Mätning av fukt

Följande är en laborationsrapport rörande mätning av relativ luftfuktighet som utförts inom kursen Fysikaliska egenskaper hos mätgivare. Kursen ges av fysikinstitutionen vid Umeå Universitet. Vill du veta mer om kursen vänligen kontakta kursansvarig  Hans Forsman.Laborationshandledare var Leif Hassmyr Är det någon fråga som de tre laboranterna inte klarar av att svara på så går det bra att kontakta honom. De som utförde laborationen och som i första hand bör kontaktas vid eventuella funderingar är:

Per Hallberg
Henrik Agerhäll
Erland Nordin

Laborationen utfördes i September år 2000. Scrolla dig igenom dokumentet,gå direkt till Innehållsförteckningen, Resultatsammanfattningen, eller analysera vår Experimentuppställning och vårt Laborationsgenomförande.
 

Innehållsförteckning

 

Inledning
Rapporten handlar om att mäta fukthalten i luft från relativa luftfuktigheten (RH) som råder i labbet till ca 85%’s RH. Mätserier tas vid två olika temperaturer. 10 olika givares funktion och tillförlitlighet analyseras mot en kommersiell daggpunktsgivare (HYGRO M4).
 

 

Experimentuppställning

Laborationsgenomförande
En luftfuktare förser en klimatkammare via ett rörsystem med önskad fukt, och ett värmeelement med önskad temperatur. Med hjälp av en fläkt cirkuleras luften i rörsystemet där en kapacitiv givare ger en utsignal för ”ärvärde”. 10 olika givare studeras och deras mätvärden analyseras.

De kapacitiva givarna ansluts till var sin LCR-mätare Genom att inte koppla in signalkabeln när man nollställer LCR-mätarna kompenserar man för eventuell kabelkapacistans. Som kalibreringskomparator används HYGRO M4-RH. Luftfuktigheten ökas med steg om 5% tills man uppnår ca 85% och fuktgivarnas utslag registreras. Sedan höjs temperaturen till ca 40 oC och mätningarna upprepas. Resultatet visas nedan med en diskussion kring varje givare.
 
 

Presentation av de olika givartyperna samt mätresultat

Psykrometer
En Psykrometer består av två termometrar varav denna en är genomdränkt med en fuktig trasa medan den andra är "torr". Hålls termometrarna i samma luftflöde kommer termometrarna att uppvisa en temperaturdifferens. Denna differens uppstår på grund av att vatten kommer att förångas från den fuktiga termometern varvid värmeenergi tas från termometern och dess temperatur sänks. Om luftflödet mot de båda termometrarna är tillräckligt lika (samma flödeshastighet, temperatur ,luftfuktighet) kommer temperaturdifferensen att vara proportionell mot ( 1 – den relativa luftfuktigheten). Vid relativ luftfuktighet = 1 (100 %) har vi alltså ingen temperaturdifferens. Självklart då den fuktiga termometern inte kan avge någon ytterligare fuktighet till luften då den redan är mättad på vattenånga.Ett problem med psykrometrar är så kallad ofullständig befuktning som uppkommer när  fuktnivån vid den fuktiga  termometern inte når upp till 100 %. Då kommer skillnaden i temperatur mellan termometrarna att bli noll redan innan den relativa luftfuktigheten når 100 % -Nämligen vid den fuktiga termometerns faktiska relativa luftfuktighet.Ofullständig befuktning har man i princip alltid.En principskiss av en psykrometer finns i figur 1 .


           Figur 1. Principskiss av psykrometeruppställning
 

I figur 2 ser vi att temperaturskillnaden varierar linjärt med den relativa luftfuktigheten. Notera att lutningen på kurvorna skiljer sig åt något för våra två olika temperaturer. Detta beror främst på att den maximala mängden fukt som luften kan innehålla varierar med temperaturen. Större maximalt vattenångeinnehåll medför större avdunstning från våta termometern vilket medför ökad avkylning av termometern. Figuren visar alltså resultatet för den psykrometer bestående av två vanliga kvicksilvertermometrar som vi använt i vårt experiment.


