Fugtmåling i apparater
Oktober 2012 TN3 Fugtmåling i apparater Introduktion til principper og praksis Anders B. Kentved DELTA Venlighedsvej 4 2970 Hørsholm Danmark Tlf. +45 72 19 40 00 [email protected] delta.dk TN3 Indhold Resume ......................................................................................... 3 Baggrund ....................................................................................... 4 Fugtig luft ....................................................................................... 5 Fejl i apparater forårsaget af fugt ................................................... 8 Fugtmåling i apparater ................................................................ 10 Terminologi relevant for hygrometermålinger .............................. 14 Karakterisering af fire forskellige dataloggere ............................. 15 Konklusion .................................................................................. 19 Yderligere eksemplarer af rapporten kan rekvireres hos DELTA på mail [email protected] Side 2 TN3 Resume I dette TEK’notat viderebringes, på koncentreret form, nogle af DELTA’s mangeårige erfaringer indenfor området omkring fugtmålinger, med særligt fokus på målinger i apparater. Området omkring luftfugtighed og dennes måling anses generelt for at være lidt mystisk, og ikke sjældent opstår der fejl og uoverensstemmelser i specifikationer og tolkninger af måleresultater, alene på grund af tvetydige definitioner og manglende forståelse af de mange forskellige enheder for luftfugtighed. Dette forsøges der rådet bod på med dette TEK’notat, hvor de vigtigste definitioner, måleenheder og principper er gennemgået og forklaret. Fugtmålinger inde i apparater føjer en ekstra dimension til problematikken omkring fugtmåling. Det viser sig nemlig, at feltet af mulige måleprincipper indsnævres kraftigt, når man også er nødt til at tage højde for måleinstrumentets indflydelse på fugtforholdene i apparatet. Der gives derfor en introduktion til typiske fejlmekanismer for apparater der anvendes i fugtige miljøer. Med dem på plads er det muligt at vurdere, om og hvordan, et givent fugtmåleinstrument vil influere på måleresultatet. I den sidste del af notatet ses der nærmere på en række kommercielle fugtmåleinstrumenter i form af små dataloggere, der kan måle både fugt og temperatur. Deres vigtigste specifikationer gennemgås, og der gives vejledning om nogle af de parametre i databladene, man skal være særligt opmærksom på. Endelig beskrives resultater fra en karakterisering af loggernes måleegenskaber, udført af DELTA. Anders B. Kentved, Reliability specialist DELTA Side 3 TN3 Baggrund De seneste års reduktion af effektforbrug i elektronik, og dertil hørende reduktion af varmeafgivelse, har medført et stigende antal fejl i apparater, som anvendes i fugtige miljøer, dvs. primært udendørsmiljøer. Dette har gjort fugtmåling inde i apparater, både under brug og i fugttest, vigtigere end nogensinde før. Figur 1 Fugtforløb i apparat under cyklisk fugttest. Venstre: Normal effektafsættelse i apparat. Højre: Ekstra effektafsættelse i apparat.. Det viser sig dog at være vanskeligt at udføre målingerne korrekt, og der tages derfor ofte forkerte beslutninger på baggrund af fejlagtige målinger. Fejlmålinger skyldes typisk: At det anvendte fugtmåleinstrument påvirker miljøet i apparatet for meget. At måleinstrumentets sensor/elektronik ikke måler tilstrækkelig nøjagtigt. At måleinstrumentets sensor/elektronik ikke reagerer hurtigt nok (for lang responstid). At måleinstrumentets sensor/elektronik ødelægges pga. kondens eller korrosion. At apparatet forstyrrer måleinstrumentet med elektromagnetisk støj. Fugtmålinger i krævende miljøer og kalibreringer af fugtmåleinstrumenter har været en del af DELTA’s daglige arbejde i mere end 30 år. Erfaringerne herfra videregives løbende til danske industrivirksomheder, bl.a. som en del af DELTA’s resultatkontrakt med Forsknings- og Innovationsstyrelsen. I den forbindelse gennemføres der i 2012 et projekt om fugtmåling i apparater som indeholder: Karakterisering af udvalgte temperatur- / fugtsensorer med tilhørende måleelektronik (dataloggere). Test af sensorernes/elektronikkens målenøjagtighed efter kondensnedslag. Test af sensorernes/elektronikkens målenøjagtighed efter måling