Скляно-рідинні метеорологічні термометри.

Ця група скляно-рідинних термометрів спеціальної конструкції, призначених для метеорологічних вимірювань температури, головним чином, на метеорологічних станціях і постах.

Основними частинами рідинного термометру є наповнений рідиною скляний резервуар, з’єднаний з капілярною трубкою, вільний кінець якої запаяний. До резервуару і капілярної трубки прикріплюється температурна шкала. Капіляр і шкала, в свою чергу, прикріплюються за допомогою скобок, пружини, втулки та ін. до циліндричної скляної оболонки, яка зверху запаюється. Зустрічаються термометри більш простої конструкції, виготовлені з товстостінних капілярних трубок. Один кінець трубки запаяний, а інший - розширений і переходить в резервуар, який заповнений рідинною. Шкала нанесена безпосередньо на капілярній трубці. Такі термометри іноді називають палковими.

Термометричне скло (ГОСТ 1224-71), з якого виготовляються метеорологічні термометри, має коефіцієнт об’ємного термічного розширення С ^-1. Як термометричну рідинну для ртутних термометрів використовують ртуть і спирт. Температурний коефіцієнт об’ємного розширення ртуті складає С ^-1, спирту - С ^-1. Використовується також ртутно-талієвий сплав. Коефіцієнт відносного температурного розширення ртуті в резервуарі з термометричного скла дорівнює С ^-1, а спирту - С ^-1.

Різні метеорологічні термометри в залежності від їх призначення можуть відрізнятися конструктивно – формою, розмірами, шкалами, діапазоном вимірювання, термічною інерцією, термічною рідинною і т.д. В залежності від призначення і конструкції термометру об’єм в капілярі над рідинною вакуумується або наповнюється газом. Чутливість всіх метеорологічних термометрів забезпечує можливість відліку з точністю 0,1ºС. Для вимірювання температури більше -35ºС застосовують ртутні термометри (точка плавлення ртуті 38,87 ºС), а нижче -35ºС - спиртові. Вимірювання температури більше +25 ºС спиртовими термометрами не рекомендується, тому що при більш високій температурі спирт частково переходить в пароподібний стан (хоч його точка кипіння 78,5 ºС). Для вимірювання температури повітря в метеорології як основний термометр застосовують психрометричний.

Психрометричний термометр використовується для вимірювання температури повітря, а також при визначенні вологості повітря. Це ртутний термометр з вставною шкалою з молочного скла (рис.2.2). Довжина термометру приблизно 400 мм, діаметр скляної оболонки приблизно 15 мм. Резервуар термометру кулеподібної форми діаметром 9 – 12 мм. Капіляр термометра круглий із зовнішнім діаметром не більше 2,5 мм. Простір над ртуттю в капілярі заповнюється азотом. Психрометричні термометри випускаються з межами вимірювань від -31 до +50ºС або від -35 до +41ºС. Ціна поділки шкали 0,2ºС. Числові відмітки шкали нанесені через кожні 5ºС. Коефіцієнт інерції психрометричного термометру в малорухомому повітрі ( м/с) складає приблизно 300 с. Для зручності установки термометра в спеціальному штативі на верхньому кінці його захисної трубки закріплений металевий ковпачок. Термометр установлюють в психрометричній будці у вертикальному положенні.     Рисунок 2.2 - Психрометричний термометр

Спиртовий метеорологічний низько градусний термометр(ТМ-9) служить для визначення температури повітря нижче -35ºС; на метеорологічних станціях застосовується як додатковий (до ртутного психрометричного). Він відрізняється від психрометричного в основному тільки термометричною рідинною. Крім того він довший за психрометричний. Резервуар термометру має форму циліндра діаметром приблизно 6 мм. Випускається з межами від -71 до +21ºС або від -81 до +11ºС. Ціна поділки шкали 0,2ºС. Термометр установлюється вертикально в спеціальному гнізді штатива рядом з психрометричним термометром. Вимірювання з його допомогою можна починати при температурі повітря -35ºС і нижче. Проте їх починають проводити паралельно з психрометричним ртутним, при температурі повітря нижче -20ºС. По результатах цих вимірювань визначають так названу додаткову поправку для спиртового термометра.

