Hogyan mérünk tömeget, hőmérsékletet és nyomást manapság? Alkímia Ma, ELTE, március 10. Miért pont ezek a mennyiségek a fontosak?

Átírás

1 Hogyan mérünk tömeget, hőmérsékletet és nyomást manapság? Alkímia Ma, ELTE, 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.

2 A mérések szokásos menete régen:

3 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

4 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 2 n szakaszra bontjuk; a mért érték: hányadik szakaszba esik Manapság tipikus felbontás: >16 bit, (2 16 = tehát jobb mint 0.01% pontosság) megadás bináris ill. hexadecimális formában példa: 13=1011=D; 0x03F8 = $3F8 = H3F8 = csoportosítás: bit, byte, word

5 Mérleg / 1: erőmérő Rugós erőmérő Nyúlásmérő bélyeg Ellenállásváltozás nyújtás hatására Piezorezisztív anyagból is lehet

6 Mérleg / 2: Roberval mérleg

7 Mérleg / 3: Roberval mérleg nyúlásmérő bélyeggel U 2 = U 1 * [(R+d)/(2R)-(R-d)/(2R)] U 2 = U 1 * d/r = konstans*mg

8 Mérleg / 4: Egy igazi tömegmérés, a kvarckristály mikromérleg (ng-μg) Sauerbrey egyenlet

9 Kvarckristály mikromérleg érzékenysége Egy atomrétegnek mekkora a vastagsága? (becslés!) Cu: atomsúly: 64, sűrűség 9 g/cm 3, azaz 1 mól 7cm 3 1 atom térfogata 7cm 3 /6* *10-24 cm 3 1 atomot tartalmazó kocka élhosszúsága (11.6*10-24 cm 3 ) 1/3 2.3*10-8 cm =0.23nm 1 cm 2 felületen 1 cm 2 /(2.3*10-8 cm) 2 = 1.9*10 15 darab atom van, ennek tömege 64 * 1.9*10 15 / 6* *10-7 g =200 ng. Ha a kvarc rezonanciafrekvenciája 10 MHz, akkor 200 nm-nek kb 50 Hz frekvenciaváltozás felel meg. Jól mérhető.

10 Nyomásmérés / 1: hagyományos módon

11 Nyomásmérés / 2: elektromos mérés lehetősége

12 Nyomásmérés / 3: analóg jelátvitel - távadó 3 vezeték: tápfeszültség (5-36V), jelvezeték (4-20 ma), föld

13 Vákuummérés (0.001 bar alatt) Pirani manométer: bar (1kPa 0.1Pa, hőelvitel arányos a nyomással) (megjegyzés: hőelvitel mérésével áramlási sebesség is mérhető) Ionizációs manométer: bar (10Pa 10-8 Pa, két elektród között áramerősséget mérünk)

14 Hőmérsékletmérés o C Egység: 1 o C, 1K ( K 0 o C) Anders Celsius ( ) Lord Kelvin William Thomson ( ) Hidrogén hármaspontja Neon hármaspontja Oxigén hármaspontja Argon hármaspontja Higany hármaspontja Víz hármaspontja Gallium olvadáspontja Indium olvadáspontja Ón olvadáspontja Cink olvadáspontja Alumínium olvadáspontja Ezüst olvadáspontja Arany olvadáspontja Réz olvadáspontja

15 Mérési lehetőségek: Hőtágulás Ellenállásváltozás: fém (Pt), félvezető (termisztor) Termoelektromos hatás (Seebeck effektus): termopár Fényemisszió (Planck sugárzási törvény): pirométer, IR hőmérő Egyebek

16 Pt ellenálláshőmérő R(t) = R(0)[1 + At +Bt 2 ] A = *10-3 [ C -1 ]; B = *10-7 [ C -2 ] d R(t)/R(0) /dt = A = = (0.4% / o C) R+d =R+R*A*t U 2 U 1 *A/4*t

17 Ellenállásmérés: termisztor t / o C

18 Termoelektromos hatás (Seebeck-effektus) - Termopár E konst*(t m -T ref ) Seebeck-együttható U/mV t / o C

19 Típus o C (µv/ C) Max. hőmérséklet ( o C) E (kromel konstantán) nm K (kromel-alumel) J (vas konstantán) T (réz konstantán) nm R (Pt Pt+13%Rh) nm Kromel: Alumel: Konstantán: 90%Ni+10%Cr 95%Ni +Mn,Al,Si 60%Cu, 40% Ni

20 E konst*(t m -T ref ) E konst*( T); T m =T ref + T T ref pl. olvadó jégben T ref hidegpont elektromos kompenzálása

21 Félvezető hőmérsékletszenzorok Kelvin-szenzor ( o C) Celsius-szenzor 1-2 ma Termopár-hidegpont kompenzálás

22 Termopár-hőmérők

23 Termooszlop IR (infravörös) detektor Peltier-hűtő

24 Pirométer IR hőmérő IR sugárzásmérő stb

25 25/36 25/41

26 IR hőmérő kamera, hőmérsékleteloszlások mérésére

27 A mérések szokásos menete:

28 Hővezetőképességi detektor Taguchi gázdetektor

29 Pellisztor típusú gázérzékelő Oxidáció a katalizátoron, az égés miatt melegedés, ellenállásváltozás Alkalmazás: éghető gázok, metán, propán, bután, stb detektálására Egy gázérzékelő elem Si 3 N 4 -be eltemetett Pt fűtőszál, 500 C, kb. 10 mw

30 Milyen mértékegységeink vannak: XX. század közepe: Méter: etalon Kilogramm: etalon Szekundum: csillagászati adatokból Amper: erőmérésből Kelvin: víz hármaspontjából Mol: 12 g szénben lévő atomok száma Candela: standard fényforrás Ma: Méter: valamennyi idő alatt megtett fényút Kilogramm: etalon Szekundum: egy bizonyos atomi rezgés frekvenciájából Candela: standard fényforrás Ezekkel az egységekkel fejezzük ki a természeti állandókat pl. az Avogadro számot (N A =6, ± 7, [1/mol])

31 A leendő (2018) SI alapmennyiségei: a cézium-133 által kibocsátott fény frekvenciája ν = Hz a fény sebessége c= m/s a Planck-állandó h = 6, J s az elemi töltés nagysága e = 1, C a Boltzman-állandó k = 1, J/K az Avogadro állandó N A = 6, mol 1 a fényhasznosítás értéke K cd = 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.

32 Összefoglalás: A mérendő mennyiségekből (arányos) feszültségeket készítünk, és ezt mérjük.