2008.09.30.
Megfigyelések időpontjai TGBL1116 Meteorológiai műszerek Bíróné Kircsi Andrea Egyetemi tanársegéd DE Meteorológiai Tanszék
Észlelés hivatalos időpontja a barométer leolvasásának időpontja Nemzetközi megállapodás alapján UTC, vagy GMT Magyarországon 1966 január 1-től egységesítették az észlelési időpontokat (MEZ-Közép–európai idő)
Debrecen, 2008/2009 II. félév
Időzónák
Magyarországi észlelési időpontok Főterminus: 06:45 12:45 18:45 00:45 Mellékterminusok: 03:45 09:45 15:45 21:45
Hőmérsékletmérés A hőmérsékletmérés a fizikai mennyiségek mérései közül az idő mérése után a leggyakrabban alkalmazott mérés. Folyamatos fejlődés, több találmány révén nyerte el ma ismert alakját a hőmérséklet mérő eszköz Abū Alī ibn Sīnā (Avicenna) XI. században Galileo Galilei XVI-XVII. Század Santorini első hőmérsékleti skála, Fahrenheit – Hg hőmérő
Hőmérsékletmérés A hőmérséklet a testek egyik állapothatározója. Kiválasztunk egy testet, azt hőmérőnek nevezzük; kiválasztjuk ennek egy mérhető sajátosságát, és kölcsönösen egyértelmű megfeleltetést hozunk létre a sajátosság és a hő é ékl t é hőmérséklet értékei ték i kö között. ött A hőmérséklet mérési utasításának meghatározása három önkényes tényezőt tartalmaz: - a hőmérőként használt test, - a hőmérséklet méréséhez felhasznált sajátosság, - a hőmérsékleti skála.
1
2008.09.30.
Hőmérséklet méréshez felhasználható fizikai sajátosságok 1. Hőmérséklet változáshoz kapcsolódó fizikai jelenségek
Térfogatváltozás ∆V=βVo∆T térfogati hőtágulás – gázok esetén β=1/273 Hosszváltozás - Lineáris hőtágulás ∆l=αl l lo∆T T β=3α β 3 -szilárd ilá d ttestek t k esetén té Fémek (Ò), félvezetők (Ô) elektromos ellenállásának változása Termoelektromosság jelensége
2. Hőmérséklet kiegyenlítődés 3. Azonos hőmérsékleten végbemenő halmazállapotváltozások
Hőmérő test követelményei A hőmérők mindig a saját hőmérsékletüket mérik. Amikor hőmérőt helyezünk egy rendszerbe, a rendszert megzavarjuk, tulajdonságait megváltoztatjuk, mert a hőmérő más hőmérsékletű hőmérsékletű, mint a rendszer, rendszer és a hőmérőnek is van hőkapacitása. Az egységnyi hőmérsékletváltozáshoz szükséges hőmennyiséget a test hőkapacitásának nevezzük: C = ∆Q / ∆T
Hőmérő test követelményei
Hőmérő test követelményei
Homogén test hőkapacitása arányos a test tömegével, m-mel: C = cּm , ahol c az anyag fajhője. A fajhő függ a hőmérséklettől. A hőmérő hőkapacitásának kicsinek kell lennie a rendszer hőkapacitásához képest, képest hogy a rendszer állapota kevéssé változzon. A hőmérő kis hőkapacitása azért is kívánatos, mert ez teszi lehetővé, hogy minél hamarabb a kívánt mértékben megközelítse a hőmérő hőmérséklete a környezet hőmérsékletét. Ezt röviden úgy is kifejezhetjük, hogy az a kívánatos, minél kisebb legyen a hőmérő tehetetlensége.
Legyen a térben két, - egymáshoz közel lévő T1 , ill. T2 hőmérsékletű felület, amelyek közötti teret valamilyen közeg tölti ki. Ekkor a közegben a hőáramsűrűség, Jq közelítőleg arányos a ∆T = T2 - T1 különbséggel: Jq = α ∆T Az α együtthatót hőátadási tényezőnek nevezzük. Ezen összefüggés alkalmazásával határozzuk meg, hogyan változik a test hőmérséklete az idővel, ha hidegebb (vagy melegebb) közegbe kerül.
Hőmérő test követelményei T − Tk = (T0 − Tk )e − t τ
Hőmérő test követelményei Felmelegedési görbe
Lehűlési görbe
ahol
Ez a Newton-féle hőátadási törvény. A hőmérséklet-kiegyenlítődés sebességének jellemzője a τ időállandó. Ez az az időtartam, mely alatt a test és környezete közötti hőmérsékletkülönbség az eredeti "e"-ed részére csökken.
a hőmérsékletkülönbség exponenciálisan csökken, illetve nő az idő változásával Az időállandó vagy karakterisztikus idő annál nagyobb, minél nagyobb a test hőkapacitása (a tömeg és a fajhő szorzata), minél kisebb a hőcserénél számba jöhető felület és a hőátadási tényező.
2
2008.09.30.
