XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Одним из основных метеорологических параметров является температура воздуха, для определения значения которой используются термометры. Практически все метеорологические термометры имеют термометрическое тело – часть термометра, которая отвечает за передачу тепла от окружающей среды к термометру.[1] Например, для спиртовых термометров термическим телом является резервуар со спиртом.

Как известно, обмен температуры между термометром и окружающей средой не происходит моментально. Если изначально термометрическое тело имело температуру отличную от окружающей среды, термометр не сможет изменить показания мнгновенно. Такое свойство термометра называться тепловой инерцией.[1]

Свойство тепловой инерции обычно исследуется в специальных лабораториях, оснащенных необходимым оборудованием. Для таких экспериментов необходимы: несколько разных по конструкции термометров, термостат для моделирования температуры окружающей среды и аэродинамическая труба для исследования зависимости показаний термомерта от скорости ветра. Но что делать, если под рукой нет необходимого оборудования и приборов или исследователь надодится на очень большом расстоянии от лаборатории?

Тренажер, разработанный в программной среде LabVIEW[2] может стать отличной альтернативой проведения экспериментов для изучения тепловой инерции термометров при отсутствии необходимого оборудования.

Рабочая панель тренажера (рис. 1) достаточно проста. В ее верхней части расположены вкладки для выбора режима исследования. Всего предусмотрено 3 режима: «Произвольные термометры», «Стандартные термометры» и режим «Площадь и объем». Во всех режимах есть возможность работы с одним или с двумя разными по характеристикам термометрами. В нижней части рабочей панели располагается таблица для записи результата эксперимента, в центре – область для графического представления результата исследования.

Рисунок 1 – Рабочая панель тренажера

Рассмотрим все три режима работы более подробно.

В первом режиме тренажер позволяет рассчитывать тепловую инерцию произвольного термометра, что позволяет использовать его для разработки технического задания для проектирования термометров с заданной тепловой инерцией. Режим «Произвольные термометры» позволяет задать форму резервуара, термометрическое вещество, температуру окружающей среды, начальную температуру термометра, время и проводить эксперименты при различных скоростях ветра (рис. 2).

Рисунок 2 – Работа тренажера с одним термометром в режиме «произвольные термометры»

В тренажере есть возможность выбрать один из трех вариантов термометрической жидкости (ртуть, спирт и толуол), поскольку именно эти вещества используются в метеорологических жидкостных термометрах. Тренажер позволяет исследовать тепловую инерцию термометров с шарообразным и цилиндрическим резервуаром, при этом программно задана возможность варьировать размеры термометрического тела. Для термометров с шарообразным резервуаром можно задавать радиус, для термометров с цилиндрическим – высоту и радиус.

На рисунке 2 приведен результат работы тренажера при исследовании ртутного термометра с шарообразным резервуаром, радиус которого составляет 1 см. Опыт проводился в течение 60 секунд при скорости ветра 1 м/с, температуре окружающей среды 30 С и начальной температуре термометра 0°С.

Программа, написанная при построении задней части тренажера и обеспечивающая его работу с одним термометром в режиме «Произвольные термометры» пердставлена на рисунке 3.

Для проведения эксперимента с двумя разными термометрами необходимо выбрать вкладку «Для двух приборов» и задать характеристики произвольных термометров. На рисунке 4 представлен результат опыта с использованием ртутного и спиртового термометра, имеющих одинаковый по размеру цилиндрический резервуар. Такие начальные условия позволяют исследовать зависимость инерции термометров от используемой термометричесской жидкости. На графике хорошо видно, что ртутный термометр (зеленая кривая) быстрее воспринимает температуру окружающей среды, чем спиртовой (красная кривая).

Рисунок 3 – Программа для одного прибора вычисляющая произвольный термометр

Рисунок 4 – Результат эксперимента с двумя термометрами в режиме «Произвольные термометры»

Второй режим тренажера «Стандартные термометры». Этот режим программы позволяет экспериментировать с метеорологическими жидкостными термометрами, соответствующими ГОСТ (ТМ1-ТМ10)[2], каждый из которых имеет свое назначение.

