大 气 探 测 学第二章 温度的测量第二章 温度的测量 温度、温标、测温器 玻璃液体温度表 双金属片温度计 铂电阻温度传感器 热电偶温度传感器 半导体温度传感器 晶体温度传感器2.1 温度、温标、测温器 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。2.1.1 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2.1.1 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 。 正点前十分钟平均气温，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2.1.2 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 ()=(5/9)*( -32）2.1.3 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。2.1.3 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 （现代大气观测，P8-P11)2.1.3 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6.11hpa2.1.4 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）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 t L= V/S=V0a t/S L/ t = Va/SsL2.2 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）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 ） 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 球部暂时变形 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2.3 双金属片温度计oAABB2.4 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 / S2.4 .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 -1 B = -5.84E-7 -2 C= -4.22E-12 -4 一般测量用铂电阻Bt100 （R0=100）2.4.2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2.4.2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2.4.3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 / I0D V M2.5 热电偶温度传感器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一样时， 产生谐振现象。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