Сравнение нулевых значений шкал Цельсия, Кельвина, Реомюра, Фаренгейта

На практике шкала Цельсия используется для измерения температуры в быту и в науке. Температуру в градусах Цельсия передают радиостанции и телевизионные каналы, температуру в градусах Цельсия показывают в Интернете информеры погоды. В градусах Цельсия проградуированы многие термометры, шкалы регуляторов климат-контроля автомобилей и табло пультов дистанционного управления кондиционерами.

Шкала Кельвина используется в науке. Температура абсолютного нуля соответствует нулю градусов по шкале Кельвина. В фотографии баланс белого соответствует определённой цветовой температуре. Например, баланс белого в солнечный день (или свет фотовспышки) соответствует цветовой температуре 5500 K.

Шкала Фаренгейта используется в США, Англии и некоторых других странах. Иногда в гостиницах можно встретить кондиционеры, чьи пульты дистанционного управления проградуированы в градусах Фаренгейта.

Шкала Реомюра в большинстве стран используется достаточно редко.

4.2. Устройство и принцип работы метеорологических термометров

Виды термометров. Для измерения температуры в разных средах наибольшее при­менение имеют жидкостные, термоэлектрические, электротермо-метры сопротивления и деформационные термометры.

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объема жидкости с изменением температуры. В качестве жид­кости в таких термометрах чаще всего используют ртуть или спирт, обладающие следующими физическими свойствами.

Ртуть (Hg) – температура замерзания равна (-38,9 °С), а температура кипения – (+356,9 °С). Коэффициент расширения при 18 °С равен 0, 000181, теплоемкость составляет 0,1257 Дж/г·град.

Спирт этиловый (С₂Н₅ОН) – температура замерзания равна (-117,3 °С),

температура кипения – (+78,5 °С).Коэффициент расширения при 18 °С составляет 0,00110, а теплоемкость – (2,4302 Дж/г·град).

Из приведенных характеристик видно, что для измерения низких температур в качестве термометрической жидкости используется спирт, в остальных случаях – ртуть.

Жидкостные термометры состоят из небольшого стеклянного резервуара цилинд­рической или шарообразной формы, к которому припаяна капил­лярная трубка. Резервуар и часть трубки заполнены термометрической жидкостью. Температуру отсчитывают по шкале с делениями, изготовленной из стекла молочного цвета. Она расположена за капиллярной трубкой внутри стеклянной наружной оболочки и прочно укреплена: одним концом упирается в специальное седло, другим – в пружину, установленную в пробке. Отсчеты по всем термометрам проводятся с точностью до 0,1°С.

Каждый термометр после изготовле­ния сравнивается в бю­ро поверки с контрольным термомет­ром – эталоном. В результате по­верки определяют инструментальные поправки, которые помещают в особых поверочных свидетельствах (сертификатах). Погрешности термометров вызываются следу­ющими причинами: 1) не вполне строгой цилиндричностью капилляра; 2) нерав­номерным изменением объема жидкости при разных температу­рах; 3) неточностью разбивки шкалы; 4) перекристаллизацией стекла (старением). Суммарные значения этих погрешностей называют шкаловыми поправками, которые надо вводить к показаниям термометра. Образец жидкостного термометра приводится на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Жидкостный метеорологический термометр

Инерция жидкостных термометров 3—7 мин. Для некоторых термометров (термометр-щуп, почвенно-вытяжной термометр) инерцию искусственно завышают до 15—20 мин, так как отсчеты по ним про­изводят вынимая его из почвы, т. е. в другой среде. Погрешность из­мерения этих термометров 0,2—0,5 °С.

Принцип работы каждого термометра зависит от его назначения. Рассмотрим каждый вид термометра отдельно.

Максимальный термометр. Этот термометр предназначен для измерения наибольшей температуры воздуха или поверхности почвы за определенный промежуток времени (рис.4.2). В устройстве отличается от других термометров тем, что в дно резервуара впаян стеклянный конический

Рис. 4.2. Максимальный термометр ТМ-1

стержень 1, который верхним узким концом довольно плотно входит в

капилляр и суживает отверстие для входа ртути из капилляра в резервуар.

