Измерение температуры воздуха, воды и почвы

Для измерения температуры используются следующие типы термометров: жидкостные, деформационные и электрические.

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости при повышении или понижении температуры. В качестве термометрической жидкости обычно применяют ртуть или спирт, обладающие следующими физическими свойствами:

Ртуть (Hg) – температура замерзания – 38,9º; температура кипения 356,9º; коэффициент расширения (при 18º) 0,000181; теплоёмкость 0,03 кал/г ^. град.

Спирт этиловый (C₂H₅OH) – температура замерзания – 117,3º; температура кипения 78,5º; коэффициент расширения 0,00110 (при 18º); теплоёмкость 0,58 кал/г ^. град.

Из приведённых характеристик видно, почему для измерения более низких температур применяется в качестве термометрической жидкости спирт.

Все жидкостные термометры состоят из трёх основных частей: стеклянного резервуара, наполненного термометрической жидкостью и переходящего в верхней части в капилляр; стеклянной шкалы с делениями; защитной стеклянной трубки.

В зависимости от устройства шкалы термометры делятся на два вида: со вставной шкалой и палочные.

Вставная шкала изготовляется из молочного стекла и неподвижно укрепляется в корпусе термометра, упираясь одним концом в специальное седло, а другим – в пружину, помещённую в пробке. К шкале плотно прикрепляется тонкий стеклянный капилляр. В палочных термометрах шкала наносится на внешней стороне толстостенного капилляра.

В метеорологии применяются две температурные шкалы: Цельсия и Фаренгейта. На шкале Цельсия (ºС) (международной температурной шкале) точка таяния льда обозначается 0º, а точка кипения воды 100º. На шкале Фаренгейта (Fº) точку таяния льда обозначают 32º, а точку кипения воды – 212º.

Отсчёты по всем метеорологическим термометрам проводятся с точностью до 0,1º.

Каждый термометр после изготовления сравнивается в Центральном бюро поверки с нормальным термометром – эталоном. В результате поверки определяют инструментальные поправки, которые помещают в особых поверочных свидетельствах (сертификатах).

Погрешности в показаниях термометров вызываются следующими причинами:

1) не вполне строгой цилиндричностью капилляра;

2) неравномерным изменением объёма жидкости при разных температурах;

3) неточностью разбивки шкалы;

4) перекристаллизацией стекла (старением).

Для измерения температуры поверхности почвы на метеорологических станциях применяют срочный, максимальный и минимальный термометры (рисунок 1). Эти термометры кладут вместе на открытой площадке размером 4x6 м так, чтобы их резервуары плотно прилегали к почве и наполовину были в неё погружены. Травяной покров с площадки удаляется, а почва взрыхляется. При наличии снежного покрова все три термометра помещают на поверхности снега.

 

Рисунок 1 – максимальный термометр, минимальный термометр, срочный напочвенный термометр

Срочный напочвенный термометр – ртутный со вставной шкалой; цена деления 0,5º. Резервуар термометра имеет обычно цилиндрическую форму. Наблюдения по этому термометру сводятся к отсчёту показаний в срочные часы.

Максимальный термометр служит для измерения наивысшей температуры за время между срочными наблюдениями. Этот термометр ртутный, со шкалой из молочного стекла. Цена деления термометра 0,5º. Резервуар может быть или цилиндрическим или шаровым. Пределы шкалы от – 36 до +51º или от – 21 до +71º. В дно резервуара максимального термометра впаян стеклянный конический стержень, который верхним узким концом входит в капилляр. Поэтому в начале капилляра образуется сужение, препятствующее свободному передвижению ртути из капилляра в резервуар. Когда температура повышается, ртуть под действием теплового расширения проталкивается через сужение из резервуара в капилляр. При понижении температуры ртуть из капилляра обратно не проходит, так как силы сцепления между частицами ртути не в состоянии преодолеть силы трения в суженной части термометра, и в этом месте происходит разрыв ртути. Оставшийся в капилляре столбик ртути будет указывать максимальную температуру за определённый промежуток времени. Для того чтобы ртуть ушла обратно в резервуар, термометр встряхивают несколько раз сильными, но плавными движениями руки.

