 温 度 之 差 ,则 :τ=λln T T0− θ− θ20−10= 40ln ≈184s≈3min0.1即 约 需 要 3 分 钟 通 风 后 方 可 读 取 数 据 。2008-11-15 81/119 刘 树 华

三 、 环 境 温 度 呈 线 性 变 化 引 起 的 滞 差PekingUniversity环 境 温 度 如 不 恒 定 , 由 于 测 温 元 件 的 热 滞 , 示 度 将会 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 。设 环 境 温 度 线 性 变 化 :θ = θ0+ βτ其 中 变 温 率 为 β, 将 (5.32) 式 代 入 (5.28) 式 ,dT 1= − ( T − θ ) 得 :d τ λdT=− 1 ( T −θ)0− βτdτλ(5.32)(5.33)2008-11-15 82/119 刘 树 华

PekingUniversity对 (5.33) 求 解 , 并 设 初 始 条 件 τ=0 时 T =T 0 =θ 0 。Tτ−λ− θ =−βλ(1 − e )当 τ>>λ 时 ,(5.34) 式 可 简 化 为 :(5.34)T-θ=-βλ (5.35)例 : 气 温 每 小 时 升 3℃(β=1/1200℃ . s -1 ),λ=300s, 求 T-q。解 :当 λ=60s 时热 滞 系 数 越 小 , 滞 差 越 小 。(5.35) 式 表 明 温 度 表 对 变 化 均匀 的 环 境 温 度 的 示 度 差 值 为 一 常 数 。 在 小 风 的 晴 天 早 晨 , 日出 后 气 温 近 于 线 性 上 升 。2008-11-15 83/119 刘 树 华

四 、 环 境 温 度 呈 周 期 性 变 化PekingUniversity若 环 境 温 度 以 初 始 温 度 q 0 、 周 期 P、 振 幅 A 0 正 弦 变 化 , 即 :θ= θ +A0 0sin2πτp将 上 式 代 入 (5.28) 式 , 得 :dT 1 ( T ) 1 [ T ( 2 πτ=− − θ =− − θ0+ A0sin )]dτ λ λp1 A02πτ=− ( T − θ0) + sinλλ p令 : y= T −θ 0 则 有 :(5.36)dy 1 A02πτ=− y + sin(5.37)dτ λ λ p2008-11-15 84/119 刘 树 华

PekingUniversity求 (5.37) 式 齐 次 方 程 解 :齐 次 特 解解 为 y1y = y + ydyd τ=1=−C e1 21λ2πτ2假 设 :y = acos+ bsin2将 y 2 代 入 (5.37) 式 得 :−pτλy12π 2πτ 2π 2πτ 1 2πτ 1 2πτ A02πτ− a sin + b cos =− acos − bsin + sinp p p p λ p λ p λ pπτp2008-11-15 85/119 刘 树 华

PekingUniversity将 上 式 合 并 同 类 项 , 求 相 同 谐 波 系 数2πb A− a =− + 0A02 πλ / pp λ λ{a =− 1 + (2 πλ / p){ ⇒2A02 πλ / p 2 A0则 : y22=− cos πτ +sin πτ( )2 p( )21+ 2πλ1+2πλpppτ− A02 πλ / p 2πτ A02πτλy= y1+ y2= ce − cos + sin2 21 + (2 πλ/ p) p 1 + (2 πλ / p)p2008-11-15 86/119 刘 树 华

PekingUniversity当 τ = 0,T = T 0Tc− θ = c −A 2 πλ / p1 + 4 π λ / p00 0 2 2 2= ( T − θ ) +A 2 πλ / p1 + 4 π λ / p00 0 2 2 2将 c 代 入 y 解 出 :τA02 πλ/ p − A02 πλ / p 2πτ A02πτλT− θ0 = ( T0− θ0+ ) e − cos +sin2 2 2 2 2 2 2 2 21+ 4 πλ / p 1+ 4 πλ / p p 1+4 πλ/p pT, 上 式 右 边 第 一 项 忽 略 , 则 :A 2 0πλ / p 2 πτ00cosA 2 πτ= θ − +sin2 2 2 2 2 21+ 4 π λ / p p 1+4 π λ / p p2008-11-15 87/119 刘 树 华

