玻璃液体温度计

玻璃液体温度计_海洋调查技术及应

6.3.4　玻璃液体温度计

表面温度计和颠倒温度计均属于玻璃液体温度计。它是利用装在玻璃容器中的测温液体随温度改变而引起体积的改变，以液柱位置的变化来测定温度的。

1.测温原理

玻璃液体温度计的感应部分是一充满液体的球部，与它相连的是一根一端封闭、粗细均匀的毛细管。设温度为0℃时球部与管部的液体体积分别为V₀，当温度改变到t℃时，液体体积为V_t，变化量为ΔV，则有:

　　　　　　　　　ΔV= V_t-V₀= V₀(1+αΔt)-V₀= V₀αΔt　　　　　　　(6-1)

式中:α为测温液的视膨胀系数，即测温液体膨胀与玻璃膨胀系数之差。

温度变化Δt引起测温液体积的变化量为ΔV，这时，体积为ΔV的测温液进入截面积为S的毛细管，使得毛细管内液柱的长度改变了ΔL，即

式中:V₀，α，S对温度计来说都是固定的量(α近似常量)，故液柱长度的改变量ΔL与温度的变化成正比，即温度升高，毛细管中的液柱就伸长;反之，温度降低，液柱缩短。这就是玻璃液体温度计的测温原理。上式可改写为:

式中:表示温度每变化1℃时，液体的改变量，称为温度计的灵敏度，其值取决于V，α，S₀的值。温度计球部的容积越大，温度计越灵敏。

2.表面温度计测温

表面温度计用于测量表层水温，其测量范围为-6～40℃，分度值为0.2℃，准确度为0.1℃。

表面温度计的外形如图6-3所示。它是由一支普通的水银温度计安装在一个金属外壳内构成的，外壳的下端是一个直径约5 cm、高约为6 cm的金属桶，桶外壳上有数个小孔，供海水进出。外壳的上部是一根长约20 cm的金属管，其直径约为2 cm，金属管上有两条长约15 cm、宽约1 cm的缝隙，从缝隙可以看到置于其内的温度计的刻度。外壳的上下两部分是用螺丝互相连接的，能任意卸下或装上。

图6-3　表面温度计

使用表面温度计测温，可在台站或在船上进行。观测时，既可以把温度计直接放入水中进行，也可以用水桶取水进行。前者用于风浪较小的条件下，后者用于风浪较大时。观测水温的方法与步骤如下:

首先，将金属管上端的圆环用绳拴住，在离开船舷0.5 m以外的地方放入水中。

然后，提上，把桶内的水倒掉，再重新放入水中，并浸泡于0～1 m深度处，感温5min后取上读数。为了避免外界气温、风及阳光的影响，并力求迅速，要求从温度计离开水面到读数完毕的时间不得超过20s。根据准确度的要求，读数要精确到0.1℃。为此，在读数时眼睛应与水银柱的顶端处于同一水平面，视线要与温度计垂直。

读数完毕后，将圆桶内的海水全部倒掉，并把表面温度计放在阴暗的地方。

在用水桶取水观测时，应将取上的一桶海水放于阴影处，把表面温度计放入桶内搅动，感温1～2 min后，将海水倒掉，再重新取上一桶海水并把表面温度计放入桶内。

表面温度计在桶内感温3 min后，即可进行读数，读数时温度计不可离开水面。第一次读数后，过1min后再读数一次，当气温高于水温时取偏低的一次;反之，当气温低于水温时取偏高的一次，并记入记录表中。

用水桶测温时，水桶应以木质、塑料等不宜传热的材料制成，其容积为5～10 L。

上述所读取的温度读数须经器差订正后才为实测的表层水温值，器差订正值可在每支表面温度计的检定书中找到。

用表面温度计测温或读数时应注意:

