** Remarque : conformément au règlement REACH 52005DC0020, nous sommes tenus de vendre des thermomètres à mercure uniquement aux clients commerciaux. ***
L'unité de base de la température est le Kelvin, abrégé K. Le Kelvin représente 273,16e de la température thermodynamique du point triple de l'eau pure. Le point triple (= 273,16 K) décrit l'état de l'eau dans lequel elle se présente simultanément dans les phases solide, liquide et gazeuse. Le point triple est 0,01 K plus élevé que le point de fusion de l'eau à une pression absolue de 1013,25 mbar et lui est donc presque identique. Dans les pays européens, l'échelle Celsius est autorisée comme échelle de température légale aux côtés de l'échelle Kelvin. L'unité est le degré Celsius, abrégé °C. L'échelle Celsius est décalée de 273,15 K par rapport à l'échelle Kelvin, de sorte que 0 °C correspond au point de fusion et 100 °C au point d'ébullition de l'eau pure.
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Conversions Kelvin et degrés Celsius |
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T [K] = T - 273,15 [°C] |
t [°C] = t + 273,15 [°C] |
Notions de base :
La température joue un rôle important parmi les variables mesurées en météorologie. D’une part, la température a une influence significative sur le déroulement des processus météorologiques, de sorte que la connaissance de la température de l’air, mais aussi du sol et de l’eau, est une condition préalable essentielle à l’analyse des événements météorologiques. D'autre part, toute une série d'autres variables mesurées (par exemple l'humidité, le vent, le rayonnement, la pression, etc.) peuvent être obtenues indirectement via des mesures de température. Il n’est donc pas surprenant qu’il existe un nombre considérable de méthodes de mesure de la température qui permettent une adaptation poussée à l’objectif de la mesure respective.
Bien que les humains aient une certaine capacité à distinguer les températures, cela ne suffit pas à fournir une lecture de température raisonnablement fiable. Il faut s'appuyer sur des méthodes de mesure indirectes dans lesquelles une autre grandeur dépend de la température de manière suffisamment claire et reproductible. Les tailles les plus importantes et les plus fréquemment utilisées de ce type sont
1. l'extension des corps :
2. thermomètre à gaz,
3. Thermomètres à liquide (thermomètres à mercure, à alcool, tubes de Bourdon),
4. Thermomètre métallique (bimétallique).
5. la tension thermoélectrique
6. la résistance électrique
7. Thermomètres à fil métallique et
8. Thermomètre à semi-conducteur.
Outre ces méthodes de mesure de température les plus couramment utilisées, il en existe d'autres qui sont plus ou moins répandues et qui ont également trouvé leur place dans la technologie de mesure météorologique, par exemple :
- Mesure de la température de surface via le rayonnement terrestre et
- Mesure de la température par rotation du plan de polarisation d'une solution de sucre remplie en ampoules.
Compte tenu de cette variété de méthodes de mesure de la température établies de longue date, mesurer la température de l’air semble être une tâche simple et facile à réaliser. En réalité, il est encombré de nombreuses sources d’erreurs dont l’élimination complète n’est généralement pas possible et dont la réduction doit souvent être obtenue par des erreurs d’autres types. Dans ce contexte, nous devons ignorer les erreurs inhérentes à la méthode de mesure elle-même, qui se produisent également dans les mesures de température non météorologiques, telles que
- vieillissement,
- Erreurs de réglage,
- Erreurs de transmission ou
- Distillation au-dessus du remplissage du thermomètre.
On suppose que le capteur tel que
- boule thermomètre,
- bandes bimétalliques,
- point de soudure du thermocouple,
- corps de résistance
est suffisamment homogène et cette température du capteur peut être correctement déterminée avec la précision requise.
Principes de mesure
Mécaniquement
L'élément de mesure est un ressort bimétallique courbé de manière circulaire, serré à une extrémité, dont la courbure change sous l'influence des changements de température. La transmission aux systèmes à levier s'effectue à partir de l'extrémité libre.
