температура воздуха и методы её Измерения

Лабораторная работа № 1

Цель работы: знакомство с устройством и принципом действия приборов: станционного психрометра Августа, аспирационного психрометра Ассмана, термографа, термосопротивления; измерение температуры воздуха с помощью аспирационного психрометра Ассмана.

Оборудование: психрометр Августа; аспирационный психрометр Ассмана, штатив, металлический крючок для подвешивания прибора, ветровая защита; термометр на термосопротивлении, вольтметр, блок питания, провода; термограф, диаграммная лента для термографа, чернила.

Краткая теория:

Метеорологические характеристики имеют четко выраженный суточный ход (рис.1). Для температуры воздуха в летний период характерно наступление широкого максимума в послеполуденные часы, когда особенно велик приток солнечной радиации. Минимум наступает перед восходом солнца. Ему предшествует многочасовое неуклонное понижение температуры, обусловленное ослаблением, а в ночные часы – отсутствием притока солнечной радиации. После восхода солнца температура начинает расти.

Суточный ход температуры воздуха может иметь свои особенности в разных пунктах наблюдений, а также даже в одном и том же месте в отдельные дни. Отличаться могут не только среднесуточные значения, но и размах колебаний температуры. Как видно на Рис. 1, среднесуточные колебания температуры воздуха в августе синхронны во всех пунктах наблюдения, но в Ростовской области имеют амплитуду большую, чем на берегу озера Байкал.

Основные факторы, определяющие термодинамическое состояние атмосферы по-разному проявляют себя в различных физико-географических условиях (Сибирь и Донские степи). Вследствие этого их распределение в пространстве и временные вариации обнаруживают свои особенности в разных пунктах наблюдений. В таблице 1 приводятся статистические параметры температуры воздуха в приземном слое атмосферы в августе в трех различных пунктах наблюдений: на берегу озера Байкал в пос.Б.Коты и в двух пунктах Кашарского района Ростовской области. Сравнивая температуру воздуха в различных пунктах наблюдений, можно отметить не только различие средних значений, но и стандартного отклонения, которое для пунктов Ростовской области имеет значение в 2 и более раза больше величины стандартного отклонения на Байкале. Аналогичное замечание можно сделать по поводу интервала между минимальным и максимальным значением температуры (на Байкале интервал примерно ), в Ростовской области (). Температура во всех пунктах Ростовской области достигает максимального значения порядка , поэтому величина интервала определяется минимальными значениями температур в каждом пункте наблюдений. Самые низкие температуры отмечались в с. Михайловка, где температура опускалась до десятых долей градуса. Во всех остальных пунктах Ростовской области температура не опускалась ниже , на Байкале температура воздуха изменялась от 10 до 25 .

Примечание: Стандартное отклонение – характеристика изменчивости величины. Рассчитывается по формуле , где - значение величины x под номером i, - среднее значение величины x, n – число измерений. Коэффициент вариации определяется по формуле и позволяет оценить вариабельность величины относительно её среднего значения. Как видно, коэффициент вариации – величина относительная, безразмерная. Его принято выражать в процентах.

Приземный слой атмосферы находится в непрерывном контакте с подстилающей поверхностью, обмениваясь с ней теплом, влагой и прочими субстанциями. В периоды солнечного сияния, в дневные часы, коротковолновая солнечная радиация проходит через атмосферу, мало поглощаясь, и поглощается подстилающей поверхностью. Вследствие этого поверхность нагревается, излучает тепло, которое поглощается атмосферой. В результате происходит нагрев атмосферы, причём, самые нижние слои атмосферы оказываются теплее вышележащих. В итоге днём температура в приземном слое, как правило, уменьшается с высотой (Рис.2). Ночью поверхность земли остывает, не получая солнечного тепла. От неё охлаждаются прилегающие к земле нижние слои воздуха. Как результат, температура с высотой растёт (Рис.2).

Описание приборов:

Психрометр Августа

Термограф

Термограф — прибор для непрерывной регистрации температуры воздуха, воды и др. Чувствительным элементом термографа может служить биметаллическая пластинка, термометр жидкостной или термометр сопротивления. В метеорологии наиболее распространён термограф (Рис.3), чувствительным элементом которого является изогнутая биметаллическая пластинка, деформирующаяся при изменении температуры. Перемещение её конца передаётся стрелке, которая чертит кривую на разграфленной ленте. 1 мм записи по вертикали соответствует около 1°C. По времени полного оборота барабана термографы подразделяются на суточные и недельные. Работа термографа контролируется по ртутному термометру.

Рис. 3. Термограф: 1 — биметаллическая пластинка; 2 — передаточные рычаги; 3 — стрелка; 4 — барабан.

Биметаллическая пластина — пластина, изготовленная из биметалла или из механически соединённых кусков двух различных металлов. Как правило, используется как основная часть термомеханического датчика.

Если оба конца биметаллической пластины соединены заклёпками, при увеличении температуры пластина изгибается.