①感温或取水应避开船只排水的影响，读数时应避免阳光的直接照射。

②冬天取水时不应取上冰块或使雪落入桶中，观测完毕应将水桶倒置。

③表面温度计应每年检定一次。

3.颠倒温度计测温

颠倒采水器由一个具有活门的采水桶构成，在上下活门的两端装有平行杠杆，通过连接杆将平行杆连接在一起，使上下活门可以同时启闭，通过仪器下端的固定夹杆和上端的释放器及穿索切口把颠倒采水器固定在直径不大于5 mm的钢丝绳上。

当投下“使锤”(连续观测时正点打锤)，击中释放器的撞击开关时，挡钩张开，仪器上端离开钢丝绳，整个仪器以固定点为中心，旋转180°。这时，通过连接杆使上下活门自动关闭。当连接杆移动过圆锥体的金属片之后，上下活门自动关闭。

当仪器上端离开钢丝绳的同时，“使锤”继续沿钢丝绳下落，击中固定夹体上的小杠杆，使锤在钢丝钩上的第二个击锤又沿着钢丝绳下落，击中下一个采水器的撞击开关，使下一个采水器也自动颠倒、采水。

附在采水器上的温度计架用插销固定在采水筒上，温度计可以放在该架中，通过调节螺丝固定之。图6-4为颠倒采水器的工作示意图。

图6-4　颠倒采水器工作示意图

颠倒温度计有闭端(防压)和开端(受压)两种，均需配在颠倒采水器上使用。前者用于测量水温，后者与前者配合使用，确定仪器的沉放深度。

闭端颠倒温度计是将两支温度计——主要温度计和辅助温度计一同装在一个厚壁玻璃套内。主温用于测量水温，辅温用于测量玻璃套管内的温度以进行还原订正。主温与辅温互相倒置，用两金属箍固定在一起，并用软木塞及镶在金属箍上的弹簧片固定在厚壁玻璃套管内。

开端颠倒温度计与闭端颠倒温度计在构造上基本相同，其不同之点仅在于它的外套管下端是开口的，上端有一个供水流动的小孔。由于这种温度计是受压的，所以毛细管里的水银长度不仅受到温度的影响，而且也受到水压变化的影响。因此，将闭端和开端的颠倒温度计同时放在同一深度处，就可以根据两支温度计读数(经器差订正和还原校正后的读数)之差算出仪器的沉放实际深度。

颠倒采水器和颠倒温度计是采水样和观测水温的重要仪器之一，应用颠倒采水器并装上颠倒温度计可以分层进行测温和采水;若同时将数个颠倒采水器沉放到预定的各水层中，在一次观测中可同时取到各水层的水温值和水样。

观测水温和采取水样的方法与步骤如下:

①将装温度计的采水器从表层至深层集中安放在采水器架上，根据测站水深确定观测层次，并将各层的采水器编号、颠倒温度计的器号和值记入颠倒温度计测温记录中。

②观测时，将绳端系有重锤的钢丝绳移至舷外，将底层采水器挂在重锤以上1 m的钢丝绳上，然后根据各观测水层之间的间距下放钢丝，并将采水器依次挂在钢丝绳上。若存在温跃层时，在跃层内应适当增加测层。

③当水深在100 m以内时，在悬挂表层采水器之前，应先测量钢丝绳倾角;倾角大于10°时，应求得倾角订正值。若订正值大于5°，应每隔5 m加挂一个采水器。当底层采水器离预定的底层在5 m以内时，再挂表层采水器，最后将其下放到表层水中。

④颠倒温度计在各预定水层感温7min，测量钢丝倾角，投下“使锤”，记下钢丝绳倾角和打锤时间。待各采水器全部颠倒后，依次提取采水器，并将其放回采水器架原来的位置上，立即读取各层温度计的主、辅值，记入颠倒温度计测温记录表内。

⑤如需取水样，待取完水样后，第二次读取温度计的主、辅温值，并记入观测记录表的第二次读数栏内，第二次读数应换人复核。若同一支温度计的主温读数相差超过0.02℃，应重新复核，以确认读数无误。