Принцип работы термометра заключается в том, что при повышении температуры ртуть под действием теплового расширения проходит сквозь узкое отверстие из резервуара в капиллярную трубку. При понижении температуры в узком месте происходит разрыв ртути, так как силы молекулярного сцепления ртути меньше силы трения, и оставшийся в капилляре столбик ртути будет показывать максимальное значение температуры. Для того, чтобы ртуть ушла обратно в резервуар, термометр встряхивают несколько раз резкими движениями руки, крепко удерживая термометр в руках. Максимальный термометр в психрометрической будке или в растительном покрове устанавливают так, чтобы резервуар находился на 2-3º ниже противоположного конца. Этим достигается положение, при котором столбик ртути упирается на конец стержня, находящегося в месте сужения капилляра. На поверхности почвы максимальный термометр устанавливают в горизонтальном положении. Во время наблюдений термометр слегка поднимают законец, удаленный от резервуара, чтобы ртуть в капилляре подошла к сужению, и делают отсчет. Во всех случаях сделав отсчет, термометр встряхивают, пока столбик ртути не займет положение, соответст­вующее температуре по срочному термометру. Этим самым под­готавливают термометр к следующему наблюдению. Отсчеты за­писывают в книжку наблюдателя или в специальные бланки.

Минимальный термометр ТМ-2 (рис.4.3) служит для измерения наименьшей температуры за период между двумя сроками наблюдений. Цена деления 0,5º. Особенность устройства термометра заключается в том, что резервуар заполнен спиртом. Из резервуара спирт плавно переходит в капиллярную трубку, в конце которого имеется расширение, в котором спирт при повышении температуры выше последнего деления шкалы. Здесь же скапливаются пары спирта. Внутри спирта в капилляре помещен небольшой тонкий стеклянный штифтик темного цвета с утолщениями на обоих концах. Он настолько легок, что своим весом не может преодолевать силу поверхностного натяжения спирта. Устанавливают термометр минимальный всегда в горизонтальном положении, предварительно поднимая резервуар вверх и подводя штифтик к концу столбика спирта.

Рис. 4.3. Минимальный термометр ТМ-2

Принцип работы прибора заключается в следующем: при понижении температуры спирт сжимается, столбик спирта в капилляре укорачивается и увлекает за собой в сторону резервуара штифтик до тех пор, пока не прекратится понижение температуры. Затем при повышении температуры спирт расширяется, свободно обтекает штифтик и столбик спирта в капилляре удлиняется, а штифтик остается на месте. Следовательно, по правому, удаленному от резервуара, концу штифта можно отсчитать наименьшую температуру со времени последней установки термометра. Во время измерений, не трогая термометр, сначала отсчитывают положение штифтика, затем показания по спирту. Результаты записывают в книжку наблюдателя или в специальные бланки. Для подготовки к следующим измерениям вновь надо поднимать резервуар в вертикальное положение, подвести штифтик до конца столбика спирта и установить прибор на место наблюдений. После этого он готов к следующим измерениям.

Срочный напочвенный термометр ТМ-3. К срочным термометрам относятся все термометры, служащие для измерения температуры среды в данный момент времени. В зависимости от назначения, цены деления шкалы и ее предельных значений их подразделяют на психрометрические (ТМ-4), коленчатые (ТМ-5), почвенно-вытяжные (ТМ-10) и др.

Срочный напочвенный термометр устанавливается на оголенной поверхности почвы. Во время установки резервуар плотно «вдавливают» на поверхность почвы с таким расчетом, чтобы половина его оставалась открытой. На поверхности снега устанавливают точно также. Цена деления 0,5º. Наблюдения по этому термометру производятся в назначенные часы.

До настоящего времени для измерения температуры воздуха наибольшее распространение получили жидкостные термометры. На метеорологических станциях температуру воздуха измеряют по сухому термометру станционного психрометра, который предназна­чен также для определения характеристик влажности (рис.4.4). Станционный психрометр устанавливается в психрометрической будке.

Рис. 4.4. Установка термометров в психрометрической будке

а) психрометрические термометры 1, б) минимальный 2 и максимальный 3 термометры, в) гигрометр 4, г) стаканчик с дисциллированной водой 5.

Психрометрические термометры имеют вставную шкалу из молочного стекла с ценой деления 0,2°. Отсчеты произво­дятся с точностью до 0,1°. Эти

термометры очень чувствительные и малоинерционные. Резервуар термометра имеет форму шара. На верхнем конце защитной трубки имеется металлический колпачок с закраиной, который служит для установки термометра в штатив.