Вона виключає похибку в показаннях спиртового термометра, яка виникає через те, що спирт термометра може випаровуватися і конденсуватися у верхній частині капіляру, внаслідок чого стовпчик спирту, по якому визначають температуру повітря, зменшується. Будова інших метеорологічних термометрів, які призначені для вимірювання поточних значень температури, не має принципових відмін від описаних. Виключенням є термометри для вимірювання температури ґрунту на різних глибинах до 20 см, які мають особливості конструкції або застосовуються з додатковими пристроями. Ртутні метеорологічні колінчаті термометри(Савінова) випускаються комплектом по чотири термометри, які відрізняються довжиною (290, 350, 450 і 500 мм) за рахунок різної довжини підшкальної частини (рис.2.3). Вони призначені для вимірювання температури ґрунту на глибинах 5, 10, 15 і 20 см. Ціна поділки шкали 0,5°С, межі від -10 до +50ºС.   Рисунок 2.3 - Ртутні колінчаті термометри (Савінова)

Поблизу резервуара термометр вигнутий під кутом 135°. Капіляр на ділянці від резервуара до початку шкали покритий теплоізоляційною оболонкою, що зменшує вплив на показання термометра шару ґрунту, який лежить над його резервуаром, і забезпечує більш точне вимірювання температури на глибині, де установлений резервуар.

Установки з ґрунтово-витяжними термометрами – ТПВ-50. Ці установки призначені для вимірювання температури ґрунту на декількох глибинах від 20 до 320 см.

Для вимірювання температури на кожній глибині в установках застосовується ґрунтово-глибинний термометр згідно з чинної нормативноюдокументацією. Це ртутний метеорологічний термометр. Його довжина 360 мм, діаметр скляної оболонки 16 мм, діапазон вимірювань приблизно 50°С (верхній діапазон шкали від +31 до +41°С, нижній - від -10 до -20°С). Ціна найменшої поділки 0,2°С. Установка складається з восьми або п’яти однакових пристроїв (збірок). Збірка, що складається з двох частин (жердина з термометром і вініпластова труба), наведені на рис.2.4. Термометр 2 поміщений у вініпластову оправу 3. В оправу навколо резервуару термометра насипають мідні ошурки, забезпечивши тим самим його тепловий контакт з металевим ковпачком 1 оправи, а також збільшуючи термічну інерцію термометра, що необхідно для зберігання показань термометра під час проведення відліків. Оправа 3 з термометром закріплена на дерев’яній жердині 5, на другому кінці якого надітий ковпачок 6 з кільцем. Всередині ковпачка знаходиться фетрова кільцева прокладка. Довжина жердини визначається в залежності від глибини, на яку установлюється термометр.   1 і 9 – металеві ковпачки; 2 – термометр; 3 – вініпластова оправа; 4 – волокові кільця; 5 – дерев’яна жердина; 6 – ковпачок з кільцем; 7 – металевий хомутик; 8 – ебонітова труба  

Рисунок 2.4 - Термометр з жердиною і трубка ґрунтово-витяжної установки.

Дерев’яна жердина 5 із закріпленим на ньому термометром в оправі опускається в ебонітову трубу 8, закриту з нижнього кінця металевим ковпачком 9.

На нижню частину труби надягається металевий хомутик 7 з трьома вушками для відтяжок, якими закріплюється труба при установці. Труба 8 закопується в землю на таку глибину, на якій вимірюється температура. Жердина повинна входити в трубу вільно. На жердині в декількох місцях закріплені волокові кільця 4, які перешкоджають обміну повітря в трубі. Коли жердина з термометром опущена в трубу, дно оправи повинне доторкуватися до металевого дна стаканчика труби. (Тільки у цьому випадку можна отримати правильні значення температури ґрунту на глибині). Труба покривається масляною краскою; частина, що заглиблена в землю, фарбується в зелений колір, а частина, що виступає над ґрунтом, - в білий (для меншого нагрівання від радіації).

Надземна частина труби має довжину 40 см, а для районів з високим сніговим покровом – 100 см.

Труби довжиною 3,4; 3,6 і 4,2 м і жердини для них виготовляються з окремих секцій, які з’єднані між собою муфтами.

Похідний ґрунтовий термометр-щуп – АМ-6. Термометр-щуп призначений для вимірювання температури ґрунту в орному шарі на глибинах від 3 до 40 см.

