T 3 Măsurarea temperaturii aerului

Introducere Instrumente cu citire directă utilizate pentru măsurarea temperaturii aerului

Termometrul meteorologic ordinar T.M.O. Termometrul de maximă Termometrul de minimă

Aparate înregistratoare (termografe) Termograful tip Fischer Termografele cu tub Bourdon

Bibliografie: Sterie Ciulache, „Meteorologie. Manual practic”, Facultatea de Geologie-

Geografie, Bucureşti. http://images.google.ro

Introducere:

Temperatura reprezintă o însuşire fizică esenţială a materiei şi de valorile ei depinde starea de încălzire şi de răcire a diferitelor corpuri. Cunoaşterea valorilor de temperatură este absolut necesară în numeroase domenii din sfera socio-economică. Temperatura aerului e cel mai important parametru meteo-climatic ce se utilizează în toate caracterizările, asupra timpului (vremii) pe termen scurt şi a climei, la macroscara temporală.

Determinarea valorii de temperatură porneşte de la presupunerea cunoaşterii şi observării relaţiilor existente între temperatura corpurilor şi volumul acestora (creşterea temperaturii determină creşterea volumului şi invers). Pentru a putea sesiza şi înregistra toate modificările temperaturii într-un anumit interval de timp au fost alese acele corpuri (lichide, metalice, aliaje) care întrunesc anumite condiţii:- densitate mare şi foarte mare care conferă o inerţie termică mai mult decât satisfăcătoare;- slabă volatilitate; corpurile/ substanţele volatile – lichide in special – nu sunt agreate dar sunt preferate în condiţiile în care este absolut necesară şi determinarea valorilor de temperatură foarte scăzută (a minimelor termice);- coeficienţi de dilatare constanţi pe toată durata manifestării variaţiilor de temperatură.

Lichidele termometrice cele mai folosite în practică sunt: mercurul, alcoolul si toluenul.

Mercurul (Hg) provine din latinescul „mercurius”, este un metal lichid de culoare alb-argintie, care se găseşte în natură sub formă de sulfură (cinabru).

Hidrargirul (argintul viu) are punctul de îngheţ la –38,87ºC şi punctul de fierbere la 356,95ºC. Are un coeficient de dilatare foarte mare, fiind adesea utilizat în termometrele cu care se măsoară temperaturi ridicate (ordinare si de maximă).

1

Alcoolul (C2H2OH) are punctul de fierbere la 78,5ºC iar punctul de îngheţ la –117,3ºC, fiind folosit, mai ales, la măsurarea temperaturilor minime.

Toluenul (C7H8) este o hidrocarbură aromatică cu miros specific, obţinut din gudroanele cărbunilor de pământ şi din fracţiunile petroliere îmbogăţite prin aromatizare. Are punctul de îngheţ la -95ºC şi punctul de fierbere la 110,56ºC, fiind uzitat de termometrele care măsoară temperaturile scăzute.

Intervalul dintre cele doua puncte termice (temperatura de fierbere a apei distilate la presiune normală şi temperatura de topire a gheţii) reprezintă scara termometrică, intervalul împărţit într-un număr variabil de părţi egale, fiecare dintre ele reprezentând un grad de temperatură. Sunt cunoscute mai multe scări de temperatură:

Scara Celsius, introdusă de astronomul şi fizicianul suedez Anders Celsius in 1742, este divizată de la 0-100ºC, în 100 de părţi egale.

Scara Réamur, introdusă de fizicianul şi naturalistul francez René Antoine Ferchault, este divizată în 80 de părţi egale (0-80º), gradul Réamur fiind astfel mai mare decât gradul Celsius.

Scara Fahrenheit, introdusă de fizicianul german Gabriel Daniel Fahrenheit in 1715, este împărţită în 180 de părţi egale (32-212ºC).

Între cele trei scări de temperatură apare o relaţie de egalitate, de forma:

Simplificând, proporţiile de mai sus devin:

Prin intermediul lor se poate trece de la o scară termometrică la alta astfel:

Scara Kelvin, numită şi „scara termometrică absolută a lui Kelvin”, a fost imaginată de lordul William Thompson Kelvin şi este o unitate de măsură (simbol K) pentru intervalele de temperatură, egală cu 1/273,15 din temperatura absolută a punctului triplu al apei. La această scară se notează cu 0ºK cea mai coborâtă temperatură posibilă

2

(-273,15ºC). Mărimea gradelor de temperatură în scara Kelvin este egală cu cea a gradelor din scara Celsius (1ºK=1ºC), deosebirea fiind dată de locul de marcare al valorii zero.

În majoritatea ţarilor lumii se uzitează termometre gradate în scara Celsius şi în scara Fahrenheit.

La staţiile meteorologice din România, în scopul măsurării temperaturii la anumite ore, climatologice (01,07,13,19) sau sinoptice (din oră în oră), se folosesc instrumente cu citire directă (termometre), iar pentru înregistrarea variaţiilor continue ale temperaturii aerului într-o perioadă mai lungă (o zi sau o săptămână) se utilizează termografe.Instrumente cu citire directă utilizate pentru măsurarea temperaturii aerului:

a) Termometrul meteorologic ordinar (psihrometric) T.M.O. este format din:

Rezervorul este umplut cu lichid termometric (mercur). Forma sa poate fi diferită, de la cilindrică până la sferică şi tronconică.

