Studiul termometrelor folosite in meteorologie

Consideratii teoretice

Temperatura este o marime ce caracterizeaza starea de incalzire a substantei (corpurilor), a carei valoare este exprimata prin diferite scari termometrice.

Temperatura face parte din elementele meteorologice principale, ea caracterizand la un moment dat starea de incalzire a atmosferei si a solului.

Temperatura se masoara cu termometre a caror functionare se bazeaza pe proprietati fizice ca: dilatarea lichidului termometric, deformarea lamelelor bimetalice, variatia rezistentei electrice cu temperatura sau efectul termoelectric.

Principalele termometre utilizate in statiile meteorologice sunt:

a. termometre ordinare;

b. termometre psihrometrice;

c. termometre de maxima;

d. termometre de minima;

e. termometre de inregistrare sau termografe.

Caracterele principale ale unui termometru include: sensibilitatea

I.Descrierea termometrelor pentru aer

a.      Termometrul ordinar (Fig.2.) este construit dintr-un tub de sticla de diametru mic, avand in partea inferioara un rezervor in care se afla substanta termometrica (mercur, alcool, etc.). Prin incalzire sau racire, substanta termometrica se dilata sau se contracta. Acestui tub i se ataseaza o scara divizata in grade. Tot sistemul este invelit intr-un tub de sticla protector.

Fig.2. Termometru ordinar; a-vedere de sus; b- vedere profil

b.Psihrometrul - este un aparat format din doua termometre identice cu mercur, unul avand rezervorul invelit in tifon, asezate pe acelasi suport, in pozitie verticala si care servesc la determinarea temperaturii si umiditatii aerului.

Temperatura aerului este acea temperatura pe care o indica termometrul cand este ferit de actiunea caldurii emise de Soare sau radiate de corpurile inconjuratoare, asa incat sa nu primeasca caldura decat prin conductibilitate de la aerul inconjurator.

Pentru a masura temperatura aerului termometrele sunt asezate in adaposturile pentru termometre. Deoarece un termometru trebuie sa indice nu numai temperatura aerului in locul unde se gaseste, ci temperatura pentru o regiune cat mai intinsa, este necesar sa se asigure o ventilatie suficienta in jurul termometrului.

Ventilatia artificiala in jurul rezervoarelor termometrelor care permite asigurarea conditiilor optime de evaporare a apei din tifon se face printr-un dispozitiv la care se ataseaza o morisca aspiratoare, capabila sa produca un curent de aer cu viteza de circa 2m/sec.

Inainte de a se face citirea, se pune morisca in miscare si se asteapta 3-4 minute, pana cand se realizeaza echilibrul de temperatura intre termometru si aerul inconjurator.

c.Termometrul de maxima (tip Fuess) (fig.3) masoara temperatura cea mai ridicata ce se produce intr-un anumit interval de timp de exemplu 24 de ore.

Substanta termometrica este mercurul. Tubul capilar prezinta aproape de rezervor si imediat deasupra lui o gatuitura. Cand temperatura creste, mercurul se dilata si trece usor prin aceasta sectiune mai mica decat restul tubului; la scaderea temperaturii, coloana de mercur fiind impiedicata de gatuitura, nu poate trece inapoi in rezervor si raminad pe loc indica temperatura maxima atinsa.

La termometrele moderne aceasta gatuire se obtine cu ajutorul unui bastonas de sticla lung, lipit de fundul rezervorului si care patrunde pe o mica portiune in tubul capilar. La statiile meteorologice, notarea temperaturilor se maxima se efectueaza seara.

In acest scop se scoate termometrul din suportul lui si se scutura energic si cu atentie de mai multe ori, pana cand coloana de mercur este adusa la diviziunea corespunzatoare temperaturii din acel moment. "Operarea" termometrului de maxima se face dupa observatia de seara.

d. Termometrul de minima (tip Fuess) este umplut cu alcool sau cu alt lichid cu temperatura de solidificare scazuta (toluen, eter de petril etc.).

Pozitia normala a termometrului este orizontala. Rezervorul termometrului are forma de U sau forma cilindrica. Extremitatea coloanei de alcool arata aceeasi temperatura ca si cea indicata de termometrul obisnuit cu mercur.

