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  1. #1
    myMeteoNetwork Team L'avatar di capriccio
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    Predefinito Metrologia per la meteorologia - stanza più o meno scientifica di approfondimento

    Ho pensato di creare questo post con l'intento di approfondire, nella maniera più semplice, e senza eccessivi tecnicismi, le problematiche relative alla metrologia applicata alla nostra passione, la meteorologia
    tutto ciò che concerne strumenti, loro caratteristiche, loro perfomances e aspettative concentrati in un unico post, con la possibilità di condividere, oltre alle proprie conoscenze personali, documentazione ufficiale, risultati di studi etc, purchè ovviamente materiale pubblico e reperibile in rete, che non sia protetto e di cui non ne sia espressamente vietata la publicazione.

    I sensori, le loro caratteristiche, le loro doti di precisione ed accuratezza sono il punto di giunzione tra la metrologia, scienza "esatta" della misura, di qualunque parametro e in qualunque ambito, e la meteorologia dove i dati dei sensori servono si a darci un'idea, anche lievemente sommaria, delle condizioni dell'atmosfera ma che, in ambito previsionale, assumono grande importanza per l'impatto che la loro qualità ha sulle capacità elaborative dei modelli previsionali.

    Spero che possa essere di interesse per alcuni di noi, e attendo pareri in merito

    Mauro
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    La misura della reale temperatura dell'aria è l'arduo tentativo di misurare un misurando non misurabile (Capriccio)

  2. #2
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    Predefinito Re: Metrologia per la meteorologia - stanza più o meno scientifica di approfondimento

    In attesa di conoscere il grado di eventuale interesse, posto il link ad un documento di Meteomet di Inrim che descrive le metodologie e il protocollo relativi al progetto di studio dell'effetto albedo in condizioni di suolo innevato e non, progetto concluso da Meteomet e al momento in fase finale di rielaborazione con esito dei test e raffronto tra le schermature dei costruttori che hanno accettato la sfida proposta

    MeteoMet Albedo protocol 20161109091315816.pdf - Google Drive


    Mauro
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    La misura della reale temperatura dell'aria è l'arduo tentativo di misurare un misurando non misurabile (Capriccio)

  3. #3
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    Predefinito Re: Metrologia per la meteorologia - stanza più o meno scientifica di approfondimento

    Di seguito un mio documento, estremamente semplice e volutamente non infarcito di nozioni teoriche e formule, che descrive l'importanza della costante di tempo di un sistema complesso sensore/schermo solare nel rilevamento della temperatura dell'aria.
    Mi auguro possa essere di utilità

    Mauro
    costante di tempo.pdf - Google Drive
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    La misura della reale temperatura dell'aria è l'arduo tentativo di misurare un misurando non misurabile (Capriccio)

  4. #4
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    Predefinito Re: Metrologia per la meteorologia - stanza più o meno scientifica di approfondimento

    Lasciamo per un attimo il puro settore della teoria passando a qualcosa di più legato agli strumenti meteo amatoriali, per tutti i pos*****ri di stazioni cinesi marchiate Ambient weather, Froggit, Haley, Misol e altri nomi ma che comprendono gruppi sensori simili ai seguenti

    -7afef4686516.jpg-ambient-sensors.gif

    tutti prodotti costruiti dalla Fine Offset, e che ricordo NON ritenute a norma per poter aderire alla rete principale MeteoNetwork, un link utile, della Commissione Federale per le telecomunicazioni Usa, contenente immagini dei prodotti interne, schemi, certificati di conformità etc

    Shenzhen Fine Offset Electronics Co., Ltd. FCC ID Applications (WA5)



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    La misura della reale temperatura dell'aria è l'arduo tentativo di misurare un misurando non misurabile (Capriccio)

  5. #5
    myMeteoNetwork Team L'avatar di tommy2760
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    Predefinito Re: Metrologia per la meteorologia - stanza più o meno scientifica di approfondimento

    La metrologia è fondamentale per la meteorologia, hai fatto benissimo ad aprire questo post e a dare una infarinatura generale anche a chi magari si sta avvicinando, ben fatto!
    "La natura ride davanti alle difficolta' di integrazione" (Pierre Simon Laplace)
    http://www.wunderground.com/weathers...?ID=IEMILIAR42

  6. #6
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    Predefinito Re: Metrologia per la meteorologia - stanza più o meno scientifica di approfondimento

    Citazione Originariamente Scritto da tommy2760 Visualizza Messaggio
    La metrologia è fondamentale per la meteorologia, hai fatto benissimo ad aprire questo post e a dare una infarinatura generale anche a chi magari si sta avvicinando, ben fatto!
    Grazie Tommy,
    proseguirò dopo il weekend cercando di mantenere un livello non eccessivamente tecnico e/o noioso


    Mauro
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    La misura della reale temperatura dell'aria è l'arduo tentativo di misurare un misurando non misurabile (Capriccio)

  7. #7
    myMeteoNetwork Team L'avatar di tommy2760
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    Predefinito Il futuro della Termometria_Sensori Ultrasonici

    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
    Ultima modifica di tommy2760; 13/08/2019 alle 11:38
    "La natura ride davanti alle difficolta' di integrazione" (Pierre Simon Laplace)
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  8. #8
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    Predefinito Re: Il futuro della Termometria_Sensori Ultrasonici

    Citazione Originariamente Scritto da tommy2760 Visualizza Messaggio
    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

    Complimenti Tommy, lo leggo con calma oggi che sono libero, data una semplice occhiata mi sembra ben fatto, che ne pensi se lo spostassi nel mio post?
    Solo perché coerente col mio, e in modo di raggruppare tutto in un unico post
    Ahhh l'adiabatica dei liquidi

    Mauro
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  9. #9
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    Predefinito Re: Il futuro della Termometria_Sensori Ultrasonici

    Ciao Mauro! Sisi, se ritieni giusto spostarlo non c'è problema, ci sta, tranquillo!!

    Inviato dal mio Redmi Note 7 utilizzando Tapatalk

  10. #10
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    Predefinito Re: Il futuro della Termometria_Sensori Ultrasonici

    Citazione Originariamente Scritto da tommy2760 Visualizza Messaggio
    Ciao Mauro! Sisi, se ritieni giusto spostarlo non c'è problema, ci sta, tranquillo!!

    Inviato dal mio Redmi Note 7 utilizzando Tapatalk
    Fatto Tommy e grazie per il prezioso contributo
    sono sicuro che questa sarà certamente la tecnologia che,in un futuro abbastanza prossimo, ovviamente privilegiando all'inizio utilizzi prettamente professionali, ci permetterà di conoscere meglio quell'oscuro misurando che è la "temperatura dell'aria" al netto di radiazioni dirette, diffuse o riflesse, scambi termici, effetti albedo etc etc e permetterci di staccarci dall'assunto, purtroppo vero e inequivocabile che il sensore di temperatura, ad oggi, non misura la temperatura dell'aria ma di se stesso, comprese tutte le interazioni che questo comporta

    passo ad approfondire i link

    Mauro
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