Meteorológiai műszerkert. TGBL1116 Meteorológiai műszerek. Meteorológiai műszerkert. Műszerek ellenőrzése. Meteorológiai állomás kitettsége

2009.09.28.

Meteorológiai műszerkert TGBL1116 Meteorológiai műszerek Bíróné Dr. Kircsi Andrea Egyetemi adjunktus DE Meteorológiai Tanszék

Elhelyezése, kitettsége a mérendő adatok reprezentativitását határozza meg. Szinoptikus és éghajlatkutató állomás kültéri műszereit 25 m x 25 m területnél kisebb területen kell elhelyezni. Tipikus műszerkert kisebb 6x9, vagy 7x10m terület

Debrecen, 2009/2010 I. félév

Meteorológiai műszerkert Szinoptikus állomásoknak szinoptikus (makro) léptékben kell reprezentatívnak lenni É-D tájolású műszerkert nyílt területen Rövid füves talaj, alacsony érdességű hely (z0=0,003m) Környező akadályok (fák, épületek, falak) magasságuknak legalább 2-4x távolságra helyezzék el a műszerkertet. Műszerkerten belül a műszerek elhelyezésének szabályai vannak

Műszerek ellenőrzése

Meteorológiai állomás kitettsége

Évente 2x Helyszínben és kitettségben történt változások dokumentálása Műszerek rendszeres összehasonlítása, helyi standardokkal Kitettségre érzékeny műszerek esetén a környezet rendszeres ápolása, tisztítása

1

2009.09.28.

Elvárható kritériumok a műszerekre Ismert legyen a pontossága, bizonytalansága; Stabilitás, megbízhatóság; Konvencionális működés, kalibrálás és szervizelési lehetőségek; Egyszerű felépítés; Tartósság – robosztus felépítés; Elfogadható ár;

Megfigyelések időpontjai

Iróberendezések, adatgyűjtők Forgódob időbeli pontossága Papír és tinta Mechanikus alkatrészek védelme Elektronikus jelek továbbítását zavaró tényezők kiszűrése – sugárzás stb Elektronikus adatgyűjtők esetén a hideg elleni védelem fontos

Időzónák UTC-hez viszonyítva

Észlelés hivatalos időpontja a barométer leolvasásának időpontja Nemzetközi megállapodás alapján UTC – egyezményes korrigált világidőben adják meg (GMT utódja) A Föld forgásához kapcsolódik az egyezményes világidő (Universal Time, UT), UTC nagy pontosságú atomóraidőből származik, évente szökőmásodperceket iktatnak be a Föld lassuló forgása miatt

Magyarországi észlelési időpontok Magyarországon 1966 január 1-től egységesítették az észlelési időpontokat (MEZ-Közép–európai idő)

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

2

2009.09.28.

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 hőmérséklet értékei között. A hőmérséklet mérési utasításának meghatározása három önkényes tényezőt tartalmaz: - a hőmérőként használt test, - a hőmérséklet méréséhez felhasznált sajátosság, - a hőmérsékleti skála.

Hőmérséklet méréshez felhasználható fizikai sajátosságok 1. Hőmérséklet változáshoz kapcsolódó fizikai jelenségek    

Térfogatváltozás V=VoT térfogati hőtágulás – gázok esetén =1/273 Hosszváltozás - Lineáris hőtágulás l=loT =3-szilárd testek esetén Fémek (), félvezetők () elektromos ellenállásának változása Termoelektromosság jelensége

2. Hőmérséklet kiegyenlítődés 3. Azonos hőmérsékleten végbemenő halmazállapotváltozások

Hőmérő test követelményei

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, mint a rendszer, és a hőmérőnek is van hőkapacitása. Az egységnyi hőmérsékletváltozáshoz szükséges hőmennyiséget a test hőkapacitásának nevezzük: C = Q / T

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, 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.

Hőmérő test követelményei

Hőmérő test követelményei T  Tk  (T0  Tk )e  t 

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 =  T Az  együtthatót hőátadási tényezőnek nevezzük. Ezen összefüggés alkalmazásával határozzuk meg, hogyan változik a test hőmérséklete az idővel, ha hidegebb (vagy melegebb) közegbe kerül.

ahol

Ez a Newton-féle hőátadási törvény. A hőmérséklet-kiegyenlítődés sebességének jellemzője a  időállandó. Ez az az időtartam, mely alatt a test és környezete közötti hőmérsékletkülönbség az eredeti "e"-ed részére csökken.

