Kutatói pályára felkészítı akadémiai ismeretek modul Környezetgazdálkodás Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei KÖRNYEZETGAZDÁLKODÁSI AGRÁRMÉRNÖK MSC
Hımérséklet mérés II. Párolgásmérés 12. elıadás 23.-24. lecke
Termoelektromos hımérık. Hımérı elhelyezése. Az infrahımérı bemutatása 23. lecke
Termoelektromos hımérık • Két különbözı fémszál érintkezésekor feszültség keletkezik. Ha a szabadon maradt végeket is összeérintjük, s nem egy, hanem kettı érintkezési pontot hozunk létre - hımérsékleti eltéréssel a két pont között, akkor a körben feszültséget mérhetünk (Seebeck hatás). A mért termofeszültség hımérsékletfüggı. A két érintkezési pont a meleg és a hidegpont. A hidegpont állandó hımérséklető. Az így kialakított egység neve termoelem, vagy hıelem. A termoelemek vas- és konstantán-, illetve réz- és konstantánból kerülnek összeállításra (legtöbbször). • Széles intervallumban használható (-200 - 1700 °C).
83. ábra A termoelem felépítésének vázlatos rajza
metal.elte.hu/~phexp/doc/hot/j2s8s1
A léghımérséklet mérésének helye • A léghımérséklet mérése a talaj felszíne feletti 1,80-2 mes magasságban történik. A hımérıt védeni kell a közvetlen sugárzástól. A hagyományos meteorológiai állomásokon erre szolgál(t) a Stevenson-féle hımérıház. Ez egy dupla falú, kívül-belül fehérre festett, zsaluzattal ellátott, az ajtajával észak felé nézı házikó, fém állványra helyezve. Lépcsırıl lehet megközelíteni a benne elhelyezett mőszereket. • A hımérıház berendezése szabványos. Általában kettı található belıle; az egyikben az író-mőszerek, míg a másikban a közvetlen leolvasásra várók vannak.
84. ábra Hımérı házak Pozsonyban
www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/db/foto.html
85. ábra A hagyományos mőszerek és az automata szenzora (párhuzamos mérés) Keszthelyen
• A hımérıházban a léghımérséklet mérés pontatlansága szélcsendes idıben, erıs besugárzásnál elérheti a 0,5°C-ot; ennyivel melegebb h ımérsékletet mérhetünk, mint amekkora a tényleges léghımérséklet. • A hımérıház telepítésénél fontos, hogy a reprezentativitás nemcsak a közvetlen környékére vonatkozzék. • Napjainkban az automata állomások terjedésével a sugárzásvédelmet már kisebb mérető ernyıkkel oldjuk meg. A fehér szín és a szaluzott felület itt is megmaradt. Az ernyık mérete azonban sokkal kisebb, s más a benne elhelyezett hımérı mőködési alapelve is.
86. ábra Sugárzásvédelem az automaták szenzorainál
87. ábra A Vaisala HMP 35 D típusú kombinált szenzor (Keszthely)
• A hımérséklet és a légnedvesség mérését együttesen oldjuk meg ún. kombinált szenzorral. Hazánkban hálózatosan használt hımérı a Vaisala gyártmányú platina ellenállás hımérı. A típusa: Pt 100-as. A hımérı mérési pontossága: 0,2°C. Nem kontakt hımérık – infrahımérı. A testek hımérsékleti sugárzásának mérésén alapuló hımérı, mégpedig az infravörös sugárzási tartományban. A legtöbb infrahımérı mérési sávját a 814 µm tartományban kell keresnünk. Vannak keskenyebb sávot lefedık is (10-12,5 µm).
A spontán emisszió az elemi részecskék Brown mozgásának következménye. Minél intenzívebb a részecske mozgás, annál magasabb a kisugárzott energia és ezzel a test hımérséklete is. Kizárólag felszínhımérséklet meghatározására alkalmasak az infrahımérık. • A mőszer detektora a beérkezı adott tartományban lévı sugárzást elektronikus jellé alakítja, amely az elektronikus rendszer segítségével hımérsékletként jelenik meg. Két típusa van: - kvantum detektor, vagy fotodióda - hıdetektor.
• A kvantum detektor közvetlenül nyeli el a beesı fotonokat, amelyek elektromos jelet alkotnak a detektor kimeneti egységén. • A hıdetektor a sugárzás mennyiségétıl függıen felmelegszik, amely aztán a termoelemmel analóg feszültség változást eredményez a detektor kimeneti egységén. A két detektor gyorsasága lényegesen eltérı: a hıdetektor lassabb a hıtehetetlensége következtében (ez azonban még így is a másodperc törtrészének felel meg). A kvantumdetektort képalkotó berendezéseknél használják.
