Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Transkriptio

1 Kojemeteorologia Sami Haapanala syksy 2013 Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

2 Ilman lämpötilan mittaaminen Ilman lämpötila on ehkä yleisin mitattava meteorologinen suure Vaikuttaa merkittävästi jokapäiväiseen elämään, esimerkiksi pukeutumiseen Helppo mitata jonkinlaisella tarkkuudella, asteen tai parin virhe ei haittaa jokapäiväistä elämää Meteorologisissa sovelluksissa halutaan päästä usein alle 0,1 C epävarmuuteen Tärkein virhelähde on usein altistus

3 Lämpömittareiden altistus Lämpömittari osoittaa aina anturinsa lämpötilaa Jos anturin lämpötila poikkeaa ilman lämpötilasta, on johtuminen kyseessä mittausvirhe säteily Anturi konvektio Anturi vaihtaa energiaa ympäristönsä kanssa johtumisen, konvektion ja säteilyn välityksellä. Energianvaihto ilman kanssa pyritään maksimoimaan ja tukirakenteiden ja auringon kanssa minimoimaan

4 Lämpömittareiden altistus Yksinkertaistetusti lämmönvaihto sylinterinmuotoisen anturin ja ympäristön välillä voidaan laskea seuraavasti: Lämmön johtuminen anturin kannaketta pitkin (H J ). k h on kannakkeen lämmönjohtavuus, A k kannakkeen poikkileikkauspinta-ala, T lämpötilaero kannakkeen yli ja x kannakkeen pituus. H J k h A k T x Lämpöenergian vaihto SM-säteilynä (H S ). A s on anturin säteilyä vastaan kohtisuora pinta-ala, R globaalisäteily ja albedo. H S A R 1 S Lämmön vaihto konvektion välityksellä (H K ). c 8 W m -2 K -1 s -1/2 on empiirinen vakio, L anturin pituus, T a anturin lämpötila, T i ilman lämpötila, D anturin läpimitta ja V tuulen nopeus. H K cl T a T i DV

5 Lämpömittareiden altistus Tavoite on maksimoida energianvaihto ilman kanssa (H K ) ja minimoida vaihto kannakerakenteiden (H J ) ja auringon (H S ) kanssa. Koska (tyyni) ilma johtaa huonosti lämpöä, pitää huolehtia riittävästä konvektiosta, sillä tuulen nopeuden kasvaessa H K kasvaa. Minimoimalla anturin koko H S :n suhde H K :hon pienenee koska H S ALD, kun taas H K LD 1/2. Myös albedon kasvattaminen pienentää H S :ää. Radioluotaimissa on pienet lämpötila-anturit, joiden albedo on suuri (yli 0,8). Maanpinnalla tehtävissä mittauksissa minimoidaan yleensä R käyttämällä säteilysuojaa, joka voi olla luonnollisesti tuulettuva tai koneellisesti tuuletettu.

6 Lämpömittareiden toimintaperiaatteita Lämpölaajeneminen Nestelämpömittarit Kaksoismetallilämpömittarit Lämpösähköinen ilmiö Resistanssi Kapasitanssi Puolijohteet

7 Nestelämpömittarit Soveliasta nestettä (elohopea tai alkoholi) on suljettuna säiliöön, josta lähtee ohut putki Täyteaineiden jäätymispisteitä Elohopea -38 C Talliumamalgaami (Hg-Tl) -58 C Tolueeni -95 C Etanoli -114 C

8 Nestelämpömittarin kalibrointiyhtälö h: nestepatsaan korkeus A: putken poikkipinta-ala Nesteen tilavuuden muutokselle kirjoitetaan yhtälöt: V Ah V V ( ) 0 neste lasi t missä β on lämpölaajenemiskerroin. Nämä yhdistämällä saadaan lämpötilan muutosta vastaava nestepatsaan korkeuden muutos: t A V ( ) 0 neste lasi h V: nesteen tilavuus lämpötilassa t

9 Lämpöpari Kahden eri metallin liitos muodostaa lämpöparin Jos lämpötilat t 1 ja t 2 ovat erisuuret, syntyy piiriin mitattava jännite V t 1 t 2 V

10 Lämpöparin siirtofunktio Kahden eri metallin liitos muodostaa lämpöparin Esimerkiksi kupari-konstantaani parille vakiot ovat a=37,3 μv C -1 b=0,032 μv C -2 Esimerkiksi lämpötilaero Δt=20 C aiheuttaa jännite-eron ΔV=0,759 mv V at b( t) 2 t 1 t 2 V