i et korrosivt miljø. Test af sensorernes/elektronikkens immunitet overfor elektromagnetiske felter. Udarbejdelse af en industriguide som beskriver best practice for fugtmåling i apparater. I dette TEK’notat gives en introduktion til principperne omkring fugtmåling generelt, samt nogle af de særlige udfordringer man støder på, når man skal måle fugt inde i apparater. Der gives desuden et uddrag af de seneste resultater fra ovenstående projekt. Side 4 TN3 Fugtig luft Fugtig luft er sammensat af: Tør luft, indeholdende: ~78 % kvælstof (N2), ~21 % ilt (O2) og mindre dele af flere andre gasser. Vanddamp (H2O på gasform). Luften omkring os indeholder altid en vis mængde vanddamp og kan derfor altid siges at være mere eller mindre fugtig. Ordet vanddamp giver ofte anledning til misforståelser, da det kan betyde to forskellige ting: Enkelte vandmolekyler eller samlinger af mange vandmolekyler (dråber). Når man taler om luftfugtighed og dennes måling, betyder vanddamp altid vand på gasform, dvs. helt usynlige frie enkeltmolekyler med en diameter på en brøkdel af en nanometer. Denne vanddamp er meget forskellig fra den synlige vanddamp man kan observere som tåge, skyer eller det der kommer ud af en kedel, der koger. Her er der tale om samlinger af utallige vandmolekyler, dvs. dråber. Selv den fineste lille skydråbe indeholder mere end 1000 milliarder vandmolekyler! Figur 2 Typiske skydråber har en diameter på 10-20 µm og indeholder mere end 1000 milliarder vandmolekyler. På ovenstående figur befinder flyet sig i et område med fugtig luft som er helt usynlig. Men da det gennembryder lydmuren opstår der trykforskelle i afgrænsede områder omkring det. Der hvor trykket er lavt, afkøles luften momentant ved såkaldt adiabatisk ekspansion og vandmolekylerne samler sig (kondenserer) i fine vanddråber. De mange dråber danner synlige hvide skyer, der bortset fra formen er mage til dem, vi normalt ser på himlen. Grunden til at man siger damp og ikke gas er, at vand ved normale temperaturer og tryk befinder sig under sit såkaldte kritiske punkt (374 °C og 22,1 MPa = 221 Bar). Over det kritiske punkt kan et stof kun eksistere på gasform. Under det kritiske punkt kan det sameksistere i flere faser, eksempelvis: fast/damp, flydende/damp eller endda fast/flydende/damp som vandet ved dets tripelpunkt (0,01 °C = 273,16 K). Rent definitionsmæssigt har man vedtaget at bruge damp for stoffer på gasform, når de er under deres kritiske punkt, og gas når de er over, men der er ingen fysisk forskel. Netop det at vand konstant skifter fase, alt efter temperatur og tryk, under vores atmosfæriske forhold, gør det utrolig svært at styre, hvor vandet kommer hen. Vand kan f.eks. let komme ind i et apparat på dampform selv igennem de mindste huller og sprækker - endda igennem massiv plastik! Inde i apparatet kan vandet så give utallige problemer, især når det kondenserer og dermed begynder at Side 5 TN3 kunne lede strøm, hvis bare den mindste smule forurening er til stede. På flydende form kan vandet være umuligt at få ud samme vej som det kom ind, da det nu er samlet i enorme dråber. Absolut luftfugtighed Den absolutte luftfugtighed angiver massen af vanddamp pr. volumenenhed fugtig luft. Den måles typisk i g/m3. Bemærk, at den absolutte luftfugtighed er uafhængig af hvor meget tør luft (N2, O2 mm.) der er til stede i volumenet. Damptryk Damptrykket er det tryk, vanddampen giver anledning til ved en given temperatur. Det måles normalt i Pa. Både den tørre luft og vanddampen bidrager til den fugtige lufts samlede tryk. Vanddampens del af trykket kaldes derfor ofte også for vanddampens partialtryk (deltryk). Dugpunkt Dugpunktet, eller mere korrekt dugpunktstemperaturen, er den temperatur, man skal nedkøle en given fugtig luftmasse til, for at der begynder at opstå dug eller kondens. Det er dermed også temperaturen, hvorved fugtig luft bliver mættet i ligevægt med vand. Relativ luftfugtighed Den relative luftfugtighed er forholdet imellem den aktuelle mængde vanddamp i en fugtig luftmasse (umættet) og den maksimale mængde vanddamp, som luftmassen ville kunne indeholde ved samme temperatur (dvs. hvis den var mættet med vanddamp). Relativ luftfugtighed udtrykkes normalt i procent med værdier fra 0 til 100. Den internationalt vedtagne notation er %rh. Den relative