Infrahımérı alkalmazása (fizikai alap). Párolgásmérés 24. lecke
A távérzékelés alapegyenlete A távérzékelés alapegyenletét a Stefan-Boltzmann törvény jelenti, mely szerint bármely test sugárzás emissziója a test hımérséketének negyedik hatványával arányos:
E = ε ⋅σ ⋅T
4
ahol ε: emissziós tényezı σ: Stefan-Boltzmann állandó T: hımérséklet E: energia kisugárzás, vagy emisszió A mérés pontosságát a megfelelı emissziós tényezı alkalmazás determinálja.
3. táblázat Néhány test emissziós tényezıje • Fekete test 1 • Víz, hó 0,99 0,98 • Emberi bır • Nedves homok 0,94-0,98 • Gránit 0,81 • Alumínium 0,04 • Növények 0,96-0,98 A növények esetén elég nagy a bizonytalanság. A rosszul választott emisszió növeli a mérési hibát, mely az ifrahımérıknél elég magas (1°C)..
88. ábra RAYTEK PM típusú infrahımérı
Az infrahımérık elınyei • Az infrahımérık bevezetése rendkívüli elınyökkel járt. - Nem pontszerő mintavételt jelent, nagy területrıl egyidejő „hıtérkép” készíthetı vele. Integrált hımérsékletet eredményez. - Mozgó tárgyak mérésére is alkalmas - Növényeknél roncsolás - érintés nélküli mérést tesz lehetıvé - Rendkívül gyors, ezért többszöri ismétlést tesz lehetıvé - Veszélyes anyagok hımérséklete megközelítés nélkül is mérhetıvé vált - Igen magas hımérsékleteket is tud mérni (3000°C-ig)
• A felszínhımérséklet egyik gyakorlati alkalmazási lehetısége az öntözési idıpont elırejelzése a korábbiaktól teljesen eltérı módon. A növényhımérséklet elegendı víz jelenlétében a léghımérséklet közelében, vagy inkább alatta van. Vízhiánynál „melegszik” a növény, s a két hımérséklet eltérése jelzi az öntözési igényt. A növény- és léghımérsékleti differencia önmagában nem elégséges mutató, a többi környezeti tényezı alakulását is figyelni szükséges. Az elıbbiek együtt adják a vízstresszindexet. Egy kritikus érték felett kell öntöznünk. Kukoricára vonatkozó megfigyeléseket tartalmaz a példánk 2003-ra.
89. ábra A vízstressz-index alakulása öntözve (PÖ) és anélkül (PC) 2003 száraz nyarán Keszthelyen. A kritikus határérték 2,5 volt. 2003
8 PC
6
PÖ
4
hónap.nap
8. 3.
7. 29.
7. 24.
7. 19.
7. 14.
7. 9.
7. 4.
6. 29.
6. 24.
6. 19.
6. 14.
6. 9.
2 6. 4.
CWSIx10
10
Párolgásmérés • A szabad vízfelszín párolgása az evaporáció, melynek mérése az OMSZ megfigyelési rendszerének, nemzetközi analógia alapján, az egyik feladata. • Erre szolgálnak a párolgásmérı kádak, melyek különbözı mérető vízzel telt edények. Elhelyezésük alapján lehetnek: - földbe süllyesztettek, vagy - felszín felettiek. Emellett betőkkel jelöljük az eltérı őrtartalmú edényzetet. A mőszerkertben helyezzük el a kádakat, szigorú standard szerint.
90. ábra Két földbe süllyesztett párolgásmérı kád Keszthelyen
„G” típusú kád
„U” típusú kád
• A legelterjedtebb típust a WMO javaslata alapján szinte mindenütt megtaláljuk (Európa, Amerika); s ez az „A” típusú kád. A talaj felett rácsra helyezzük el. A felülete kb. 1 m2, a vízmélysége 70 cm. Szélmérı és vízhımérséklet-mérı szenzor szokott hozzá kapcsolódni. • A mérés alapelve a vízoszlop magasság változásának meghatározása, s két egymást követı napon mért érték különbsége éppen az elpárologtatott víz mennyiségével lesz azonos. • Csapadékmérés nélkül nem alkalmazható.
91. ábra Az „A” kád és kiegészítıi Keszthelyen
Köszönöm figyelmüket!
