Hőmérsékletmérés TGBL1116 Meteorológiai műszerek Bíróné Kircsi Andrea Egyetemi tanársegéd DE Meteorológiai Tanszék Debrecen, 2007/2008 II. félév 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. XVII. Század Santorini első hőmérsékleti skála, Fahrenheit Hg hőmérő 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 2 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 3 Hőmérséklet méréshez felhasználható fizikai sajátosságok 1. Hőmérséklet változáshoz kapcsolódó fizikai jelenségek Térfogatváltozás V=βV o T térfogati hőtágulás gázok esetén β=1/273 Hosszv zváltozás - Lineáris hőtágulás l=αl o T β=3α -szilárd testek esetén Fémek ( ),(, félvezetők ( )( elektromos ellenállásának változása Termoelektromosság jelensége 2. Hőmérséklet kiegyenlítődés 3. Azonos hőmérsékleten végbemenő 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 4 halmazállapot-változások 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 Q / T Homogén test hőkapacitása arányos a test tömegével, m-mel: m mel: C = c m 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 5 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 6 1
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 = T 2 - T 1 különbséggel: J q = 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 7 C e t τ α A ahol T T k = (T 0 T C τ = αa t τ Ez a Newton-féle hőátadási törvény. A hőmérséklet-kiegyenlítődés kiegyenlítődés sebességének jellemzője a τ időállandó.. Ez az az időtartam, mely alatt a test és környezete közötti hőmérsékletkülönbség az eredeti "e"" e"-eded részére csökken. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 8 k ) e 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 számbajöhető felület és a hőátadási tényező. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 9 Kelvin Celsius Fahrenheit Reaumur Anders Celsius 1701-1744 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 10 Hőmérsékleti skálák 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 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 11 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 12 2
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) 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 13 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 14 Galileo Galilei termoszkópja Hőmérők csoportosítása Folyadékok sűrűsége a hőmérséklet függvénye 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 15 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 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 16 Hőmérők csoportosítása Gázhőmérők 1. Gázhőmérők 2. Folyadékhőmérők Higanyos Szerves folyadékkal töltött 3. Fémhőmérők - bimetál 4. Elektromos hőmérők Termoelem Ellenállás hőmérő Termisztor 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 17 Istituto e Museo di Storia della Scienza 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 18 3
Folyadékhőmérő Talajhőmérők Higannyal töltött hőmérő -39 C-155 C között Állomáshőmérő Maximumhőmérők Talajhőmérők Felszíni talajhőmérő Mélységi talajhőmérő Maximumhőmérő 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 19 Felszíni talajhőmérők: 2,5,10,20 cm mélyen Mélységi talajhőmérő: 50, 100, 150, 200 cm mélyen Mélységi 2007/2008 talajhőmérő: 50, 100, 150, 200 cm mélyen Meteorológiai műszerek gyakorlat 20 Minimumhőmérő Hőmérők elhelyezése Szerves folyadékkal töltött hőmérő Metilalkohol, Toluol, borszesz Vizszintes elhelyezés 2m - hőmérőházikóban 5cm radiációs minimum 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 21 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 22 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 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 23 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 24 4
Elektromos hőmérők Termoelemek 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 25 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 (T,T A B ) Ennek a függvénynek olyannak kell lennie, hogy T = T A B esetén ε = 0 legyen. Első közelítésben ε arányos a hőmérsékletkülönbséggel: ε = a (T A - T ) = a T B AB ahol T AB = T A - T B. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 26 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 ε W = T AB kifejezéssel definiáljuk. Az érzékenység az előbb mondottak szerint széles tartományban független a hőmérséklettől. A termoelemek tehetetlensége kicsi. T A 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 27 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 28 Ellenálláshőmérők Ellenálláshőmérők Az elektromos ellenállás függ a hőmérséklettől. Az ellenállás hőmérsékleti koefficiense β, arányossági tényező a relatív ellenállásváltozás és a hőmérsékletváltozás között: R = β (T T0 ) R 0 Az arányosság 2007/2008 persze csak közelítés: βmeteorológiai valójában műszerek függ gyakorlat a hőmérséklettől. 29 Ilyenkor is beszélhetünk viszont egy hőfoktartományon belül érvényes közepes β-ról. Átrendezve, ha T 0 hőmérsékleten R 0 ellenállás, akkor T hőmérsékleten: R = R 0 + R R = R 0 ( 1 + β (T - T 0 ) ) az A fém ellenálláshőmérők anyaga rendszerint Ni- vagy Pt-huzal huzal. Szabvány szerint az ellenállásuk 0 C-on 100 W. Tehetetlenségük viszonylag nagy. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 30 5
Termisztorok A mérendő testtel közvetlenül nem érintkező hőmérők Félvezetőből készített ellenálláshőmérő (termisztor) esetén az ellenállás nemlineáris függvénye a hőmérsékletnek, azaz a korábbi összefüggés ekkor jóval szűkebb tartományban érvényes, mint a fémeknél. A termisztorok érzékenysége sokkal nagyobb, tehetetlenségük sokkal kisebb, mint a fém ellenálláshőmérőké. Pirométerek: A testből emittált (infra)) hőmérsékleti sugárzás hőmérsékletfüggésén alapuló hőmérők Más néven Infrahőmérők 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 31 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 32 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) Minden anyag bocsát ki infravörös sugárzást, amennyiben a Nem keletkezik interferencia.. A mért tárgy nem veszít hőmérséklete abszolút 0 fok (-273 C)( felett van, és a sugárzás hőmérsékletéből. Pl. a csekély hővezető képességgel rendelkező mértéke függ a test hőmérsékletétől. anyagok, mint a műanyag, fa hőmérséklete is nagy pontossággal Ezt nevezzük jellemző vagy karakterisztikus sugárzásnak, melynek mérhető. Nincs a mért értékek között nagy szóródás. az oka a molekulák anyagon belüli mozgása. Ennek a mozgásnak Nem jár roncsolással,, nincs mechanikai sérülésveszély a mért az intenzitása az objektum hőmérsékletétől függ. tárgy felületén. Lakozott vagy puha felületek mérése is lehetséges. es. Az elektromágneses spektrum a 0,7-14 µm tartományban hasznos Figyelembe kell venni, hogy csak felületek hőmérsékletét a mérési folyamatok számára. lehet megmérni! 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 34 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 33 Infrahőmérők Infrahőmérők Hőmérsékletmérés 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 hőelemekhez hasonlóan feszültségváltozást okoz a detektor kimenetei között. A hő detektorok sokkal lassabbak, ak, mint a kvantum detektorok, saját hőtehetetlenségük miatt (néhány milliszekundum a nano- és mikroszekundumos nagyságrenddel összevetve). A kvantum detektorokat képalkotó és vonalszkennereknél alkalmazzák. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 35 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 36 6
Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea kircsia@delfin.klte.hu http://meteor.geo.klte.hu 7