Hőmérsékleti skálák
Kelvin Celsius Fahrenheit Reaumur
Hőmérsékleti skálák
Anders Celsius 1701-1744
Hőmérsékleti skálák International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) Kalibrációs pontokat határoz meg az alábbi hőmérsékleti tartományban: 0.65 K - 1358 K −272.5 °C - 1085 °C Fagyáspont, olvadáspont, hármaspont
Átszámítás a skálák között F:C:R arányosság 9:5:4 °F=9/5(°C+32) °C=5/9(°F-32) °R=4/5°C
°C=5/4°R
°F=9/4(°R+32) °R=4/9(°F-32)
Termoscop
Galileo Galilei termoszkópja Folyadékok sűrűsége a hőmérséklet fü függvénye é
3
2008.09.30.
Hőmérők csoportosítása a.) a mérendő testtel közvetlen érintkezésbe kerülő hőmérők – kontakt hőmérők mechanikus elven működők villamos elven működők
b.) a mérendő testtel közvetlen érintkezésbe nem kerülő hőmérők – non kontakt hőmérők
Hőmérők csoportosítása 1. Gázhőmérők 2. Folyadékhőmérők
Higanyos Szerves folyadékkal töltött
3. Fémhőmérők - bimetál 4. Elektromos hőmérők
Termoelem hőmérők Ellenállás hőmérők Termisztorok
© Istituto e Museo di Storia della Scienza
Gázhőmérők Gázok hőtágulása Rendkívül pontosak Kalibrációra használják laboratóriumi körülmények között A tökéletes gáz állapotegyenlete szerint a konstans térfogatú gáz nyomása arányos a termodinamikai hőmérséklettel. A héliumtöltésű gázhőmérők jól megközelítik ezt a viselkedést.
Talajhőmérők
Felszíni talajhőmérők: 2,5,10,20 cm mélyen Mélységi talajhőmérő: 50, 100, 150, 200 cm mélyen
Folyadékhőmérő Higannyal töltött hőmérő -39°C-155°C között Állomáshőmérő Ma im mhőmérők Maximumhőmérők Talajhőmérők Felszíni talajhőmérő Mélységi talajhőmérő
Maximumhőmérő
Minimumhőmérő Szerves folyadékkal töltött hőmérő Metilalkohol, Toluol, borszesz Vizszintes elhelyezés 2m - hőmérőházikóban 5cm – radiációs minimum
4
2008.09.30.
Hőmérők elhelyezése
Folyadékhőmérők Six féle maximum és minimum hőmérő U alakú cső
Fémhőmérők Bimetál szalag alakváltozása – Két összeerősített, különböző hőtágulású fé ét ből áll fémrétegből áll. Fe és Cu Folyamatos mérés Iróműszer
Termoelemek A két különböző (I. és II.) fém két pontban (A, B) csatlakozik egymáshoz. A C és D szakadási pontok között mérhető feszültség a termofeszültség. Ha a C és D között zárjuk a kört, termoáram lép fel. A termofeszültség (ε) függ a két fém anyagi minőségétől és függ a csatlakozási pontok hőmérsékletétől: ε = f (TA ,TB ) Ennek a függvénynek olyannak kell lennie, hogy TA = TB esetén ε = 0 legyen. Első közelítésben ε arányos a hőmérsékletkülönbséggel: ε = a (TA - TB) = a TAB ahol TAB = TA - TB.
Elektromos hőmérők 1.) Termoelemek. Ha két különböző fémet fémesen összeérintkeztetünk, akkor a két fém között elektromos potenciálkülönbség (kontaktpotenciál) lép fel. E kontaktpotenciálok összege zárt vezetőhurokban zérus, ha a csatlakozási pontok azonos hőmérsékletűek. Ha viszont a csatlakozási pontok között hőmérsékletkülönbség van, akkor a körben (általában egy nem zérus) termoelektromotoros erő lép fel.
Termoelemek A termoelem hőmérő előnyei: biztosítja a hőérzékelő kis hőkapacitását és kis kisugárzási hibáját, a hőmérsékleti értékek regisztrálása könnyen megoldható megoldható, nehezen hozzáférhető helyen is alkalmazhatók. Hátrányai: az érzékelő és a leolvasó berendezés közötti távolság korlátozott, az ún. hidegpontot állandó hőfokon kell tartani.
5
2008.09.30.
Termoelemek
Ellenálláshőmérők
A termoelemek érzékenységét a
Az elektromos ellenállás függ a hőmérséklettől. Hőmérséklet emelkedésével növekszik az ellenállás! Az ellenállás hőmérsékleti koefficiense β, arányossági tényező a relatív ellenállásváltozás és a hőmérsékletváltozás ∆R között: = β ⋅ (T − T0 ) R0
∂ε W= ∂TAB
TA
kifejezéssel definiáljuk. Az érzékenység az előbb mondottak szerint széles tartományban független a hőmérséklettől. A termoelemek tehetetlensége kicsi.
