Giáo trình máy KHÍ TƯỢNG

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Nguyễn Bình Phong

GIÁO TRÌNH

MÁY KHÍ TƯỢNG

THÁNG 12/2007



LỜI NÓI ĐẦU
“Máy khí tượng" là giáo trình dùng cho sinh viên chuyên ngành khí
tượng trong các trường có nhóm ngành khí tượng thuỷ văn. Nội dung của giáo
trình tập trung trình bày các vấn đề cơ bản về máy khí tượng dùng trong các
trạm quan trắc như: khí tượng bề mặt, cao không, khí hậu, khí tượng nông
nghiệp và các trạm khí tượng hàng không.
Máy khí tượng là một trong những môn chuyên ngành mà sinh viên
được học trong chương trình đào tạo. Môn học trình bày về cấu tạo, nguyên
tắc hoạt động và phương pháp sử dụng về các máy móc và dụng cụ đo đạc các
yếu tố khí tượng.
Môn học hằm giúp sinh viên có được những kiến thức về nguyên lý cảm
biến với yếu tố khí tượng cần đo, nguyên tắc hoạt động của các thiết bị đo khí tượng
và vận hành của các thiết bị đo khí tượng. Đồng thời sinh viên sử dụng được các
thiết bị đo này để đo đạc các yếu tố khí tượng theo Quy phạm quan trắc khí tượng
bề mặt của ngành Khí tượng Thuỷ văn một cách thành thạo

Để hoàn thành cuốn giáo trình này, chúng tôi đã nhận được sự giúp
đỡ nhiệt tình và sự góp ý chân thành, hiệu quả của tập thể cán bộ giảng

viên Khoa Khí tượng - Trường Cao đẳng Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
và của các bạn đồng nghiệp gần xa. Xin phép bày tỏ lòng biết ơn của chúng
tôi nhân dịp giáo trình này được xuất bản.
Cuối cùng, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý kiến của các bạn
đồng nghiệp và anh chị em sinh viên sử dụng cuốn giáo trình này.
Hà Nội, tháng 12 năm 2007

1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
MỤC LỤC
CHƯƠNG
1

1.1
1.2
1.3
1.4

CHƯƠNG
2

ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO ĐẠC CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG

Đặc điểm về đo đạc các yếu tố khí tượng
Những yêu cầu cơ bản đối với thiết bị đo giáng thuỷ
Các phép đo khí tượng trực tiếp và gián tiếp
Sơ đồ khối cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của thiết bị đo khí

tượng
THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ

THIẾT BỊ ĐO ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

3.1 Bản chất của áp suất khí quyển, các đơn vị đo
3.2 Những nguyên lý cơ bản về hoạt động của các thiết bị đo áp
suất khí quyển
3.3 Khí áp kế thuỷ ngân kiểu thang độ bổ chính KEW
3.4 Các khí áp kế thuỷ ngân kiểu Fortin và kiểu thang độ bổ chính
3.5 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu
chuẩn
3.6 Các nguồn sai số chính đối với các khí áp kế thuỷ ngân
3.7 Khí áp kế hộp
3.8 Khí áp ký
CHƯƠNG
4

THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ

4.1 Những nguyên lý cơ bản về hoạt động của các thiết bị đo độ
ẩm
4.2 Nhiệt ẩm kế thường
4.3 Nhiệt ẩm kế Assman
4.4 Ẩm kế tóc
4.5 Ẩm kế màng hữu cơ
4.6 Ẩm ký
CHƯƠNG
5

4
5
6
7

11

2.1 Nhiệt độ và các thang đo nhiệt độ
2.2 Những nguyên lý cơ bản về hoạt động của các thiết bị đo nhiệt
độ
2.3 Nhiệt ký
CHƯƠNG
3

Trang
1
2
4

THIẾT BỊ ĐO GIÓ

11
12
19
22
22
23
23
25
27

30
32
33
37
37
39
41
42
44
45
48

5.1 Những nguyên lý cơ bản về hoạt động của thiếtbị đo gió
2

48


5.2
5.3
5.4
5.5
5.6

Máy gió Vild
Máy gió cầm tay
Máy gió tự ghi Munro
Máy gió EL
Máy gió Tavid

CHƯƠN
THIẾT BỊ ĐO GIÁNG THUỶ
G6
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
CHƯƠNG
7

7.1
7.2
7.3
7.4
CHƯƠNG
8

Khái quát về giáng thuỷ và đơn vị đo
Các dụng cụ đo giáng thuỷ
Vũ lượng kí Xy-phông
Vũ lượng kí chao lật SL-1
Dụng cụ ghi cường độ mua Jardi

9.1
9.2
9.3
9.4
CHƯƠNG
10

10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6

66
66
69
74
81

THIET BỊ ĐO BỐC HƠI
Những nguyên lí cơ bản về hoạt động của thiết bị đo bốc hơi
Ống đo bốc hơi Piche
Thùng đo bốc hơi GGI-3000
Chậu bốc hơi Class-A

THIẾT BỊ ĐO THỜI GIAN NẮNG VÀ BỨC XẠ

8.1 Thiết bị đo thời gian nắng
8.2 Thiết bị đo bức xạ
CHƯƠNG
9

49
52
54
58

62
66

81
82
83
85
88
88

THIẾT BỊ ĐO ĐỘ CAO CHÂN MÂY VÀ GIÓ TRÊN CAO
Đo độ cao chan mây bằng cầu buộc
Đo độ cao chân mây và gió trên cao bằng cầu bay
Đo độ cao chân mây bằng đèn chiếu mây
Đo độ cao chân mây bằng vô tuyến điện

96

TỰ ĐỘNG HOÁ PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÍ QUYỂN

96
96
97
99
101

Các khía cạnh kĩ thuật và kinh tế của tự động hoá
Phân loại các trạm thời tiết tự động
Sơ đồ khối cơ bản của trạm thời tiết tự động
Các bộ cảm biến dùng trong trạm thời tiết tự động

Bảo dưỡng các trạm thời tiết tự động
Độ tin cậy của thiết bị tự động

101
102
103
106
106
107

PHỤ LỤC 1

126

PHỤ LỤC 2
PHỤ LỤC 3
PHỤ LỤC 4
PHỤ LỤC 5
TÀI LIỆU THAM KHẢO

127
128
129
130
131

3


4

CHƯƠNG 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO ĐẠC CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG
1.1 Đặc điểm về đo đạc các yếu tố khí tượng
Để đo giá trị của một đại lượng vật lí nào đó với một độ chính xác đã được xác định
trước, ta phải thực hiện phép đo này trong những điều kiện nhất định. Những điều
kiện này bao gồm: sự lắp đặt, kiểm định, khắc độ thang đo,... các thiết bị đo và một
phần rất quan trọng là kĩ năng của kĩ thuật viên.
Để nghiên cứu các hiện tượng khí tượng trên một vùng rộng lớn của Trái đất, ta
không thể chỉ quan trắc tại một điểm riêng lẻ mà cần phải quan trắc đồng thời tại
nhiều điểm, tập hợp những điểm quan trắc đó là mạng lưới trạm quan trắc khí
tượng. Để các kết quả quan trắc trong toàn mạng lưới trạm khí tượng có thể so sánh
được, cùng với sự thống nhất trong quy trình quan trắc, còn phải có những thiết bị
đo giống nhau về độ chính xác, đặc tính hoạt động, chế độ bảo dưỡng và sự thống
nhất trong kiểm định. Ngoài ra, cần phải tính đến những khoảng biến thiên động lực
học của các đại lượng vật lí sao cho các thiết bị đo đạc tại xích đạo và vùng cực đều
có độ chính xác như nhau.
Tất cả điều này giải thích tại sao toàn mạng lưới trạm quan trắc khí tượng trên Trái
đất phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các quy trình, quy phạm trong quan trắc với
những thiết bị đo đạc đã quy chuẩn được Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) ban
hành.
Việc quan trắc các yếu tố khí tượng ngày càng rộng rãi và thiết bị đo ngày càng
phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, những yếu tố khí tượng phổ biến cần phải đo và
những thiết bị đo tương ứng được dẫn ra trong bảng 1.1.
1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với thiết bị đo khí tượng
Một trạm khí tượng được đặt ở nơi có thể đại diện được cho khu vực đó. Nghĩa là
các đại lượng khí tượng đo được tại trạm đó phải đặc trưng cho một vùng tương đối
rộng xung quanh trạm. Vườn khí tượng phải được đặt ở những nơi không có các