PekingUniversity根 据 cosα=(1+tan 2 α) -1/2 及 sin(γ-α) 公 式 得 :A02πτ−12πλT = θ0+ sin( − tan ) (5.38)2 2 21+4 π λ / p p p由 (5.38) 式 可 得 下 述 结 论 :(1) 温 度 表 的 示 值 也 是 周 期 性 变 化 , 周 期 为 p;(2) 示 值 的 振 幅 A

PekingUniversity例 : 百 叶 箱 内 气 温 变 化 振 幅 为 A 0 =5℃, 要 求 日 振 幅误 差

五 、 热 滞 系 数 与 风 速 的 关 系PekingUniversity热 滞 系 数 与 风 速 的 实 验 关 系 为 :λ = k( ρV)− n(5.41)ρ 为 空 气 密 度 ;V 为 通 风 速 度 ;ρV 为 通 风 量 。2008-11-15 90/119 刘 树 华

PekingUniversity§5.4 气 温 测 量 中 的 防 辐 射 设 备由 于 太 阳 的 直 接 辐 射 、 地 面 的 反 射辐 射 等 的 影 响 , 会 使 测 温 元 件 的 表 示 度 与实 际 气 温 存 在 差 异 。 在 白 天 强 日 射 的 情 况下 , 将 使 元 件 温 度 高 于 气 温 , 导 致 较 大 的辐 射 误 差 。 消 除 和 减 小 辐 射 误 差 , 是 气 温测 量 中 的 关 键 问 题 。2008-11-15 91/119 刘 树 华

§5.4 气 温 测 量 中 的 防 辐 射 设 备PekingUniversity屏 蔽 , 使 太 阳 辐 射和 地 面 辐 射 不 能 直接 照 射 到 测 温 元 件上增 加 元 件 的 反 射率 , 使 到 达 元 件 表面 的 短 波 辐 射 绝 大部 分 被 反 射 掉人 工 通 风 , 促 进 元采 用 极 细 的 金 属件 与 空 气 之 间 的 热丝 元 件 , 减 小 元交 换 , 减 小 两 者 之件 的 热 容 量 , 有间 的 温 差利 于 热 交 换 强2008-11-15 92/119 刘 树 华

气 温 测 量 中 的 防 辐 射 设 备PekingUniversity四 种 方 法 中 , 屏 蔽 简 单 易 行 , 使 用 最 广泛 ; 其 次 是 人 工 通 风 法 , 一 般 这 两 种 兼 而 有之 。 不 论 屏 蔽 与 否 , 元 件 和 屏 蔽 外 表 面 应 具有 较 高 的 反 射 率 。 由 于 细 金 属 丝 直 接 暴 露 在空 气 中 , 线 路 比 较 复 杂 , 难 于 维 护 , 只 在 特殊 观 测 中 使 用 。 下 面 列 举 常 用 的 防 辐 射 设备 。2008-11-15 93/119 刘 树 华

§5.4 气 温 测 量 中 的 防 辐 射 设 备PekingUniversity三 种 常 用 的 防 辐 射 设 备2008-11-15 94/119 刘 树 华

5.4.1 百 叶 箱PekingUniversity百 叶 箱我 国 气 象 台 站 常 用 的 百 叶 箱 构 造 , 见 图 ,其 四 壁 是 由 双 层 百 叶 木 片 组 成 , 百 叶 片 向 内 、外 倾 斜 各 45, 箱 顶 和 箱 底 各 由 三 块 宽 110 毫 米的 木 板 组 成 , 中 间 一 块 比 边 上 两 块 稍 高 , 以 利空 气 上 下 流 通 , 箱 底 离 地 面 高 125 厘 米 , 箱 门朝 正 北 , 箱 底 保 持 水 平 。2008-11-15 95/119 刘 树 华