Figur 2 Hur skillnaden i temperatur mellan de i psykrometern ingående termometrarna varierar  med relativ luftfuktighet vid 20 respektive 40oC.Vi har gjort en linjäranpassning som visar att psykrometerns känslighet ökar med ökande lufttemperatur. Detta känns naturligt då den maximala mängden fukt som luften kan innehålla ökar med stigande temperatur och avkylningen av den våta termometern är proportionell mot mängden vatten som förångas vid den. Hade vi istället haft absolut luftfuktighet på den horisontella axeln skulle vi förvänta oss samma lutning på de bägge kurvorna.  Noteras bör även att den våta och den torra termometern inte får samma temperatur vid 100 % relativ luftfuktighet utan vid ungefär 84 respektive 90 procent luftfuktighet. Detta härrör sig från fenomenet ofullständig befuktning. Den främsta anledningen till att den relativa befuktningsgraden för den våta termometern tycks skilja sig åt mellan våra båda mätserier är att de utfördes olika dagar och att befuktningsgraden antagligen inte var densamma för bägge dessa dagar. För att få ut den relativa luftfuktigheten kan man gå in i ett så kallat molierediagram och avläsa den torra termometerns temperatur på den horisontella temperaturaxeln och den våta termometerns temperatur på den sneda temperatur axeln. Sedan behöver man bara avläsa den relativa luftfuktigheten i skärningspunkten mellan dessa bägge linjer. (Ofullständig befuktning kvarstår dock som felkälla).
 
 
 
 
 

Optisk daggpunktsgivare

En optisk daggpunktsmätare består av en liten låda inuti vilken man har en liten lysdiod vars ljus reflekteras mot en spegel. Spegeln är ofta gjord av guld pga goda materialegenskaper. Därefter registreras den reflekterade signalen av en fotodiod. Spegeln kyls med ett Peltierelement och vid den temperatur när daggutfällning sker kommer den av fotodioden registrerade signalen att förändras pga att vatten lägger sig på spegeln och förändrar ljusreflektionen. Temperaturen på spegeln mätes då och med hjälp av ett Molliere-diagram kan man sedan gå in och avläsa vilken luftfuktighet man har. Kommersiella daggpunktsmätare som den vi använt för att få fram ett referensvärde  sköter detta med ett inbyggt dataprogram och skriver ut den relativa luftfuktigheten direkt på displayen. Vår kommersiella daggpunktsgivare var av modell General Eastern HYGRO M4-RH. Det var denna givare vi använde som referens och som avses med förkortningen M4 i diverse plottar.Den gav relativa luftfuktigheten direkt på displayen.En illustration av den optiska daggpunktsgivarens funktion finns i figur 3.


                        Figur 3. Principskiss av optisk daggpunktsgivare
 

Vår hemmabyggda optiska daggpunktsmätare hade ett Pt-100 termoelement som man kunde avläsa en temperaturberoende spänning över fastsatt nära reflektionspunkten i  spegeln. Dock hade vi inte någon inbyggd metod att avläsa Pt-100 elementets spänning just vid daggpunkten.Vi kopplade utspänningen från fotodioden till en skrivare och när skrivarnålen rörde sig som mest antog vi att vi kommit till daggpunkten.
I figur 4  ser vi att vår mätning av daggpunkten var förhållandevis god men vi har ett stort systematiskt fel beroende på att vi inte tolkat den förändrade signalen vid rätt tidpunkt eller på att vi har en temperaturgradient mellan termoelementets infästningspunkt  och  reflektionspunkten.I mätserie 2 när vi låg kring 40 grader Celcius lyckades vi bara hitta daggpunkter för relativa luftfuktigheter upp till 15 %.

Figur 4.  Daggpunktstemperaturer för hemmabyggd optisk daggpunktsgivare. Här ser vi vid vilka temperaturer vi uppmätt daggpunkten  jämfört med daggpunktstemperaturer tagna från Molierediagram. Figuren visar en mätserie kring 38 grader Celsius och en kring 21 grader Celsius  (lufttemperatur). Molierediagrammets daggpunkter har utvärderats vid 21 respektive 38 grader Celsius.. Noteras bör också att mätserien kring 38 grader Celcius utfördes en annan dag än den kring 20 .Andra personer utförde denna dag den något problematiska bedömningen av när fotodiodens (fototransistorns) utspänning förändrats så pass mycket att  den reflekterande (I vårt fall pga. kostnadsskäl ej guldbelagda) plattan kylts ner under vattnets daggpunkt. Detta kan förklara att det systematiska felet skiljer mellan de bägge mätserierna. För att omvandla daggpunkten till relativ luftfuktighet avläser man daggpunktstemperaturen i ett Molierediagram och går uppåt i diagrammet tills man kommer till den punkt där den horisontella temperaturaxelns värde motsvarar lufttemperaturen. Där avläses den relativa luftfuktigheten.
 