Tubul capilar este un cilindru subţire de sticlă prin care coloana de mercur poate înainta sau se poate retrage fără a întâmpina nici un obstacol. La partea inferioară tubul capilar este sudat cu rezervorul, iar la partea superioară se termină cu o concavitate nefuncţională.

Scara gradată este reprezentată de o bucată de porţelan sau opal alb pe care sunt marcate diviziuni. Cele multiple de 10º sunt înscrise cu cifre (dispuse simetric de o parte si de alta al lui 0). Diviziunile multiple de 5º sunt marcate fie cu cifra 5 fie printr-o linie continuă care în capăt seamănă cu o săgeată. Diviziunile de 1º sunt marcate cu linii mai scurte dar mai lungi decât cele corespunzătoare zecimilor de grad. În general scara

3

gradată a T.M.O este cuprinsă între -40ºC şi +60ºC. Precizia este de 0,2ºC ceea ce se traduce prin aceea că între două grade întregi există şi intervale. La partea superioară scara gradată este fixată printr-o bucată de sârmă fină iar în partea inferioară este susţinută de o garnitură de sticlă.

Tubul protector este un cilindru de dimensiuni mult mai mari decât cele ale tubului capilar. Tubul protector înglobează practic întreg ansamblul termometrului.

Manşonul metalic are rolul de a preîntâmpina transferul de căldură dintre operator şi termometru. Nu se întâlneşte la toate tipurile de termometre.

Instalarea T.M.O. se face în primul adăpost meteorologic în poziţie perfect verticală. Dintre disfuncţionalităţi, cea mai dea întâlnită este întreruperea coloanei de mercur.

Corecţia instrumentală este un gen de corecţie ce se aplică datorită imperfecţiunii calibrării tunului capilar. Pentru aceasta se realizează un şir de determinări simultane la termometrul etalon şi la termometrul de la staţie (termometrul de etalonat). Media diferenţelor citirilor la cele două termometre oferă valoarea acestei corecţii. În funcţie de semnul ei se va aduna sau se va scădea din toate valorile de temperatură ce vor fi determinate în viitor de termometrul de la staţie.

b) Termometrul de maximă (T max)

T max se aseamănă destul de mult cu T.M.O., însă are faţă de acesta câteva caracteristici de specificitate. Asemănarea este dată de lichidul termometric (mercur) şi de configuraţia generală foarte apropiată de cea a T.M.O.: rezervor, tub capilar, tub protector, scară gradată între -30º şi +50º etc.

Principala sa particularitate este maximilitatea (posibilitatea de a înregistra şi păstra valoarea de temperatura cea mai ridicată din intervalul de timp între două termene orare de observaţie). Maximilitatea este asigurată de însuşirea sa fundamentală şi anume îngustarea tubului capilar în imediata apropiere a locului unde acesta e sudat cu rezervorul prin intermediul unui dinte (ştift de sticla). Rolul acestui ştift de sticla este acela de a se constitui un obstacol în calea înaintării coloanei de mercur în cazul creşterii temperaturii (forţa de frecare dintre pereţii tubului capilar şi dintele de sticlă e mai mică

totuşi decât forţa de coeziune dintre moleculele de mercur astfel încât coloana de mercur poate depăşi obstacolul ştift şi să se fixeze în dreptul celei mai mari valori de temperatură). La momentul în care temperatura aerului începe să scadă, coloana de mercur va rămâne blocată. Acest lucru este asigurat de poziţia aproape orizontală a termometrului în adăpost.

4

T max este mai scurt decât T.M.O., are precizie mai slabă (0,5ºC). El este instalat pe furca superioară a stativului cu termometre din primul adăpost meteorologic.

Determinarea celei mai ridicate temperaturi a aerului cu ajutorul termometrului de maximă se face la orele de observaţii climatologice 01, 07, 13, 19. În prealabil se impune verificarea poziţiei coloanei de mercur din tubul capilar deoarece aceasta poate fi deplasată către dreapta fată de locul întreruperii, ca urmare a trepidaţiilor adăpostului meteorologic sau poziţiei greşite a termometrului.

După înscrierea valorilor termice în registru, termometrul de maximă se „operează”, adică se scutură energic până când mercurul din tubul capilar se retrage în rezervor. După operare, termometrul de maximă ţinut cu rezervorul în jos, se reinstalează

5

în suportul său uşor înclinat. El este bine „operat” numai dacă, în urma aplicării corecţiei instrumentale indică aceeaşi temperatură cu termometrul psihrometric uscat, căruia i s-a aplicat această corecţie.

c) Termometrul de minimă (T min)

Termometrul de minimă T min este un termometru meteorologic cu alcool care se întrebuinţează pentru determinarea celei mai scăzute temperaturi a aerului (minima) din intervalele cuprinse între orele de observaţii. El se deosebeşte de celelalte termometre meteorologice prin câteva particularităţi de construcţie:- rezervorul cu alcool are dimensiuni mai mari în scopul de a prezenta o inerţie capabilă să-l ferească de influenţa microvariaţiilor momentane ale temperaturii aerului.- forma rezervorului este cilindrică (modelele ruseşti) şi asemănătoare unei furci sau literei „U” (modelele germane). Ea urmăreşte să creeze o suprafaţă cât mai mare de contact cu mediul.

