SI-Mittayksikkö: Lämpötila ja kosteus

Artikkelit
VTT
Decorative image

Tämä artikkeli on osa sarjaa, jossa kerrotaan SI-yksiköistä, niiden toteuttamisesta Suomessa ja niihin liittyvistä palveluistamme. Tämä osa käsittelee lämpötilaa ja kosteutta.

Termodynaamisen lämpötilan SI-yksikkö: kelvin (K)

Kelvin on 1/273,16 veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta (CGPM 1967).

Veden isotooppikoostumus tulee olla seuraava (CGPM 2005):

  • 0.000 155 76 moolia 2H jokaista 1H kohti,
  • 0.000 379 9 moolia 17O jokaista 16O kohti,
  • 0.002 005 2 moolia 18O jokaista 16O kohti.

Lämpötila on statistinen suure, ja se määritellään ideaalikaasun tilayhtälön avulla:

pV = NkT, missä p on kaasun paine, V on kaasun tilavuus, N on kaasumolekyylien lukumäärä, k on Boltzmannin vakio 1,3807 x 10-23 J/K, ja T on termodynaaminen lämpötila, jonka yksikkö on 1 K (Kelvin). Termodynaamisen lämpötilan nollapiste on absoluuttinen nolla (0 K eli –273,15 °C), ja toinen tärkeä piste on veden kolmoispisteen lämpötila, joka on määritelty arvoksi 273,16 K (0,01 °C), siten 1 K = [T (veden kolmoispiste) – T (absoluuttinen nolla)] / 273,16 = (273,16 K – 0 K) / 273,16. Kelvin on yhtä suuri kuin celsiusaste, mutta termodynaamisen lämpötilan lukuarvo on eri kuin Celsius-asteikon lukuarvo. Esimerkiksi jos on lämpötila on 23,00 °C, on vastaava arvo termodynaamisena lämpötilana annettuna 296,15 K.

Kosteus

Kosteus kuvaa veden tai vesihöyryn määrää toisessa aineessa esimerkiksi ilmankosteus kuvaa vesihöyryn määrää ilmassa. Kosteutta voidaan kuvata usealla eri suureella, joista suhteellinen kosteus ja absoluuttinen kosteus ovat yleisimmin käytössä.

  • Suhteellinen kosteus on todellisen vesihöyrynpaineen ja kyllästyshöyrynpaineen välinen suhde tietyssä lämpötilassa, yksikkö % (Pa/Pa).
  • Absoluuttinen kosteus ilmoittaa veden tai vesihöyryn määrän tietyssä tilavuudessa (yksikkö kg/m3).

Kastepiste tai tarkemmin kastepistelämpötila on se lämpötila, johon ilma on vakiopaineessa jäähdytettävä, jotta vesihöyry alkaisi tiivistyä. Kastepisteessä kylläisen vesihöyryn osapaine on sama kuin vallitseva vesihöyryn osapaineilman eli ilma on vesihöyryn kyllästämää ja suhteellinen kosteus on siten 100 % .

Lämpötilan ja kosteuden kalibrointipalvelut

Infrapunalämpömittareiden kalibrointi

Infrapunalämpömittarin kalibroinnissa käytetään joko mustan kappaleen säteilijöitä tai kalibrointilamppuja. MIKESin säteilijät toimivat alueella -40 °C ... 1500 °C, ja kalibrointilamput välillä 700 °C ... 1700 °C.

Mustan kappaleen säteilijän lämpötila voidaan mitata esim. lämpötila-anturilla, joka on upotettu säteilijän seinässä olevaan onkaloon. Säteilylämpötila lasketaan mitatusta lämpötilasta ottaen huomioon säteilijän seinien ja pohjan materiaalien emissiivisyys sekä säteilijän geometria ja lämpötilagradientit. MIKESissä infrapunamittarit kalibroidaan joko omilla kalibroiduilla referenssipyrometreillä tai referenssi­säteilijöillä.

Kalibroinnin tuloksiin vaikuttaa säteilylähteen koko (size-of-source-effect, SSE), koska infrapunamittari kerää lämpösäteilyä mustan kappaleen säteilijän tai mitattavan kohteen ulkopuolelta. MIKESissä mitataan tarvittaessa säteilylähteen koon vaikutus. 

Platinavastuslämpömittareiden kiintopistekalibrointi

Hyvänlaatuisia eli stabiileja standardiplatinavastusantureita kalibroidaan lämpötila-asteikon ITS-90 kiintopisteissä. Kiintopistekenno sisältää usein grafiittikuoreen suljetun puhtaan metallin, esim. tina, sinkki, alumiini, hopea. Kennon keskellä on grafiittiseinäinen tiivis onkalo, jonka sisällä on kvartsiputki. Kiintopistekenno sijoitetaan sopivaan kalibrointiuuniin (pystyuuni), jonka lämpötila nostetaan hitaasti, kunnes metalli sulaa kokonaan.

Tässä vaiheessa lasketaan uunin lämpötilaa hiukan, jotta metallin jähmettyminen alkaisi. Kun metalli on alijäähtyneessä tilassa, kalibroitava anturi lasketaan varovasti kennoon. Anturi kytketään nelijohdinkytkennällä mittasiltaan. Jähmettymistila saattaa kestää jopa 10 tuntia  ja tämän aikana kiintopistekennon lämpötila pysyy ±0,5 milliasteen sisällä. Vastussillan avulla mitataan anturin vastus jähmettymistilan aikana. Anturit kalibroidaan useimmiten kolmen tai viiden eri kiintopisteen avulla.

Kosteusmittareiden kalibrointi

Useimmat kastepistemittarit kalibroidaan kastepistegeneraattorilla. Laboratorion mittanormaalit kattavat kastepistelämpötila-alueen –80 °C ... +84 °C. Kastepistekalibrointeja tehdään myös vertailukalibrointeina kalibraattoreissa esimerkiksi kapasitiivisille kastepistemittareille.

Useimmat suhteellisen kosteuden mittarit kalibroidaan sääkaapissa. Kaapin ilman kastepistelämpötila ja lämpötila mitataan optisella kastepistemittarilla ja digitaalilämpömittarilla. Suhteellinen kosteus lasketaan kastepistelämpötilan ja lämpötilan pe­rusteella. Jos näin saatava mittausepävarmuus ei ole riittävä tai lämpötila-alue ulottuu alle +10 °C, kalibrointi suoritetaan generaattorilaitteistoja käyttäen. Suhteellisen kosteuden mittareita kalibroidaan mittausalueella 10 %rh … 95 %rh lämpötiloissa –20 °C … +85 °C.

Muiden kaasun kosteutta kuvaavien suureiden osalta kalibroinnit suoritetaan samoilla laitteistoilla kuin suhteellisen kosteuden mittaritkin. Näiden suureiden arvot voidaan laskea kaasun kastepistelämpötilan, lämpötilan ja paineen avulla.

Jaa