Для измерения температуры воздуха в полевых условиях пользуются показаниями сухого термометра аспирационного психрометра. Цена деления такая же – 0,2º. От станционного термометра отличается лишь меньшими размерами и формой резервуара. Этот термометр является частью аспирационного психрометра, служащего для измерения температуры и характеристик влажности воздуха в полевых условиях (описание прибора и методики наблюдений дано в следующей главе).

Психрометрическая будка представляет собой небольшой де­ревянный шкаф размером 29х46х59 см (рис. 4.5). Боковые ее стенки сделаны из двойного ряда наклонных планок в виде жалюзи. Одна из стенок, устанавливаемая на север служит дверцей. Сверху будка имеет горизонтальный потолок, над которым располагается крыша.

Рис. 4.5. Внутренний вид психрометрической будки с приборами

Размеры крыши больше размеров потолка, ее скат сделан на юг. Дно будки состоит из трех отдельных планок, причем средняя расположена немного выше крайних. Между планками образуются широкие просветы. Жалюзийные стенки и пол обеспечивают свободный доступ воздуха к приборам. Но хорошая вентиляция будки на­блюдается только при ветре, в тихую погоду в будке возможен застой воздуха. Психрометрическая будка предназначена для защиты термо­метров от радиационных воздействий. Устанавливают ее на дере­вянной подставке так, чтобы резервуары термометров были на высоте 2 м от поверхности почвы. Будку ориентируют дверцей на север. Это делается для того, чтобы при открытии дверца во время наблюдений солнечные лучи не попали на термометры. Будка внутри, снаружи и лесенка окрашены белой масляной краской.

Термограф предназначен для регистрации во времени изменений температуры воздуха в наземных условиях (риc.4.6).

Принцип действия прибора основан на свойстве биметаллической пластины изменять радиус изгиба при изменении температуры воздуха. Термограф состоит из следующих основных узлов: датчика температуры – биметаллической пластины –1; передаточного механизма –2 (рычага, тяги, регулятора и оси); регистрирующей части – 3 (стрелки с пером и барабана с часовым механизмом); корпуса – 4.

Рис. 4.6. Термограф

Биметаллическая пластинка состоит из двух металлических пластинок, обладающих различными коэффициентами расширения. Обычно применяются инвар и немагнитная сталь. Один конец биме­таллической пластинки закреплен неподвижно, к другому концу с помощью системы рычагов присоединена стрелка, на конце ко­торой насажено перо, наполняемое анилиновыми чернилами с глицерином, предохраняющим их от высыхания и замерзания. При изменении температуры воздуха биметаллическая пластинка ме­няет изгиб, и перемещения ее конца в увеличенном виде переда­ются на стрелку с пером. Перо, прикасаясь к ленте на вращаю­щемся барабане, вычерчивает на ней кривую, соответствующую изменениям температуры воздуха. Барабан приводится в движе­ние с помощью часового механизма. В зависимости от скорости вращения барабана термографы, как и другие самописцы, бывают су­точные и недельные. Ленты суточных самописцев имеют цену деления по вертикальной шкале времени 15 мин, а недельные – 2 час. Цена деления горизонтальной шкалы ленты термографа равна 1º. Часовой механизм барабана может отставать или уходить вперед. Для регулировки хода предусмотрена стрел­ка-регулятор, расположенная в верхней части барабана около заводного ключа.

Термометры коленчатые Савинова (ТМ-5) служат для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см, в так называемом пахотном слое (рис.4.7). Коленчатые термометры – это ртутные термометры со вставной шкалой из молочного стекла; цена деления шкалы 0,5°. Резервуар с остальной частью термометра составляет угол 135°. От резервуара до начала шкалы, термометр имеет термоизоляцию, состоящую из золы и ваты. Термоизоляция необходима для того, чтобы температура вышеле­жащих слоев почвы не влияла на показания термометра. Устанавливаются почвенные термометры Савинова на той же площадке, что и термометры для измерения температуры поверх­ности почвы. Сначала выкапывают узкую и неглубокую траншею в направлении с востока на запад. Землю вынимают пластами.

Рис. 4.7. Общий вид комплекта термометров в футляре

Северную стенку траншеи делают отвесной. Термометры устанавливались так, чтобы резервуар и часть термометра

до изгиба находились в горизонтальном положении под слоем почвы, а часть

термометра со шкалой располагалась над почвой (рис.4.8). Затем траншею засыпают землей, сохраняя последовательность вынутых пластов зем­ли с постепенной трамбовкой.

