Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań
środowiska środowiska
Wykład IV Wykład IV
Krzysztof M. Markowicz
Temperatura powietrza
Średnia temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi wynosi około 15oC 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 33o niższa nic obecnie.
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).
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.
Równanie termometru
Zakładając równowagę termodynamiczna między termometrem a otoczeniem możemy napisać: dQ1=dQ2,
gdzie strumień ciepła od (do) otoczenia wynosi:
dQ1=-hS(t-)d
zaś ciepło pobrane (oddane) przez termometr wynosi dQ2=Cwmdt
gdzie: S- powierzchnia, t- temperatura wskazywana przez termometr,
- temperatura otoczenia , Cw- ciepło właściwe termometru, m- jego masa, - czas, h- współczynnik wymiany ciepła, zależny od wentylacji
Przez oznaczmy wielkość mCw/hS zwaną stała czasową termometru
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/ )
- 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.
Lp. Rodzaj termometru Ośrodek stała Czasowa
Stała czasowa dla T<5%
1 termometry rtęciowe
psychrometryczne powietrze <0.5
m/s 300s 15 min
2 termometry rtęciowe
aspiracyjne powietrze >0.5
m/s 100s 5min
3 termometry rtęciowe o
zbiorniku 612 mm powietrze >1m/s
woda >0,2m/s 70s
3,5s 3,5min
10s
4 termometry wyciągowe gleba 6min 18min
5 termometr bimetaliczny w termografie
powietrze >0,3m/s powietrze
>1,0m/s
600s
200s 30min
10min
6
termometr oporowy na podłożu ceramicznym
2mm30mm powietrze >0,5m/s 5-17s 15-50s 7 termometr oporowy
otwarty, drut 0,1mm powietrze >0,3m/s 0,02 do
0,06s 0,06 do 0,18s 8 termometr termistorowy powietrze >0,3m/s 1 do 6s 3 do 18s
Termometry cieczowe
termometr stacyjny zwykły termometr minimalny
termometr maksymalny termometr maksymalno- minimalny
termometr glebowy
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.
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
Termometry oporowe
Dla metali zmiana rezystancji wyrażona jest zależnością:
R=Roexp(At) lub w postaci wielomianowej R=Ro[1+At+Bt2+Ct3]
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 Pt100 Dla platyny A4x10-3
Stad czułości takiego termometru wynosi S=dR/dt=A S=0.04 /0.1K
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.
Mostek Wheatstone do pomiarów rezystancji
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/T2 Pomiar oporności, w tym przypadku, można również wykonywać przy użyciu mostka lub omomierzy (termistory w T300K, to R (T) 0.5÷1000 k ),
Zalety termistorów to: duża oporność co ułatwia współpracę z aparaturą elektroniczną, stosunkowo duża wytrzymałość
mechaniczna, małe rozmiary
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= (t1-t2)
- współczynnik stały zależny od rodzaju zastosowanych materiałów.
t1-t2 - 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.
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.