luftfugtighed kan både bestemmes ud fra forholdet imellem umættet/mættet absolut luftfugtighed og forholdet imellem umættet/mættet damptryk. Da damptrykket og dugpunktet (mætningspunktet) er de letteste at måle nøjagtigt, foregår beregninger imellem de forskellige måleenheder for fugt, ved brug af internationalt vedtagne empiriske formler for mætningsdamptrykket som funktion af temperaturen. Figur 3 Sammenhængen imellem lufttemperatur, dugpunkt og relativ luftfugtighed. Læg mærke til at dugpunktet altid er lig med lufttemperaturen ved 100 %rh. Her er den fugtige luft lige netop mættet med vanddamp, og der opstår dug eller kondens. Side 6 TN3 Den relative luftfugtigheds afhængighed af temperaturen er meget større ved høje relative fugtigheder end ved lave. Det kan ses af Figur 3, ved at %rh linjerne med høje %rh værdier ligger tættere end dem med lave værdier. Eksempelvis giver en 1 °C ændring af temperaturen ved 25 °C og 20 %rh en ændring i relativ fugtighed på 1,2 %rh. Ved 25 °C og 90 %rh er ændringen 5,2 %rh. Vand har en eksponentielt stigende tendens til hellere at ville være på dampform end flydende form ved højere temperaturer. Stiller man eksempelvis en skål med vand ind i en lukket beholder ved 25 °C, vil luften i beholderen efter et stykke tid bliver mættet med vanddamp og indeholde ca. 23 g vanddamp pr. m3. Gør man det samme ved 55 °C, vil man få ca. 104 g vanddamp pr. m3. Resultatet vil i øvrigt være det samme, uafhængigt af hvor meget tør luft (N2, O2 mm.) der er til stede samtidig i beholderen. Den absolutte luftfugtighed, dugpunktet og den relative luftfugtighed er alle uafhængige af tilstedeværelsen af tør luft. Derimod afhænger udbredelsen af vanddamp, fra eksempelvis vandoverflader og dråber og ved både flow og diffusion, afgørende af den omgivende tørre luft. Hygroskopisk / Hygrometri / Hygrometer Ygros er græsk og betyder fugtigt eller vådt. Et materiale som har tendens til at optage fugt kaldes hygroskopisk. Måling af luftfugtighed kaldes hygrometri og til dette anvendes et hygrometer – se Figur 4. Figur 4 Eksempler på håndholdte elektroniske hygrometre med visning af relativ luftfugtighed og temperatur. Side 7 TN3 Fejl i apparater forårsaget af fugt Fugt er generelt kendt for at have negativ indflydelse på elektronik og mekanik. Mange vælger derfor at beskytte et nyt produkt imod fugtige miljøer, ved at indeslutte det i en eller anden form for kabinet. Man har således lavet et apparat. I nogle tilfælde vil man dog opleve, at kabinettet ikke yder den beskyttelse, man havde regnet med, og at produktet begynder at fejle efter nogle få uger eller måske måneder i brug. Man vil desuden ofte finde ud af, at ens almindelige forestillinger om tæt og utæt ikke holder stik, og at der bliver ved med at opstå fejl, selv efter gentagne forsøg på at forbedre designet. Typiske fugtrelaterede fejl i apparater med elektronik og mekanik inkluderer: lækstrømme, kortslutninger, korrosion, generel forringelse af materialeegenskaber, delaminering, dug på optiske komponenter mm. To eksempler er vist i Figur 5. Figur 5 Korrosion på printkort efter 2 dages fugttest. Konstant høj relativ luftfugtighed Generelt betyder højere relativ luftfugtighed flere og værre fejl. Hvis temperaturen dertil øges, og den relative fugtighed samtidig holdes høj, bliver miljøet endnu hårdere. Miljøer med en relativ fugtighed over 80 %rh betragtes normalt som værende potentielt farlige, med stor risiko for fugtrelaterede fejl. Inden for korrosionsområdet viser det sig ofte, at relative fugtigheder på over 50, eller nogle steder 60, %rh er kritiske. Som en grov tommelfingerregel kan man normalt regne med, at fugtrelaterede fejl kan undgås, hvis man holder den relative fugtighed under 50 %rh inde i sit apparat. Fugttest med konstant temperatur og relativ fugtighed udføres ofte efter IEC 60068-2-78, Test Cab, Damp heat, steady state. Standardkonditionerne er 85 og 93 %rh ved 30 eller 40 °C. Ofte testes også ved 55 °C og samme relative fugtigheder. Varigheden kan være alt lige fra 12 timer til 56 døgn. Nogle test, eksempelvis IEC 60068-2-67, specificerer 85 °C / 85 %rh i op til 2000 timer (primært til test af elektronikkomponenter). Cykliske forløb - vandakkumulering i et næsten tæt apparat Hvis temperaturen ændrer sig, og den relative fugtighed konstant