⑥若某预定水层的采水器未颠倒或某层水温读数可疑，应立即补测。若某水层的测量值经计算整理后，两支温度计之间的水温差值多次超过0.06℃，应考虑更换其中可疑的温度计。

⑦颠倒温度计不宜长期倒置，每次观测结束后必须正置于采水器。

⑧如因某种原因，不能一次完成全部标准层的水温观测时，可分两次进行，但两次观测的间隔时间应尽量缩短。

⑨如果需测表层水温，除颠倒温度计外，还可用表面温度计或电测表面温度计进行观测。

利用颠倒温度计测标准层水温时，温度计读数须作器差订正。订正时先根据主、辅温度计的第二次读数，从温度计检定书中分别查得相应的订正值，再计其开端和闭端颠倒温度计的辅温(或辅温器差)、主温(或主温器差)。

颠倒温度计读数经器差订正后尚须作还原订正，还原过程如下:

①闭端颠倒温度计还原订正值K的计算公式为:

式中:T为经器差订正后的主温表读数; t为经器差订正后的辅温表读数;V₀为闭端颠倒温度计的主温表自接受泡至刻度0℃处的水银容积，以温度度数表示，V₀值可从检定书获得;1/n为水银与温度计玻璃的相对视膨胀系数，通常n= 6300或6100;K为主温表测得的水温受到气温的影响，发生的微小变化的物理量，其正负与(T-t)的正负一致。

闭端颠倒温度计的主温读数经器差订正和还原订正后，即得实测水温。

②开端颠倒温度计还原订正值K'的计算公式为:

式中:T_w为闭端颠倒温度计经器差订正和还原订正后的主温表读数(即当场水温); t'为开端颠倒温度计的辅温表经器差订正后的读数;T'为开端颠倒温度计的主温表经器差订正后的读数;V₀'为开端颠倒温度计的主温表自接受泡至温度0℃处的水银容积，以温度度数表示; 1/n为水银与开端颠倒温度计玻璃的相对视体膨胀系数，通常n= 6300或6100。K'值正负与T_w-t^'的正负一致。开端颠倒温度计经器差订正和还原订正的主温表读数即为最终读数T_u= T'+ K^'。

③确定观测水温时，若某观测层两支颠倒温度计实测水温的差小于0.06℃，则取两支温度计实测水温的平均值作为该层的水温;当两支颠倒温度计实测水温的差值大于0.06℃时，可根据相邻的水温或前后两次观测的水温(连续观测时)的比较，取两者中合理的一个温度值计入，并加括号。若无法判断，可将两个水温值都记入记录表的T_w栏内。

④确定温度计测温的实际深度时，对于100 m以内的水层(含100 m)，当钢丝绳倾角在10°时，须作钢丝绳的倾角订正，求得温度计测温的实际深度。

对于水深大于100 m的水层，闭端颠倒温度计测得的温度值仅是当场水温，而开端颠倒温度计测得的温度值，既起当场水温的作用，又受当场压力(即水深)的影响，因而T_u≠T_w，或者说ΔT= T_u-T_w，则ΔT与当场压力有关，压力越大，ΔT越大。

在实际应用时，确定采水器的沉放深度以预定深度L为纵坐标，预定深度与计算深度之差L-H为横坐标，通过原绘制沉放深度的订正曲线，然后将其绳长L减去由沉放深度订正曲线查得的订正值d，即得采水器的沉放深度。

在使用或保存颠倒温度计时应注意以下问题:

①颠倒温度计必须经常垂直地保持正置状态，否则，断裂的水银柱与整个水银体长期相隔会在断裂处形成氧化膜，从而发生不正常断裂，影响颠倒温度计的正确性。

②颠倒温度计要保持在温度高于0℃的室内，但室内的最高温度，不要超过温度计刻度的最大值。

③颠倒温度计必须保存在特制的箱内，使颠倒温度计在搬运时能保持正置状态，并使温度计免受剧烈震动。