chướng ngại vật để khỏi ảnh hưởng tới các phép đo. Thông thường, vườn khí tượng
phải được đặt trên một mảnh đất bằng phẳng có trồng cỏ ngắn.
Trong vườn khí tượng, các thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm phải đặt trong lều khí
tượng để tránh ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ Mặt trời cũng như những ảnh hưởng
bất lợi của môi trường xung quanh.

5


Lều khí tượng phải được thiết kế sao cho giảm thiểu được những ảnh hưởng bất lợi
của môi trường tới các thiết bị đo nhưng vẫn đảm bảo được các điều kiện khí tượng
giống như không khí bên ngoài.
Bảng 1.1. Những yếu tố khí tượng được đo đạc phổ biến và thiết bị đo tương ứng
Yếu tố khí tượng

Thiết bị đo

Nhiệt độ không khí, đất, nước

Nhiệt kế, nhiệt kí

Độ ẩm không khí

Ẩm kế, ẩm kí

Giáng thuỷ

Vũ kế, vũ kí

Bốc hơi

Ống, thùng, chậu bốc hơi

Bức xạ Mặt trời

Trực xạ kế, tổng xạ kế, thụ xạ kế

Thời gian Mặt trời chiếu sáng

Nhật quang kí

Khí áp

Áp kế, áp kí

Gió

Phong kế, phong kí

Tầm nhìn xa

Mắt thường, quang kế

Lượng và dạng mây

Mắt thường

Độ cao chân mây

Cầu buộc, cầu bay, mắt thường

Hiện tượng khí tượng

Tai và mắt thường

Nói chung, lều khí tượng thường được làm bằng gỗ (vật liệu dẫn nhiệt kém), đủ
rộng để đặt các thiết bị đo khí tượng và có vách chớp để đảm bảo thông gió tốt mà
vẫn giảm đến mức thấp nhất hiệu ứng của nhiệt bức xạ. Mái lều gồm hai lớp gỗ
được tách biệt bởi một lớp không khí để cách nhiệt. Sàn lều gồm hai tấm ván gối
lên nhau để thông gió. Lều được sơn màu trắng cả bên trong và ngoài. Việc định
hướng lều phải đảm bảo để khi mở của lều, Mặt trời không rọi ánh sáng trực tiếp
vào các thiết bị đo.
1.3 Các phép đo khí tượng trực tiếp và gián tiếp
Có hai phép đo cơ bản thường được dùng rộng rãi trong khí tượng, đó là phép đo
trực tiếp và phép đo gián tiếp.
1. Phép đo trực tiếp
Đó là những phép đo thông qua những thiết bị đo có bộ cảm biến đặt tại điểm đo để
đo các yếu tố khí tượng. Những thiết bị này được gọi là thiết bị đo trực tiếp, chúng
6


bao gồm những thiết bị đo đạc khí tượng bề mặt thông thường như thiết bị đo nhiệt
độ, độ ẩm, khí áp, gió,... Ngoài ra, còn có một số thiết bị đo khí tượng trực tiếp từ xa
là những thiết bị đo có đầu phát ra số liệu truyền đến quan trắc viên bằng vô tuyến.
2. Phép đo gián tiếp
Đó là những phép đo thông qua những thiết bị đo có sử dụng tín hiệu âm thanh hoặc
sóng điện từ để đo các yếu tố khí tượng. Những thiết bị sử dụng các tín hiệu này
(thông thường là đo từ xa) được gọi là thiết bị khí tượng gián tiếp. Thiết bị loại này
bao gồm các loại như radar, bức xạ kế hồng ngoại, vệ tinh khí tượng,...
1.4 Sơ đồ cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của thiết bị đo khí tượng

Trong các thiết bị đo khí tượng trực tiếp, căn cứ vào cách thức hiển thị thông tin, ta
có thể chia chúng thành hai loại cơ bản: thiết bị đo kiểu tương tự và thiết bị đo kiểu
hiện số.
Các thiết bị đo kiểu tương tự sẽ hiển thị giá trị của đại lượng cần đo dưới dạng số
đọc liên tục trên một thang chia độ thích hợp của bộ chỉ thị. Nhiệt kế thông thường
chính là một thiết bị đo kiểu tương tự rất điển hình. Khi đo bằng những thiết bị này,
quan trắc viên sẽ đọc giá trị của nhiệt độ có độ chính xác phụ thuộc chủ yếu vào sự
chia thang độ của bộ chỉ thị. Trong thực tế, độ chính xác của phép đo không vượt
quá giá trị của nửa vạch trên thang độ được chia.
Ngoài ra còn có những thiết bị đo kiểu tương tự cho phép chúng ta ghi giá trị của
những đại lượng đo được lên giấy dưới dạng một đồ thị theo thời gian.
Thiết bị đo kiểu tương tự có thể được mô tả dưới dạng tổng quát của một sơ đồ khối
(hình 1.1). Theo hình 1.1, thiết bị này là sự hợp thành của 3 khối chức năng: bộ cảm
biến, bộ biến đổi tín hiệu và bộ chỉ thị tương tự.

Bộ cảm biến

Bộ biến đổi tín
hiệu

Bộ chỉ thị
tương tự

Hình 1.1. Sơ đồ khối của thiết bị đo kiểu tương tự
Thiết bị đo kiểu hiện số hiển giá trị của đại lượng đo được dưới dạng chữ số rời rạc
trên một màn hình hiện số. Những giá trị này có thể được in lên một băng giấy nhờ
máy in.
Thiết bị đo kiểu hiện số có thể được mô tả dưới dạng tổng quát của một sơ đồ khối
(hình 1.2). Từ hình 1.2 ta thấy, thiết bị này cũng được hợp thành từ 3 khối chức
năng: bộ cảm biến, bộ biến đổi tương tự sang chữ số và màn hình.

7


Các bộ phận của hai kiểu thiết bị trên đều có những chức năng như sau:
1. Bộ cảm biến
Là bộ phận tiếp xúc với yếu tố khí tượng cần đo. Thông thường, tính chất vật lí của
bộ cảm biến thay đổi theo sự biến đổi của yếu tố khí tượng cần đo đó, đồng thời sản
ra tín hiệu tại đầu đo của bộ cảm biến. Tín hiệu của bộ cảm biến cơ học đơn giản là
sự thay đổi cơ học trạng thái của nó, trong khi tín hiệu của bộ cảm biến điện có thể
là sự thay đổi điện trở hoặc một thông số điện khác.