Kapacitiva fuktgivare

I labuppställningen finns tre "nakna" kapacitiva fuktgivare anslutna. Genom att använda sig av ett fuktkänsligt dielektrikum bli differenser i kapacitansen ett mått på luftfuktigheten. Om man tittar på en plattkondensator så ges kapacitansen av C = där er är den materialberoende permitiviteten och A är plattarean, d är avståndet mellan plattorna (fig.5). Den relativa permitiviteten för luft är 1, och för vatten 81. Det gör att känsligheten för fukt blir stor.
 
 

            Figur  5. Schematisk skiss över en plattkondensator. Med ett fuktkänsligt dielektrikum
                                mellan plattorna blir kapacistansdifferensen ett mått på luftfuktigheten.
 
 

Ett vanligt dielektrikum mellan plattorna i kapacitiva fuktmätare är hydroskopisk polymerfilm. Några nackdelar är att det är en s.k. hysteres, d.v.s. om man går från fuktig luft till torr luft så finns det en tröghet i givaren. Givaren är en icke linjär givare, den kräver ständig kalibrering.

Kapacitiva givarna som analyseras är MiniCap 2, Philips H1 och GEI-Cap. De ansluts till var sin LCR-mätare som kalibreras för kabelkapacistansen genom att nollställa LCR-mätarna när signalkabeln var bortkopplad. Vidare kommer en resistiv givare, RHU-217, med en temperaturkompenserande elektrisk krets analyseras.

 

MiniCap2
Relativa luftfuktigheten mäts med MiniCap2 och plottas mot referensvärden vid 20 och 40oC.


         Figur 6. Relativa luftfuktigheten plottad  mot kapacistiansen för miniCap.

I figur 6 ser man att det är en högre känslighet för MiniCap vid 40oC, dvs ändring i fuktighet ger en större förändring i signal vid 40oC jämfört med 20oC. Från datablad utläses att MiniCap’s arbetsområde ligger mellan 5 – 95 % luftfuktighet och mellan –40 till 80oC. Vid 25oC och 33% RH ska givaren, enligt datablad ge 207pf ± 15 %, vilket uppfylls. Däremot är skillnaden stor om man tittar på kurvornas lutning. I databladet påstås det att linjäriteten ligger på ± 1%, men det verkar stämma dåligt om man ändrar temperaturen på luften. Dessa mätvärden är dock inhämtade vid två olika tillfällen vilket är avgörande betydelse om man ska analysera temperatureffekten. Om man däremot tittar på kurvorna var för sig så verkar den utlovade linjäriteten vara uppfylld.
 
 

Philips H1

Philips H1 uppvisar en mycket god linjäritet upp till 65% luftfuktighet, sen ser man i figur 7 en tydlig avvikelse på kurvan över 40oC. Datablad på H1 säger att vid 25 oC och 43% fuktighet ska givaren ge 122 pf ± 15%. Denna givare visar på 125 pf vid 43% vilket får anses som mycket bra.



Figur 7. Relativa luftfuktigheten plottad mot kapaciteten från Philips H1 vid 20 och 40oC.
 
 Kurvorna följs åt med en liten skillnad som kan förklaras av att vid högre temperatur utvidgar sig materialet i givaren och avståndet mellan plattorna ökar. Det kan vara en förklaring till skillnaden. En annan förklaring kan vara att fysikerna glömt att kompensera för kabelkapacistansen vid mätning över 40oC.
 

GeiCap

                       Figur 8. Figur över GeiCap vid 20 och 40oC.
 

Även här är mätningarna över de båda temperaturerna utförda vid två olika tillfällen med två olika labgrupper. Det gör att det är svårt att säga något om kurvornas läge i förhållande till varandra. Databladet ger att temperatureffekten ska vara mindre än 0.05% RH per oC, men här kan man skönja en gigantisk temperatureffekt. Man kan direkt anmärka på den märkliga lutningen på kurvan vid 40oC. Givaren verkar inte ha fungerat som den ska, alt. fel på inställningarna på LCR-mätaren. Om man koncentrerar analysen till kurvan vid 20oC så ger databladet att linjäriteten ska vara bättre än ± 2% vilket uppfylls mellan 45 och 85 % RH. För värden under 40% RH är linjäriteten mer tveksam.
 
 

Temperaturkompenserande fuktgivare

RHU-217

RHU-217 är en givare som med en fuktkänslig elektronik och en elektrisk krets som kompenserar för temperatureffekten, ger en utsignal som svarar mot luftfuktigheten.
 