In coloana de alcool se afla un indice mobil, de sticla, cand temperatura se ridica, alcoolul dilatandu-se trece printre peretii tubului capilar si indice, fara a-l misca, iar cand temperatura coboara, alcoolul se contracta si antreneaza spre rezervor si indicele, datorita tensiunii superficiale.

Exteremitatea indicelui dinspre meniscul alcoolului indica temperatura de minima a aerului.

Termometrul de minim se opereaza prin ridicarea rezervorului pana cand indicele coboara atingand meniscul coloanei de alcool.

a.      Termometrul de maxima si minima cu mercur (Six-Bellani) (fig.4). Acest termometru este alcatuit dintr-un tub capilar, in forma de U, inchis la ambele capete, unul din brate fiind spre interior. Portiunea indoita spre interior este umpluta cu alcool. Cealalta ramura este umpluta numai in parte cu alcool. La mijlocul tubului o coloana de mercur - separa cele doua cantitati de alcool. Termometrul are si doi indici de fier, imbracati intr-o invelitoare subtire de sticla, care sunt plasati in portiunile umplute cu alcool. Indicii au la capete cate doua aripioare subtiri de sarma si sunt astfel construiti, incat adera la peretii tubului si nu se deplaseaza prin proprie greutate sau prin zguduire.

Cand temperatura creste, alcoolul din bratul de minima se dilata si impinge coloana de mercur, care, la randul ei, impinge indicele din bratul de maxima, in timp ce indicele din bratul de minima ramane in locul in care a ajuns si arata temperatura minima atinsa.

Cand temperatura aerului coboara, indicele din bratul de maxima ramane de data aceasta in locul in care ajunge si arata temperatura maxima atinsa, care se citeste de asemenea la capatul indicelui dinspre meniscul coloanei de mercur.

Pentru functionare, pozitia normala a termometrului este cea verticala.

Cand se "opereaza", observatorul aduce indicii in contact cu meniscurile coloanei de mercur, servindu-se de un magnet.

Acest termometru prezinta urmatoarele dezavantaje: el nu functioneaza la temperaturi mai coborate de -38⁰C, mercurul avand o vascozitate mare la temperaturi joase, si odata deranjat, se repune foarte greu in functiune.

Operarea acestor trei tipuri de termometre se face fara a se atinge rezervoarele lor.

f. Termometre inregistratoare sau termografe, inregistreaza in mod continuu temperatura. Ele se folosesc pentru a mari variatiile de temperatura intr-un interval de timp.

Un termograf este compus din: o parte sensibila la variatiile de temperatura numita corpul termometric, un mecanism de transmisie a variatiilor de temperatura numita substanta termometrica, un mecanism de transmisie a variatiilor corpului termometric si un dispozitiv de inregistrare. Partea sensibila este formata fie dintr-o lamela bimetalica, fie dintr-un tub metalic de sectiune eliptica, numit si tub Bourdon, umplut cu alcool sau cu petrol (fig.5).

O extremitate a corpului termometric este fixata pe peretele cutiei termografului, iar cealalta extremitate, libera se dilata si se contracta in mod succesiv din cauza variatiilor de temperatura.

Dispozitivul de inregistrare este constituit dintr-un cilindru, numit si tambur, pus in miscare printr-un mecanism de ceasornic, situat in interiorul lui, care prin constructie, face o rotatie completa in 24 de ore sau intr-o saptamana. Pe acest tambur se infasoara o banda de hartie pe care sunt trasate linii orizontale, ce reprezinta gradele de temperatura, precum si linii verticale usor curbate ce reprezinta timpul. Aceasta banda de hartie se numeste termograma, deoarece pe ea, penita inregistratoare inscrie variatiile de temperatura transmise de piesa sensibila.

Penita termohigrografului are forma unei piramide triunghiulare, fara fata de deasupra. In interiorul penitei se pune cerneala cu glicerina, care nu se evapora usor si nici nu ingheata.

In prezent se fabrica termografe cu penite inregistratoare din masa plastica avand forma unui ac indoit prevazut la baza cu un rezervor pentru cerneala.

