MISURA DELLA RADIAZIONE

Presentazione sul tema: "MISURA DELLA RADIAZIONE"— Transcript della presentazione:

1 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.

2 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;

3 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).

4 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. valore 0 nella scala centigrada (° C, Celsius); 2. valore 32 nella scala Fahrenheit (° F); 3. valore nella scala Kelvin (° K); B. allo stato termico del vapore dell'acqua bollente a pressione normale si attribuisce: 1. valore 100 nella scala centigrada (° C, Celsius); 2. valore 212 nella scala Fahrenheit (° F); 3. valore nella scala Kelvin (° K);

5 gli effetti termoelettrici; la resistenza elettrica;
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.

6 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 °C che rappresenta il punto di congelamento del mercurio; per temperature inferiori si utilizzano termometri ad alcool etilico.

7 termometri a massima e a minima; termometri da psicrometro;
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 .

8 Validità di calibrazione
Accuratezza (° C) Precisione (° C) Output elettrico Costo Validità di calibrazione T. bimetallici 0.5 0.5 no B M 3 anni Liquido in vetro no M 5 anni Termoresistenze 0.1 si B M 1 anno Termocoppie 0.1 si B 1 mese Infra Rosso 1 0.1 si A 1 mese

9 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.

10 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).

11 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.

12 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.

13 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.

14 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.

15 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; i materiali impiegati per la loro costruzione sono diversi: 1. Chromel - Costantana (Coeff. Seebeck 58.5 µV °C-1) 2. Rame - Costantana (Coeff. Seebeck 38.7 µV °C-1)

16 1. livello di accuratezza assoluta;
MISURA DELL'UMIDITA' Le strumentazioni disponibili per la misura dell'umidità (tabella) sono classificabili in base a: 1. livello di accuratezza assoluta; 2. 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 CLASSE IV Gravimetrico Punto di rugiada Psicrometria a bulbo umido Igroscopico (resistenza/capacitanza) Generatore di vapor saturo Spettroscopia (IR o UV) Piezoelettrico Elettrolitico Meccanico (carta, capelli)

17 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 mg g-1 tra 0.2 e 30 mg g-1).

18 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.

19 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.

20 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 risulta dall'evaporazione dell'acqua della garza bagnata ad opera dell'aria ventilata (2 m s-1); 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.

21 1 L m-2 (= 1 kg –2) = 1 mm (altezza di pioggia)
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).

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23 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

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