1、大大 气气 探探 测测 学学第5章 温度的测量第第5章章 温度的测量温度的测量1. 温标及测温要求2. 测温仪器3. 热滞效应4. 防辐射方法l玻璃液体温度表l双金属片温度计l铂电阻温度传感器l热电偶温度传感器l半导体温度传感器l晶体温度传感器5.1 温标及测温要求 温度的概念 气温、地表温度、土壤温度 温标及其参考点 绝对温标、摄氏温标、华氏温标、ITS90 测温仪器类型 热膨胀、温差电势、电阻温度效应。5.1.1 温度的概念 温度表征物体冷热程度的物理量 微观观点：物体分子热运动平均动能的大小 宏观观点：两个物体或系统通过热交换达到动态平衡（热平衡）时所具有的一个共同的物理性质5.1.1
2、温度的概念 地面气温离地面1.5米左右，处于通风防辐射条件下温度表度取得温度值。 正点前10/1分钟平均气温，最高、最低气温 地温 地表温度、最高、最低地表温度 浅层土壤温度（-5，-10，-15，-20CM） 深层土壤温度（-40，-80，-160，-320CM) 高空气温（高空站） 水面温度（海洋站、农气站）5.1.2 温标 温标衡量温度的标尺（起点、基本单位） 热力学温标（绝对温标） 量值正比于理想气体运动的平均动能，单位K 1K等于水三相点（273.16K）温度度量的1/273.16。 经验温标 摄氏温标（） 华氏温标（ ） 换算 t ()=T(K)-273.15(K) t ()=(5
3、/9)*( -32）5.1.3 温标的实现 ITS90 气体温度表 理想气体状态方程 PV=RT 理想气体在固定容积下（V=常数），容器内的气体压力每改变1/273.15时，其温度变化相当于绝对温度1K。 氢气或氦气分子量小，接近于理想气体，可以用测量固定容器内的氢气或氦气的压力变化的方法，准确实现绝对温标标定。 气体温度表庞大复杂，引入实用温标。5.1.3 温标的实现 ITS90 实用温标 ITS90 系列参考点（指定物质的相平衡点） 气象范围：氩、汞、水三相点、铟凝固点 内插仪器（标准传递仪器） 国际标准铂电阻温度表 国家标准铂电阻温度表及其偏差函数 内插公式及其转换公式系数 正温 负温
4、（现代大气观测，P8-P11)5.1.3 温标的实现 ITS90 水的三相点 水固、液、气三相平衡共有的状态，对应于一个确定不变的温度和气压值。 温度等于273.16K 水气压为6.11hpa5.2.1 常用的测温方法和分类 利用物体某一属性随温度变化作为依据，而这种属性又是可以容易准确度量的。 测温物质和测温特性 测温方法 接触式测量（以介质直接接触建立热平衡） 胀缩式（氢气、水银、双金属片） 电测式（电阻、热电偶、半导体） 谐振式（石英晶体） 非接触式测量（遥感） 被动式（红外、微波、光学辐射温度计） 主动式（声学测温、激光雷达）5.2.2 玻璃液体温度表 利用玻璃容器中的测温液体随温度变
5、化引起体积膨胀，从液柱位置的变化来测定温度 感应部分充满液体的玻璃球 视度部分玻璃毛细管V=Vt V0=V0(1+a t)-V0=V0a tL= V/S=V0a t/SL/ t = Va/SsL5.2.2 玻璃液体温度表 常用测温液体 汞凝固点-38.862 ，4%铊合金-62 沸点356.9 热膨胀系数1.82*10exp-4 / (18 )用于干湿球温度表、最高温度表，低温不能用 酒精凝固点-177.5 ，沸点78.5 ， 膨胀系数1.10*10exp-3/ (18 )用于最低温度表、不能用于高温（地表温度）5.2 .2玻璃液体温度表 常用液体温度表 普通水银干湿球玻璃温度表（准确度0.2
6、） 测定气温、湿球温度 组成：感应球部、毛细管、标尺板、外套管、液柱 最高温度表 最低温度表 地表面温度表 曲管地温表 直管地温表5.2.2 玻璃液体温度表干湿球温度表最高、最低温度表浅层低温观测场地地表温度表和浅层地温表深层低温观测5.2.2玻璃液体温度表 主要误差 零点永恒位移 由玻璃温度表球部容积随时间缩小 球部暂时变 环境温度的继续变化引起 刻度误差 玻璃毛细管截面积的非均匀性引起刻度的非线性5.2.3双金属片温度计 基本原理 基本结构 感应部分 双金属片（主动片、被动片） 传递放大部分 自动记录部分5.2.3 双金属片温度计oAABB双金属片温度计周计温湿度计双金属片温度控制o热继电