           Figur 9. Relativa luftfuktigheten plottad mot RHU-217’s utsignal. Man ser att
                        temperaturkompensatorn inte fungerar för högre relativ luftfuktighet.

Om man studerar injäriteten för de båda kurvorna i figur9  ser man att för RH större än 30% är den mycket bra. Mätdata är dock inhämtat vid två olika tillfällen så det är lite svårt att säga något om temperaturkompenseringen. Osäkerheten ska ligga mellan ± 5% vid 25 oC och 60 %RH, vilket verkar vara uppfyllt.
 
 

Tes-1360

Tes-1360 är en handburen luftfuktighets och temperaturmätare. Här kommer endast att diskuteras luftfuktighetsdelen. Den kan enligt datablad mäta relativ luftfuktighet från 10% till 95%. Upplösningen är 0.1% och noggrannheten (efter kalibrering) ± 3%, (för RH=30%-95%) och ± 5%, (för RH=10%-30%). Responstiden anges till £ 3 min när fuktigheten ökar från 45% till 95% och £ 5 min när den sjunker från 95% till 45%. Sensortypen är en kapacitiv givare (till utseende åtminstone lika den Philips givare som också undersöktes).

Vid 20° C

I figur 10 har RH-värdena plottats mot referensvärdena. Mätpunkterna ligger linjärt för lägre luftfuktigheter men viker av lite när RH stiger över 80%.


Figur 10. Luftfuktigheten angiven av TES-1360 plottad mot referensmätarens angivelse
 

I figur 11 har RHTES/RHref plottats mot RHref för att se avvikelsen tydligare. Man ser att TES-1360 alltid undervärderar luftfuktigheten och att det dessutom blir mer och mer när luftfuktigheten ökar upp till 75%. Om man haft tillgång till förstärkaren i instrumentet så kan man ha kalibrerat bort felet med att öka offseten och förstärkningen. Man skulle dock då ha fått en lite för hög utsignal för luftfuktigheter över 80%.


               Figur 11. Kvoten mellan TES-1360 värde och referensvärdet.

I figur 12 har slutligen det procentuella felet (som angavs efter kalibrering till ± 3%) räknats ut enligt

                                                 (1)
 


           Figur 12. Procentuell avvikelse från referensvärdet.

Den avviker alltså betydligt från det angivna felet på 3% trots att vi ligger nära den temperatur som den kalibrerats vid.

Vid 40° C

I figur 13 är värdena från TES-1360 plottade mot referensvärdena.


                   Figur 13. TES-1360 respons vid 40o C.
 

I figur 14 är den relativa avvikelsen plottad.


            Figur 14. Relativa avvikelsen för TES-1360 vid 40o C.
 
 

Man ser från de relativa avvikelserna att TES-1360 fungerar lite bättre vid 20° C än vid 40° C. Den procentuella avvikelsen är också här uträknad och redovisas i figur 15.



                             Figur 15. Procentuella avvikelsen för TES-1360

Sammantaget så varierar det procentuella felet ganska mycket både när temperaturen ändras och för olika luftfuktigheter. Man bör alltså inte lita blint på siffrorna utan mest se det som en uppskattning av fuktigheten.
 

hygrotest 6200

hygrotest 6200 är en kombinerad temperatur och luftfuktighetsmätare.
 

Här diskuteras endast luftfuktighetsdelen. Den använder en kapacitiv givare och i databladet anges mätområdet till 2%-98% med en upplösning på 0.1%. Noggrannheten är ± 2% ± 1 siffra. Svarstiden för en förändring från 45% till 95% är 2 sekunder vid 90% av förändringen.
 
 

Vid 20° C

Man märkte att hygrotest 6200 reagerade mycket snabbare än övriga mätare men tyvärr slog den över rejält både när fuktigheten ökade som när den minskade. Detta kan dock bero på att mätaren var på väg att gå sönder eftersom man ser från figur 16 att missvisningen blir större och större och att den till slut låste vid 127% (ett par timmar senare när mätningarna var avslutade visade den 150%).


           Figur 16. hygrotest 6200 värden plottade mot referensen M4

I figur 17 har kvoten RHhygro/RHM4 plottats för att visa på avvikelsen mot referensvärdet. Eftersom mätaren uppenbarligen har något fel (RH>100%) så kan man inte säga så mycket om den.


                      Figur 17. hygrotest 6200 avvikelse från referensvärdet

Den procentuella avvikelsen för hygrotest 2600 är inte angiven i databladet. Den räknas ut enligt ekv 1 och presenteras i figur 18.