3

2009.09.28.

Hőmérő test követelményei Felmelegedési görbe

Hőmérsékleti skálák

Lehűlési görbe

 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.

Hőmérsékleti skálák

Kelvin Celsius Fahrenheit Reaumur

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

Termoscop

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)

4

2009.09.28.

Galileo Galilei termoszkópja

Hőmérők csoportosítása a.) a mérendő testtel közvetlen érintkezésbe kerülő hőmérők – kontakt hőmérők

Folyadékok sűrűsége a hőmérséklet függvénye

 mechanikus elven működők  villamos elven működők

b.) a mérendő testtel közvetlen érintkezésbe nem kerülő hőmérők – non kontakt hőmérők

Hőmérők csoportosítása 1. Gázhőmérők 2. Folyadékhőmérők  

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.

Higanyos Szerves folyadékkal töltött

3. Fémhőmérők - bimetál 4. Elektromos hőmérők   

Gázhőmérők

Termoelem hőmérők Ellenállás hőmérők Termisztorok

© Istituto e Museo di Storia della Scienza

Folyadékhőmérő

Talajhőmérők

Higannyal töltött hőmérő -39°C-155°C között Állomáshőmérő Maximumhőmérők Talajhőmérők  Felszíni talajhőmérő  Mélységi talajhőmérő

Maximumhőmérő

Felszíni talajhőmérők: 2,5,10,20 cm mélyen Mélységi talajhőmérő: 50, 100, 150, 200 cm mélyen

5

2009.09.28.

Minimumhőmérő

Hőmérők elhelyezése

Szerves folyadékkal töltött hőmérő Metilalkohol, Toluol, borszesz Vizszintes elhelyezés 2m - hőmérőházikóban 5cm – radiációs minimum

Folyadékhőmérők Six féle maximum és minimum hőmérő U alakú cső

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.

Fémhőmérők Bimetál szalag alakváltozása – Két összeerősített, különböző hőtágulású 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 () függ a két fém anyagi minőségétől és függ a csatlakozási pontok hőmérsékletétől:  = f (TA ,TB ) Ennek a függvénynek olyannak kell lennie, hogy TA = TB esetén  = 0 legyen.  Első közelítésben  arányos a hőmérsékletkülönbséggel:  = a (TA - TB) = a TAB ahol TAB = TA - TB.

6

2009.09.28.

Termoelemek A termoelem hőmérő előnyei:  biztosítja a hőérzékelő kis hőkapacitását és kis kisugárzási hibáját,  a hőmérsékleti értékek regisztrálása könnyen megoldható,  nehezen hozzáférhető helyen is alkalmazhatók. Hátrányai:  az érzékelő és a leolvasó berendezés közötti távolság korlátozott,  az ún. hidegpontot állandó hőfokon kell tartani.

Ellenálláshőmérők A fémek elektromos ellenállása függ a hőmérséklettől. Hőmérséklet emelkedésével növekszik az ellenállás! Az ellenállás hőmérsékleti koefficiense , arányossági tényező a relatív ellenállásváltozás és a hőmérsékletváltozás R között:    (T  T0 ) R0 Az arányosság persze csak közelítés:  valójában függ a hőmérséklettől. Ilyenkor is beszélhetünk viszont egy hőfoktartományon belül érvényes közepes -ról.

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

Termoelemek A termoelemek érzékenységét a  W TAB T kifejezéssel definiáljuk. Az érzékenység az előbb mondottak szerint széles tartományban független a hőmérséklettől. A termoelemek tehetetlensége kicsi. A

Ellenálláshőmérők Átrendezve, ha T0 hőmérsékleten R0 az ellenállás, akkor T hőmérsékleten: R = R0 + R = R0 ( 1 + (T - T0) ) A fém ellenálláshőmérők anyaga rendszerint Ni vagy 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 nem lineáris függvénye a 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.

7

2009.09.28.

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.

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.

A mérendő testtel közvetlenül nem érintkező hőmérők

Pirométerek: A testből emittált (infra) hőmérsékleti sugárzás hőmérsékletfüggésén alapuló hőmérők Más néven Infrahőmérők

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.  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.

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!

8

2009.09.28.

Hőmérsékletmérés követelményei

Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea [email protected] http://meteor.geo.klte.hu

9