Він складається з термометра і оправи. Термометр толуоловий рідинний довжиною 580 мм з межами шкали від 0 до +60°С. Мінімальна поділка шкали 1°С. Оправа забезпечує можливість заглиблення термометра в ґрунт на потрібну глибину. На нижньому кінці оправи 3 за допомогою втулки 4 з термоізоляційного матеріалу закріплюється металевий наконечник 5. Зверху оправи є рукоятка 1, за допомогою якої заглиблюють та витягають термометр з оправою з ґрунту. Термометр 2 закріплений в оправі за допомогою резинових прокладок, ізоляційної стрічки і пружини. Його шкала знаходиться напроти поздовжнього вікна оправи, а його резервуар – всередині порожнини наконечника 5. Вікно оправи закрите пластинкою з органічного скла. Для забезпечення теплового контакту резервуара термометра з наконечником 5 вільний простір між його стінками і резистором заповнюється мідними ошурками.   1 – рукоятка; 2 – термометр; 3 – оправа; 4 – втулка; 5 – металевий наконечник   Рисунок 2.5 - Похідний ґрунтовий термометр-щуп.

На оправі, на протилежній вікну стороні, нанесені сантиметрові поділки з оцифровкою через кожні 5 см; нуль шкали співпадає з місцем розташування резервуара термометра. По цій шкалі визначають глибину заглиблення резервуара термометра.

Термометр в оправі має досить велику інерцію, і тому вимірювання температури (відлік по термометру) роблять не менше ніж через 6 хв після його заглиблення.

Максимальний ртутний термометр. Він служить для вимірювання максимальної температури за деякий проміжок часу (рис.2.6).

1 2 3

1 – штифт; 2 – резервуар; 3 - капіляр

Рисунок 2.6 - Максимальний термометр (а) і пристрій, що забезпечує збереження максимальних значень (б).

Ціна поділки його шкали 0,5°С; межі вимірювань від -35 до +50°С або від -20 до +70°С. Робоче положення термометру близьке до горизонтального (резервуар злегка опущений). Показання максимальних значень температури цим термометром зберігаються завдяки наявності штифта (рис.2.6, б), закріпленого всередині резервуара (до його дна), і вакууму в капілярі над ртуттю. При підвищенні температури надлишок ртуті з резервуара витискується в капіляр через вузький кільцеподібний отвір між штифтом і стінками капіляра і залишається там і при пониженні температури (тому що в капілярі вакуум). Таким чином, положення кінця стовпчика ртуті відносно шкали відповідає максимальній температурі. Для приведення показань термометра у відповідність з температурою на даний момент, термометр струшують. Після цього показання термометра не повинне відрізнятися від показань контрольного (наприклад, психрометричного) більше ніж на 0,2°С.

Спиртовий мінімальний термометр. Його застосовують для вимірювання мінімальної температури за деякий проміжок часу. Ціна поділки його шкали 0,5°С; нижня межа вимірювань варіює від -75°С до -41°С, верхня - від +21°С до +41°С. Робоче положення термометра – горизонтальне (рис.2.7).

а)

б)

1 – капіляр; 2 – штифт; 3 – меніск спирту

Рисунок 2.7 - Мінімальний термометр (а) і пристрій, що забезпечує зберігання мінімальних значень (б).

Зберігання мінімальних значень забезпечується штифтом-вказівником 2, який знаходиться в капілярі 1 всередині спирту (рис.2.7, б). Стовщення штифта менше внутрішнього діаметру капіляру, тому при підвищенні температури спирт, що надходить з резервуара в капіляр, обтікає штифт 2, не зміщуючи його. При зниженні температури штифт після зіткнення з меніском 3 стовпчика спирту переміщується разом зі спиртом до резервуару (тому що сили поверхневого натягнення плівки спирту більше сил тертя штифта об стінки капіляру); при переміщенні штифт виявиться в найближчому до резервуару положенні, якого досягне меніск стовпчика спирту при мінімальній температурі, і залишиться там після підвищення температури. Таким чином, положення кінця штифта, найближчого до меніска спирту, вказує за шкалою мінімальну температуру, а меніск спирту – температуру в момент вимірювання. До установки в робоче положення мінімальний термометр припіднімають резервуаром до верху і тримають до тих пір, доки штифт не опуститься до меніску спирту.