Биметаллическая пластина представляет собой отрезок ленты из биметалла. Встречаются устройства, состоящие из двух пластин разнородных металлов, закреплённых одними концами и соединённых (клёпкой, пайкой или сваркой) у других концов. При изменении температуры соединённый конец пластин перемещается вследствие теплового расширения металлов (Рис. 4).

Тепловое расширение — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения. Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером в соответствующем измерении при увеличении его температуры на расширяется на величину , равную: , где - так называемый коэффициент линейного теплового расширения, различный для разных веществ. Из-за различного расширения тесно соединённых разнородных металлов в биметаллической пластине происходит её изгиб, тем более значительный, чем выше температура. Этот эффект используется для измерения температуры.

Термосопротивление

Термометр сопротивления — электронный прибор, предназначенный для измерения температуры. Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводниковых материалов от температуры. При применении полупроводниковых материалов его обычно называют термосопротивле́ нием, терморезистором или термистором.

Психрометр Ассмана

Психрометры аспирационные предназначены для определения характеристик влажности и температуры воздуха.

Психрометр Ассмана весьма точный прибор. Хорошая защита от радиационных влияний позволяет пользоваться им даже при освещении прибора солнечными лучами. Прибор пригоден для определения температуры и влажности воздуха у поверхности земли, среди растений, внутри помещений и т.д. Портативность прибора (его помещают в специальный футляр) позволяет применять его в походах и экспедициях.

Основные технические данные

• Диапазон измерения относительной влажности воздуха при температуре от 5 до 40 °С – от 10 до 100%;
• Диапазон измерения температуры воздуха от минус 25 до 50 °С;
• Скорость воздушного потока (аспирация), м/с, должна быть: не менее 2, 0 на 4-ой минуте и не менее 1, 7 на 6-й минуте работы вентилятора;
• Время раскручивания пружины психрометра МВ-4М не менее 8 мин.
• Работа психрометра основана на зависимости разности температур сухого и смоченного термометров от влажности окружающего воздуха.

Психрометр состоит из двух одинаковых ртутных термометров, закреплённых в специальной оправе, и аспирационной головки. Оправа представляет собой трубку, раздваивающуюся книзу, и защитные планки. К нижней раздвоенной части трубки с помощью пластмассовых втулок прикреплены два патрубка, являющихся радиационной защитой резервуаров термометров. Верхний конец трубки соединён с аспиратором. Аспирационная головка состоит из заводного механизма и вентилятора, закрытых колпаком. Пружина заводного механизма психрометра МВ-4М заводится ключом.

При вращении вентилятора в прибор всасывается воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по воздухопроводной трубе к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези в аспирационной головке. Сухой термометр (левый) будет показывать температуру воздуха, а показания смоченного термометра (правый) будут меньше из-за охлаждения, вызванного испарением воды с поверхности батиста, облегающего резервуар термометра. Для определения влажности по показаниям сухого и смоченного термометров используют психрометрические таблицы.

Перед работой резервуар правого термометра обвертывается батистом в один слой, причём края батиста лишь немного должны заходить друг за друга.

Допустим, что мы измеряем величину t десять раз. Пусть t ₁, t₂, t ₃, …, t ₁₀ - результаты отдельных измерений.

- ср. арифметическое значение величины t.

Ср. арифметическое более близко к истинному, чем любое отдельное измеренное значение.

, , , … - абсолютные ошибки отдельных измерений температуры.

- ср. абсолютная погрешность десяти измерений t.

, , , … - относительные ошибки отдельных измерений.

- ср. относительная погрешность десяти измерений t.

Ход работы:

1. Повесить психрометр на крючок, закрепленный в лапке штатива.
2. Завести механизм аспиратора почти до отказа, вращая ключ по часовой стрелке (не применять чрезмерных усилий, чтобы не повредить пружину!)
3. Через 3 минуты после пуска вентилятора, когда термометр приобретёт температуру окружающего воздуха, произвести отсчёт по левому термометру. Отсчёт снимают с точностью до 0, 1°С (половина деления шкалы). Если измерения производятся на открытом воздухе, следите за тем, чтобы во время отсчёта ветер дул по направлению от психрометра на наблюдателя. В противном случае потоки тепла от тела наблюдателя внесут искажения в результаты измерений температуры. Для защиты вентилятора от воздействия сильного ветра (свыше 4 м/с) на прорези аспирационной головки с наветренной стороны необходимо надеть ветровую защиту открытым концом в направлении вращения вентилятора (см. рис.3).
4. Произвести десять отсчетов с левого термометра, записывая результаты в таблицу.
5. Подсчитать средние значения температуры воздуха (с точностью до 0, 1°С).
6. Подсчитать абсолютную и относительную погрешности измерений в соответствии с рекомендациями раздела «Оценка погрешности при прямых измерениях ».

7. Результат записать в виде

	t, °C	| |, °C
Ср.

,