Приборы для измерения температуры воздуха

Принципы измерения, виды термометров

Для получения сопоставимых численных значений температуры используются температурные шкалы, построение которых основано на реперных (опорных) точках - точка таяния льда и точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Первый термометр, изобретение которого приписывается Галилею (1598 г.), шкалы не имел. Впоследствии получили распространение шкалы, которые предложили Фаренгейт (1715 г.), Реомюр (1736 г.), Цельсий (1748 г.), Кельвин (1848 г.).

Градус температурной шкалы Фаренгейта (F) составляет 1/180 интервала между точками таяния льда и кипения воды (32 и 212° соответственно); градус температурной шкалы Реомюра (К) - 1/80 интервала между точками таяния льда и кипения воды (0 и 80°); градус температурной шкалы Цельсия (С) составляет 1/100 интервала между точками таяния льда и кипения воды (0 и 100°). По шкале Кельвина точке плавления льда соответствует температура 273,15 °К.

Связь между температурой по шкале Кельвина (Т) и температурой по шкале Цельсия (С) имеет вид:

t°_C = T - 273,15

В большинстве стран Европы пользуются шкалой Цельсия, а в США, Англии и ряде других стран - шкалой Фаренгейта. Переход от одной шкалы к другой делается по формулам:

t°_C = 5/9 (t°_F - 32); t°_F = 9/5 (t°_C + 32)

Шкала Реомюра к настоящему времени вышла из употребления.

Принцип действия любого термометра основан на закономерной зависимости некоторого выбранного физического свойства чувствительного элемента от температуры. На метеорологической сети находят применение следующие виды термометров:

1) Жидкостные - действие их основано на изменении объема жидкости при изменении температуры. Наиболее распространенный тип термометров. Термометр состоит из резервуара, соединенного с капилляром, противоположный конец которого запаян. Резервуар с термической жидкостью может иметь форму цилиндрическую, шарообразную и др. У большинства термометров шкала нанесена на пластинку из матового стекла, скрепленную с капилляром. Шкала и капилляр заключены в защитную стеклянную оболочку. Объем капилляра над жидкостью может иметь вакуум или заполняться инертным газом.

При изменении температуры изменяется объем жидкости, что сказывается на высоте столбика жидкости в капилляре. Это и позволяет по шкале определять температуру. В качестве термометрической жидкости применяют ртуть, спирт, толуол.

2) Деформационные - действие основано на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры. В основном применяются биметаллические деформационные термометры, чувствительным элементом которых является пластинка из двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения. Обычно это инвар и сталь. Если один конец биметаллической пластинки закрепить неподвижно, то при изменении температуры ее свободный конец будет перемещаться пропорционально изменению температуры. Поэтому биметаллические термометры имеют равномерную шкалу.

Биметаллические чувствительные элементы используются в термографах, радиозондах и некоторых других приборах.

3) Электрические:

а) сопротивления - действие основано на изменении электропороводности тел с изменением температуры. Принцип действия термометров основан на свойстве материалов менять электрическое сопротивление (проводимость) с изменением температуры. В качестве первичных преобразователей используют металлические проволочные и полупроводниковые терморезисторы.

Датчик термометра сопротивления - тонкая проволока из чистого металла (медь, платина, никель), намотанную на каркас и помещенную в герметически защищенный кожух (длина 10-20 см, диаметр около 1 см);

б) термоэлектрические - действие основано на изменении электродвижущей силы при изменении разности температур спаёв. В этих термометрах используется термоэлектрический эффект - в замкнутой цепи из двух разнородных металлов, по концам соединенных между собой (места соединений - спаи), возникает электродвижущая сила, пропорциональная разности температур спаев. Сила тока измеряется чувствительным гальванометром.

Используются для измерения градиентов температуры, а также для измерения температуры воздуха, почвы и воды.

в) термотранзисторные - действие основано на зависимости напряжения эмиттер-база транзистора от температуры. Термотранзисторы - транзисторы, применяемые в качестве первичных преобразователей температуры. Температура определяется по напряжению эмиттер-база. Могут применяться при температуре от -70° С до +200° С. Термотранзисторы обладают стабильностью, линейностью, высокой чувствительностью.

