BAROMETRIA. Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011

Transcripción

1 BAROMETRIA El objetivo de la batometría es medir la presión estática atmosférica. La presión estática es la fuerza por unidad de área ejercida sobre la superficie en ausencia de movimiento del aire. Es una cantidad escalar e isotròpica. La presión dinámica es la presión por unidad de área debida al movimiento del aire, la cuál es una cantidad vectorial en la dirección de la velocidad del aire. Presión Atmosférica: La presión atmosférica en superficie esta dada por: p( ) = ( z ) ρ ( z ) 0 0 dz Si el aire esta en movimiento, además de la presión estática, existe una presión dinámica debido al viento. Si el viento esta soplando alrededor del barómetro, la presión dinámica inducirá un error que viene dado por: p = 1 Cρ V 2 2 Barómetros de Mercurio. Los barómetros de mercurio están basados en la experiencia de Torricelli. En ellos la presión atmosférica es equilibrada por la columna de mercurio. Consisten básicamente en dos ramas que se comunican, una de ellas cerrada con cámara de vacío y la otra abierta expuesta a la presión atmosférica. Barómetro de Fortín o de cubeta móvil: Básicamente es una columna de mercurio encerrada en un tubo de vidrio (de 90 cm de altura y 12 mm de diámetro interior) y con una cubeta con mercurio en la parte inferior. Al tope del tubo hay vacío. El peso del mercurio en la columna es balanceado por con la fuerza ejercida por la atmosfera en la cubeta. La altura de la columna, relativa a la superficie del mercurio en la cubeta, se determina utilizando una escala adjunta. Para leer la altura, el nivel del mercurio en la cubeta se ajusta al nivel de referencia (por medio de una punta de marfil). Lueo el índice móvil es manualmente ajustado en el tope de la columna de mercurio y para facilitar la lectura de la escala, el vernier presenta una subdivisión entre las divisiones principales de la escala

2 En este ejemplo, ambas escalas están marcadas en unidades de hpa con una subdivisión de 1 hpa. El vernier de la izquierda presenta una subdivisión de 10, lo que permitiría una interpolación a 0.1 hpa. La lectura de hpa que se obtiene de la escala principal mas la lectura de 0.80 hpa que se obtiene del vernier (la division del vernier que se encuentra mas alineada con la escala principal), nos Daria una lectura final de hpa. El vierner de la derecha presenta 20 divisiones.

3 Porque se utiliza mercurio? Tiene una densidad alta (13595,1 k m -3 a 0ºC) y por ello la columna puede ser razonablemente alta. Tiene una presión de vapor muy baja (0.021 Pa a 0ºC) lo que tiene un efecto despreciable en el vacío que se encuentra al tope de la columna. Se puede purificar fácilmente y es químicamente muy estable, pero su vapor es toxico y por lo tanto se debe tener mucho cuidado. Se presenta en fase liquida para un amplio rano de temperaturas (-38,87 ºC a 356,58ºC) Principales fuentes de error en los Barómetros de mercurio A) presión dinámica del viento que puede estar superpuesta con la presión estática y puede producir errores de varios milibares, tanto positivos, como neativos. Los barómetros de mercurio, están usualmente instalados en habitaciones donde el efecto del viento solamente es función de la abertura de puertas o ventanas. B) La densidad del mercurio es función de T y por lo tanto la lectura va a presentar alún coeficiente lineal de expansión. Este efecto debido a la T, se compensa midiendo la T del barómetro lo cual se obtiene por medio del termómetro adjunto, el cuál esta incluido en el instrumento. Lueo se realiza una corrección por temperatura C T. C) La ravedad local debe ser conocida con precisión y se realiza una corrección por ravedad C G. D) La presencia de as por encima del mercurio en el tubo puede causar errores. Por ejemplo la presencia de vapor de aua o aire son fuente de error. E) La tensión superficial del mercurio puede causar una depresión en la columna de H. Por ej en un tubo de 5 mm de diámetro interno, el error debido a esta causa es de 200 Pa y este error decrece a 27 Pa para un tubo de 13 mm. La corrección de este error esta incorporada en la corrección del índice. F) El barómetro debe permanecer vertical G) La presencia de pequeñas burbujas de aire en el H. Estas van ascendiendo lentamente con el tiempo y se dirien hacia la cámara de vacío, venciendo la tensión superficial.

4 Correcciones: La primera lectura de la columna nos da el valor p 1, la cual la convertimos a la presión de la estación, p s, al aplicarle las correcciones del índice, por T y por ravedad. P 2 = P 1 + C x + C T y P s = P 2 + C C X se obtiene por comparación con un barómetro de referencia. Si no se tiene Cx, se asume que es 0. La corrección por T, C T, para los barómetros Fortin tiene la forma: p ( β α )T C T = 1 (la cual se obtiene utilizando la expresión de expansión de volumen: ΔV=βVΔT y la expansión lineal ΔL=αLΔT) β= coeficiente cúbico de expansión del H = 1,818 * 10-4 K -1 α = coeficiente lineal de expansión del H = 1.84 * 10-5 K -1 Utilizando esto nos queda: C T = - 1,63 * 10-4 p1 ΔT corrección local por ravedad: C G = L 0 0 p2 P 2 = es la lectura barométrica con la corrección por temperatura y por índice 0 = ravedad standard= 9,80665 m s -2 (es la ravedad de referencia utilizada en batometría) L = ravedad local Para calcular la ravedad local, primero se calcula la ravedad a NMM y a la latitud φ del barómetro: ϕ 3 = 9,80616(1 2,6373x10 cos x Lueo se corrie por elevación: L = ϕ 6 2 ( 2ϕ ) + 5,9 10 cos ( 2ϕ )) ' ( z ) 6 6 3, z x10 z Donde z es la elevación del barómetro en m y z es la elevación media en un radio de 150 km. Esta expresión es valida para estaciones ubicadas en continentes y lejos de la costa. Con que exactitud debemos determinar la latitud del barómetro? El efecto del error en determinar la latitud seria: L = 2a0sen(2ϕ )( a + 1 2a2 cos(2ϕ )) ϕ