Для стандартных термометров в отличии от произвольных не нужно указывать значения радиуса и высоты. Поэтому что бы понять какие значения нужно вводить в программу воспользуемся ГОСТ 112-78.[2] Стоит отметить, что термометры ТМ5 и ТМ8 в тренажер не были включены из-за необходимости дополнительного ввода переменных, что несколько усложняло программную часть тренажера.

Для проведения эксперимента в режиме «Стандартные термометры» достаточно выбрать один из вариантов термометров ТМ и задать значения температуры окружающей среды, начальное значение температуры термометрического тела скорость ветра, и время эксперимента (рис. 5).

Рисунок 5 – Результат работы тренажера с одним термометром в режиме «Стандартные термометры»

Во втором режиме работы тренажера предусмотрена возможность для изучения и сравнения тепловой инерции двух термометров (рис. 8). Это позволит подобрать метеорологический термометр для решения конкретных задач и изучать тепловую инерцию термометров, которые используются на метеорологической сети.

Результат эксперимента с двумя термометрами ТМ-4 и ТМ-2 при одинаковых условиях окружающей среды (температуре и скорости ветра) и начальной температуре термометров 0°С представлен на рисунке 6. Эксперимент показал, что термометр ТМ-2 (красная кривая) быстрее воспринимает температуру окружающей среды, чем термомерт ТМ-4 (зеленая кривая).

Рисунок 6 – Результат эксперимента с двумя термометрами в режиме «Стандартные термометры»

Третий режим работы тренажера дает возможность исследовать инерцию термометров, варьируя объем и площадь термометрического тела. Режим «Площадь и объем» (рис. 7) позволяет вместо размеров резервуара термометра указывать или площадь, или объем термометрического тела. Если для шара больше характеристик указывать не нужно, то для цилиндра неодходимы дополнительные параметры, такие как соотношение высоты и радиуса. Для жидкостных термометров этот параметр характерен в диапазоне от 1:1 до 1:10. В нижней левой части панели предусмотрено окно для ввода параметров цилиндра: объема или площади, термометрического вещества и соотношения высоты и радиуса.

Рисунок 7 – Рабочая панель тренажера в режиме «Площадь и объем»

Проведем эксперимент с одним ртутным термометром, имеющим шарообразный резервуар площадь которого равна 1256 мм² (что соответствует радиусу 1 см). Температуру окружающей среды примем равной 30°С, начальную температуру термометра – 0°С, скорость ветра 1 м/с, время – 60 с (рис. 8).

Рисунок 8 – Результат эксперимента с одним ртутным термометром в режиме «Площадь и объем»

Теперь исследуем в режиме «Площадь и объем» тепловую инерцию двух термометров (рис. 9). Пусть оба термометра будут ртутными и имеют резервуар в форме цилиндра. Параметры среды и начальную темперауру термометров возьмем такие же как и в предыдущем опыте. Но площадь и соотношение высоты и радиуса цилиндра у термометров будем использовать разное: у первого термометра площадь 314 мм² и соотношение 1:2, у второго – площадь 157 мм² и соотношение 1:4. Видно, что второй термометр (красная кривая на рисунке 9) с меньшей площадью быстрее воспринимает температуру окружающей среды.

Рисунок 9 – Результат эксперимента с двумя ртутными термометрами в режиме «Площадь и объем»

Серия экспериментов показала, что тренажер для исследования тепловой инерции жидкостных термометров разработанный в программной среде LabVIEW, позволяет проводить опыты по введённым данным в трех разных режимах, результаты экспериментов соответствуют действите. Тренажер может стать отличной альтернативой проведения экспериментов при отсутствии необходимых термометров, а также в условиях дистанционного обучения.

Список литературы

1. Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и средства гидрометеорологических измерений метеорологические приборы, Российский государственный университет, (РГГМУ), 2012

2. ГОСТ 112-78 Термометры стеклянные метеорологические (электронный ресурс). Режим доступа: gost_112-78.pdf

3. Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям, ДМК Пресс, 2007