Важными свойствами термометра являются его термическая инерция и чувствительность. Любой термометр показывает температуру своего чувствительного элемента. При изменении температуры среды помещенный в неё термометр должен принять температуру этой среды, но на это требуется определенное время.

Коэффициент термической инерции термометра - это время, за которое первоначальная разность температур термометра и среды уменьшается в е раз (е - основание натурального логарифма). То есть коэффициент инерции выражает скорость, с которой показания термометра приближаются к температуре среды.

Величина коэффициента инерции прямо пропорциональна массе чувствительного элемента термометра, его удельной теплоемкости и обратно пропорциональна его поверхности и коэффициенту внешнего теплообмена, который зависит от теплоемкости, вязкости окружающей среды и ее движения относительно термоприемника.

Чувствительность термометра - это величина одного градуса на шкале термометра в миллиметрах. Зависит от коэффициента объемного расширения жидкости и термометрического стекла, от объема резервуара и поперечного сечения капилляра термометра.

Цена деления - это количество градусов, приходящееся на наименьшее деление шкалы термометра.

Приборы измерения температуры воздуха

Термометр психрометрический ртутный метеорологический ТМ-4. Предназначен для измерения температуры воздуха, а также используется в психрометре для определения влажности воздуха (отсюда и его название «психрометрический»). Это ртутный термометр со вставной шкалой, длина термометра 410 мм, диаметр 17 мм, резервуар шарообразный диаметром 9-12 мм, капилляр круглый с наружным диаметром 2,5 мм. Пространство над ртутью заполнено азотом. Пределы измерений: от -35 до +40° С или от -25 до +50° С, цена деления шкалы 0,2° С. Погрешность измерения: при температуре от 0 до +50° С не более ±0,2° С, при температуре от 0 до -35° С не более ±0,4° С. Коэффициент инерции в малоподвижном воздухе составляет около 300 с.

Термометр спиртовый метеорологический низкоградусный ТМ-9. Является дополнительным к ртутному психрометрическому. В нем используется спирт. Резервуар цилиндрический диаметром 6 мм. Пределы измерений: от -65 до +25° С или от -75 до +25° С. Цена деления шкалы 0,5° С. Погрешность измерения при температуре от +20 до -20° С не более ±0,5° С; при температуре -70° С не более ±2,5° С.

Термометр ртутный метеорологический максимальный ТМ-1. Предназначен для определения максимального значения температуры за какой-либо промежуток времени.

Это термометр со вставной шкалой длиной 340 мм, диаметром 18 мм. Резервуар цилиндрической формы диаметром около 8 мм. В капилляре над ртутью создан вакуум. Пределы измерений от -35 до +50° С или от -20 до +70° С. Цена деления 0,5° С. Погрешность измерения: при температуре от -10 до +50° С не более ±0,4° С; при температуре -30° С не более ±0,8° С.

Термометр спиртовый метеорологический минимальный ТМ-2. Предназначен для определения минимальной температуры за какой-либо промежуток времени. Термометрическая жидкость - спирт. Это термометр со вставной шкалой, длиной 340 мм, диаметром 19 мм. Резервуар цилиндрический диаметром 7-10 мм. Пределы измерений от -75 до +21° С; от -61 до +31° С; от -51 до +31° С; от -41 до +41° С. Цена деления шкалы 0,5° С. Погрешность измерения: при температуре +40 до -20° С не более ±0,5° С; при температуре ниже -60° С не более ±2,0° С.

Термометр-пращ ртутный метеорологический ТМ-8. Предназначен для измерения температуры воздуха при метеорологических наблюдениях. Термометр палочного типа в виде толстостенного капилляра с расширенным концом, переходящим в резервуар. Шкала нанесена на наружной поверхности. Длина термометра 190 мм, диаметр 8 мм. Интервал измерений: от -30 до +50° С; от -35 до +40° С. Цена деления шкалы 1°С. Погрешность измерений: при температуре от -10 до +50° С не болеет ±0,5° С; при температуре -30° С не более ±0,8° С.

Термограф метеорологический M-16. Предназначен для непрерывной регистрации изменений температуры воздуха в пределах от -45 до +55° С, погрешность измерения ±1°С.

Прибор состоит из чувствительного элемента - биметаллической пластинки, передаточного механизма, регистрирующей части и корпуса.

Задание.