Fizyczne podstawy bada rodowiska Wykad IV Krzysztof M
Fizyczne podstawy badań środowiska Wykład IV Krzysztof M. Markowicz Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Temperatura powietrza Średnia temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi wynosi około 15 o. C przy czym wartość ta dla półkuli południowej jest nieco wyższa niż dla półkuli północnej. Średnia temperatura powietrza jest określona przez ilość energii słonecznej docierającej do Ziemi jak również własności optyczne atmosfery. Przy braku atmosfery temperatura powierzchni Ziemi byłaby o 33 o niższa nic obecnie. 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Pomiary temperatury Termometr jest to przyrząd służący do pomiaru temperatury w sposób pośredni, poprzez rejestrację wybranej, a zależnej od temperatury wielkości fizycznej np. rozszerzalność cieplną cieczy (termometry rtęciowe i alkoholowe), gazów (termometry gazowe) i ciał stałych (zwłaszcza bimetali - termometry deformacyjne), a także termiczne zmiany: oporności elektrycznej (termometry elektryczne), napięcia kontaktowego metali (termopara), prędkości rozchodzenia się fali akustycznej (termometry akustyczne), podatności magnetycznej paramagnetyka (termometry magnetyczne, wykorzystywane do pomiaru bardzo niskich temperatur), widma świecącego ciała (termometry optyczne, inaczej pirometry, do pomiaru wysokich temperatur). 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Termometry dzielimy na: cieczowe deformacyjne elektryczne inne. Uwaga: Termometr mierzy zawsze temperaturę własną!! Aby jego wskazania były jak najbardziej zbliżone do temperatury powietrza należy zapewnić osłonięcie go od źródeł ciepła (szczególnie promieniowanie słoneczne) oraz zapewnić wentylacje. 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Równanie termometru Zakładając równowagę termodynamiczna między termometrem a otoczeniem możemy napisać: d. Q 1=d. Q 2, gdzie strumień ciepła od (do) otoczenia wynosi: d. Q 1=-h. S(t- )d zaś ciepło pobrane (oddane) przez termometr wynosi d. Q 2=Cwmdt gdzie: S- powierzchnia, t- temperatura wskazywana przez termometr, - temperatura otoczenia , Cw- ciepło właściwe termometru, mjego masa, - czas, h- współczynnik wymiany ciepła, zależny od wentylacji Przez oznaczmy wielkość m. Cw/h. S zwaną stała czasową termometru 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Zauważmy ze wielkość h jest funkcja przewodnictwa cieplnego powietrza, jego lepkości kinematycznej oraz prędkości wentylacji termometru. Równanie termometru ma postać dt/d =-(t- )/ Dla stałej temperatury otoczenia otrzymujemy równanie (t- )/(to- )=exp(-t/ ) 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
- czas, po którym początkowa różnica temperatur, termometru i otoczenia, maleje e razy. Jest to czas potrzebny do osiągnięcia 63, 2% zmiany temperatury po skokowej zmianie temperatury otoczenia. 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Lp. Rodzaj termometru Ośrodek stała Czasowa Stała czasowa dla T<5% 1 termometry rtęciowe psychrometryczne powietrze <0. 5 m/s 300 s 15 min 2 termometry rtęciowe aspiracyjne powietrze >0. 5 m/s 100 s 5 min 3 termometry rtęciowe o zbiorniku 6 12 mm powietrze >1 m/s woda >0, 2 m/s 4 termometry wyciągowe gleba 5 termometr bimetaliczny w termografie powietrze >0, 3 m/s powietrze >1, 0 m/s 6 termometr oporowy na podłożu ceramicznym powietrze >0, 5 m/s 2 mm 30 mm 70 s 3, 5 min 10 s 6 min 18 min 600 s 200 s 30 min 10 min 5 -17 s 15 -50 s 7 termometr oporowy otwarty, drut 0, 1 mm powietrze >0, 3 m/s 0, 02 do 0, 06 s 0, 06 do 0, 18 s 8 termometr termistorowy powietrze >0, 3 m/s 1 do 6 s 3 do 18 s 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Termometry cieczowe W meteorologii do pomiarów temperatur wykorzystuje się termometry rtęciowe, które umieszcza się w klatkach meteorologicznych (2 metry nad ziemią). Klatki mają osłaniać przed promieniowaniem (ziemi, słońca) oraz