Transcript strumentazione

MISURA DELLA RADIAZIONE
il funzionamento degli strumenti per la misura della radiazione (diretta, diffusa, netta
etc) è in ogni caso basato sullo stesso principio e cioè sulla relazione esistente tra la radiazione
ricevuta da un corpo e la sua temperatura;
l'elemento sensibile è generalmente costituito da una superficie di colore scuro che,
assorbendo radiazione, si scalda creando una differenza di temperatura rispetto all'ambiente
circostante;
la differenza di temperatura viene rilevata utilizzando termocoppie montate in serie a
formare una termopila;
la tensione prodotta dalla termopila è proporzionale alla quantità di radiazione assorbita
dal sensore secondo una costante che dipende dalla termopila;
in alcuni strumenti il sensore sfrutta la diversa capacità di dilatazione di due elementi di
diverso colore (bianco e nero) che, colpiti dalla stessa radiazione ne assorbono quantità diverse e
quindi si riscaldano differentemente.
RADIAZIONE GLOBALE.
Strumenti: PIRANOMETRI o SOLARIMETRI.
Solarimetro di Kipp:
costituito da lamine affiancate di manganina e costantana poste a contatto con una
superficie annerita;
la diversa radiazione assorbita dalle due superfici fornisce alla termopila una tensione
proporzionale alla radiazione assorbita;
la superficie sensibile è protetta dalle influenze atmosferiche mediante due cupole
concentriche di vetro opportunamente trattato;
le dimensioni delle cupole devono essere adeguate e cioè sull'elemento sensibile deve
arrivare una stessa quantità di raggi solari qualsiasi sia il loro angolo di incidenza;
RADIAZIONE GLOBALE
l'aria tra le cupole è mantenuta asciutta mediante una cartuccia di gel di silice in modo
da evitare fenomeni di condensa.
va sistemato in modo che la termopila sia orientata est-ovest;
deve essere mantenuto perfettamente in piano;
deve essere "compensato" nei riguardi delle variazioni della temperatura ambiente
(alcune case costruttrici forniscono un coefficiente di correzione).
MISURA DELLA TEMPERATURA.
Si basa sull'osservazione comparativa degli effetti prodotti dalla somministrazione di
calore su apposite sostanze termometriche;
PER CONVENZIONE:
A. allo stato termico del ghiaccio fondente si attribuisce:
1.
2.
3.
valore 0 nella scala centigrada (° C, Celsius);
valore 32 nella scala Fahrenheit (° F);
valore 273.15 nella scala Kelvin (° K);
B. allo stato termico del vapore dell'acqua bollente a pressione normale si attribuisce:
1.
2.
3.
valore 100 nella scala centigrada (° C, Celsius);
valore 212 nella scala Fahrenheit (° F);
valore 373.15 nella scala Kelvin (° K);
La temperatura viene misurata con i termometri.
Alla base della costruzione di qualsiasi termometro vi è una sostanza con
proprietà fisica misurabile che varia in funzione della temperatura.
4 sono le proprietà fisiche principali:
la dilatazione;
gli effetti termoelettrici;
la resistenza elettrica;
la velocità di propagazione del suono nell'aria.
Termometri di vetro a dilatazione di liquido.
sono costituiti da un bulbo di forma sferica o cilindrica al quale è unito un sottile tubo
capillare circondato da una guaina di protezione;
all'interno del sistema bulbo-capillare, la parte non occupata dal liquido è occupata dal
vapore saturo del liquido stesso;
la temperatura provoca una variazione del volume del liquido che quindi si sposta
lungo il capillare;
i valori della temperatura si leggono su una scala graduata incisa direttamente sulla
guaina di vetro.
I termometri di vetro a mercurio possono essere utilizzati sino alla temperatura di -38.83
°C che rappresenta il punto di congelamento del mercurio; per temperature inferiori si
utilizzano termometri ad alcool etilico.
I termometri normalmente in dotazione alle stazioni meteorologiche di tipo tradizionale sono:
termometri a massima;
termometri a minima;
termometri a massima e a minima;
termometri da psicrometro;
termometri a lamina bimetallica .
Accuratezza
(° C)
Precisione
(° C)
Output
elettrico
Costo
Validità di
calibrazione
T. bimetallici
0.5
0.5
no
BM
3 anni
Liquido in vetro
0.1- 0.5
0.1- 0.5
no
M
5 anni
Termoresistenze
0.1- 0.2
0.1
si
BM
1 anno
Termocoppie
0.1- 0.5
0.1
si
B
1 mese
1
0.1
si
A
1 mese
Infra Rosso
TERMOMETRI A MASSIMA
a mercurio con, all'inizio del capillare, una strozzatura che impedisce al mercurio, una
volta salito nel tubo per aumento della temperatura, di rientrare nel bulbo spontaneamente
quando la temperatura diminuisce;
l'estremità della colonnina di mercurio, arrivata al massimo giornaliero di temperatura,
non potrà quindi tornare indietro al diminuire di questa e resterà a segnare la temperatura
massima della giornata;
questo tipo di termometro va tenuto in posizione orizzontale in modo da facilitare il
movimento del mercurio in espansione.