BR>
Des instruments de mesure avec des capteurs remplis de liquide sont utilisés pour la transmission à distance. Dans ce cas, la dilatation du liquide dans le capteur, dépendante de la température, est transmise au ressort de Bourdon dans le boîtier, qui transmet sa déviation au système de levier.
Électronique
Dans la mesure électronique de la température, une résistance dépendante de la température est généralement utilisée comme élément de mesure
(RTD = Détecteur de Température Résistif). La mesure dans laquelle la résistance varie avec la température est déterminée par la
Le coefficient de température du matériau est déterminé. Les matériaux des capteurs sont généralement du platine et du molybdène avec divers
Valeurs nominales et classes de tolérance selon DIN EN 60751.
12.04.01 Thermomètre à résistance d'air Pt100
L'erreur d'inertie
Si un corps - c'est-à-dire en particulier le capteur mentionné ci-dessus - avec la température -& est dans l'air avec la température -&\_, alors en raison de la différence de température -&--&\_ un courant de chaleur sensible circule
(1) L = - α L (θ - θ L )
de l'air à la surface du corps. Il est positif si θ L > θ c'est-à-dire que l'air est plus chaud que le corps. Elle est proportionnelle à la différence de température. L est le flux de chaleur de l'air vers la surface du corps par unité de temps et de surface. Il est en météorologie en Wm 2 spécifié. Le coefficient α L est appelé coefficient de transfert de chaleur et est mesuré en Wm 2 K -1 spécifié. α L dépend de la forme du corps, du type d'écoulement et surtout de la vitesse du vent v, souvent dans une bonne approximation α L ∼√v s'applique- Pour un cylindre d'un diamètre de 5 mm et un écoulement vertical, les valeurs suivantes peuvent être utilisées comme guide approximatif pour la taille de un L prendre:
|
v |
0,1 |
0,2 |
0,5 |
1.0 |
2.0 |
5.0 |
10.0 |
ms -1 |
|
α |
15,7 |
2.1 |
35,0 |
49,5 |
70,0 |
110,7 |
156,5 |
W m -2 K -1 |
La valeur exacte doit être déterminée expérimentalement ou mathématiquement dans chaque cas individuel. Si aucun autre flux de chaleur provenant de l'extérieur n'atteint le corps, cette chaleur s'écoule vers l'intérieur du corps et augmente la température du corps. Pour simplifier les considérations ultérieures, nous supposons que la conductivité thermique du corps est très bonne (métal), de sorte que seules des différences de température insignifiantes se produisent dans le corps et que le corps peut être considéré comme ayant la même température partout. Si C est la capacité thermique du corps et F sa surface, alors le flux de chaleur B circulant de la surface vers le corps peut être
(2) B = [(C • dθ) / (F•dt)]
où d&thau;/dt est le changement de température par unité de temps (Ks -1 ). Le choix du signe, qui paraît quelque peu compliqué, vient du fait que tous les flux de chaleur circulant vers la surface sont comptés comme positifs, ce qui sera également retenu dans les considérations ultérieures.
En l'absence de flux de chaleur supplémentaires comme supposé ci-dessus, (loi de l'énergie)
( 3) L + B = 0
être. Insertion de l'équation (1) et (2) dans l'équation. (3) résultats
(4) - α L •(θ- θ L ) - (C/F)•(d θ / dt)= 0
ou
(5)d θ / dt = - [(α •F) / C] • (θ- θ L ) -
Si vous ajoutez
(6) λ= {(α •F) / C]
Cela nous donne la loi dite de Newton sur le refroidissement
(7) d θ / dt = -λ •(θ- θ L )
L'équation différentielle (7) peut être facilement intégrée
(8) ln = [(θ- θ L ) / (θ 0 - θ L )] = -λt
ou
(9) θ =θ L + (θ 0 - θ L ) • e - λt
où $o est la température du capteur à l'instant t = 0.