Bộ cảm biến

Bộ biến đổi tín
hiệu tương tự

Màn hình
(tín hiệu in ra)

Hình 1.2. Sơ đồ khối của thiết bị đo kiểu hiện số
2. Bộ biến đổi tín hiệu tương tự
Tuỳ theo sự hiển thị bằng thiết bị báo hay thiết bị ghi mà bộ biến đổi tín hiệu tương
tự sẽ chuyển tín hiệu từ bộ cảm biến thành những dạng tín hiệu khác nhau một cách
thích hợp. Sự biến đổi tín hiệu đôi khi chỉ là sự khuếch đại đơn giản tín hiệu từ bộ
cảm biến.
Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang chữ số có chức
năng tương tự như thiết bị chữ số. Tín hiệu tương
tự của bộ cảm biến được đổi sang dạng chữ số
thích hợp hiển thị trên màn hình hiện số (hình 1.3).

Hình 1.3. Khí áp kế hiện số

3. Tín hiệu đầu ra
Tín hiệu thu được từ bộ biến đổi tín hiệu tương tự sẽ được bộ chỉ thị biến đổi tiếp
theo sang dạng để quan trắc viên thấy được, màn hình hiển thị chữ số biểu thị giá trị
đại lượng cần đo dưới dạng chữ số.
Ví dụ, một thiết bị đo kiểu tương tự đo tốc
độ gió dùng bộ cảm biến quay chong chóng
hình gáo. Bộ biến đổi tín hiệu có thể là một
máy phát điện một chiều, điện áp lấy từ các
cực của máy phát điện sẽ được đưa vào
thiết bị hiển thị (vôn kế - hình 1.4).
Trong một số thiết bị kiểu tương tự, bộ cảm
biến cũng có chức năng như chức năng của
bộ biến đổi tín hiệu. Ví dụ như đối với máy

8

Hình 1.4. Bộ chỉ thị kiểu tương
tự của máy đo gió


gió Wild, bộ biến đổi tín hiệu của máy này là một bảng kim loại xoay quanh một
trục nằm ngang. Khi đó, áp lực của gió tác động lên bảng sẽ được biến đổi thành
góc lệch giữa bảng với phương thẳng đứng. Góc lệch này tương ứng với vị trí các
cung răng gió được gắn sẵn nên ta đọc trực tiếp được số chỉ tốc độ gió trên cung
răng gió. Điều này có nghĩa là bộ cảm biến vừa là bộ biến đổi tín hiệu, vừa là thiết
bị hiển thị.
Những bộ chỉ thị hiện số có thể hoạt động theo nguyên tắc cơ hoặc nguyên tắc điện.

Ví dụ, khí áp kế hiện số cơ đơn giản có bộ cảm biến là chồng hộp rỗng đàn hồi, tín
hiệu đầu ra của nó là độ dịch chuyển của mặt hộp. Bộ biến đổi kiểu tương ứng là bộ
bánh răng có vai trò biến đổi độ dịch chuyển của mặt hộp thành số vòng quay của
trục quay. Trục quay lại gắn với vòng số ở bộ phận hiện thị.
Đối với khí áp kế anênôit kiểu cơ học hiện số biến đổi đơn giản, bộ cảm biến là một
hộp áp lực, độ lệch cơ học của màng hộp sẽ là tín hiệu của bộ cảm biến. Bộ biến đổi
tín hiệu tương tự sang chữ số dựa trên cơ cấu bánh răng điều khiển bằng tay. Cơ cấu
này biến đổi độ lệch của màng hộp thành vòng quay của một trục mà màn hình hiện
số, ống đếm số vòng kiểu đảo chiều 5 số được ghép vào đó. Một thiết bị báo kiểu
tiếp xúc điện sẽ báo có tiếp xúc hay không tiếp xúc giữa màng hộp và các thanh
truyền nhỏ của bộ phận biến đổi.
Trong khí tượng, người ta thường sử dụng các cách ghi giá trị của những đại lượng
cần đo như sau:
a) Ghi lên giản đồ bằng giấy: Một ngòi bút chứa mực vạch lên một giản đồ cuộn
quanh một tang trống, tang trống quay nhờ đồng hồ điều khiển. Kết quả là giản đồ
ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đo theo thời gian.
b) Ghi lên giản đồ bằng giấy phủ sáp ong: Một ngòi bút nhọn vạch lên giản đồ
cuộn quanh một tang trống, tang trống quay nhờ đồng hồ điều khiển. Kết quả là
giản đồ ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đo theo thời gian.
c) Ghi lên giản đồ bằng giấy cảm ứng điện: Một điện cực đầu nhọn có dòng điện đi
qua sẽ vạch lên giản đồ cuộn quanh tang trống, tang trống quay nhờ một đồng hồ
điều khiển. Kết quả là giản đồ ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đo
theo thời gian.
d) Ghi lên dải ru băng: Một dải ru băng màu sẽ in vị trí đầu kim của thiết bị báo
kiểu microampe kế tương tự. Kết quả là ru băng ghi lại được đồ thị của đại lượng
khí tượng cần đo theo thời gian.
e) Ghi lên băng giấy dưới dạng số: Giá trị của đại lượng cần đo được ghi lên băng
giấy vào những thời gian nhất định.

9

Những phương pháp ghi trên thường được sử dụng ở những trạm khí tượng bề mặt
có người quan trắc, còn tại những trạm khí tượng tự động, người ta dùng băng giấy
đục lỗ kiểu mã điện báo hoặc ghi bằng mã số nhị nguyên trên băng từ.
Nhiều thiết bị tự ghi được dùng trong khí tượng là kiểu cảm biến cơ học mà trong
đó độ lệch ở đầu tự do của bộ cảm biến sẽ được cánh tay đòn khuếch đại lên và một
chiếc cần mang ngòi bút sẽ hoạt động. Ngòi bút chứa mực sẽ ghi lên giản đồ được
cuốn quanh tang trống, tang trống quay nhờ một đồng hồ điều khiển. Vì lực của bộ
cảm biến rất nhỏ nên những thiết bị này phải hạn chế được ma sát giữa các phần di
động cũng như ngòi bút và giấy.
Giản đồ làm bằng giấy dùng trong thiết bị đo phải được xử lí đặc biệt, bảo đảm để
đường ghi được rõ ràng, không bị nhòe nét. Mực được dùng phải là loại mực lâu
khô và không bị đóng băng.
Đồng hồ dùng trong thiết bị đo, có trang bị bộ phận điều chỉnh tốc độ, có thể gắn
chặt vào phía trong tang trống và quay cùng với nó; hoặc đồng hồ được gắn chặt
vào đế thiết bị (trường hợp này chỉ có trống quay), kiểu này có ưu điểm là dễ khử
độ rơ của trống cuộn giản đồ. Độ rơ là một sai số về thời gian trong thiết bị ghi. Nói
chung kiểu thiết bị này phải được so sánh với thiết bị đọc trực tiếp một cách đều
đặn.