TERMOMETRI A MINIMA
hanno generalmente l'alcool come sostanza termometrica ed il bulbo che lo contiene a
forma di U;
all'interno del capillare presentano un sottilissimo aghetto di vetro (indice) che viene
trascinato dal menisco dell'alcool, che volge la sua convessità verso il bulbo, in direzione
proprio del bulbo quando la temperatura diminuisce mentre resta fermo quando la temperatura
aumenta;
anche questo tipo di termometro va tenuto in posizione orizzontale (o quasi, poichè
per favorire lo scorrimento dell'indice è bene tenere il bulbo leggermente più basso).
TERMOMETRI A MASSIMA E A MINIMA
servono per la misura delle temperature massima e minima con un unico strumento;
sono costituiti da un capillare a forma di U contenente due liquidi immiscibili: alcool e
mercurio;
il bulbo è posto al termine di uno dei due bracci dell U ed è riempito di alcool, il quale
si espande anche nel capillare;
nel capillare si trova, subito dopo, il mercurio che riempie il capillare fino a circa la
metà del secondo braccio;
come indicatori della temperatura vengono usate due barrette di ferro colorate, una per
la t. minima ed una per la t. massima;
sui due bracci vengono riportate due scale graduate con direzione inversa.
TERMOMETRI A LAMINA BIMETALLICA
utilizzano la proprietà di espansione di due metalli aventi differenti coefficienti di
dilatazione;
l'elemento sensibile è costituito generalmente da un nastro di metallo formato,
saldando insieme, una lamina di nichel-cromo ed una di ottone o di acciaio;
il nastro è generalmente arrotolato a forma di spirale in modo da piegarsi in un senso o
nell'altro con la variazione di temperatura, in dipendenza del differente rapporto di dilatazione
dei due metalli;
è provvisto di un estremo fisso e di un estremo mobile, collegato ad uno strumento
indicatore. In tal modo, la variazione di temperatura avvertita dal nastro determina un
movimento di rotazione nell'estremo libero;
questo tipo di sensore viene utilizzato prevalentemente per la costruzione di
termografi nei quali l'estremo libero è collegato ad un apparato scrivente su un meccanismo ad
orologeria.
TERMORESISTENZE
sono gli strumenti più precisi e sono basati sulla proprietà intrinseca di ogni metallo di
variare la propria resistenza elettrica in funzione della temperatura, secondo la relazione:
RT = R0 (1+ T)
dove RT è la resistenza del conduttore alla temperatura T (°C), R0 è la resistenza del
conduttore alla temperatura di riferimento (solitamente 0 °C) e è il coefficiente della
temperatura (°C -1) che dipende dal materiale;
La temperatura si ottiene risolvendo l'equazione
T = RT - R0
R0
gli inconvenienti delle termoresistenze sono legati alla necessità di alloggiare il
sensore in un contenitore protettivo, con conseguente aumento delle dimensioni e dei tempi di
risposta. Essi sono tuttavia molto stabili e vengono considerati gli strumenti di riferimento.
TERMOMETRI AD INFRAROSSO (IR)
si basano sulla misura della radiazione ad onda lunga Rl emessa da ogni corpo avente
una temperatura superiore allo zero assoluto;
generalmente vengono utilizzati radiometri che sfruttano la finestra radiativa compresa
tra 8 e 14 µm di lunghezza d'onda;
i principali vantaggi di questi strumenti sono di poter effettuare misure a distanze
anche considerevoli e di fornire valori di temperatura di superfici anche molto ampie (dipende
dalla distanza e dall'angolo di visione dello strumento);
gli inconvenienti riguardano il costo elevato, la modesta accuratezza della misura (0.5
°C), l'incertezza di misurare l'emissività del corpo in quanto l'attendibilità della misura risente
dell'emissività della volta celeste;
a parità di intensità di radiazione misurata (ad es: 400 W m-2) la temperatura risulta
pari a 17.5 °C con emissività di 0.99 e a 19.0 °C con emissività di 0.97.
TERMOCOPPIE
rappresentano lo strumento più comunemente utilizzato in ecofisiologia per la misura
della temperatura superficiale;
sfrutta l'effetto Seebeck grazie al quale quando i punti di saldatura (giunzione) di un
circuito costituito da metalli diversi si trovano a temperature diverse, all'interno del circuito si
genera una forza elettromotrice la cui direzione ed intensità è proporzionale alla differenza di
temperatura;
i principali vantaggi delle termocoppie sono il basso costo e la disponibilità in varie
forme e dimensioni;
il principale inconveniente è di generare un segnale bassissimo (si tratta di µV °C-1
contro i mV °C-1 degli altri strumenti) che può porre problemi di acquisizione dei dati;
1.
2.
i materiali impiegati per la loro costruzione sono diversi:
Chromel - Costantana (Coeff. Seebeck 58.5 µV °C-1)
Rame - Costantana (Coeff. Seebeck 38.7 µV °C-1)
MISURA DELL'UMIDITA'
Le strumentazioni disponibili per la misura dell'umidità (tabella) sono classificabili in base a:
1.