7、器加热丝热断路器220VAC日光灯启辉器中的双金属片启辉器日光灯管镇流器220VAC5.2.4 铂电阻温度传感器 金属的电阻特性 R = L / S 电阻率随温度变化 金属的电阻值与温度的关系 Rt = R0 ( 1+ a t + b t 2) 当ab 时， Rt = R0 ( 1+ a t ) d R / d t = R0 a = 0 a L / S5.2.4 .1铂电阻温度传感器特性 作为温度传感器要求： 物理、化学性质稳定 电阻温度系数稳定、连续 电阻率长期稳定性好 电阻率及温度系数大0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 91010铂铂镍镍铁铁钨钨铜铜电阻率电阻率电阻
8、温度系数电阻温度系数5.2.4.1铂电阻温度传感器特性 铂电阻计算公式-2000 : Rt = R0 ( 1+ A t + B t 2 + C(t-100)3)0 650 : Rt = R0 ( 1+ A t + B t 2)A = 3.96847E-3 -1B = -5.84E-7 -2C= -4.22E-12 -4 一般测量用铂电阻Pt100 （R0=100）5.4.2.2铂电阻温度传感器结构 陶瓷绝缘支架 直径0.030.07铂丝，双线无感绕法 玻璃或金属保护套管，热传导好 四引出线，注意避免藕接电势5.2.4.3铂电阻温度传感器测量电路 平衡电桥 非平衡电桥 导线电阻对温度测量的影响平
9、衡电桥电桥平衡条件（G=0） R1/R3=R2/RtR1/R2=R3/RtRt =R3R2/R1如果R1=R2，G=0则Rt=R3R3R1RtR2abGE5.2.4.4铂电阻温度传感器测量电路 四线制恒流供电阻测量电路 恒流源 d I / d t = 0，d I / d T = 0 高输入阻抗电压测量电路 Rin10MR0 数字电压表 R = V / I0DVM铂电阻分度表温温度度-20-20 -10-10 0 01010202030304040505060607070电阻92.1696.09100.00103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.07铂电阻
10、分度表5.2.5 热电偶温度传感器5.2.6 半导体温度传感器 半导体热敏电阻 二极管温度传感器（P-N结） 三极管温度传感器 半导体集成电路温度传感器（IC） 模拟量输出 ( AD590 ) 数字量输出 ( DS1820) 网络化温度传感器（TCP/IP）半导体温度传感器特性比较热敏电阻 二极管三极管集成电路原理测量电桥差动反馈输出数据灵敏度较高高很高内置调理线性好不好不好内部校准一致性不好不好一般内部校准准确度3210.5气象站地温5.2.7 晶体温度传感器 石英晶体谐振器 压电效应在晶片两极板间施加一电场产生机械形变在极板间施加机械力产生电场在极板间施加交变电压，当电压频率与晶片固有频率
11、一样时，产生谐振现象。5.2.7 晶体温度传感器测温晶体振荡器标准晶体振荡器差频器滤波器放大器整形器驱动器5.2.7 晶体温度传感器Y测温晶体振荡器F1=f（T）F/F=80106/ AT标准晶体振荡器F24965KHz差频器滤波器.1放大器10整形器驱动器F=F1-F25.2.7 晶体温度传感器测温晶体振荡器标准晶体振荡器差频器滤波器放大器整形器驱动器T=A+BF+CF2+DF3 (其中A、B、C、D为标定参数）标定方法，使用恒温槽，在不同的温度下测量晶体传感器输出频率，得到一系列温度和频率的数据，最小二乘法拟合方程，得到温度和频率的关系方程标度方程温度传感器特性比较铂电阻 玻璃温度表 晶体集成电路信号小电压 长度频率大电压测量电桥观测计数器输出数据灵敏度较高高很高内置调理线性较好好不好内部校准一致性好不好一般内部校准准确度0.10.20.10.5气象站自动站 常规观测梯度站地温5.3.温度测量的热滞问题滞差现象热交换需要时间建立热平衡热滞系数环境温度恒定时的滞差环境温度变化时的滞差线性变化周期性变化热滞系数与风速的关系5.4 温度测量与防辐射方法温度测量的主要特点5.4 温度测量与防辐射方法 防辐射措施 百叶箱 防辐射罩 通风防辐射罩5.4 温度测量与防辐射方法