10


CHƯƠNG 2

THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ
2.1 Nhiệt độ và các thang đo nhiệt độ
Nhiệt độ là một thông số trạng thái nhiệt của vật chất. Giá trị của thông số này phụ
thuộc vào động năng chuyển động trung bình của các phần tử cấu tạo nên vật chất

đó. Ta có thể đo được nhiệt độ thông qua sự truyền nhiệt giữa các vật chất.
Nhiệt độ của vật chất thường được đo bằng nhiệt kế. Khi nhiệt độ thay đổi thì tính
chất vật lí của vật chất cũng thay đổi theo. Nếu biết được sự phụ thuộc của tính chất
vật lí của vật chất vào nhiệt độ, ta sẽ xác định được nhiệt độ của vật chất đó. Các
tính chất vật lí của vật chất bao gồm: mật độ, thể tích, độ dẫn điện,...
Muốn đo nhiệt độ của môi trường nào đó (không khí, đất, nước,…) ta đặt nhiệt kế
vào môi trường đó. Giữa môi trường và nhiệt kế xảy ra sự trao đổi nhiệt. Khi hệ
thống môi trường-nhiệt kế ở trạng thái cân bằng thì nhiệt độ của nhiệt kế cũng chính
là nhiệt độ của môi trường đó. Nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ không khí được Galile
chế tạo ra từ năm 1584.
Năm 1721, Fahreinheit đã thiết kế nhiệt kế thuỷ ngân để đo đạc khí tượng. Ông đã
lấy điểm thấp nhất trong thang đo, điểm 0 0F, là nhiệt độ đã đo được tại Danzig,
điểm cao nhất trong thang đo, điểm 96 0F, là nhiệt độ cơ thể người, nhiệt độ 32 0F là
điểm đóng băng và nhiệt độ 2120F là điểm sôi của nước.
Celsius đã thiết lập thang đo bách phân với 0 0C là điểm sôi và 1000C là điểm đóng
băng của nước nguyên chất ở điều kiện tiêu chuẩn. Sau đó, Linaeno đã đảo ngược
thang độ bách phân và thiết lập thang đó như ngày nay. Nó có tên trong hệ thống đo
lường (SI) là thang độ Celsius.
Trong khí tượng, nhiệt độ thường được đo bằng thang độ Celsius dựa trên 100 0 chia
của thang độ giữa hai điểm tbăng và thơi. Đơn vị này được gọi là “độ Celsius” hay “độ
bách phân”.
Nhiệt độ là một thông số rất quan trọng trong khí tượng. Người ta thường quan tâm
tới nhiệt độ không khí, nhiệt độ nước và nhiệt độ đất.
Nhiệt độ không khí bề mặt là nhiệt độ trong lều khí tượng có độ cao từ 1,25 đến 2m
trên mặt đất. Cũng như những yếu tố khí tượng khác, nhiệt độ không khí được đo vào
những giờ cố định. Ngoài ra, còn phải đo cả nhiệt độ tối cao và tối thấp trong ngày.
Riêng trong khí tượng nông nghiệp, người ta còn quan tâm đến nhiệt độ không khí
ở nhiều mực khác nữa.
Nhiệt độ đất thường được đo tại những độ sâu tiêu chuẩn là: 5, 10, 15, 20, 50 và
100cm. Nơi đặt nhiệt kế để đo nhiệt độ đất thường là nơi không trồng cỏ trong vườn

11


khí tượng.
2.2 Sự trao đổi nhiệt giữa nhiệt kế và môi trường
2.2.1 Quán tính nhiệt của nhiệt kế
Khi đặt nhiệt kế vào một môi trường nào đó để đo nhiệt độ, nhiệt kế không chỉ đúng
được nhiệt độ của môi trường đó ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian
nhất định nhiệt độ của nhiệt kế mới đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường.
Khoảng thời gian đó được gọi là quán tính nhiệt của nhiệt kế.
Quán tính nhiệt của nhiệt kế τ phụ thuộc vào cường độ trao đổi nhiệt giữa môi
trường và nhiệt kế theo công thức:
t0 − t*
τ = αln
t − t*

(2.1)

trong đó, α là hệ số quán tính nhiệt của nhiệt kế, t 0 và t tương ứng là nhiệt độ ban
đầu và nhiệt độ sau khoảng thời gian τ của nhiệt kế, t* là nhiệt độ của môi trường và
t - t* là độ chính xác cần thiết của phép đo.
Hệ số quán tính nhiệt của nhiệt kế α được viết dưới dạng:
α=

Cm Δt

(2.2)

γS V

trong đó, C là nhiệt dung của vật liệu làm nhiệt kế; m là khối lượng của nhiệt kế, S
là diện tích bề mặt của nhiệt kế tiếp xúc với môi trường; V là tốc độ thông gió, ∆t =
t0 - t*; là hiệu nhiệt độ ban đầu của nhiệt kế với môi trường ∆t = t0 - t* và γ là hệ số
trao đổi nhiệt của nhiệt kế và môi trường.
t0 − t*
= e , điều đó có nghĩa rằng, α là thời gian cần
Từ (2.1) ta thấy, nếu τ = α thì
t − t*

thiết để hiệu nhiệt độ ban đầu của nhiệt kế và môi trường đã giảm đi e ≈ 2,718 lần
trong điều kiện nhiệt độ môi trường không đổi.
2.2.2 Độ nhạy của nhiệt kế
Độ chính xác của số đọc trên thang độ của nhiệt kế phụ thuộc vào độ nhạy của nhiệt
kế. Độ nhạy của nhiệt kế càng lớn thì độ chính xác của số đọc càng lớn và ngược
lại. Độ nhạy của một thiết bị đo bất kì là tỉ số giữa sự thay đổi đầu ra và đầu vào của
đại lượng đo. Đối với nhiệt kế, độ nhạy là độ dài của một độ trên thang đo.
Với nhiệt kế chất lỏng, độ nhạy được xác định theo công thức:
L = V0

σ −β
S

(2.3)

12


trong đó, V0 là thể tích của bầu nhiệt kế ở nhiệt độ 00C; σ là hệ số dãn nở khối của
chất lỏng trong vi quản của nhiệt kế; β là hệ số dãn nở khối của thuỷ tinh làm nhiệt
kế và S là thiết diện vi quản của nhiệt kế.

Từ công thức trên ta thấy, muốn làm tăng độ nhạy của nhiệt kế, ta có thể tăng độ
lớn của bầu nhiệt kế, hoặc giảm thiết diện vi quản, hoặc dùng chất lỏng có hệ số dãn
nở khối lớn và loại thuỷ tinh có hệ số dãn nở khối nhỏ. Tuy nhiên, nếu làm tăng độ
lớn của bầu nhiệt kế quá mức sẽ dẫn tới làm tăng quán tính nhiệt, nếu thu hẹp quá
mức thiết diện vi quản của nhiệt kế sẽ làm tăng ma sát khi chất lỏng dịch chuyển
trong vi quản. Mặt khác, nếu làm tăng độ nhạy của nhiệt kế lên quá nhiều, ta phải
tăng độ dài của nhiệt kế một cách tương ứng nên cũng bất lợi trong việc sử dụng
nhiệt kế.
2.3 Nguyên lí hoạt động cơ bản của thiết bị đo nhiệt độ
Nhiệt kế là một thiết bị dùng để đo nhiệt độ. Ngày nay, có rất nhiều loại nhiệt kế
khác nhau được thiết kế dựa trên những nguyên lí khác nhau đang được dùng trong
khí tượng như:
- Nhiệt kế chất lỏng trong ống thuỷ tinh (thuỷ ngân và cồn);
- Nhiệt kế chất lỏng trong kim loại;
- Nhiệt kế lưỡng kim;
- Nhiệt kế điện trở (nhiệt điện trở và điện trở kim loại);
- Cặp nhiệt điện.
Những loại nhiệt kế này được dùng trong các phép đo nhiệt độ trực tiếp, đầu đo đặt
tại điểm đo. Những phép đo nhiệt độ gián tiếp dựa trên nguyên lí của phép đo bức
xạ hồng ngoại có khả năng đo nhiệt độ từ xa. Tuy nhiên, trong khuôn khổ cuốn giáo
trình này, chúng tôi chỉ trình bày những loại nhiệt được sử dụng rộng rãi trên mạng
lưới quan trắc hiện nay ở Việt Nam, đó là những nhiệt kế chất lỏng trong ống thuỷ
tinh (thuỷ ngân và cồn).
2.3.1 Nhiệt kế thuỷ ngân
Nhiệt kế thuỷ ngân là một loại nhiệt kế được dùng rất phổ biến trong khí tượng. Nó
thường được cấu tạo chủ yếu bởi một ống thuỷ tinh nhỏ bịt kín (được gọi là ống vi
quản), một đầu phình to chứa thuỷ ngân (được gọi là bầu nhiệt kế) và phần lớn các
loại nhiệt kế có gắn một bản bằng nhựa được khắc chia thành từng độ nằm phía sau
ống vi quản. Khoảng không gian phía trên mặt lồi của thuỷ ngân trong ống vi quản
được rút hết không khí.