2.
livello di accuratezza assoluta;
grado di associazione tra il loro funzionamento e le proprietà fisiche del vapor acqueo.
dalla I alla IV classe si va dai metodi più accurati e con il più alto livello di associazione a
quelli meno accurati e corretti.
CLASSE I
CLASSE II
CLASSE III
Gravimetrico
Punto di rugiada
Psicrometria a bulbo
umido
Generatore di vapor
saturo
Spettroscopia
(IR o UV)
Elettrolitico
CLASSE IV
Igroscopico
(resistenza/capacitanza)
Piezoelettrico
Meccanico
(carta, capelli)
METODO GRAVIMETRICO
rappresenta lo standard assoluto per la calibrazione degli strumenti;
comporta l'assorbimento di vapor acqueo presente nell'ambiente con un disseccante
(ad es: Mg (Cl O4)2, P2O5, Al2O3, H3PO4, CaO etc);
sebbene non adatto per scopi operativi, consente una elevatissima accuratezza (fino a
0.001 mg g-1 tra 0.2 e 30 mg g-1).
IGROMETRI MECCANICI
1.
sfruttano la variazione di lunghezza di un fascio di capelli o di una striscia di carta
correlata con la quantità di vapore acqueo da essi assorbita;
2.
i vantaggi sono legati principalmente al basso costo ed alla semplicità d'uso;
3.
gli inconvenienti riguardano:
la non linearità della relazione tra lunghezza del fascio di capelli e umidità;
isteresi, mediamente pari al 3% RH;
influenza della temperatura;
scarsa accuratezza e riproducibilità a basse umidità;
tempi lunghi di risposta (> 5 min).
Vengono generalmente prodotti come igrografi o termoigrografi, nei quali l'elemento
sensibile è collegato con un apparato scrivente su un congegno ad orologeria.
PSICROMETRI A BULBO ASCIUTTO E BULBO UMIDO
rappresentano gli strumenti più diffusi per la misura dell'umidità dell'aria;
tecnicamente sono costituiti da due termometri identici;
l'elemento sensibile di uno dei due termometri è ricoperto da una garza immersa al
capo opposto in un recipiente con acqua distillata (serbatoio);
la determinazione della pressione di vapore avviene attraverso la risoluzione
dell'equazione psicrometrica:
ea = ea* (Tw) - ' (Ta - Tw)
dove ' rappresenta la costante psicrometrica (propria dello strumento), Tw è la temperatura di
bulbo umido e Ta la temperatura di bulbo asciutto.
DESCRIZIONE PSICROMETRO
2 termometri di vetro a mercurio;
ventilatore.
1.
Termometro "asciutto": misura la temperatura dell'aria;
2.
Termometro "bagnato": misura l'abbassamento di temperatura che
dall'evaporazione dell'acqua della garza bagnata ad opera dell'aria ventilata (2 m s-1);
risulta
3.
La perdita di calore per evaporazione dell'acqua continua sino a che la tensione di
vapore dell'acqua nella garza non eguaglia il vapore contenuto nell'ambiente; solo a questo
punto il mercurio del termometro bagnato si stabilizza.
4.
Dalla differenza di temperatura misurata da t. asciutto e quella misurata dal t. bagnato
e dalla misura della temperatura del t. bagnato si risale alla umidità relativa facendo ricorso alle
tabelle psicrometriche.
MISURA DELLA PIOGGIA
-Gli strumenti di misura delle precipitazioni sono basati sull’intercettazione della
pioggia da parte di un imbuto di superficie nota (gen 1/10 di m2) e riportando tale
quantità ad 1 m2 secondo l’equivalenza:
1 L m-2 (= 1 kg –2) = 1 mm (altezza di pioggia)
L’acqua intercettata dall’imbuto:
1. può essere misurata manualmente (es. cilindri graduati) e sono detti
PLUVIOMETRI, oppure
2. Può essere pesata da una bascula gen. tarata sul peso di 0.2 mm di pioggia
(se 1 mm = 1 L m-2 = 1 kg -2  0.2 mm = 200 ml = 200g; se l’imbuto è 1/10 m2
allora la bascula è tarata per 20 ml = 20 g) che trasmette lo scatto ad un pennino
(PLUVIOGRAFO MECCANICO) o ad un trasduttore che lo trasforma in impulso
elettrico che viene registrato da un data-logger (PLUVIOGRAFO
ELETTRONICO).
L’accuratezza della misura è funzione di:
- larghezza dell’imbuto (meglio quelli di 1/10 di m2)
- messa a livello dell’imbuto (ogni scostamento dal piano orizzontale
aumenta o diminuisce la quantità dell’acqua intercettata anche in funzione
dell’inclinamento della pioggia)
- assenza di ostacoli
- assenza di corpi estranei nel sistema (imbuto, filtri, tubi, bascula)
Raggiunto il peso di 20 g un piatto della bascula scende,
lo scatto viene inviato al sistema di misura, l’acqua si
scarica e inizia a riempirsi l’altro piatto