Inledning

Mätning av fukt har stor betydelse inom många områden inte minst inom meteorologin, där den används bland annat för att förutspå kommande väder. Andra sammanhang där fuktmätning har stor betydelse är vid luftkonditionering, korrosion, mögeltillväxt och frystorkning.

I denna laboration studerades olika metoder att mäta luftfuktighet. De givartyper som studerades var en psykrometer, två hårhygrometrar, två daggpunktsmätare, en resistiv givare samt fem kapacitiva fuktmätare. Av de två daggpunktsmätarna var en kommersiell och en hemmabyggd. Tre av de kapacitiva givarna var ”nakna” givare och två var kommersiella givare. Givarna undersöktes med avseende på linjäritet och lämpligt mätområde. Samtliga givare kalibrerades mot den ”bästa” givaren, som anses vara den kommersiella daggpunktsmätaren.

Teori

Daggpunktsmätare

När man mäter luftfuktighet med en daggpunktsmätare mäter man egentligen daggpunkten, dvs. den temperatur vid vilken fukt fälls ut ur luften. Med hjälp av ett Mollierdiagram kan sedan luftfuktigheten bestämmas.

För att mäta daggpunkten används oftast en uppställning liknande den i figur 1. Där sänder en lysdiod ut en ljussignal som reflekteras på en förgylld spegelyta i botten på lådan, som innehåller den fuktiga luften. Den reflekterade signalen registreras sedan av en fotodetektor. Temperaturen på spegeln mäts kontinuerligt med hjälp av en Pt100-givare. Spegelytan kyls sedan, till exempel med hjälp av ett Peltierelement, till dess fukt eller frost fälls ur luften på ytan. Signalen till fotodetektorn reduceras då kraftigt. Daggpunkten registreras då som spegelns temperatur just när signalen till fotodetektorn börjar avta.

Psykrometer

Psykrometern består av två vanliga termometrar, en torr och en ”våt”. Den ”våta” termometern omges av en fuktad trasa som avger fukt när den placeras i en luftström. Detta leder till en sänkning av temperaturen hos den ”våta” termometern. Genom att avläsa temperaturskillnaden mellan de båda termometrarna kan sedan luftfuktigheten bestämmas med hjälp av ett Mollierdiagram.

Hårhygrometer

Hårhygrometern bygger på att ett materials dimensioner ändras när det utsätts för fuktig luft. I detta fall är materialet hår. Hårets längd förändras när det utsätts för fuktig luft. Ju fuktigare luften blir desto kortare blir hårstrået. På så vis kan man få ett mått på luftfuktigheten.

I kommersiella hårhygrometrar används tre typer av hår: syntetiskt, biologiskt och humant hår. Här har hårhygrometrar med syntetiskt och biologiskt hår i form av hästhår undersökts.

Kapacitiva givare

Kapacitiva givare består vanligen av en plattkondensator med ett hygroskopiskt dielektrikum. Kapacitansen hos en sådan kondensator beskrivs av

                                                                                                                    (1)

där e _r är den relativa permitiviteten, e _o permitiviteten i vakuum, A elektrodarean och d avståndet mellan plattorna.

Den relativa permitiviteten för luft är 1 AsV^-1m^-1 och för vatten 80 AsV^-1m^-1. Detta medför att känsligheten för fukt är mycket stor i kondensatorn. Man kan således använda kapacitansen, som är proportionell mot permitiviteten, som ett mått på den relativa luftfuktigheten.

Resistiva givare

I resistiva givare används oftast element baserade på någon typ av hygroskopiskt salt, till exempel LiCl. Resistansen utgör således ett mått på den relativa luftfuktigheten.

Experimentbeskrivning

Laborationen utfördes i experimenthallen på Umeå universitet en tidig onsdagsmorgon. För att reglera fuktigheten i luften användes en fuktregulator, i detta fall en vanlig kontorsfuktare. Från denna leddes den fuktiga luften i ett rör med hjälp av en fläkt ut i klimatkammaren.

Från röret togs mätningar av luftfuktigheten. Dessa användes för att reglera kontorsfuktaren. De tre första givarna i klimatkammaren var kapacitiva givare, Panametrics MiniCap2, Philips H1 och General Eastern GEI-Cap. Därefter satt en resistiv givare, RHU-217-5AT. Denna följdes av två optiska daggpunktsmätare. Den ena var kalibratorgivaren från General Eastern, bestående av en monitor av modell HYGRO M4 och en fuktsensor av modell 1111H. Denna skulle vara den bästa givaren, där fuktigheten bara var att läsa av, medan den andra var en hemmabyggd givare. Den bestod av ett peltierelement, en Pt100-givare, en lysdiod och en fotodetektor. På botten av klimatkammaren fanns två hårhygrometrar, en med animaliskt och en med syntetiskt hår. Ovanför dessa fanns två kommersiella givare, TES-1360 och Hygrotest 6200. Dessa använder sig av kapacitiva egenskaper för att mäta luftfuktigheten. Sist i kammaren satt en psykrometer, det vill säga en ”våt” och en torr termometer.