Construcţia termometrului de minimă are drept principală caracteristică prezenţa în interiorul coloanei de alcool a indicelui mobil de porţelan sau sticlă. Acesta are formă alungită (12-14 mm) şi capetele bombate ca gămălia unui ac. Scara termometrului de minimă este gradată din 0,5 in 0,5ºC, între limitele -45ºC şi +45ºC.

Termometrul de minimă se instalează pe furca inferioară a stativului de termometre din primul adăpost meteo în poziţie perfect orizontală, cu rezervorul îndreptat spre stânga şi manşonul metalic spre dreapta faşă de persoana care efectuează observaţia.Poziţia orizontală este necesară pentru ca deplasarea indicelui de porţelan în tubul capilar să nu fie influenţată de forţa gravitaţiei. La instalare, indicele de porţelan trebuie să se găsească în interiorul coloanei de alcool, cu capătul din dreapta (opus rezervorului) aflat în contact cu pelicula superficială care formează meniscul concav al alcoolului din tubul capilar. Când temperatura aerului scade, alcoolul se contractă, coloana micşorându-se; indicele este antrenat şi el către rezervor, deoarece forţa de frecare a capetelor sale de pereţii tubului capilar este mai mică decât forţa de rezistenţă a peliculei superficiale (dată de coeziunea dintre moleculele alcoolului). Ulterior, atunci când temperatura aerului începe să crească, alcoolul se dilată prelingându-se printre pereţii tubului capilar şi capetele indicelui fără ca acesta să fie antrenat către temperaturile mai mari. Acest lucru

6

este posibil pentru că indicele se află în contact cu partea inferioară a peliculei superficiale.

Citirile termometrului de minimă se fac la orele de observaţii climatologice 01,07,13,19, fără a-l atinge sau scoate din suportul său. Întrucât scara termometrului este gradată din 0,5 in 0,5ºC, iar precizia determinărilor trebuie să fie de 0,1ºC, zecimile de grad se apreciază din ochi.

Termometrul de minimă poate suferi o serie de dereglări. Cea mai frecventă este întreruperea coloanei de alcool prin intermediul unor bule de aer. Ea se produce fie din cauza variaţiilor bruşce ale temperaturii aerului, fie din cauza trepidaţiilor puternice. Termometrele de minimă se verifică (se etalonează) o dată la 3 ani.

Termometrului de minimă i se poate aplica şi corecţia suplimentară în raport cu termometrul ordinar, în sensul că se poate face o comparaţie/verificare a nivelurilor celor două coloane (cu alcool şi mercur); indicaţiile trebuie să fie identice.

Aparate înregistratoare (termografe):

Termografele sunt aparate înregistratoare complexe care permit înregistrarea continuă a variaţiilor de temperatură şi care sunt alcătuite din următoarele părţi:- partea receptoare, reprezentată de o placă bimetalică, curbată (obţinută prin sudarea a două lamele cu coeficienţi de dilatare diferiţi: una de oţel şi cealaltă dintr-un aliaj al oţelului) sau de un tub manometric Bourdon; ea are rolul de a sesiza variaţiile temperaturii.- partea transmiţătoare, transmite şi amplifică variaţiile termice receptate de câteva zeci de ori, este alcătuită dintr-un sistem de axe şi pârghii.- partea înregistratoare, un tambur cilindric pe care se înfăşoară diagrama de temperatură numită termogramă (pe aceasta sunt înscrise variaţiile temperaturii; diagrama are, pe orizontală, diviziuni pentru timp - în ore, iar pe verticală diviziuni pentru temperatură – în grade).

Există mai multe tipuri: Rossel, Junkalor, Fischer, Fuess, Bourdon etc.

a) Termograful tip Fischer

Are piesa receptoare în interiorul aparatului, ventilaţia făcându-se prin orificiile practicate în pereţii de plexiglas ai capacului. Cele două lame bimetalice care constituie piesa receptoare sunt fixate rigid la unul din capetele de garnitura metalică. Capetele lor libere se unesc prin lamela răsucită cu dispozitivul de amplificare, care la etalonare se fixează de axul de suspensie într-o anumită poziţie cu ajutorul şurubului. De axul de suspensie este fixată şi pârghia peniţei care se pune în valoare prin intermediul şurubului.

7

b) Termografele cu tub Bourdon

Sunt înregistratoare de temperatură, mai puţin răspândite care au drept piesă receptoare un tub Bourdon plat, cu secţiune eliptică al cărui interior este umplut complet cu alcool sau alt lichid organic cu însuşiri asemănătoare. Tubul Bourdon este piesa receptoare a termografelor de tip R. Fuess şi J. Richard.

8