Az arányosság persze csak közelítés: β valójában függ a hőmérséklettől. Ilyenkor is beszélhetünk viszont egy hőfoktartományon belül érvényes közepes β-ról.
Ellenálláshőmérők Átrendezve, ha T0 hőmérsékleten R0 az ellenállás, akkor T hőmérsékleten: R = R0 + ∆R = R0 ( 1 + β (T - T0) ) é e ellenálláshőmérők e á ás ő é ő a anyaga yaga rendszerint e ds e t Ni vagy agy A fém Pt-Platina – egységnyi hőmérsékletváltozásra nagy az ellenállás változás 0,01-0,05mm átmérőjű huzalt feltekerve kerámiába ágyazzák Szabvány szerint az ellenállásuk 0 °C-on 100 Ohm.
Termisztorok „Termikus érzékenységű rezisztor” Félvezetőből készített ellenálláshőmérő (termisztor) esetén az ellenállás nemlineáris függvénye a hőmérsékletnek hőmérsékletnek, azaz a korábbi összefüggés ekkor jóval szűkebb tartományban érvényes, mint a fémeknél. Emelkedő hőmérséklettel az ellenállás csökken! A termisztorok érzékenysége sokkal nagyobb, tehetetlenségük sokkal kisebb, mint a fém ellenállás hőmérőké.
Ellenálláshőmérők Előnyük kis hőtehetetlenség Távhőmérés lehetősége kb. 100-500m (hitelesítés vezetékkel együtt!) Rövid reakció idő Hátrányuk Nagyobb érzékelő felület Érzékelők csak a saját vezetékükkel használhatók
Termisztorok Hőérzékelő a termisztormassza , mely szennyeződött félvezető. Fémoxid, melynek kristályszerkezetében szennyezőanyag van. A termisztor termikus érzékenysége a hőmérséklet növekedésével rohamosan romlik, így is meteorológiai mérések intervallumában 10x jobb, mint az ellenállás hőmérőké.
6
2008.09.30.
A mérendő testtel közvetlenül nem érintkező hőmérők
Pirométerek: A testből emittált (infra) hőmérsékleti sugárzás hőmérsékletfüggésén alapuló hőmérők Más néven Infrahőmérők
Infrahőmérők
Minden anyag bocsát ki infravörös sugárzást, amennyiben a hőmérséklete abszolút 0 fok (-273°C) felett van, és a sugárzás mértéke függ a test hőmérsékletétől. Ezt nevezzük jellemző vagy karakterisztikus sugárzásnak, melynek az oka a molekulák anyagon belüli mozgása. Ennek a mozgásnak az intenzitása az objektum hőmérsékletétől függ. Az elektromágneses spektrum a 0,7-14 µm tartományban hasznos a mérési folyamatok számára.
Előnyei a non-kontakt hőmérsékletmérésnek Gyors mintavétel (mikroszekundum nagyságrendű), így időt lehet megtakarítani, egységnyi idő alatt több mérést tesz lehetővé (pl. hőtérképet lehet készíteni). Mozgó tárgyakon is lehetővé teszi a hőmérsékletmérést. A mérések olyan helyeken is lehetővé válnak, ahol egyébként az életveszély vagy a nehéz hozzáférés miatt eddig lehetetlen volt a mérés (nagyfeszültség, nagy mérési távolságok, magas hőmérséklet). Magas hőmérséklet mérése is lehetővé vált (egészen 3000°C-ig) Nem keletkezik interferencia. A mért tárgy nem veszít hőmérsékletéből. Pl. a csekély hővezető képességgel rendelkező anyagok, mint a műanyag, fa hőmérséklete is nagy pontossággal mérhető. Nincs a mért értékek között nagy szóródás. Nem jár roncsolással, nincs mechanikai sérülésveszély a mért tárgy felületén. Lakozott vagy puha felületek mérése is lehetséges. Figyelembe kell venni, hogy csak felületek hőmérsékletét lehet megmérni!
Infrahőmérők A detektor képezi az IR hőmérsékletmérők magját. A beérkező infravörös sugárzást elektronikus jellé alakítja, amit a műszer elektronikus rendszerén keresztül hőmérsékletértékként jelenít meg. Az infravörös detektorok: A kvantum detektorok (fotodiódák) közvetlenül nyelik el a beeső fotonokat, amelyek elektromos jeleket hoznak létre a detektorok kimenetein kimenetein. A thermal vagy hő detektorok a beérkező sugárzás nagyságától függő mértéken megváltoztatják a hőmérsékletüket. A hőmérsékletváltozás a termoelemekhez hasonlóan feszültségváltozást okoz a detektor kimenetei között. A hő detektorok sokkal lassabbak, mint a kvantum detektorok, saját hőtehetetlenségük miatt (néhány milliszekundum a nanoés mikroszekundumos nagyságrenddel összevetve). A kvantum detektorokat képalkotó és vonalszkennereknél alkalmazzák.
Hőmérsékletmérés követelményei
Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea
[email protected] http://meteor.geo.klte.hu
7