En cas de changements brusques de la température de l'air, un thermomètre indique d'abord une température différente, puis s'approche asymptotiquement de la nouvelle température de l'air sans - à proprement parler - jamais l'atteindre, puisque le deuxième terme de l'équation. (9) ne s'annule que pour t → ∞. Le temps nécessaire à un thermomètre pour s'adapter suffisamment à la température de l'air dépend non seulement de la précision souhaitée, mais également de λ. D'après l'équation. (9) la signification physique du coefficient d'ajustement peut être interprétée de telle manière que son inverse τ = 1/λ est le temps après lequel la différence de température entre le thermomètre et l'air a diminué à 1/e fois (1/e = 0,368) de la différence de température initiale. En fonction de l'usage prévu d'un thermomètre, on s'efforcera donc de régler la &lamda; valeur.
L'équation donnée par l'équation. Les relations décrites dans (6) fournissent une base pour cela. On peut voir que λ est d'autant plus grand que la capacité thermique du capteur est faible. De plus, λ augmente avec l’augmentation de la surface F du capteur. En supposant le même matériau et la même forme, C augmente plus fortement (puissance 3) avec les dimensions du capteur que F (puissance 2), de sorte que l'inertie augmente avec l'augmentation de la taille du capteur. L’influence de la taille du capteur sur α L agit dans la même direction. Ici aussi, l'alpha est ; L plus petit pour les corps plus grands. Finalement, l'alpha prend ; L . et donc λ augmente avec l'augmentation de la ventilation.
Pour de nombreuses mesures météorologiques, on essaie de réduire autant que possible l'inertie comme source d'erreur et donc de rendre λ grand. Par exemple, les thermomètres à minimum, dont le volume de remplissage (capacité thermique) ne peut pas être réduit en raison des capillaires plus épais (tiges), ont deux récipients cylindriques allongés au lieu de la sphère. Cela augmente la surface F. Dans de nombreux cas, les thermomètres sont ventilés artificiellement (thermomètres rotatifs, thermomètres à aspiration). À l’inverse, les thermomètres utilisés pour mesurer la température du sol et de l’eau s’appuieront sur une forte inertie, à condition qu’ils s’ajustent à la température du milieu en question (qui est soumise à des fluctuations temporelles beaucoup plus faibles) et qu’ils soient lus après avoir été retirés de l’air.
Si l'on souhaite suivre les fluctuations rapides de la température de l'air, on utilise des thermocouples et des thermomètres à résistance à fils tendus librement, car leur capacité thermique est nettement inférieure à celle des thermomètres en verre les plus fins et leur coefficient de transfert de chaleur est également plus élevé dans les mêmes conditions de ventilation. Bien entendu, les mesures avec des thermomètres de ce type montrent également les limites d’une réduction significative de l’inertie. L’air n’est en aucun cas un corps tempéré de manière homogène. En fait, en raison du mouvement naturel de l'air, des corps d'air parfois plus chauds, parfois plus froids, dérivent au-delà d'un point de mesure fixe, de sorte qu'un appareil de mesure très actif montre une fluctuation rapide et continue de la température de l'air (jusqu'à 1 K et plus), alors que pour la plupart des questions, une valeur moyenne raisonnablement lisse est souhaitée. Grâce à leur inertie, nos thermomètres conventionnels lissent automatiquement les « rafales de température » à un degré adapté à la plupart des usages.
L'erreur de rayonnement
La possibilité d'un compromis tolérable entre la suppression des influences non intéressantes et la détection des influences intéressantes sur la lecture d'un thermomètre, comme c'est possible avec « l'erreur inertielle », n'existe pas avec la deuxième erreur des mesures météorologiques de la température de l'air, « l'erreur de rayonnement ». Afin de pouvoir le calculer, l'équation du bilan énergétique (3) de la surface du capteur doit être étendue par un terme décrivant les influences du rayonnement solaire et terrestre. Bien que l'irradiation d'un thermomètre autonome par le soleil soit extrêmement unilatérale, une valeur moyenne des quantités de rayonnement sur toute la surface doit à nouveau être utilisée et les flux de rayonnement doivent être rapportés à l'unité de surface.
