Hogyan mérünk tömeget, hőmérsékletet és nyomást manapság? Alkímia Ma, ELTE, 2016. március 10. Pajkossy Tamás MTA Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet
Miért pont ezek a mennyiségek a fontosak? Súly (tömeg, anyagmennyiség), hőmérséklet, nyomás: ezek mérése a legalapvetőbb a kémiai kutatásban és iparban. Régen hogyan mértek? Manapság mások, netán jobbak a mérések? Igen. A XX. század közepe óta a mérések minősége (pontossága, érzékenysége, reprodukálhatósága) nagymértékben megnőtt – az elektromos/elektronikai eszközök/elvek/módszerek térhódítása miatt.
A mérések szokásos menete régen:
A mérések szokásos menete ma:
1-2. előadás: jelformálás – elektromosságtan, műveleti erősítők 3. feszültségmérés, és hibaforrásai - erősítő, zajszűrés 4. előadás: mért jelek továbbítása, hőmérséklet és fény mérése 5-6. előadás: egyes mennyiségek mérése
Analóg és digitális mennyiségek Analóg jel: folytonos pl. hosszúság, idő Digitális mennyiség: számként kifejezett, nem folytonos Analóg-digitál-konverzió (ADC): elektromos feszültségből szám Digitál-analóg konverzió (DAC): számból elektromos feszültség
•n bites felbontás: a mérési tartományt 2n szakaszra bontjuk; a mért érték: hányadik szakaszba esik •Manapság tipikus felbontás: >16 bit, (216= 65536 tehát jobb mint 0.01% pontosság) •megadás bináris ill. hexadecimális formában példa: 13=1011=D;
•0x03F8 = $3F8 = H3F8 =0000 0011 1111 1000 •csoportosítás: bit, byte, word
Mérleg / 1: erőmérő Rugós erőmérő
Ellenállásváltozás nyújtás hatására
Nyúlásmérő bélyeg
Piezorezisztív anyagból is lehet
Mérleg / 2: Roberval mérleg
Mérleg / 3: Roberval mérleg nyúlásmérő bélyeggel
U2 = U1* [(R+d)/(2R)-(R-d)/(2R)] U2 = U1* d/R = konstans*mg
Mérleg / 4: Egy igazi tömegmérés, a kvarckristály mikromérleg (ng-μg)
Sauerbrey egyenlet
Kvarckristály mikromérleg érzékenysége Egy atomrétegnek mekkora a vastagsága? (becslés!) Cu: atomsúly: 64, sűrűség 9 g/cm3, azaz 1 mól ≈ 7cm3 1 atom „térfogata” ≈ 7cm3 /6*1023 ≈ 11.6*10-24cm3 1 atomot tartalmazó kocka élhosszúsága (11.6*10-24cm3 )1/3≈ 2.3*10-8cm =0.23nm
1 cm2 felületen 1 cm2 /(2.3*10-8cm)2 = 1.9*1015 darab atom van, ennek tömege 64 * 1.9*1015 / 6*1023 ≈ 2*10-7 g =200 ng.
Ha a kvarc rezonanciafrekvenciája 10 MHz, akkor 200 nm-nek kb 50 Hz frekvenciaváltozás felel meg. Jól mérhető.