Khi nhiệt độ của nhiệt kế thay đổi, thể tích thủy ngân trong bầu nhiệt kế sẽ thay đổi
nhiều hơn ống vi quản, gây nên sự thay đổi chiều dài của cột thuỷ ngân trong ống vi
13


quản. Sự thay đổi chiều dài của cột thủy ngân tỉ lệ với sự thay đổi thể tích của bầu
thủy ngân. Mối quan hệ đó được biểu diễn dưới dạng:
∆v = A∆l

(2.4)

trong đó, ∆v là sự thay đổi thể tích của bầu thuỷ ngân theo nhiệt độ; A là diện tích
mặt cắt ngang của ống vi quản; ∆l là sự thay đổi chiều dài cột thủy ngân.
Phương trình (2.4) được phát biểu một cách đơn giản là sự thay đổi thể tích của bầu
thuỷ ngân bằng sự thay đổi thể tích của cột thuỷ ngân, với giả thiết là ống vi quản
thuỷ tinh không bị ảnh hưởng do nhiệt độ thay đổi.
Tuy nhiên, trong thực tế, những thay đổi về kích thước của bầu thủy tinh do nhiệt
cũng đáng kể. Tính đến ảnh hưởng này, sự thay đổi thể tích thủy ngân ∆v được biểu
diễn dưới dạng:
∆v = vo (g1 - g2) ∆t

(2.5)

trong đó, ∆t là sự thay đổi nhiệt độ; vo là thể tích thuỷ ngân bên trong bầu nhiệt kế ở
nhiệt độ tiêu chuẩn; g1 = 0,000181 là hệ số dãn nở của thuỷ ngân; g2 = 0,0000253 là
hệ số dãn nở của thuỷ tinh.
Kết hợp công thức (2.4) và (2.5) ta được:
Δl =

v 0 (g1 − g 2 )

Δt
A

(2.6)

Biểu thức (2.6) biểu thị độ nhạy của nhiệt kế. Như vậy, từ công thức này ta thấy,
bầu nhiệt kế càng lớn và mặt cắt ngang của ống vi quản thuỷ tinh càng nhỏ thì độ
nhạy càng cao. Tuy nhiên, nếu bầu nhiệt kế càng lớn thì quán tính của nhiệt kế càng
lớn.
Thuỷ ngân thường được dùng để làm nhiệt kế bởi nó có những đặc tính ưu việt như:
nhiệt dung nhỏ, độ dẫn nhiệt cao, không dính ướt thành ống và điểm sôi cao. Tuy
nhiên, thủy ngân cũng có nhược điểm là điểm đông kết tương đối cao, tới -380C.
Một số kiểu nhiệt kế thuỷ ngân được dùng rộng rãi trong khí tượng như:
a) Nhiệt kế có vỏ làm bằng thuỷ tinh, dài 390 - 430mm, đường kính thân bên ngoài
15 - 17mm, thang độ chia tới là 0,20C với phổ đo từ -30 đến 600C.
b) Nhiệt kế tối cao có vỏ làm bằng thuỷ tinh, hình dạng bên ngoài tương tự như
nhiệt kế thường, trừ một chỗ eo thắt trên vi quản ở gần bầu nhiệt kế, thang độ
chia tới 0,50C. Chỗ eo thắt trên vi quản gần bầu nhiệt kế cho phép thuỷ ngân từ
bầu nhiệt kế đi vào ống vi quản, nhưng lại ngăn không cho thuỷ ngân quay trở
về được nên nó sẽ lưu lại ở điểm cao nhất đã đạt tới, tính từ lần đặt lại cuối
cùng. Vì vậy, để chuẩn bị quan trắc cho ngày hôm sau, ta phải vẩy nhẹ nhiệt kế
14


tối cao để cưỡng bức cột thuỷ ngân trở lại vị trí vốn có của nó.
c) Nhiệt kế của ẩm kế thông gió có vỏ làm bằng thuỷ tinh như hai loại nhiệt kế trên
nhưng ngắn hơn, chỉ dài từ 265 đến 275mm và nhỏ hơn, đường kính chỉ có 78mm và có thang độ chia tới 0,20.
d) Nhiệt kế đo nhiệt độ đất có vỏ làm bằng thuỷ tinh, thân dài uốn cong thành một
góc vuông. Bầu và một phần thân nhiệt kế cắm vào trong đất, thang đo hướng về
phía trên và nằm trên mặt đất để có thể đọc được giá trị nhiệt độ. Đối với các độ

sâu lớn, người ta dùng loại nhiệt kế thẳng đặt trong bao nhựa có đường kính
rộng hơn và cắm xuống những độ sâu cần thiết, bầu nhiệt kế bọc sáp ong để tăng
độ trễ. Những loại nhiệt kế này khi quan trắc phải kéo nhiệt kế ra khỏi ống.
e) Nhiệt kế thuỷ ngân có vỏ làm bằng kim loại cũng dựa trên nguyên lí về sự dãn
nở vì nhiệt của chất lỏng nhiệt kế như nhiệt kế thuỷ ngân - thuỷ tinh. Chúng
thường được thiết kế để đọc nhiệt độ từ xa (tới 50m). Bầu nhiệt kế và vi quản
thép mỏng được bảo vệ bằng bao chì. Vi quản này sẽ nối bầu với một thiết bị
hiển thị. Thiết bị hiển thị là một ống Bourdon có bộ phận khuếch đại bằng bánh
răng nhỏ và đoạn thanh răng để điều khiển đầu kim nhọn hoặc cần ngòi bút ghi.
Để trung hoà hiệu ứng của những thay đổi nhiệt độ đối với ống vi quản, người ta
lắp một bộ phận bổ chính trong đường nối của ống vi quản. Bộ phận bổ chính
gồm sợi dây thép không gỉ bên trong đường nối có độ dãn nở nhiệt thích hợp
khiến cho độ dãn nở của ống vi quản cùng với độ tăng của nhiệt độ sẽ được bổ
chính bằng độ dãn nở tương ứng của dây thép.
2.3.2 Nhiệt kế rượu
Rượu là một chất lỏng có nhiệt độ đông kết nhỏ hơn nhiệt độ đông kết của thuỷ
ngân nên thường được dùng để chế tạo nhiệt kế đo ở những nơi có nhiệt độ thấp
thay thế cho thuỷ ngân, đặc biệt là được dùng để chế tạo nhiệt kế tối thấp thay thế
cho thuỷ ngân.
Hơn nữa, rượu có đặc tính là nhiệt dung lớn, tính dẫn nhiệt kém, sức căng mặt ngoài
nhỏ. Cho nên, nhiệt kế tối thấp có vỏ làm bằng thuỷ tinh với cấu tạo đặc biệt, bầu
nhiệt kế lớn, diện tích bề mặt bầu lớn, ống vi quản có kích thước lớn hơn những loại
nhiệt kế khác và có con trỏ bằng thuỷ tinh di chuyển được.
Với cấu tạo như vậy, cho nên, khi nhiệt độ giảm, mặt cong cột rượu đẩy con trỏ
thuỷ tinh chạy dọc theo ống vi quản. Nhưng khi nhiệt độ tăng, rượu chảy qua con
trỏ và để con trỏ nằm nguyên ở vị trí có nhiệt độ thấp nhất đã đạt tới. Để con trỏ
không bị di chuyển do trọng lượng, người ta đặt nhiệt kế gần như nằm ngang có bầu
thấp hơn một chút. Trọng lượng của con trỏ nhỏ, hai đầu tròn nên nó không thể
chọc thủng màng căng mặt ngoài của cột rượu nên cột rượu dâng lên khi nhiệt độ