Dans la gamme solaire (environ 0,3...3 (Am)), le thermomètre est affecté par le rayonnement solaire S et le rayonnement diffus du ciel D, ainsi que par le rayonnement solaire réfléchi par le sol et éventuellement aussi par les corps voisins, et dans la gamme terrestre (environ 3...60 ^m) par le contre-rayonnement atmosphérique A et le rayonnement thermique d'autres corps dans les environs. Selon le coefficient d'absorption de la surface pour le domaine solaire (ε s ) et terrestre (ε T ), une partie est absorbée, le reste est réfléchi. La surface elle-même émet dans la gamme terrestre ε T • E = ε T - σ •T 4 où T est la température absolue de la surface et σ est la constante de la loi de rayonnement de Stefan-Boltzmann est (σ = 5,6697•10 -8 F•m -2 K -4 ). La somme de tous ces flux de rayonnement, le bilan radiatif Q
(10) Q = ε s - (S + D) + ε T - (A - σ •T 4 )
entre comme nouveau terme dans l'équation du bilan énergétique (3).
En équilibre stationnaire, lorsque la température $ ne change plus dans des conditions de rayonnement constantes, B = 0 (voir Eq. (2)). Dans ce cas,
(11) Q + L = 0.
Insertion de L à partir de l'équation. (1) aboutit à une relation
(12) Q - α L -(θ - θ L ) = 0
Il s'ensuit :
(13) θ= θ L (Q / α L )
La température θ d'un capteur exposé au rayonnement s'écarte donc de la température de l'air θ L , et ce d'autant plus que le bilan radiatif Q, c'est-à-dire l'apport d'énergie par les processus de rayonnement, est grand et que le coefficient de transfert de chaleur aL est petit.
Si l'on veut mesurer la température de l'air le plus possible sans cette erreur de rayonnement, il faut, d'une part, s'efforcer de maintenir le bilan de rayonnement de la surface du capteur de mesure faible et, d'autre part, assurer une bonne ventilation. Le thermomètre à aspiration, tel qu'utilisé dans le psychromètre à aspiration Assmann, répond parfaitement à ces deux exigences. Ici, le récipient du thermomètre est entouré de deux tubes de protection concentriques nickelés hautement polis. Le tube extérieur maintient en grande partie le rayonnement « étranger » à l'écart du tube intérieur, dont la température ne diffère donc que légèrement de la température de l'air. La chambre à air apparaît en raison du nickelage (ε t = 0,05) uniquement en cas d'échange de faible rayonnement avec le capteur, qui est également ventilé (v > 2 ms -1 ). Les thermomètres à aspiration de ce type, qui peuvent bien sûr également être équipés de capteurs électriques, sont de loin la meilleure méthode pour mesurer la température de l'air. Malheureusement, ils ne peuvent pas être utilisés partout. Le flux de ventilation assez fort nécessite des quantités d'air considérables et perturbe donc les conditions naturelles partout où il y a une forte stratification de température, par exemple près du sol ou dans les peuplements de plantes. En principe, un entraînement électrique du ventilateur est possible aux points de mesure difficiles d'accès, mais la question de l'alimentation électrique, notamment en fonctionnement continu (enregistrement), pose des difficultés considérables, souvent insurmontables, lors des tests sur le terrain. Enfin, l’aspect financier joue un rôle décisif dans les enquêtes plus approfondies comportant de nombreux points de mesure.
