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.
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).
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.
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
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 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 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 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).
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
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.
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 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.
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.
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.
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.
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
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.