Nyomásmérés / 1: hagyományos módon
Nyomásmérés / 2: elektromos mérés lehetősége
Nyomásmérés / 3: analóg jelátvitel - távadó
3 vezeték: tápfeszültség (5-36V), jelvezeték (4-20 mA), föld
Vákuummérés (0.001 bar alatt) Pirani manométer: 10-3 …10-7 bar (1kPa…0.1Pa, hőelvitel arányos a nyomással) (megjegyzés: hőelvitel mérésével áramlási sebesség is mérhető)
Ionizációs manométer: 10-4 …10-13 bar (10Pa… 10-8 Pa, két elektród között áramerősséget mérünk)
Hőmérsékletmérés oC
Egység: 1 oC, 1K (273.15 K≡0 oC)
Hidrogén hármaspontja
−259.3467
Neon hármaspontja
−248.5939
Oxigén hármaspontja
−218.7916
Argon hármaspontja
−189.3442
Higany hármaspontja
−38.8344
Víz hármaspontja
Anders Celsius (1701-1744)
Lord Kelvin William Thomson (1824-1907)
+0.01
Gallium olvadáspontja
29.7646
Indium olvadáspontja
156.5985
Ón olvadáspontja
231.928
Cink olvadáspontja
419.527
Alumínium olvadáspontja
660.323
Ezüst olvadáspontja
961.78
Arany olvadáspontja
1064.18
Réz olvadáspontja
1084.62
Mérési lehetőségek: •Hőtágulás
•Ellenállásváltozás: fém (Pt), félvezető (termisztor) •Termoelektromos hatás (Seebeck effektus): termopár •Fényemisszió (Planck sugárzási törvény): pirométer, IR hőmérő •Egyebek
Pt ellenálláshőmérő
R(t) = R(0)[1 + At +Bt2] A = 3.9083*10-3[°C-1]; B = -5.775*10-7[°C-2] d R(t)/R(0) /dt = A = = (0.4% /oC)
R+d =R+R*A*t U2 ≈ U1*A/4*t
Ellenállásmérés: termisztor
t / oC
Termoelektromos hatás (Seebeck-effektus) - Termopár E konst*(Tm-Tref) Seebeck-együttható
U/mV
t / oC
Típus
Max. hőmérséklet (oC)
J (vas–konstantán)
Seebeckegyüttható @0oC (µV/°C) 68 41 51
T (réz–konstantán) R (Pt – Pt+13%Rh)
41 10
350 1600
E (kromel–konstantán) K (kromel-alumel)
Kromel: Alumel: Konstantán:
90%Ni+10%Cr 95%Ni +Mn,Al,Si 60%Cu, 40% Ni
1700 1350
nm
1250 nm nm
E konst*(Tm-Tref)
E konst*(T); Tm=Tref+ T
Tref pl. olvadó jégben
Tref – hidegpont elektromos kompenzálása
Félvezető hőmérsékletszenzorok Kelvin-szenzor (-55..+150 oC)
1-2 mA
Termopár-hidegpont kompenzálás
Celsius-szenzor
Termopár-hőmérők
Termooszlop
IR (infravörös) detektor
Peltier-hűtő
Pirométer – IR hőmérő – IR sugárzásmérő stb
25/36 25/41
IR hőmérő kamera, hőmérsékleteloszlások mérésére
A mérések szokásos menete:
Hővezetőképességi detektor
Taguchi gázdetektor
Pellisztor típusú gázérzékelő Oxidáció a katalizátoron, az égés miatt melegedés, ellenállásváltozás Alkalmazás: éghető gázok, metán, propán, bután, stb detektálására
Egy gázérzékelő elem
Si3N4-be eltemetett Pt fűtőszál, 500°C, kb. 10 mW
Milyen mértékegységeink vannak: XX. század közepe:
Ma:
Méter: etalon
Méter: valamennyi idő alatt megtett fényút
Kilogramm: etalon
Kilogramm: etalon
Szekundum: csillagászati adatokból
Szekundum: egy bizonyos atomi rezgés frekvenciájából
Amper: erőmérésből Kelvin: víz hármaspontjából Mol: 12 g szénben lévő atomok száma Candela: standard „fényforrás”
Candela: standard „fényforrás”
Ezekkel az egységekkel fejezzük ki a természeti állandókat – pl. az Avogadro számot (NA=6,022140857×1023 ± 7,4×1015 [1/mol])
A leendő (2018) SI alapmennyiségei: •
a cézium-133 által kibocsátott fény frekvenciája ν = 9 192 631 770 Hz
•
a fény sebessége c= 299 792 458 m/s
•
a Planck-állandó h = 6,62606·10−34 J s
•
az elemi töltés nagysága e = 1,60217·10−19 C
•
a Boltzman-állandó k = 1,3806·10-23 J/K
•
az Avogadro állandó NA = 6,02214·1023 mol−1
•
a fényhasznosítás értéke Kcd = 683 lm/W
Ennek megfelelően a hét fizikai alapmennyiség mértékegysége változik: •
a másodpercet a cézium-133 sugárzása alapján
•
a métert a fény sebessége alapján
•
a kilogrammot a Planck-állandó alapján
•
az ampert az elemi töltés értéke alapján
•
a kelvint a Boltzmann-állandó alapján
•
a mól mértékegységet az Avogadro állandó alapján
•
a kandelát a spektrális fényhasznosítás maximális értéke alapján
határozzuk meg.
Összefoglalás: A mérendő mennyiségekből (arányos) feszültségeket „készítünk”, és ezt mérjük.