Inainte de a pune in functiune, termograful se etaloneaza in comparatie cu un termometru etalon, iar mecanismul de ceasornic se regleaza dupa un ceas de precizie.

II.Descrierea termometrelor pentru sol

Pentru masurarea temperaturii la suprafata solului se folosesc termometre obisnuite cu mercur, termometre de maxima si de minima.

a.Termometrul de sol - Savinov (fig.6).

Tubul exterior este din sticla, fiind protejat printr-un tub de metal sau de masa plastica. Tubul protector se termina la partea inferioara printr-un varf conic, iar la cea superioara printr-un capac prevazut cu un inel. Aceste termometre sunt gradate de la -20⁰ la +40⁰C. In dreptul scalei gradate tubul metalic este decupat avand o fereastra longitudinala care permite efectuarea citirilor.

b.Termometre cu tragere verticala (fig.7) se folosesc pentru adancimi de 20 pana la 32 cm. Acest termometru este introdus intr-un tub metalic rezistent, ascutit la capatul unde se gaseste rezervorul termometrului pentru a putea fi introdus in sol. Varful ascutit al tubului metalic este prevazut cu mai multe orificii prin intermediul carora se asigura contactul dintre rezervorul termometrului si sol. Cu acest termometru se masoara temperatura solului la adancimile de insamantare pana la 20 cm. Fiind sensibil el intra in echilibru termic cu mediul in care este introdus in circa 5 minute.

c.Termometre sonda de sol (Sohin), folosesc ca lichid termometric toluenul.

Se folosesc pentru adancimi mari, pana la 2,4 m.

Termometrul este de forma cilindrica, avand rezervorul cu substanta termometrica in contact cu pilitura de fier, cupru sau alama. La capatul cilindrului protector este o placuta din metal, pe care se va sprijini in interior termometrul, in acest mod asigurandu-se contactul termic dintre sol si termometru.

d.Termometre cu rezistenta electrica - numite si bolometre, sunt folosite atat pentru aer cat si pentru sol. Bolometrul este confectionat dintr-un fir metalic de rezistivitate mare, care-si modifica rezistenta in functie de temperatura. Determinarea rezistentei, (adica a temperaturii) se face printr-un montaj in punte Wheatstone, si se bazeaza pe echilibrarea acesteia.

Fig. 8.a.Termometru cu rezistenta electrica

b.Principiul de functionare, puntea Wheatstone

e.Termometre cu termocuplu, folosite atat pentru aer cat si pentru sol, functioneaza pe baza efectului termoelectric (Peltier). Sunt constituite din doua fire de metale diferite, sudate la ambele capete, (fig.9).

Fig.9. Termometre cu termocuplu

a.termocuplu simplu, b.termocuplu in apa cu gheata, c.schema de montare pentru mai multe adancimi in sol

f.Termometre pentru determinarea temperaturii apelor: aceste termometre sunt termometre aneroide, cu rezervorul mare, cu un invelis metalic protector. Rezervorul termometrului se afla intr-un vas metalic prevazut cu orificii.

In momentul determinarii termometrul se introduce partea cu rezervor in apa, iar vasul metalic in care se afla acesta va ramane plin cu, apa in scopul evitarii influentei temperaturii aerului in momentul determinarii.

Fig.10.a,b-termometre cu carcasa metalica; c-termometru de adancime

Pentru temperaturii in adancime, se utilizeaza termometre speciale cu invelisul din sticla groasa ce rezista la presiuni de 400 atmosfere si care, in momentul cand au ajuns la adancimea dorita, cu ajutorul unui cablu, se rastoarna automat iar coloana de mercur se intrerupe prin intermediul buclei 1, fixandu-se la temperatura stratului de apa de la adancimea respectiva (fig.10). Unele termometre de acest fel poseda si un mic termometru ajutator care permite stabilirea corectiilor in functie de diferenta temperaturii apei fata de a aerului.

B. Metodica experimentala

Se efectueaza citirile indicatiilor tuturor tipurilor de termometre aflate in laborator, determinandu-se precizia de masura, utilizand formula:

unde: x - precizia; i_M-indicatia maxima; i_m-indicatia minima; n-numarul de diviziuni cuprind intre i_M si i_m.