PekingUniversity干 球 温 度 表湿 球 温 度 表毛 发 湿 度 表最 高 温 度 表最 低 温 度 表水 杯2008-11-15 96/119 刘 树 华

百 叶 箱PekingUniversity高 537× 宽 460× 深 290(mm)高 612× 宽 460× 深 460(mm)支 架 距 地 面 125cm• 保 持 洁 白 , 定 期 清 洗 , 但 安装 自 动 站 仪 器 的 百 叶 箱 不 得 用水 清 洗 ;• 按 规 定 摆 放 仪 器 ;• 箱 门 在 读 数 时 打 开 , 观 测 后随 即 关 闭 。2008-11-15 97/119 刘 树 华

5.4.2 通 风 干 湿 表PekingUniversity通 风 干 湿 表 有 阿 斯曼 通 风 干 湿 表 、 百 叶 箱通 风 干 湿 表 以 及 遥 测 通风 干 湿 表 等 , 均 是 采 用人 工 通 风 的 方 法 防 止 辐射 。 用 来 测 量 空 气 的 温度 和 湿 度 。 下 面 以 阿 斯曼 通 风 干 湿 表 为 例 , 对其 结 构 原 理 作 一 介 绍 。2008-11-15 98/119 刘 树 华

5.4.2 通 风 干 湿 表PekingUniversity阿 斯 曼 通 风 干 湿 表 内 装 相 同 的 两 支 温 度表 。 温 度 表 球 部 处 于 双 层 防 辐 射 套 管 的 中心 , 套 管 外 表 面 电 镀 上 具 有 良 好 反 射 率 的 铬层 。 仪 器 上 部 是 一 个 通 风 器 , 它 可 以 以 发 条或 微 型 电 动 机 为 动 力 , 通 风 器 扇 叶 旋 转 时 将空 气 从 温 度 表 球 部 所 处 的 套 管 口 吸 入 , 经 叉管 和 主 管 流 至 扇 叶 , 然 后 排 出 仪 器 之 外 。2008-11-15 99/119 刘 树 华

5.4.2 通 风 干 湿 表PekingUniversity其 中 双 层 防 辐 射 套 管 的 结 构 必 须 考 虑 以下 几 点 :(1) 内 、 外 套 管 之 间 必 须 设 有 隔 热 垫 片 , 以免 热 量 传 入 内 部 感 应 元 件 。(2) 外 套 管 外 壁 必 须 具 有 良 好 的 反 射 率 , 能够 把 绝 大 部 分 的 太 阳 直 接 辐 射 及 反 射 辐 射 反射 出 去 , 以 防 止 辐 射 增 热 。(3) 外 套 管 与 叉 管 间 必 须 有 隔 热 环 。(4) 通 风 器 吸 进 的 空 气 必 须 首 先 与 温 度 表 的干 、 湿 元 件 接 触 。(5) 保 持 一 定 的 通 风 速 度 , 温 度 表 球 部 附 近的 通 风 速 度 在 2.0-3.0m/s。2008-11-15 100/119 刘 树 华

5.4.3 防 辐 射 罩PekingUniversity防 辐 射 罩 有 轻 便 防 辐 射 罩 和 小 型 防 辐 射 罩 两 种 。 主 要 在 野 外 考察 时 使 用 。轻 便 防 辐 射 罩 是 利 用 自 然 通 风 的 防 辐 射 装 置 。 其 结 构 简 单 , 罩的 上 板 为 伞 形 金 属 薄 板 , 下 板 为 金 属 平 板 与 伞 板 相 连 , 金 属 板 外 测镀 铬 具 有 良 好 反 射 率 , 向 内 的 一 面 涂 黑 , 以 便 吸 收 罩 内 层 的 辐 射 ,使 其 不 能 反 射 到 传 感 器 上 。 两 块 金 属 板 之 间 嵌 有 两 块 透 明 的 有 机 玻璃 , 传 感 器 就 安 置 在 它 们 之 间 的 夹 层 中 , 板 的 作 用 是 为 了 隔 绝 金 属板 上 的 热 对 流 。2008-11-15 101/119 刘 树 华

