Hogyan mérünk tömeget, hőmérsékletet és nyomást manapság? Alkímia Ma, ELTE, 2016. 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.
A mérések szokásos menete régen:
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
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 = 65536 tehát jobb mint 0.01% pontosság) megadás bináris ill. hexadecimális formában példa: 13=1011=D; 0x03F8 = $3F8 = H3F8 =0000 0011 1111 1000 csoportosítás: bit, byte, word
Mérleg / 1: erőmérő Rugós erőmérő Nyúlásmérő bélyeg Ellenállásváltozás nyújtás hatására Piezorezisztív anyagból is lehet
Mérleg / 2: Roberval mérleg
Mérleg / 3: Roberval mérleg nyúlásmérő bélyeggel U 2 = U 1 * [(R+d)/(2R)-(R-d)/(2R)] U 2 = U 1 * d/r = konstans*mg
Mérleg / 4: Egy igazi tömegmérés, a kvarckristály mikromérleg (ng-μg) Sauerbrey egyenlet
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 23 11.6*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 23 2*10-7 g =200 ng. Ha a kvarc rezonanciafrekvenciája 10 MHz, akkor 200 nm-nek kb 50 Hz frekvenciaváltozás felel meg. Jól mérhető.
Nyomásmérés / 1: hagyományos módon
Nyomásmérés / 2: elektromos mérés lehetősége
Nyomásmérés / 3: analóg jelátvitel - távadó 3 vezeték: tápfeszültség (5-36V), jelvezeték (4-20 ma), föld
Vákuummérés (0.001 bar alatt) Pirani manométer: 10-3 10-7 bar (1kPa 0.1Pa, hőelvitel arányos a nyomással) (megjegyzés: hőelvitel mérésével áramlási sebesség is mérhető) Ionizációs manométer: 10-4 10-13 bar (10Pa 10-8 Pa, két elektród között áramerősséget mérünk)
Hőmérsékletmérés o C Egység: 1 o C, 1K (273.15 K 0 o C) Anders Celsius (1701-1744) Lord Kelvin William Thomson (1824-1907) Hidrogén hármaspontja 259.3467 Neon hármaspontja 248.5939 Oxigén hármaspontja 218.7916 Argon hármaspontja 189.3442 Higany hármaspontja 38.8344 Víz hármaspontja +0.01 Gallium olvadáspontja 29.7646 Indium olvadáspontja 156.5985 Ón olvadáspontja 231.928 Cink olvadáspontja 419.527 Alumínium olvadáspontja 660.323 Ezüst olvadáspontja 961.78 Arany olvadáspontja 1064.18 Réz olvadáspontja 1084.62
Mérési lehetőségek: Hőtágulás Ellenállásváltozás: fém (Pt), félvezető (termisztor) Termoelektromos hatás (Seebeck effektus): termopár Fényemisszió (Planck sugárzási törvény): pirométer, IR hőmérő Egyebek
Pt ellenálláshőmérő R(t) = R(0)[1 + At +Bt 2 ] A = 3.9083*10-3 [ C -1 ]; B = -5.775*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
Ellenállásmérés: termisztor t / o C
Termoelektromos hatás (Seebeck-effektus) - Termopár E konst*(t m -T ref ) Seebeck-együttható U/mV t / o C
Típus Seebeckegyüttható @0 o C (µv/ C) Max. hőmérséklet ( o C) E (kromel konstantán) 68 1700 nm K (kromel-alumel) 41 1350 J (vas konstantán) 51 1250 T (réz konstantán) 41 350 nm R (Pt Pt+13%Rh) 10 1600 nm Kromel: Alumel: Konstantán: 90%Ni+10%Cr 95%Ni +Mn,Al,Si 60%Cu, 40% Ni
E konst*(t m -T ref ) E konst*( T); T m =T ref + T T ref pl. olvadó jégben T ref hidegpont elektromos kompenzálása
Félvezető hőmérsékletszenzorok Kelvin-szenzor (-55..+150 o C) Celsius-szenzor 1-2 ma Termopár-hidegpont kompenzálás
Termopár-hőmérők
Termooszlop IR (infravörös) detektor Peltier-hűtő
Pirométer IR hőmérő IR sugárzásmérő stb
25/36 25/41
IR hőmérő kamera, hőmérsékleteloszlások mérésére
A mérések szokásos menete:
Hővezetőképességi detektor Taguchi gázdetektor
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
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 =6,022140857 10 23 ± 7,4 10 15 [1/mol])
A leendő (2018) SI alapmennyiségei: a cézium-133 által kibocsátott fény frekvenciája ν = 9 192 631 770 Hz a fény sebessége c= 299 792 458 m/s a Planck-állandó h = 6,62606 10 34 J s az elemi töltés nagysága e = 1,60217 10 19 C a Boltzman-állandó k = 1,3806 10-23 J/K az Avogadro állandó N A = 6,02214 10 23 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.
Összefoglalás: A mérendő mennyiségekből (arányos) feszültségeket készítünk, és ezt mérjük.