Pour de nombreuses mesures, il faut donc se contenter d’appareils de radioprotection plus simples et accepter des erreurs. La protection contre les radiations la plus courante pour les mesures météorologiques est la cabane climatique, que l'on trouve dans chaque station météorologique. Dans sa forme de base, qui a subi de nombreuses variantes, il s'agit d'une enveloppe en bois avec des persiennes comme murs, un double toit et un double plancher, qui, comme les murs à persiennes, laissent passer l'air. À l'intérieur, outre les thermomètres extrêmes et le soi-disant psychromètre de cabane, sont logés les appareils d'enregistrement de la température et de l'humidité. Bien que la cabane soit peinte en blanc, elle chauffe sensiblement au-dessus de la température de l'air, en particulier par temps de fort rayonnement et de faible vent. Étant donné que le bois de la cabane et le verre du thermomètre se comportent presque comme un corps noir dans la gamme du rayonnement terrestre (ε t = 1), le thermomètre présente un bilan radiatif résultant même en l'absence de rayonnement solaire. D'après l'équation. (10) suit :
(14) Q = A - E = σ•T H 4 - σ•T 4 =4•σ•T L • (θ H - θ) = α S • (θ H - θ)
où $h est la température moyenne des parties de la cabane. Le coefficient
(15) α S = 4 • σ • T L 3
(Wm -2 K -1 ) est appelé coefficient de transfert de rayonnement. Le tableau suivant donne une indication de sa valeur :
|
θ H |
-10 |
0 |
10 |
20 |
30 |
°C |
|
α S |
4.1 |
4.6 |
5.1 |
5.7 |
6.3 |
F • m -2 • K -1 |
L'équation du bilan énergétique (11) du thermomètre de la cabane est donc
(16)α S •(θ H - θ) - [α L • ( θ - θ L )] = 0
et donne la température du thermomètre
(17) θ = θ L +[ α S (α L • α S )]•( θ H - θ L )
Comme as et aL sont du même ordre de grandeur, surtout en cas de mauvaise ventilation, une partie de la surchauffe de la cabane est transmise au thermomètre par rayonnement. De plus, l'air est également chauffé lorsqu'il traverse les stores plus chauds, de sorte que #l de l'équation (17) n'est pas la température de l'air à la même altitude à l'extérieur de la cabane. Des erreurs allant jusqu'à 2 K peuvent se produire, bien que l'erreur moyenne reste généralement sensiblement inférieure à 1 K. De même, des erreurs négatives sont possibles la nuit lorsque la cabane présente un bilan radiatif négatif. Les abris anti-radiations et autres protections de nature similaire peuvent réduire l’erreur de rayonnement, mais ne l’éliminent que de manière insuffisante.
Dans le cas instable, B ne disparaît pas. L'équation du bilan énergétique pour la surface du capteur est alors
(18) Q + B + L = 0
ou (19 ) Q - [(C • dθ) / (F • dt)] - α L • ( θ - θ L ) = 0 t
quoi que tu fasses
(20) - [(C • dθ) / (F • dt)] - α L •(θ - (θ L + (Q/α L ))) = 0 _
je peux écrire.
L'équation (20) correspond dans sa structure et dans la solution de l'équation différentielle complètement à l'équation (4), si l'on remplace $L par la température #L+Q/aL modifiée par l'erreur de rayonnement. Même dans le cas instable, un thermomètre rayonné se comporte comme si la température de l'air était supérieure de l'erreur de rayonnement Q/aL.
Si le capteur de mesure est en contact conducteur avec des corps d'une température différente - par exemple via la tige ou le support du thermomètre, les conduites d'alimentation, etc. - de la chaleur peut également circuler vers le capteur de mesure, provoquant une erreur. Cela peut être particulièrement important pour les thermocouples. Pour les mesures conventionnelles de la température de l’air, l’effet ne joue généralement aucun rôle. Les thermomètres humides donnent des lectures erronées dans l'air non saturé en raison du refroidissement par évaporation. L'effet peut provoquer des erreurs à court terme (dérive de brouillard).
Enfin, il convient de noter qu'il n'est pas possible d'éliminer complètement les erreurs de rayonnement dans les mesures de température de l'air, sauf dans le cas où l'air et l'environnement (murs) ont la même température. Tous les corps sont en échange de rayonnement plus ou moins important avec leur environnement, ce qui influence la température corporelle. On ne peut qu’essayer de réduire cette influence à un niveau tolérable pour la question posée, l’effort possible déterminant généralement la limite de précision.
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Exigences minimales pour les mesures de la température de l'air pour |
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Plage de mesure |
résolution |
Requis |
|
-60...60 °C |
0,1 K |
± 0,1 K |
* La précision est déterminée dans des conditions de laboratoire. T>