Resultat

För att se karaktäristiken hos givarna användes en daggpunktsmätare från General Eastern, bestående av en monitor av modell HYGRO M4 och en fuktsensor av modell 1111H, som kalibrator. Resultaten nedan analyserades med utgångspunkten att den gav den faktiska relativa luftfuktigheten,

Daggpunktsmätare

I daggpunktsmätaren mätte en Pt100-givare resistansen vid daggpunkten. Med kännedom om Pt100-givarens egenskaper kan daggpunkten beräknas enligt

                                                                                                            (2)

där R₀ = 100 W och a = 0.385 K^-1.

Den relativa luftfuktigheten utläses sedan ur ett Mollierdiagram.

Den erhållna relativa luftfuktigheten för daggpunktsmätaren som funktion av kalibreringsvärdet ses i figur 2.

Den optiska daggpunktsmätaren visar sig vara mycket användbar över hela kalibreringsintervallet och har inga egentliga nackdelar. Denna typ av givare används därför, precis som nu, ofta för kalibrering av andra givare.

Psykrometer

Figur 3 visar den relativa luftfuktigheten som funktion av kalibreringsvärdet för psykrometern.

Psykrometern ger alltid för högt värde på den relativa luftfuktigheten. Det beror på att man antar att luften blir helt mättad med vattenånga (j = 100 %) när den passerat trasan vid den ”våta” termometern. Detta antagande är inte riktigt sant, men det kommer närmare sanningen ju högre fuktighet luften har innan den passerar trasan. Psykrometern blir därför bättre ju högre luftfuktigheten är.

Hårhygrometer

Figur 4 och figur 5 visar den relativa luftfuktigheten som uppmätts med en hästhårs- respektive syntethårshygrometer.

Hårhygrometrarna var inte helt linjära, men med tanke på den enkla och billiga principen fungerade framför allt syntethårsmodellen relativt bra. Problemet med den här typen av givare, förutom att de inte är så exakta, är att håret slits och måste bytas ut och att det dessutom förekommer hysteres.

Kapacitiva givare

Figur 6 och figur 7 åskådliggör den relativa luftfuktigheten som erhållits med två kommersiella, kapacitiva givare, TES-1360 respektive Hygrotest 6200.

Figurerna 8 till 10 visar den uppmätta kapacitansen för tre ”nakna” kapacitiva givare, modellerna Panametrics MiniCap2, Philips H1 respektive General Eastern GEI-Cap.

De kapacitiva givarna, framför allt de kommersiella, visade sig vara en liten besvikelse. Enligt deras specifikationer har alla mätområde upp till minst j = 80%, men de flesta hade relativt linjära egenskaper endast upp till omkring j = 60%. Så för mätningar vid högre luftfuktighet blir dessa givare svåra att kalibrera.

De kapacitiva givarna har samma för- och nackdelar som hårhygrometrarna, det vill säga de är billiga, men de blir sämre med tiden och måste bytas ut, och de lider också av hysteres.

Resistiva givare

I figur 11 ses den uppmätta spänningen över en resistiv fuktgivare av modell RHU-217-5AT vid varierande luftfuktighet.

Enligt givarens specifikationer klarar den mätningar av luftfuktigheter mellan 30-90%, och med den oerhört goda linjäritet den visade upp är den mycket lämplig för mätningar inom det intervallet.

Diskussion

Samtliga givare utom de två kommersiella kapacitiva givarna TES-1360 och Hygrotest 6200 uppvisade relativt god linjäritet på hela eller stora delar av mätområdet. Detta antyder att det finns många bra sätt att mäta fukt på. Det är dock fascinerande att de två sämsta givarna var kommersiella givare. Av det kan man dra slutsatsen att man inte alltid ska lita på inköpta givare.

Den givare som visat sig ha flest fördelar var helt klart den resistiva givaren. Den hade mycket god linjäritet över hela mätområdet och den är dessutom enkel att använda, billig och relativt liten.

Det bör även nämnas att några av givarna, däribland hårhygrometrarna och psykrometern, visade en konstant avvikelse över eller under kalibreringsvärdet. Detta indikerar att givaren kan fungera bra efter en kalibrering eller att de teorier som ligger bakom respektive givare inte är helt applicerbara på ett reellt system under vissa förutsättningar. En annan förklaring kan vara att den mänskliga faktorn i mätningarna ger upphov till ett konstant avläsningsfel.

Bilaga: Mätdata