11 Lämpöparin käyttö Lämpöpari mittaa aina lämpötilaeroa Absoluuttisten lämpötilojen mittaaminen vaatii referenssimittarin Yhdellä referenssimittarilla voidaan mitata useiden termoparien vertailuliitosten lämpötila Sopii hyvin esimerkiksi lämpötilaprofiilin mittaamiseen t 1 t 2 V

12 Vastuslämpömittarit Perustuvat materiaalien resistiivisyyden lämpötilariippuvuuteen Metallivastusanturit Platinalangasta valmistettu Pt100 2 R R 0 a( t t0) b( t t0) missä R 0 = 100 Ω, a=0,39 C -1 ja b = 0,00006 C -2 Termistorit b R ae T b voi olla positiivinen (PTC) tai negatiivinen (NTC)

13 Puolijohdeanturit Monia erityyppisiä antureita Voivat jäljitellä myös perinteisiä antureita, esim. Pt100 anturin toimintaa Ominaisuudet viritettävissä sopiviksi

14 Ilman kosteuden mittaaminen Tärkeä meteorologinen suure Haastava mitattava Absoluuttinen- ja suhteellinen kosteus

15 Ilman vesisisällön mittoja absoluuttinen kosteus d v [g m -3 ] vesihöyryn osapaine e [Pa] sekoitussuhde w=m v /m i [g kg -1 ] (vesihöyryn massa / kuivan ilman massa) ominaiskosteus q=m v /(m v +m i ) [g kg -1 ] (vesihöyryn massa / ilman kokonaismassa) kastepiste T d [ C] suhteellinen kosteus U = (e/e s )100% = (w/w s )100% [%], missä e s on vesihöyryn kyllästysosapaine ja w s kyllästyssekoitussuhde

16 Ilmankosteuden mittalaitteet eli hygrometrit psykrometri hygroskooppiset kosteusmittarit kastepistehygrometrit UV- ja IR absorptiohygrometrit

17 Psykrometri psykrometri muodostuu kahdesta rinnakkaisesta lämpömittarista, joista toista peittää kostea sukka haihdunta sukasta viilentää toista mittaria sitä enemmän mitä kuivempaa ilma on kuivan ja kostean lämpömittarin erotus on verrannollinen ilman kosteuteen lämpömittareita tuuletettava koneellisesti H K LE H K

18 Hygroskooppiset kosteusmittarit Anturiin imeytyy vettä ilmasta suhteessa suhteelliseen kosteuteen Hiuskosteusmittari on perinteinen esimerkki, ongelmallinen tarkkuuskäytössä: ajelehtiminen hysteresis hitaus Sähköisesti luettavissa hygroskooppisissa kosteusmittareissa imeytynyt vesi vaikuttaa anturin kapasitanssiin tai resistanssiin

19 Kastepistehygrometrit Ns. peilihygrometreissä jäähdytetään peiliä kunnes se saavuttaa ympäröivän ilman kastepisteen Veden tiivistyminen havaitaan optisesti, jolloin saadaan määritettyä kastepiste peilin lämpötilana Peilihygrometrilla pystytään mittaamaan hyvinkin alhaisia ilmakosteuksia, T d < -50 C

20 UV- ja IR absorptiohygrometrit Näissä ilman kosteus mitataan sen aiheuttaman IR- tai UV-säteilyn absorption avulla Käytetään laitteiden nopean vasteen (~0.1s) vuoksi

21 Kosteusmittareiden altistus Psykrometreissa ensisijainen mitattava suure on lämpötila, samankaltaiset altistusongelmat Lisäksi psykrometrin sukan likaantuminen voi aiheuttaa virhettä, varsinkin jos epäpuhtaus on hygroskooppista (merisuola) Kylmässä psykrometrien staattinen herkkyys laskee, sukka voi myös jäätyä Kapasitiiviset ja resistiiviset anturit herkkiä pölylle ja ne on suojattava suodattimella

22 Ilmanpaineen mittaaminen Ilmanpaineella on perustavaa laatua oleva vaikutus ilmakehän dynamiikkaan Hydrostaattisessa tasapainossa olevassa ilmakehässä p s 0 g( z) dz Ilmanpaine on siis havaintopaikan yläpuolella olevan ilmapatsaan paino

23 Ilmanpaineen mittalaitteet eli ilmapuntarit Elohopeailmapuntarit sifonibarometri astiabarometri Elastiset ilmapuntarit aneroidibarometri piikalvobarometri Bourdon-putki Hypsometri

24 Elohopeailmapuntarit Elohopeailmapuntari käytännössä standardiinstrumentti Elohopea on tiheää, nestemäinen laajalla lämpötila-alueella, helppo puhdistaa ja kemiallisesti vakaa Haittapuolena myrkyllisyys