15


tăng mà con trỏ vẫn nằm nguyên chỗ cũ.
2.3.3 Nhiệt kế kim loại
Cấu tạo của loại nhiệt kế này gồm hai mảnh kim loại mỏng có hệ số dãn nở vì nhiệt
khác nhau, được ép sát vào nhau tạo thành một miếng lưỡng kim. Tấm lưỡng kim
này, một đầu được kẹp chặt, còn đầu kia để dịch chuyển tự do. Khi nhiệt độ tăng
lên, tấm lưỡng kim sẽ cong về phía tấm kim loại có hệ số dãn nở vì nhiệt nhỏ hơn.
Sự dịch chuyển đầu tự do của tấm lưỡng kim tỉ lệ với sự thay đổi nhiệt độ. Những
tính toán lí thuyết cho thấy, độ nhạy của bộ cảm biến lưỡng kim tỉ lệ thuận với bình
phương độ dài tấm lưỡng kim, với hiệu hệ số dãn nở vì nhiệt của hai tấm kim loạisố
độ và với độ dày của tấm lưỡng kim.
Bộ cảm biến nhiệt độ của tấm lưỡng kim có nhiều ứng dụng trong khí tượng. Một
trong những ứng dụng đó là dùng để chế tạo nhiệt kí.
2.3.4 Nhiệt kế điện trở
Hai kiểu nhiệt kế điện trở thường được dùng rộng rãi trong khí tượng là nhiệt kế
điện trở kim loại có hệ số nhiệt độ dương đối với điện trở và nhiệt kế điện trở bán
dẫn có hệ số nhiệt độ âm đối với điện trở.
Việc dùng điện trở kim loại làm bộ cảm biến dựa trên hệ thức sau:
Rt = R0 [1 + a(t – t0) – b(t – t0)2]

(2.7)

trong đó, Rt là điện trở của bộ cảm biến kim loại ở nhiệt độ t 0C; R0 là điện trở của
bộ cảm biến kim loại ở nhiệt độ cố định t0 và a, b là hai hằng số phụ thuộc vào kim
loại.
Thông thường, người ta sử dụng những kim loại như: platin, đồng, nicken và sắt.
Trong đó platin và đồng được ứng dụng rỗng rãi nhất. Những bộ cảm biến dùng dây
platin có độ ổn định rất tốt và biến đổi gần như tuyến tính trong dải nhiệt độ khí

tượng.
Một mạnh điện tử biến đổi tín hiệu và hiển thị dùng cảm biến nhiệt độ kiểu điện trở
kim loại được dẫn ra trong hình 2.1.
2.4 Nhiệt kế
2.4.1 Nhiệt kế thường
1. Cấu tạo
Nhiệt kế thường được cấu tạo bởi hai bộ phận chính như sau (hình 2.2):
- Một ống vi quản bằng thuỷ tinh có một đầu được hàn kín, đầu kia là một bầu có
hình cầu, hình trụ hoặc hình nón chứa đầy chất lỏng;

16


- Một thang đo thường được chia theo
0,50C/vạch. Thang đo có thể chia ngay
trên ống vi quản hoặc tách rời, được giữ
cố định với ống vi quản.
2. Nguyên tắc hoạt động
Khi nhiệt độ tăng lên chất lỏng chứa
trong nhiệt kế (do có hệ số dãn nở khối
của chất lỏng lớn hơn thủy tinh) dãn nở
làm cho cột chất lỏng trong ống vi quản
dài ra; còn khi nhiệt độ giảm xuống chất
lỏng trong nhiệt kế co lại làm cho cột
chất lỏng trong ống vi quản bị ngắn lại.
Nhìn trên thang đo ta có thể xác định
được nhiệt độ của vật cần đo.

Hình 2.1. Sơ đồ cầu Uyt-xton

3. Cách sử dụng
Nhiệt kế thường dùng để xác định nhiệt
độ tức thời của không khí, của đất hay
của nước lúc quan trắc. Khi đặt nhiệt kế
trong lều khí tượng, cấu tạo của lều đã
bảo đảm cho phép đo được chính xác.
Tuy nhiên, chúng ta cũng cần chú ý đến
các nguồn nhiệt dùng thắp sáng lều, thân
Hình 2.2. Nhiệt kế thường dạng không
nhiệt của quan trắc viên, bức xạ nhiệt từ
có ống vi quản và có ống vi quản
những vật lân cận. Khi đặt nhiệt kế ở
ngoài lều khí tượng, cần lưu ý sao cho nhiệt kế có khả năng trao đổi nhiệt với môi
trường một cách dễ dàng, tránh được bức xạ trực tiếp của Mặt trời, tránh được
nguồn nhiệt và nguồn ẩm nhân tạo.
Ở vị trí làm việc nhiệt kế phải đặt nằm ngang, khi quan trắc phải xác định chính xác
vị trí đầu mũi của chất lỏng trong ống vi quản. Cũng cần lưu ý tới phản ứng của
nhiệt kế trong khi đọc nhiệt độ để đọc được giá trị mới nhất, chính xác nhất của môi
trường cần đo, bởi vì nhiệt kế luôn có độ trễ.
2.4.2 Nhiệt kế tối cao
1. Cấu tạo
Nhiệt kế tối cao là loại nhiệt kế thuỷ ngân có thang độ làm bằng thuỷ tinh trắng.
Ngoài những bộ phận chung như những nhiệt kế chất lỏng khác, nhiệt kế tối cao
còn có thêm đặc điểm riêng là trong bầu nhiệt kế, người ta gắn một thanh thuỷ tinh
17


nhỏ có một đầu gắn liền với đáy bầu, đầu còn
lại được luồn vào trong ống vi quản tại điểm
nối tiếp giữa ống này với bầu nhiệt kế. Đầu

thanh thuỷ tinh này tạo với thành trong của
ống vi quản một khe hở rất hẹp (hình 2.3).

Khe
hở
hẹp

2. Nguyên tắc hoạt động
Khi nhiệt độ tăng, thuỷ ngân ở trong bầu nhiệt
kế sẽ dãn nở, chảy qua khe hẹp giữa thành
trong của ống vi quản và đầu thanh thuỷ tinh
đi lên. Khi nhiệt độ giảm, thuỷ ngân ở trong
bầu nhiệt kế co lại, nhưng thuỷ ngân trên ống
vi quản không trở lại được. Bởi vì khi làm
việc, nhiệt kế tối cao được đặt nằm ngang nên
lực duy nhất tác dụng vào thuỷ ngân trong ống
Hình 2.3. Bầu nhiệt kế tối cao
vi quản hướng về phía bầu nhiệt kế là lực hút
phân tử (khoảng không trong ống vi quản là chân không). Lực này nhỏ tới mức
không hút được thuỷ ngân đi qua khe hẹp nói trên. Do đó cột thuỷ ngân trong ống vi
quản được giữ lại, số chỉ của nhiệt kế vẫn được duy trì.
3. Cách sử dụng
Thuỷ ngân trong ống vi quản có thể bị xê dịch về phía xa bầu nhiệt kế. Vì vậy, để
tránh những sai sót có thể xảy ra trong phép đo, người ta thường đặt nhiệt kế tối cao
ở vị trí nằm ngang, nhưng hơi thấp về phía bầu nhiệt kế.
Để nhiệt kế đo nhiệt độ tối cao cho kì quan trắc tiếp theo một cách chính xác, người
ta phải vẩy nó để dồn thuỷ ngân trên ống vi quản về bầu nhiệt kế sau khi đọc xong.
Khi vẩy, tay cầm chắc vào giữa thân nhiệt kế sao cho bầu nhiệt kế hướng xuống
dưới, mặt thanh độ trùng với mặt hướng vẩy, rồi vung tay vẩy mạnh vài ba lần. Số
chỉ nhiệt độ trên thang đo nhiệt kế sau khi vẩy sẽ tương đương với nhiệt độ của môi