        Figur 18: Procentuell avvikelse för hygrotest 2600 vid 20? C.
 

Vid 40° C

Denna mätserie är utförd av en annan grupp då instrumentet var lagat. I figur 19 är värdena för hygrotest 2600 plottade mot referensvärdena.


                        Figur 19: Hygrotest 2600 vid 40 °C.

Den procentuella avvikelsen som man vanligen brukar ange noggrannheten med räknas ut enligt ekv. 1 och presenteras i figur 20.


        Figur 20: Det procentuella felet för hygrotest 2600 vid 40 °C.
 

Den fungerar bäst från 30% till 60% luftfuktighet men utanför detta intervall visar den högre värden än referensapparaten. Den relativa avvikelsen för hygrotest 2600 är plottat i figur 21.


                  Figur 21: Relativa avvikelsen för hygrotest 2600

Både hygrotest 2600 och TES-1360 visar värden på luftfuktigheten som avviker upp till 40% av referensvärdet. Dessutom är variationen inte konstant utan ändras både med temperatur och fuktighet. I båda fallen är specifikationerna för instrumenten mycket överdrivna.
 

Hårhygrometrar

Dessa hygrometrar bygger på att hår ändrar sin form för olika luftfuktigheter. Håret kan vara syntetiskt, animaliskt eller humant. Människohår räknas som att vara bäst. Vilken sort som användes i våra två hygrometrar är okänt eftersom datablad saknades. De två hygrometrarna kallas håroch haar eftersom de hade den beteckningen på visartavlan.
 
 

Vid 20° C

I figur 22 och 23 har hygrometrarnas respons plottats upp och deras relativa avvikelse. Trots enkel funktion visar de ändå vettiga värden över ett stort intervall (40% till 85%).


        Figur 22 Hårhygrometrarnas luftfuktighetsvärden plottade mot referensen


            Figur 23. Relativa avvikelsen för de två hårhygrometrarna
 

Vid 40° C

I figur 24 visas de två hygrometrarnas värden när lufttemperaturen är 40 ° C och i figur 25 deras relativa avvikelse från referensen.


            Figur 24: Hårhygrometrarnas respons vid 40 ° Celsius.
 
 



            Figur 25: Relativa avvikelsen för de två hårhygrometrarna.

Om man jämför avvikelsen vid 20 ° C (figur 23) med vid 40 ° C (figur 25) ser man att hårhygrometrarna fungerar mycket bättre vid 20 ° C. Det beror dels på att de är kalibrerade vid rumstemperatur och dels på att hårets form troligen ändras med temperaturen också.
 

Sammanfattning av våra mätresultat och resultatdiskussion
På grund av fel på fuktgivaren kunde inte mätserien vid 40° C tas vid samma tidpunkt. Dessa värden inhämtades från en annan labgrupp. Därför kan man inte ta för hårt på jämförelserna mellan 20 och 40°C. Avvikelserna inom samma mätserie kan däremot värderas och de procentuella felen är mycket större än vad datablad för mätarna anger.
Psykrometern  uppvisar ett linjärt förhållande mellan relativ luftfuktighet och temperaturdifferens mellan termometrarna. Befuktningsgraden för den våta termometern i de båda mätserierna var 84 respektive 90 procent. Känsligheten blir större med ökande lufttemperatur. Detta tros bero på att luftens maximala ångkvot ökar med ökande temperatur.
Den hemmabyggda Optiska Daggpunktsgivaren mätte daggpunkten förhållandevis bra när man jämför med värden tagna ur Mollierediagram. Dock hade vi ett stort  fel på grund av svårigheter med att bestämma tidpunkten för daggutfällningen exakt.
Philips H1uppvisar stabila värden efter en linjär kurva. Den avvikelse som syns i figur 7 för 40° C kan komma från slarv vid avläsningen då kurvan över 20°C syns i det närmaste perfekt.
MiniCap2 visar på en kraftig temperatureffekt när man mäter på fuktigheten. Om man vill ha tillförlitliga värden måste den kalibreras för aktuell temperatur. Linjäriteten uppfyller kraven på  dock bra över hela intervallet
GeiCap fungerar utmärkt för RH större än 40%. Vid lägre fuktighet avtar linjäriteten och resultatet blir därmed osäkrare.
RHU-217 kompenserar för temperatureffekten. Mätdata är dock inhämtat vid två olika tillfällen så det är svårt att säga något om temperaturkompenseringen. För värden över 30% luftfuktighet är linjäriteten god.