25 Sifoni- eli U-putkibarometri Tyhjiö Siirtofunktio: h p Hg g h Kalibrointiyhtälö: p h Hg g Elohopean tiheys ,1 kg m -3 Putoamiskiihtyvyys 9,8 m s -2

26 Sifoni- eli U-putkibarometri Ylä- ja alapinnan pinta-alat yhtä suuret: oikeamittainen asteikko Joko liikuteltava asteikko tai elohopean alapinta Elohopeamäärän ei tarvitse olla tarkka Tyhjiö h p h Hg g

27 Astiabarometri Kiinteä astia ja asteikko Elohopean pinta astiassa liikkuu päinvastaiseen suuntaan kuin patsaan pää Barometrissä oltava tarkoin oikea määrä elohopeaa ja oikean läpimittainen putki Kalibrointiyhtälö p Hg gh1 A A p a

28 Elohopeailmapuntareiden virhelähteitä Dynaaminen paine tuulen aiheuttama, voi riippua esim. ovien ja ikkunoiden aukiolosta ja ilmastoinnista Elohopean tiheyden ja mitta-asteikon pituuden lämpötilariippuvuus lämpötilakorjaus Painovoiman kiihtyvyyden paikkariippuvuus painovoimakorjaus Tyhjiöön päässeet kaasut ilma tai vesihöyry Pintajännitys putken ollessa kapea, esim. 13 mm läpimittaisella putkella virhe on 27 Pa Epäpuhtaudet elohopeassa Ilmapuntarin poikkeamat pystysuorasta

29 Elohopeailmapuntarin funktionaalisen kaavion alku p dyn. p T Elohopeapatsas (anturi) h g

30 Aneroidi- eli rasiailmapuntarit Rasia jossa on tyhjiö Kantena oleva joustava kalvo painuu sisään ulkoisen paineen kasvaessa Kalvon joustama matka luetaan ja muutetaan painelukemaksi Yleisesti käytössä metalli- ja piianeroidi-ilmapuntareita paine kalvon joustama

31 Aneroidi- eli rasiailmapuntarit Paineasteikko Kondensaattori Paineasteikko voi olla myös piirturin paperilla Kondensaattorin kapasitanssi riippuu levyjen etäisyydesta toisistaan joka taas riippuu paineesta

32 Käyttää mikropiiritekniikkaa, mutta samaa periaatetta kuin (muut) aneroidit Etuna pieni koko Piikalvobarometrit

33 Aneroidi-ilmapuntareiden virhelähteitä Dynaaminen paine Lämpötila Vaikuttaa epälineaarisesti useisiin systeemin komponentteihin Voidaan osittain korjata, mutta ei täydellisesti Hysteresis Joissain aneroideissa ongelmallisen suuri Epälineaarisuus Aneroidi vaatii toisen tai kolmannen asteen polynomin kalibrointiin Drift eli ryömintä Aneroidit vaativat usein toistuvaa kalibrointia

34 Aneroidi-ilmapuntareiden käyttö Aneroidi-ilmapuntari voidaan helposti automatisoida, koska se voidaan lukea joko piirturin avulla tai sähköisesti p aneroidi ASK ADM DSK

35 lämpötila [ C] Hypsometri Epäsuora ilmanpaineen mittausmenetelmä Mitataan jonkin nesteen kiehumispistettä, joka riippuu paineesta Vaatii tarkan lämpötilan mittauksen Epälineaarinen vaste Lasipullo Lämpömittarin anturi paine [hpa] Hypsometrineste Lämmitin

36 Ilmanpainemittarin altistus Ilmapuntarin pitäisi mitata staattista painetta Tuulen aiheuttama dynaaminen paine (sekundäärisyöte) voi aiheuttaa systemaattista virhettä mittauksiin Ilmapuntarin ollessa talossa dynaaminen paine riippuu auki olevista ikkunoista ja ovista

37 Ilmanpainemittarin altistus Staattinen portti pyrkii minimoimaan tuulen vaikutusta painemittauksiin Staattiset portit voivat olla herkkiä tuulen pystykomponentille

38 Ilmanpaineen mittaaminen as mapuntarilla Ilmanpaine ilmoitetaan yksikössä mbar eli hpa, yhden desimaalin tarkkuudella Barometri mittaa ilmanpainetta sijaintipaikallaan, joten havaintopaikan korkeudella merenpinnasta suuri vaikutus Lisäksi painovoiman kiihtyvyys vaihtelee paikan funktiona Mitattuun ilmanpaineeseen tehdään siis lämpötilakorjaus jolla korjataan lämpötilan vaikutus elohopean tiheyteen asemakorjaus jolla korjataan aseman korkeus merenpinnasta ja paikallisen painovoiman ero keskimääräisestä Näihin korjauksiin käytetään valmiiksi laskettuja taulukoita