od innych czynników atmosferycznych np. działania wiatru czy deszczu. termometr stacyjny zwykły termometr minimalny termometr maksymalnominimalny termometr glebowy 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Termometry deformacyjne- Termografy Służą do ciągłej rejestracji temperatury. Rejestracja odbywa się na pasku papieru zakładanym na obracający się bęben z mechanizmem zegarowym, służy termograf bimetaliczny. Umożliwia rejestracje w cyklu tygodniowym lub dobowym Pasek z wykresem temperatury nosi nazwę termogramu; czujnikiem są dwa paski metali (bimetal) o różnej rozszerzalności liniowej. Najczęściej są to miedz i żelazo Obecnie coraz częściej zastępowane są elektronicznymi układami rejestrującymi 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Termometry oporowe Dla metali zmiana rezystancji wyrażona jest zależnością: R=Roexp(At) lub w postaci wielomianowej R=Ro[1+At+Bt 2+Ct 3] Najczęściej wybieranym materiałem jest platyna, która charakteryzuje się dużą odpornością na "starzenie", dużą stałością właściwości fizycznych, odpornością na korozję, mechanicznie i elektrycznie stabilna. Zwykle Ro(Pt) = 100 stąd oznaczenie termometr Pt 100 Dla platyny A 4 x 10 -3 Stad czułości takiego termometru wynosi S=d. R/dt=A S=0. 04 /0. 1 K Pomiar R, wykonuje się zwykle mostkiem oporowym, z trójprzewodowym dołączeniem czujnika lub układem kompensatora elektrycznego w celu zminimalizowania wpływu zmian oporu przewodów doprowadzających do czujnika. 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Mostek Wheatstone do pomiarów rezystancji 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Termometr rezystancyjny- półprzewodnikowy Termometry półprzewodnikowe są to termometry elektryczne z czujnikiem zawierającym termistor, tranzystor lub diodę : Oporność termistorów najczęściej maleje ze wzrostem temperatury. Niestety żeby uzyskać dokładny przebieg temperatury czujnik termistorowy musi być wzorcowany w większej liczbie punktów termometrycznych. Spowodowane to jest nieliniową charakterystyką oporności. R=Aexp(B[1/T-1/To]) Czułość termistora nie jest już wielkością stała i wynosi S=B/T 2 Pomiar oporności, w tym przypadku, można również wykonywać przy użyciu mostka lub omomierzy (termistory w T 300 K, to R (T) 0. 5÷ 1000 k ), Zalety termistorów to: duża oporność co ułatwia współpracę z aparaturą elektroniczną, stosunkowo duża wytrzymałość mechaniczna, małe rozmiary 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Termometry termoparowe termometry tego rodzaju, wykorzystują zjawisko termoelektryczne (proces odwracalny), w którym w obwodzie z połączonych dwóch przewodów metalowych, różnica temperatur spojeń powoduje powstawanie siły elektromotorycznej E= (t 1 -t 2) - współczynnik stały zależny od rodzaju zastosowanych materiałów. t 1 -t 2 - różnica temperatury punktów styku W pomiarach meteorologicznych zwykle stosowane są termopary o oznaczeniach T (Cu - konstantan) 40 [ V / K], lub J (Fe konstantan) 52 [(V / K]. Zaletą takich termometrów jest duży zakres pomiarowy, łatwość dopasowania do różnorodnych wymagań oraz mała bezwładność, szczególnie jeśli użyte są przewody o małych średnicach, np. : Ø= 10 µm. Zasadniczym problemem jest złącze odniesienia (referencyjne), które należy umieścić w obszarze gdzie temperatura jest w dowolny sposób stabilizowana. Istnieją już obecnie układy scalone z tzw. "zerem elektronicznym", ale dokładność pomiarów wynosi tylko 0. 5 K. 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Termokondensatory- termocap Termometry w których wykorzystuje się zmiany stałej dielektrycznej. Kondensatory takie pracują w układach LRC o częstotliwości kilkudziesięciu MHz. Są czujnikami bardzo dokładnymi i mają mała stała czasowa (maksymalnie kilka sekund). Obecnie są szeroko stosowane w meteorologii a szczególnie w pomiarach sondażowych. 12/13/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
- Slides: 15