trường khi đó.
2.4.3 Nhiệt kế tối thấp
1. Cấu tạo
Nhiệt kế tối thấp là nhiệt kế rượu cũng có thang độ làm bằng thuỷ tinh trắng, có
hình dáng, kích thước giống nhiệt kế tối cao. Nhưng khoảng trống trên mặt rượu
trong ống vi quản có chứa đầy không khí để chống lại sự bốc hơi của rượu lên
khoảng trống đó. Trong ống vi quản có một thanh thuỷ tinh mầu thẫm, nhẹ, có hình
dáng như quả tạ, được gọi là con trỏ. Con trỏ có thể dịch chuyển dễ dàng trong rượu
(hình 2.4).
18


Hình 2.4. Nhiệt kế tối thấp
2. Nguyên tắc hoạt động
Ở vị trí bắt đầu hoạt động, đầu con trỏ được đặt vừa tiếp xúc với mặt rượu. Khi
nhiệt độ tăng lên, rượu trong ống vi quản sẽ vượt qua con trỏ dâng về phía đầu nhiệt
kế mà không làm con trỏ xê dịch. Bởi vì, lực ma sát giữa con trỏ và thành ống vi
quản đủ lớn để giữ cho nó đứng yên. Khi nhiệt độ giảm, rượu trong ống vi quản sẽ
rút về bầu nhiệt kế và sức căng mặt ngoài của rượu sẽ kéo con trỏ dịch chuyển theo.
Vì lực ma sát nói trên nhỏ hơn lực mà con trỏ phải sinh ra để phá vỡ sức căng mặt
ngoài của rượu. Do đó con trỏ sẽ nằm yên tại vị trí thấp nhất của mặt rượu trong
khoảng thời gian giữa hai kì quan trắc.
3. Cách sử dụng
Nhiệt kế tối thấp được đặt ở vị trí nằm ngang, nhưng hơi thấp về phía bầu nhiệt kế. Khi
quan trắc phải đọc cả số chỉ của con trỏ và mặt rượu để xác định số hiệu chính phụ cho
nhiệt kế tối thấp. Số hiệu chính phụ này là sai số trung bình giữa số chỉ trên nhiệt kế
thuỷ ngân và số chỉ của mặt rượu nhiệt kế tối thấp. Để hiệu chỉnh nhiệt độ tối thấp theo
số chỉ trên con trỏ, cần phải xác định số hiệu chính phụ cho nhiệt kế tối thấp.
Để cho nhiệt kế có thể đo được nhiệt độ thấp nhất trong kì quan trắc tiếp theo một
cách chính xác, sau khi đọc số chỉ nhiệt độ thấp nhất xong, ta phải nâng bầu nhiệt

kế lên cao để cho con trỏ dịch chuyển tới mặt rượu trong ống vi quản.
Trong khí tượng, việc đọc nhiệt độ trên các nhiệt kế chất lỏng luôn luôn phải lấy
chính xác tới 0,10C, cho dù độ chia trên thang đo của nhiệt kế như thế nào. Để đảm
bảo được độ chính xác cao, khi quan trắc cần phải tuân thủ các nguyên tắc sau:
- Đọc đúng số chỉ tại đầu cột chất lỏng trong ống vi quản. Vị trí đó đối với nhiệt kế
thuỷ ngân là đường tiếp tuyến tưởng tượng với phần lồi của mặt thuỷ ngân, với
nhiệt kế rượu thì nó là vị trí phần lõm của mặt rượu.
- Khi đọc, mắt phải ở vị trí đúng thang đo, phải xác định số chỉ phần mười của độ
trước, phần nguyên sau để tránh sai số trong phép đo.
2.4.4 Nhiệt kế cong Savinop
Nhiệt kế cong Savinop là một bộ gồm bốn nhiệt kế thuỷ ngân được dùng để đo
nhiệt độ đất tại các lớp đất sâu 5, 10, 15 và 20 cm.

19


Nhiệt kế cong Savinop có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động giống như những nhiệt
kế thường. Tuy nhiên, do chúng được dùng để đo nhiệt độ trong lòng đất, cho nên
chúng có hình dạng khác với nhiệt kế thường (hình 2.5a). Từ hình 2.5a ta thấy, bầu
nhiệt kế Savinop được uốn cong và hợp với thân của nó một góc 135 0, bên trong vỏ
nhiệt kế, chỗ gắn thang độ với
bầu nhiệt kế, được nhồi chặt
bông hoặc bột cách nhiệt để
cách nhiệt giữa lớp đất ở độ sâu
đặt bầu với phần trên của nhiệt
kế. Thang độ của nhiệt kế
Savinop thường được chia đến
0,50C.
Ở vị trí đo đạc, phần dưới của
nhiệt kế được chôn trong đất,

bầu nhiệt kế nằm ngang, phần
trên nhô lên khỏi mặt đất và
hợp với mặt đất một góc 450
(hình 2.5b).

a)

b)

Hình 2.5. Nhiệt kế cong và cách đặt nhiệt kế

2.4.5 Nhiệt kế ống
Nhiệt kế ống là một bộ gồm bốn nhiệt kế thuỷ ngân được dùng để đo nhiệt độ tức
thời của đất ở các độ sâu 50, 100, 150, 300 cm.
Hình dạng, cấu tạo và nguyên
tắc hoạt động của nhiệt kế ống
cũng giống như nhiệt kế thường,
nhưng thang đo nhiệt độ thường
được chia tới 0,20C (hình 2.6).
Ở vị trí làm việc, nhiệt kế ống
được đặt trong một bao bằng
nhựa cứng. Đáy bao được đậy
kín bằng một cái nắp đồng. Trên
nắp này còn đặt thêm một lớp
vụn bằng đồng để làm tăng quan
tính giữ nhiệt cho nhiệt kế. Đầu
trên bao nhựa được lắp một
chiếc cần bằng gỗ. Đầu cần gỗ
lại được gắn với nắp đậy có
vòng xách giúp cho việc quan

Hình 2.6. Bao, ống và thang đặt nhiệt kế ống

20


trắc được thuận tiện. Cả hệ thống này lại được lồng vào ống nhựa cứng khác, có nắp
ở đáy cũng bằng đồng chôn sâu cố định trong đất.
Để không làm thay đổi trạng thái mặt đất nơi đặt nhiệt kế, người ta đặt một thang lật
cho quan trắc viên đứng khi quan trắc.
2.4.6 Những nguồn sai số của nhiệt kế
Trong các phép đo nhiệt độ dùng nhiệt kế chất lỏng nói chung, cần phải kiểm soát
được những nguồn sai số có thể như sau:
- Chất lượng của chất lượng thuỷ ngân: nếu thuỷ ngân tốt sai số không quá 0,05 0C
nhưng nếu thuỷ ngân xấu, sai số có thể lên tới 10C đối với dải đo 1000;
- Bầu nhiệt kế bị co lại theo thời gian: trong năm đầu hiện tượng này dẫn đến sai số
khoảng 0,010C, những năm sau sai số ít hơn;
- Độ rộng của ống vi quản không đều;
- Chia thang độ không chính xác;
- Sự co dãn của thuỷ tinh và chất lỏng không đều trên suốt ống vi quản;
- Vạch chia và chữ số trên thang độ không rõ ràng làm cho người đọc không đúng;
- Mắt quan trắc viên để không vuông góc với nhiệt kế tại điểm cuối của chất lỏng;
- Quan trắc viên đến quá gần nhiệt kế nên thân nhiệt của họ ảnh hưởng đến chỉ số
trên nhiệt kế;
- Quan trắc xong, quan trắc viên không vẩy cho chất lỏng về đúng vị trí ban đầu;
- Đặt nhiệt kế không đúng kĩ thuật.
2.4.7 Những hỏng hóc thông thường và cách khắc phục
1. Cột chất lỏng trong ống vi quản bị đứt đoạn
Nguyên nhân của hiện tượng này là do chất lỏng trong ống vi quản bẩn, đặc biệt là
không để thẳng đứng khi vận chuyển nhiệt kế.