До метеорологічних термометрів ставляться високі вимоги з точності і по зберіганню градуйованих характеристик. Проте з часом градуйовані характеристики термометрів змінюються, внаслідок чого змінюється їх систематична похибка. Це можна виявити при їхній повторній повірці хоч би в одній точці, наприклад, в точці 0°С (при таненні льоду). Зміна градуйованої характеристики і систематичної похибки цих термометрів по характеру їх прояви діляться на інерційні, так названі «столітні», які відбуваються повільно і викликають підвищення показань, і часові, які викликають зниження показань. «Столітні» підвищення показань відбуваються, очевидно, через зменшення напруги в склі, що не був усунений під час виготовлення термометрів, і складають 0,01 – 0,04°С на рік.

Часові зниження, або «депресії», точки нуля виникають внаслідок різких коротко часових нагрівань термометру через явище залишкової деформації (розширення) скла (резервуару) після різкого нагрівання.

«Депресія» для метеорологічних термометрів при різкому нагріванні їх на 40°С - 50°С складає 0,02 °С– 0,04°С. Вона протягом часу (15 – 20 днів) практично зникає. Для запобігання появи цієї додаткової похибки, яку не можна врахувати, термометр не треба штучно піддавати різким короткочасовим змінам температури.

Кожний повірений термометр постачається повірочний свідоцтвом, а на самому термометрі наноситься порядковий номер і тавро повірки. В повірочному свідоцтві поправки до показань термометру даються через кожні 10°С з точністю до сотої долі градуса. Ці поправки для окремих точок шкали називають поправками «при», тобто при -10°С, при 0°С і т.д. Ними користуватися незручно, тому в повірочному свідоцтві наводяться також так названі поправки «від-до», тобто поправки по окремих ділянках шкали, для яких її приймають постійною з точністю до 0,1°С. Для визначення можливої зміни систематичної похибки роблять періодичні повірки термометрів. Звичайно їх проводять безпосередньо на станції під час інспекції, обмежуючись повіркою в точці 0°С (повторна повірка точки нуля). Для цього термометр занурюють на 5 – 6 см глибше відмітки нуля його шкали в чистий лід, що тане, і через 30 хв, відчистивши лід у нуля шкали, не менше трьох раз відраховують показання термометру з точністю до 0,01°С (користуючись лупою); по середньому значенню визначають похибку показань термометра в точці 0°С. Якщо вона відрізняється від отриманої при попередній повірці, то обчислюють зміну поправки в точці 0°С і розповсюджують цю зміну на поправки всіх ділянок (або точок) шкали.

Вимірювання температури за допомогою метеорологічних термометрів. Відліки показань термометрів роблять з точністю до 0,1°С, незалежно від ціни поділки шкали. Для забезпечення такої точності необхідно дотримуватися певних правил проведення вимірювань та їх послідовність.

Визначають положення кінця стовпчика рідини в капілярі відносно шкали. При цьому око розташовують так, щоб візирна лінія була перпендикулярна капіляру і проходила через верхню (нижню) точку меніска стовпчика ртуті (спирту). При правильному розташуванні ока видимі через капіляр відмітки шкали в місці відліку і поблизу нього не викривлюються; при низькому розташуванні ока штрихи будуть здаватися в середній частині вигнутими доверху, а при дуже високому – вигнутими донизу.

Правильність розташування ока при відліках по паличковим термометрам можна визначити по дзеркальним зображенням відміток шкали, які видні у вигляді чорних смужок на блискучій поверхні ртуті. Ці зображення повинні співпадати з відмітками шкали і стати непомітними. Відліки потрібно робити швидко. В першу чергу відраховують десяті долі градуса, а потім цілі градуси. Така послідовність відліків в значній мірі виключає похибку вимірювань, яка виникає від впливу спостерігача на термометр – він може його декілька разів нагріти або охолодити, відповідно змінивши його показання і тим самим внести похибку у вимірювання, яку не можна врахувати.

Для виключення інструментальної похибки у відліки по термометрам вводять поправки, взяті з його повірочного свідоцтва. Тому кожний термометр будь-якого типу (не тільки рідинний), який призначається для метеорологічних вимірювань, проходить повірку. В результаті повірки отримують поправки по всій його шкалі відносно Міжнародної практичної температурної шкали (МПТШ-68). У відповідності з встановленими строками в залежності від виду термометра його піддають контрольній повірці.

Дата добавления: 2015-10-13