Максимальный термометр устанавливают в горизонтальном положении. Во время наблюдений термометр слегка поднимают за конец, удалённый от резервуара, чтобы ртуть в капилляре подошла к сужению, и делают отсчёт. Сделав отсчёт, термометр встряхивают, пока столбик ртути не займёт положение, соответствующее температуре по срочному термометру. Этим самым подготавливают термометр к следующему наблюдению. Отсчёты записывают в наблюдательскую книжку.

Минимальный термометр служит для измерения самой низкой температуры между сроками наблюдений. Этот термометр – спиртовой, имеет вставную шкалу из молочного стекла; цена деления шкалы 0,5º. Резервуар термометра цилиндрический. Капилляр на конце, противоположном резервуару, имеет расширение, в котором собирается спирт при повышении температуры выше последнего деления шкалы. Здесь же скапливаются пары спирта.

В капилляре минимального термометра внутри спирта помещён небольшой тонкий стеклянный штифтик с утолщёнными тупыми концами. При вертикальном положении (резервуаром вверх) штифтик свободно перемещается внутри спирта до плёнки поверхностного натяжения. В горизонтальном положении он двигается в обратную сторону, к резервуару, под давлением этой плёнки. Это происходит только при понижении температуры. Если же температура начнёт повышаться, то мениск отойдёт от штифта в сторону более высоких температур, а штифтик останется на уровне минимальной температуры.

Устанавливают минимальный термометр всегда в горизонтальном положении. Во время наблюдений, не трогая руками термометр, отсчитывают минимальную температуру по концу штифта, удалённому от резервуара, и срочную температуру по положению мениска спирта. После отсчёта термометр переворачивают резервуаром вверх и ждут, пока штифтик дойдёт до мениска спирта. Затем термометр вновь устанавливают в горизонтальном положении, после чего он подготовлен к следующему наблюдению.

Рисунок 2 – а) устройство максимального термометра (1. резервуар, 2. штифт, 3. вакуум в капилляре); б) устройство минимального термометра (1. капилляр, 2. штифт)

Почвенные термометры Савинова они служат для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см. Это ртутные термометры со вставной шкалой из молочного стекла; цена деления шкалы 0,5º. Резервуар с остальной частью термометра составляет угол 135º (рисунок 3). От резервуара до начала шкалы термометр имеет термоизоляцию, состоящую из золы и ваты. Термоизоляция необходима для того, чтобы температура вышележащих слоёв почвы не влияла на показания термометра.

 

Рисунок 3 – Почвенные термометры Савинова

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. После того как траншея готова, в отвесную стенку на нужной глубине горизонтально вдавливают резервуары термометров. Затем траншею засыпают землёй, сохраняя последовательность вынутых пластов земли (рисунок 4).

 

 

Рисунок 4 – Установка почвенного термометра Савинова

Наблюдения по термометрам Савинова производятся только в тёплое время года. При наступлении заморозков термометры убирают, так как при замерзании поверхностного слоя почвы они часто ломаются. Отсчёты по термометрам Савинова производятся последовательно, начиная с термометра, установленного на глубине 5 см.

Измерение температуры воздуха на метеорологических станциях проводят термометрами, которые устанавливаются в метеорологической (психрометрической) будке, защищающей их от солнечной радиации, теплового излучения Земли, осадков, ветра. Будка устанавливается на подставке высотой 175 см, чтобы термометры находились на уровне 2 м. Психрометрические термометрыслужат для измерений в срок наблюдений, укрепляются вертикально. Они ртутные с шарообразным резервуаром, цена деления шкалы 0,2 градуса, точность отсчета 0,1. Максимальный иминимальный – для определения экстремальных температур, спиртовые. Максимальный термометр укладывается с небольшим уклоном в сторону резервуара, минимальный – горизонтально. Для непрерывной записи температуры используют термограф, для дистанционных измерений – электрические термометры сопротивления.