Рис. 4.8. Образец установления термометра

Наблюдения по термометрам Савинова производятся только в теплое время года. При наступлении заморозков термометры убирают, так как при замерзании поверхностного слоя почвы они часто ломаются. Отсчеты по термометрам Савинова производятся с точностью до 0,1°.

Измерение температуры почвы и грунта под естественным покровом на разных глубинах производится с помощью термометров–щупов АМ-6, почвенно-вытяжных термометров ТПВ-50 или установки М-54-2.

Термометр-щуп АМ-6 служит для измерения температуры почвы в полевых условиях на глу­бине от 3 до 40 см (рис. 4.9а). Термометрическая жидкость в термометре – толуол. Термометр с ценой деления 1,0 °С помещается в металлическую оправу, нижний конец которой заострен в виде конусооб-

Рис. 4.9. Термометр-щуп (а) и вытяжной почвенный термометр (б)

разного наконечника. В нем находится резервуар термометра. Чтобы тепло не передавалось от оправы к резервуару термометра, наконеч­ник изолирован от остальной части оправы эбони­товой прокладкой. Для лучшего теплового кон­такта и увеличения инерции термометра его резервуар погружен в медные опилки. В верхней части оправы для отсчета температуры сделан продольный вырез, защищенный органическим стеклом. На противоположной стороне оправы нанесены деления шкалы в сантиметрах для определения глубины установки термометра. При наблюдениях сначала пробуривают скважину несколько меньше необходимой, затем в нее опускают термометр и вдавливают его до необходимой глубины. Измерения производят через 15-20 мин с точностью до 0,5 °С. При установке термометра на малых глубинах (5—10 см), отсчеты производят, не вынимая его из почвы. Термометр-щуп переносят и хранят в вертикальном положе­нии.

Почвенно-вытяжные термометры ТПВ-50 (см. рис 4.9б) предназначены для измерения температуры почвы на разных глубинах. Комплект термометров состоит из 5 или 8 термометров, соответственно. Для измерения температуры в 5 или 8 горизонтах. Комплект из 8 термометров предусмотрен для измерения температуры почвы на глубинах 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240 и 320 см. Термометр ТМ-10 ставится в винипластовую оправу с металлическим наконечником и прорезом для шкалы. Резервуар вставляется в нижнюю часть оправы с медными опилками, после чего заливается парафином для увеличения тепловой инерции термометра. На верхнем конце термометра оправа крепится с деревянной палкой, служащей для поднятия термометра из скважины и производства измерения. В конце верхней части деревянной палки закреплен колпачок с кольцом, служащий крышкой, предохраняющей от попадания в трубку атмосферных осадков и грязи. Эбонитовая трубка с металлической гильзой на конце плотно вставляется на нужную глубину при помощи специального почвенного бура.

Для сохранения естественного покрова около термометров с северной стороны де­лается специальный откидной помост, с которого и производят­ся отсчеты. Во время наблюдений термометр осторожно вынима­ют из эбонитовой трубки за кольцо и отсчитывают температуру.

После наблюдений термометр плавно опускают в трубу.

Термометр, заключенный в специальную оправу предназначен для измерения температуры во­ды (рис. 4.10). Цена деления шкалы этого термометра 0,2°. Оправа со­стоит из металлической трубки 1 и стаканчика 2, которые свинчиваются между собой. Трубка имеет прорезь

для шкалы. Поверх трубки надет металлический чехол, с помощью которого закрыва­ют прорезь в трубке оправы и тем самым предохраняют термо­метр от механических повреждений.

Металлический стаканчик имеет отверстия

в верхней части, которые служат для наполнения

его водой. При измерении температуры воды термометр погружа­ют в воду на шнуре и

выдерживают около 5 мин. Затем его Рис. 4. 10. Термометр

выни­мают и, не выливая воды из стакана, для воды

быстро делают отсчет. Кроме жидкостных термометров для измерения температуры в разных средах применяются термоэлектрические термометры. Они основаны на изменении электродвижущей силы, возникающей

вследствие разности температур спаев.

Термоэлементы часто изготавливают из меди и константана. Преимущество этих термометров перед жид­костными состоит в том, что ими можно производить измерения во всем диапазоне температур, учитывающихся в метеорологии. Инерция их составляет 30 –100 с, а погрешность измерения 0,5—1,0 °С.