5 Nos quedaría: C ϕ G = p 2 0 ϕ L Esto implica que si determinamos una tolerancia de error de 0.05 hpa, entonces la latitud precisamos determinarla con rados. Barómetros Aneroides Los barómetros aneroides consisten en unas cámaras de vacío con un diaframa flexible que se mueve en respuesta a la presión aplicada. Se basan en las propiedades elásticas de los materiales. Un cuerpo puede ser sometido a fuerzas que modifican sus dimensiones. Cuando las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son diverentes, se denomina tracción y cuando son converentes se la denomina compresión. Si por efecto de una fuerza F un cuerpo de lonitud Lo se estira un ΔL, se llama alaramiento unitario ε = ΔL/L (el cual se cumple en el periodo elástico) Y sea σ = F/s es la tensión. Por Ley de Hooke tenemos que: ε=σ/e Donde E es el modulo de elasticidad y es una característica de los materiales. Si se rafica σ en función de ε, lo que se obtiene es que en la sección que es lineal (ley de Hooke) es la parte elástica del material, lueo pasaría a un comportamiento elástico, hasta la tensión de rotura. Casi todos los materiales en mayor o menor medida tienen un periodo en el cual las elonaciones son proporcionales a las tensiones. A esa zona se la denomina zona de proporcionalidad. Dentro de esa zona se tiene el ciclo de histéresis que de acuerdo al área encerrada es más o menos elástico. La histeresis se presenta cuando la salida del sensor para una cierta entrada, depende de que el cambio en la entrada sea creciente o decreciente. El rafico muestra que la respuesta del sensor es diferente cuando la variable va creciendo lentamente (curva A) que cuando decrece la misma cantidad y de la misma forma (curva B). Esto puede ser un efecto no lineal causado por la fricción mecánica en alunos sensores.

6 El sensor de un barómetro aneroide, se le llama capsulas aneroides, son capsulas circulares hechas de metal con excelentes características elásticas. Dichas capsulas no son planas, ya que de serlo presentarían una repuesta no lineal en la deflección. Por este motivo, es que las mismas se fabrican con una superficie corruada. La siuiente rafica muestra la deflección para una capsula plana y una corruada.

7 La capsula debe estar conectado mediante un sistema que amplifique o reistre sus cambios. La fiura siuiente da un ejemplo de esto: Recientemente se desarrollo otro tipo de barómetro aneroide, cuyo sensor un diaframa de silicona que utiliza la tecnoloía de circuito interado. La salida es una señal de voltaje. Errores en los barómetros aneroides: 1) Están sujetos a los mismos errores de exposición que los barómetros de mercurio. 2) Si bien todos los barómetros estan sujetos a errores inducidos por temperatura, en los barómetros aneroides este error no es lineal. 3) Presentan el efecto de histeresis 4) Requieren calibraciones polinómicas de 2do o 3er orden. 5) Presentan errores por decaimiento del sensor.

8 Comparación entre barómetros: Presentaremos las ventajas y desventajas de los dos tipos de barómetros que presentamos. El costo no esta incluido ya que esto varia mucho con el avance de la tecnoloía. Barómetros de mercurio: Concepto físico simple: es simple de entender como funciona y visualizarlo. No requiere calibración. Difícil de automatizar. Requiere lectura directa. Difícil de transportar Debe permanecer vertical cuando se lo esta operando Requiere una corrección por temperatura para la expansión del mercurio y de la escala. Requiere corrección por ravedad debido a que la presión atmosférica se balancea con la columna de mercurio Vapor de mercurio es toxico Un mal manejo puede introducir burbujas en la reión de vacío lo que causa errores en la medición. Si el mercurio se contamina puede afectar la precisión. Puede existir alun efecto de histeresi al pearse el mercurio al vidrio del tubo. La altura del barómetro no puede reducirse. Barómetros Aneroides: Son de tamaño pequeño La lectura esta automatizada No le afecta ni la orientación, ni el movimiento ni los olpes, haciendo fácilmente transportable No necesita corrección por ravedad El usuario no esta expuesto a materiales tóxicos Si bien el concepto fundamental es simple, la implementación es bastante compleja y se requiere una calibración prácticamente constante. La sensibilidad a la temperatura es rande y no tiene una corrección simple como en el caso de los barómetros de mercurio. Esta sujeto a decaimientos impredecibles, requiriendo frecuente monitoreo y recalibración. Calibración de barómetros: La calibración de barómetros es alo difícil ya que requiere la medición de errores del orden de unos pocos pascales. Se puede desarrollar una estación de chequeo barométrica que sea un sistema que si bien no llea a cumplir los standares de laboratorio es fácil de implementar. Sería un sistema controlado por computadora que expone un rupo de barómetros a los rano de presión en que se trabaja (entre 800 a 1100 hpa.) y en el rano de temperaturas que va desde -30 a 50ºC y los compara con un barómetro de referencia. El barómetro de referencia es un buen barómetro, que se encuentra a T de la habitación y que no es removido nunca de la misma. También debe estar ubicado a la misma altura que los barómetros a testear. El barómetro de referencia debe ser recalibrado periódicamente con laboratorios Standard. La fiura muestra un esquema de implementación de este tipo de sistema.

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