Originariamente Scritto da
tommy2760
Ciao a tutti!
Era da un po' che volevo aprire questo post ma non ho più avuto un gran tempo.
Sappiamo benissimo che la rilevazione della temperatura è un argomento abbastanza spinoso, meno banale di quanto si possa pensare. I Sensori utilizzati ora come riferimento sono molto accurati, si, però misurano la PROPRIA temperatura: questo significa che si suppone che il sensore stesso sia in equilibrio termico, cioè alla stessa temperatura dell'aria che lo circonda, condizione che, come abbiamo più volte ribadito, non è sempre verificata, soprattutto in estate. Per limitare questo problema si usano sensori sempre più piccoli, che hanno una inerzia termica molto bassa ed una superficie meno ampia investita dalle onde lunghe e corte derivanti dallo schermo ed un consumo di potenza esiguo. Sebbene si siano raggiunti livelli ottimi di rilevamento, l'errore dovuto all'irraggiamento è sostanzialmente inevitabile seppur arginabile in maniera importante.Esistono altri metodi per rilevare la temperatura? La risposta è SI, e si chiama Termometria sonica/ultrasonica.Il principio di funzionamento è secondo me estremamente affascinante ed, in teoria, fisicamente parlando, il più corretto. Ma come si fa?Si sfruttano le proprietà dei gas, per la precisione, la velocità di propagazione del suono nell'aria.Innumerevoli papers sono stati editati da moltissimi ricercatori, fra cui Zuckerwar, con il suo "Handbook of the speed of sound in real gases", in cui spiega in maniera precisa il comportamento e le influenze di diversi fattori sulla velocità del suono nei gas. nel caso foste interessati vi dico che Bisogna masticare MOLTA matematica
Per fortuna però esistono anche formule semplificate che permettono a noi comuni mortali di avvicinarci alle equazioni reali. Ma questo viene dopo. dapprima è necessario capire i principi fisici che ci sono dietro.
La questione è questa: La velocità del suono in aria CAMBIA al cambiare di determinati parametri atmosferici, e per la precisione è estremamente sensibile ai cambiamenti di temperatura , in parte inferiore ma non trascurabile, all'umidità e alla pressione. In realtà si assume che l'aria abbia sostanzialmente una composizione abbastanza standard, formata principalmente da gas Biatomici (azoto ed ossigeno) quindi si tratta come gas biatomico, anche se sappiamo che non è vero. Una concentrazione importante di CO2 ad esempio può fare cambiare la velocità del suono in maniera importante, però si assume che la concentrazione di 400pm sia più o meno costante e non cosi decisiva per la misura che ci interessa (in poche parole è trascurabile). Anche la pressione atmosferica gioca un ruolo fondamentale ovviamente, per semplicità consideriamo di essere a livello del mare (nella formulazione matematica più complessa ovviamente è tenuta in conto)
Esistono tabelle kilometriche di dati che schedano la velocità del suono a seconda dell'umidità e della temperatura dell'aria.
Esiste però anche una formula sperimentale più pratica che può essere scritta come
C = (331.296+ [0.606×T])×(1+
RH(%)x(9.604x10^-6x10^0.032×(T−(0.004×T^2)))) [ovviamanete a livello del mare]Con C=velocità del suono,
RH umidità relativa e T temperatura.
I sensori quindi non devono fare altro che misurare la velocità del suono in aria per poi risalire, tramite procedure iterative, alla temperatura del gas. I tempi di risposta di un sensore ultrasonico non sono nemmeno paragonabili alle PT100, sono istantanei (sensori di ordine 0, come gli anemometri ultrasonici del resto) e soprattutto non sono direttamente influenzati dall'irraggiamento!
Esiste undispositivo chiamato NCTAH (Non Contact Thermometer And Hygrometer) recentemente sviluppato proprio nell'ambito del progetto Meteomet, che sfrutta proprio questo principio per misurare la temperatura, mentre l'igrometro è un TDLAS, insomma, un igrometro laser per farla breve).
NCTAH.jpg
Ovviamente è necessario avere una misura il più precisa possibile della velocità del suono, il che non è per nulla banale, anche perchè nella realtà esiste una deformazione fisica della struttura in cui alloggiano i sensori a seconda della temperatura, cosa che però può essere compensata via software o con l'utilizzo di metalli tipo L'INVAR, che hanno un coefficiente di dilatazione termica praticamente nullo. Bisogna conoscere alla perfezione la distanza fra i sensori ed avere dei riferimenti temporali molto precisi... insomma non è proprio un giochetto!!
Ovviamente anche l'igrometro deve essere molto accurato.
Insomma, la misura della temperatura dell'aria è una misura derivata, che può essere teoricamente accuratissima ma richiede l'utilizzo di almeno un igrometro preciso (a livello del mare)e volendo un barometro.
Ho cercato di essere il meno specifico possibile, ma l'argomento non è proprio banalissimo
Spero di essere stato chiaro, utile e non eccessivamente noioso
Se volete i riferimenti sono:
-An improved non-contact thermometer and hygrometer with rapid response (2017) [Underwood et al]
-A combined non-contact acoustic thermometer and infrared hygrometer for atmospheric measurements (2015) [Underwood et al]
-Effects of environment on accuracy of ultrasonic sensore operating in millimeter range (2016)
Un caro saluto a tutti
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