Электротермометры сопротивления основаны на принципе изменения электрического сопротивле­ния материалов. Датчики термометров сопротивления могут быть металлическими проволоч­ными и полупроводниковыми. Термометры сопротивления широко применяются для дистанционных измерений. Инерция их мала (есть приборы с инерцией около 1с), погрешность измерения около 0,2 °С.

Наибольшей популярностью в экспедиционных условиях пользуются термометры сопротивления АМ-2М, АМ-34, транзисторные термометры ТЭТ-2 и др. По принципу действия электрические термометры делятся на два типа: термометры сопротивления и термоэлектрические термометры.

Термометры сопротивления АМ-2М (рис. 4.11) предназначены для измерения температуры почвы на разных глубинах. Действие электротермометра основано на свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от изменения температуры. Для

Рис. 4.11. Общий вид термометра сопротивления АМ-2М

измерения величины этого сопротивления в аналогичных приборах применен равноплечий неуравновешенный мост постоянного тока. Датчик термометра 1 представляет собой медный проволочный термометр сопротивления, заключенный в герметический корпус. К термометру присоединен двухжильный кабель, которым термометр при измерениях с помощью вилки 3 соединяется с пультом 2. Пульт является переносным прибором. В нем смонтирован измерительный прибор 4 и батарея сухих элементов. Подключение каждого из комплекта термометров к пульту осуществляется с помощью штепсельного соединения. Кабель датчика оканчивается вилкой, закрываемой крышкой, а пульт снабжен контактными гнездами.

Термометр АМ-34 предназначен для полевых агрометеорологических наблюдений. Измеряет текущие и экстремальные величины температуры почвы на глубине узла кущения озимых культур. Он состоит из блока измерения и регистрации (БИР) и пульта считывания информации (ПСИ). Термометр АМ-34 позволяет контролировать температурные условия хранения и транспортирования продуктов питания и медикаментов, зафиксировать минимальную и максимальную температуру в период между сроками наблюдения, а также запоминатаь измеренные значения в ПСИ с последующим считыванием их в ПЭВМ или оператором.

Транзисторный электротермометр ТЭТ-2, так же как термо­метр-щуп АМ-6, применяют для измерения температуры почвы пахотного слоя в теплый период. Его можно использовать и для измерения температуры в других средах, например, в зернохранилищах, буртах корнеклубнеплодов. Он состоит из датчика, измерительного прибора и кабеля. Датчиком электротермометра служит металлическая трубка длиной около 50 см с рукояткой и острым наконечником, который соединяется с трубкой при помощи втулки из теплоизоляцион­ного материала. Приемник температуры – термотранзистор, укрепленный внутри наконечника и соединенный с кабелем.

Измерительное устройство имеет внутри батарею питания, справа – розетку для подключения датчика. На лицевой сто­роне размещены: кнопка включения, шкала для приблизительных измерений с пределами от (-40 до +80 °С, шкала для бо­лее точных измерений с пределами от (-10 до + 10 °С), от + 10 до + 30 °С и от +20 до +50 °С. Имеется также ручка для переключения диапа­зонов и корректор стрелки прибора..

При измерении температуры почвы датчик устанавливают вертикально в почве на нужной глубине (шкала глубин нанесена на трубке, нуль шкалы совпадает с наконечни­ком) и подключают к измерителю, который устанавливают горизонтально.

Перед измерениями стрелку с помощью корректора устанавливают на нулевое деление шкалы и проверяют наличие питания. Для этого переключатель диапазонов устанавливают в положение К. При нажиме на кнопку включения стрелка должна показывать на сектор контроля питания. Если стрелка выходит за пределы сектора, необходимо проверить батарею питания и при необходимости заменить ее. Затем переключатель диапазонов переводят в положение «-40 +80» и через 60 с после установки датчика по нижней шкале отсчитывают показание прибора. Более точные показания отсчитывают по верхней шкале. Для этого рукоятку переключают на диапазон, в который попадает температура, измеренная по нижней шкале. Погрешность измерений по нижней шкале составляет около 2 °С, а по верхней трехпредельной шкале — около 0,5 °С.

4.3. Задания по теме

Задание 1. Изучить устройство и принцип работы метеорологических жидкостных термометров