PekingUniversity温度 、湿度传感器和防辐射罩2008-11-15 102/119 刘 树 华

微 气 象 观 测 系 统PekingUniversity防 辐 射 罩2008-11-15 103/119 刘 树 华

§5.5 地 温 表 及 地 温 测 量PekingUniversity(1) 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 。2008-11-15 104/119 刘 树 华

PekingUniversity(2) 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 。2008-11-15 105/119 刘 树 华

PekingUniversity(3) 地 温 测 量 仪 器 的 使 用地 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 。曲 管 地 温 表5,10,15,20 厘 米 曲 管 地 温 表 。直 管 地 温 表40,80,160,320 厘 米 直 管 地 温 表 。2008-11-15 106/119 刘 树 华

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PekingUniversity(4) 地 面 和 浅 层 地 温 测 量地 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 。2008-11-15 108/119 刘 树 华

PekingUniversity(5) 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2008-11-15 109/119 刘 树 华

地 温 测 量 仪 的 使 用PekingUniversity2008-11-15 110/119 刘 树 华

PekingUniversity§5.6 声 雷 达 探 测 (Sodar)• 测 量 逆 温 层 高 度 和 混 合 层 厚 度• 监 测 低 层 大 气 稳 定 度 变 化• 探 测 雾 层 或 低 云 的 顶 部• 探 测 低 层 大 气 中 风 的 分 布2008-11-15 111/119 刘 树 华

声 雷 达 探 测 温 度 原 理PekingUniversity声 波 在 大 气 中 的 传 播 速 度 与 空 气 的 温 度 和 风 速 有密 切 的 关 系 , 静 止 空 气 中 的 声 速 表 达 式 为 :rpc = = 20. 067ρT sv其 中 r 为 定 压 比 热 与 定 容 比 热 的 比 值 ;T sv 为 绝 对 虚温 , 其 表 达 式 为 :T sv= T (1 +0.32ep)式 中 T 为 绝 对 温 度 ;e 为 水 汽 压 ;P 为 大 气 压 ; 在 气温 为 293.15K 时 , 干 空 气 中 声 速 等 于 343.5m/s。2008-11-15 112/119 刘 树 华

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PekingUniversity声 雷 达 的 应 用主 要 参 数• 脉 冲 频 率 : 1500-2000 Hz• 脉 冲 宽 度 : 50-200 ms• 脉 冲 重 复 周 期 : 2-10 s2008-11-15 114/119 刘 树 华

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§5.6 复 习 思 考 题PekingUniversity1. 什 么 叫 温 标 ? 常 用 温 标 有 哪 几 种 ? 如 何 换 标 ?2. 试 述 玻 璃 温 度 表 测 温 原 理 。3. 试 述 最 高 最 低 温 度 表 测 温 原 理 。4. 试 述 双 金 属 片 测 温 原 理 。5. 试 述 平 衡 和 不 平 衡 电 桥 测 温 原 理 。6. 推 导 线 性 化 输 出 平 衡 电 桥 电 阻 r 1 ,r 2 ,r 3 的 计 算 式 。7. 说 明 温 度 热 滞 系 数 的 物 理 意 义 及 特 性 。8. 如 何 测 定 温 度 表 的 热 滞 系 数 ?9. 一 支 热 滞 系 数 为 100s 的 温 度 表 , 温 度 30℃ 时 , 观 测 20℃ 的 环 境空 气 温 度 , 精 度 要 求 为 0.1℃, 需 要 多 少 时 间 才 能 观 测 ?10. 百 叶 箱 气 温 日 变 化 振 幅 A 0 =10℃, 要 求 日 振 幅 误 差 小 于 0.1℃,计 算 温 度 表 的 热 滞 系 数 λ。11. 气 温 测 量 中 一 般 采 用 哪 些 方 法 预 防 辐 射 误 差 ?2008-11-15 119/119 刘 树 华