Cách khắc phục:
- Vẩy giống như vẩy nhiệt kế tối cao khi quan trắc, các đoạn chất lỏng sẽ nối lại với
nhau;
- Đặt nhiệt kế trong một túi vải có dây thắt nút miệng túi, tay nắm chắc dây rồi quay
để lực li tâm có thể làm cho các đoạn chất lỏng sẽ nối lại với nhau;
- Hơ bầu nhiệt kế gần mặt nước sôi, hoặc nhúng bầu nhiệt kế trong nước ấm rồi từ
từ rót thêm nước nóng già vào trong nước ấm. Cột chất lỏng dâng lên trong ống vi
quản có thể làm cho bọt khí dồn lên khoảng trống trong ống, nhấc nhiệt kế ra và đặt
21


thẳng đứng theo hướng bầu ở phía dưới, chất lỏng sẽ nối lại với nhau;
- Nhúng bầu nhiệt kế trong nước đá đập nhỏ có trộn với muối ăn. Do lạnh đi đột
ngột, chất lỏng rút nhanh về bầu nhiệt kế, còn bọt khí dồn lên khoảng trống trong
ống vi quản.
2. Cột rượu bị bốc hơi và đọng lại chỗ phình rộng ra ở đầu ống vi quản
Khi gặp trường hợp này, ta cầm vào giữa thân nhiệt kế sao cho bầu ở phía trong tay
cầm, vẩy mạnh vài lần để cho rượu trong ống vi quản bị đứt đoạn ra. Một phần rượu
nào đó sẽ rơi vào phần bình rộng ra ở đầu ống vi quản và tập hợp được tất cả những
giọt rượu có ở đấy. Sau đó, cầm nhiệt kế hướng theo chiều ngược trở lại, bầu ở phía
dưới, vẩy mạnh để dồn rượu về phía bầu.
3. Con trỏ của nhiệt kế tối thấp vượt ra ngoài mặt rượu
Hiện tượng này là do con trỏ bị ma sát nhiều vào thành trong ống vi quản. Cho nên,
khi nhiệt độ giảm, rượu bị co lại nhưng màng căng mặt ngoài của rượu không kéo
được con trỏ dịch chuyển theo.
Để khắc phục hiện tượng này ta cũng dùng một trong các cách vẩy hoặc quay.
4. Con trỏ của nhiệt kế tối thấp bị kẹt ở chỗ phình rộng ra ở đầu ống vi quản
Để khắc phục hiện tượng này, ta cũng dùng cách vẩy hoặc quay như trên hoặc làm
nóng cho rượu trong ống vi quản dâng lên đến 1/3 chỗ phình rộng ra đó. Sau đó
dùng ngón tay gõ nhẹ vào nhiệt kế để con trỏ rơi vào trong cột rượu.

5. Ống vi quản của nhiệt kế thuỷ ngân bị xám
Khi thuỷ ngân trong nhiệt kế không hoàn tinh khiết, bị ôxy hóa hoặc khi chế tạo
nhiệt kế, thành trong của ống vi quản không được rửa sạch. Để có thể khắc phục
được, ta làm nóng lên rồi lại làm lạnh nhiệt kế nhiều lần.
2.5 Nhiệt kí
2.5.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Nhiệt kí được cấu tạo và hoạt động như sau (hình 2.7):
- Bộ cảm biến là một bản lưỡng kim cong (4), một đầu được giữ chặt, còn kia dịch
chuyển tự do nên khi nhiệt độ thay đổi bản lưỡng kim sẽ bị cong về phía tấm kim
loại có hệ số dãn nở nhỏ hơn. Trong nhiệt kí, đầu cố định của bản lưỡng kim được
gắn vào giá đỡ (1) ở phía sau thân máy, còn đầu tự do được nối với bộ phận biến
đổi tín hiệu cảm ứng ra.
- Bộ biến đổi tín hiệu cảm ứng ra là một hệ thống gồm các tay truyền (2) và tay đòn
được khớp nối với nhau từ đầu tự do của bản lưỡng kim tới đầu cần kim (3). Bộ
phận biến đổi vừa truyền, vừa khuếch đại độ dịch chuyển ở đầu tự do của bản lưỡng
22


kim theo sự biến thiên của nhiệt độ. Kết quả là đầu kim cũng dịch chuyển lên xuống
quanh trục nằm ngang, mà trên
đó có gắn cần kim, theo sự tăng
hay giảm của nhiệt độ ứng với
một tỉ lệ nhất định.
- Bộ phận ghi (hình 2.8) gồm
một ngòi bút ghi được lắp trên
đầu cần kim và trục đồng hồ (2)
tự quay quanh trục thẳng đứng
(3) nhờ một máy đồng hồ cơ
học đặt trong trụ. Một bánh xe
bất động được gắn chặt vào

trục thẳng đứng trên mặt đế
nhiệt kí (được gọi là bánh xe
trục chính). Một bánh xe khác
lắp vào đầu dưới của trục chính
trong máy đồng hồ (được gọi là
bánh xe phát động). Khi bánh
xe phát động quay sẽ làm bánh
xe trục chính quay theo. Tuỳ
theo tốc độ quay của trụ đồng
hồ mà người ta phân chia ra
nhiệt kí ngày hay nhiệt kí tuần.

Hình 2.7. Nhiệt kí

Thời gian trụ đồng hồ quay trọn
một vòng quanh trục chính của
nhiệt kí ngày là 26 giờ và của
nhiệt kí tuần là 176 giờ. Quanh
Hình 2.8. Xylanh đồng hồ nhìn từ trên xuống
mặt ngoài trụ đồng hồ người ta
lắp giản đồ bằng một loại giấy đặc biệt. Trên giản đồ có các vạch chia thang đo
nhiệt độ. Khoảng cách giữa hai vạch chia của thang đo là 1 0C. Các cung chạy ngang
tới hai mép giản đồ là các cung chỉ thời gian. Khoảng cách thời gian giữa hai cung
liên tiếp là 15 phút. Để đặt đầu ngòi bút ghi vào đúng vị trí số chỉ nhiệt độ trên
thang đo của giản đồ tương ứng với số chỉ nhiệt độ không khí lúc quan trắc, ta vặn
ốc điều chỉnh cần kim ở phía sau thân nhiệt kí. Muốn điều chỉnh độ nhạy của nhiệt
kí ta vặn ốc điều chỉnh đặt ở cuối cần kim.
Khác với các loại nhiệt kế chất lỏng, trong nhiệt kí, khi nhiệt độ tăng lên, bản lưỡng
kim sẽ cong nhiều hơn làm cho đầu tự do của nó được nâng lên phía trên. Sự nâng
lên ở đầu tự do của bản lưỡng kim sẽ được truyền qua tay truyền và khuếch đại lên,

23