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

Átírás

1 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

2 Elvárható kritériumok a műszerekre Ismert legyen a pontossága, bizonytalansága; Stabilitás, megbízhatóság; Konvencionális működés, kalibrálás és szervizelési lehetőségek; Egyszerű felépítés; Tartósság robosztus felépítés; Elfogadható ár; 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 Megfigyelések időpontjai 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 Időzónák UTC-hez viszonyítva 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

3 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= V o T térfogati hőtágulás gázok esetén =1/273 Hosszváltozás - Lineáris hőtágulás l= l o T =3 -szilárd testek esetén Fémek ( ), félvezetők ( ) elektromos ellenállásának változása Termoelektromosság jelensége 2. Hőmérséklet kiegyenlítődés 3. Azonos hőmérsékleten végbemenő halmazállapotváltozások 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 = c m, 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. Legyen a térben két, - egymáshoz közel lévő - T 1, ill. T 2 hőmérsékletű felület, amelyek közötti teret valamilyen közeg tölti ki. Ekkor a közegben a hőáramsűrűség, Jq közelítőleg arányos a T = T 2 - T 1 különbséggel: J q = T Az együtthatót hőátadási tényezőnek nevezzük. Ezen összefüggés alkalmazásával határozzuk meg, hogyan változik a test hőmérséklete az idővel, ha hidegebb (vagy melegebb) közegbe kerül. t T T (T T ) e ahol k 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. 0 k 3

4 Hőmérsékleti skálák Felmelegedési görbe 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. Kelvin Celsius Fahrenheit Reaumur Anders Celsius Hőmérsékleti skálák Hőmérsékleti skálák International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) Kalibrációs pontokat határoz meg az alábbi hőmérsékleti tartományban: 0.65 K K C 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

5 Galileo Galilei termoszkópja Folyadékok sűrűsége a hőmérséklet függvénye 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 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. 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

6 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 Fémhőmérők Bimetál szalag alakváltozása Két összeerősített, különböző hőtágulású fémrétegből áll. Fe és Cu Folyamatos mérés Iróműszer 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 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 (T A,T B ) Ennek a függvénynek olyannak kell lennie, hogy T A = T B esetén = 0 legyen. Első közelítésben arányos a hőmérsékletkülönbséggel: = a (T A - T B ) = a T AB ahol T AB = T A - T B. 6

7 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. Termoelemek A termoelemek érzékenységét a W T AB T A kifejezéssel definiáljuk. Az érzékenység az előbb mondottak szerint széles tartományban független a hőmérséklettől. A termoelemek tehetetlensége kicsi. 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 között: R (T T0 R ) 0 Az arányosság persze csak közelítés: valójában függ a hőmérséklettől. Ilyenkor is beszélhetünk viszont egy hőfoktartományon belül érvényes közepes -ról. Ellenálláshőmérők Átrendezve, ha T 0 hőmérsékleten R 0 az ellenállás, akkor T hőmérsékleten: R = R 0 + R = R 0 ( 1 + (T - T 0 ) ) 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. Ellenálláshőmérők Előnyük kis hőtehetetlenség Távhőmérés lehetősége kb m (hitelesítés vezetékkel együtt!) Rövid reakció idő Hátrányuk Nagyobb érzékelő felület Érzékelők csak a saját vezetékükkel használhatók 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

8 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. 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. 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

9 Hőmérsékletmérés követelményei Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea kircsia@delfin.klte.hu 9