er høj, er muligheden for vandakkumulering ved pumpeeffekt til stede. Det kan f.eks. ske med en telefon nede i en løbers varme og fugtige lomme, eller i en elektronisk vejtavle på en dag med en blanding af solskin og byger. Det er ikke flydende vand, som kommer igennem pakninger og små huller, men fugtig luft med vanddamp som beskrevet i forrige afsnit. Den fugtige luft kommer ind alle steder, hvor almindelig tør luft også kommer frem. Når temperaturen senere falder, skifter den indkomne vanddamp fase igen, den kondenserer og bliver dermed et problem for elektronikken og mekanikken. Side 8 TN3 Vanddampen kan komme frem på to måder, enten ved diffusion, som når duften af parfume breder sig i et rum, eller ved et decideret flow som skyldes trykforskel og kendes fra en punkteret cykelslange. Begge dele sker for vanddamp ind og ud af et næsten tæt apparat. Når temperaturen ændrer sig, opstår trykforskelle imellem apparatets indre og omgivelserne, og der opstår et flow af fugtig luft. Diffusion er til stede hele tiden. E M Figur 6 Simplificeret model af et næsten tæt apparat. L V Akkumuleringen af kondensvand i et apparat (E) – se Figur 6 – opstår fordi diffusionen igennem et lille hul (L) sker mange gange langsommere end flow igennem samme hul, og en masse (M) i apparatet (transformator, batteri, kondensator, spole mm.) virker som kondensfælde under temperaturstigninger. Hullet (L) er altså stort nok til at luft og vanddamp kan komme hurtigt ind og ud pga. flow, men ikke ved diffusion. Vanddampen akkumuleres imidlertid i apparatet fordi massen (M) holder på det som kondensvand under temperaturstigninger, hvor det ellers ville komme ud med luften. Air temperature [°C] RH constantly ~ 95 % TU Mass M acts as condensation ”trap” (diode effect) Figur 7 Vandakkumulering i et næsten tæt apparat under temperaturændringer ved høj relativ fugtighed. Vapour condenses on walls of enclosure E TL A1 B1 C1 During the cycle, more water (vapour) enters the enclosure than escapes! ∂mH2O/∂t Vapour flux out Time D1 - mH2O + mH2O + mH2O Time Vapour flux in For et givent apparatvolumen (V) findes der en bestemt ækvivalent hulstørrelse (altså utæthed) som giver mest vandakkumulering. Et typisk IP-66, IP-67 eller IP-69 tæt apparat har en ækvivalent hulstørrelse på ca. 0,2 - 0,4 mm, som ligger tæt på worst-case. Desuden gælder, at jo større masse (M), jo mere akkumuleret vand. Omfanget af vandakkumulering og andre kondensfænomener for et givent apparat undersøges normalt i såkaldte cykliske fugttest (se Figur 7), dvs. fugttest med varierende temperatur og konstant høj relativ fugtighed. De udføres ofte efter IEC 60068-2-30 eller IEC 60068-2-38. Her er temperaturændringerne typisk imellem en nedre temperatur på 25 °C og en øvre temperatur på 40 til 65 °C. Skiftetiderne er i størrelsesordnen 2-3 timer, og der køres 1-2 cykler i døgnet. Et helt testforløb varer normalt imellem 2 og 12 døgn. Detaljeret information om de mange forskellige cykliske testforløb kan findes i SPM-176, Anders B. Kentved, Humidity testing of electronics and mechanics, 2008. Side 9 TN3 Fugtmåling i apparater For at sikre sig mod fugtrelaterede fejl i apparater kræves det, at apparatet er specialdesignet til anvendelse i fugtige miljøer. Et effektivt værktøj til udviklingen af et apparat uden fugtproblemer, er fugtmålinger foretaget inde i apparatet under brug og i fugttest. Det giver mulighed for at måle virkningen af typiske designforbedringer som: indbygning af semipermeabel membran (f.eks. GoreTex), tørring med et porøst materiale (f.eks. Silica gel) eller opvarmning. Krav til hygrometret Som indikeret i de to forrige afsnit, skal der ikke meget til at påvirke fugtmiljøet inde i et apparat. En ekstra tilføjelse af masse, effektafsættelse eller utæthed på grund af en ledning til et målehygrometer, vil ændre miljøet afgørende. Dertil kommer, at både temperaturen og den relative fugtighed skal måles ret nøjagtigt og ofte ved høje temperaturer og relative fugtigheder. For at opnå retvisende fugtmålinger i apparater kræves derfor et hygrometer, der opfylder følgende krav: Lavest mulig: masse, størrelse og effektafsættelse. Trådløshed og dermed mulighed for logning af målinger for både temperatur og relativ fugtighed. Temperaturområde: -10 til 70 °C eller større. Fugtområde: 20 til 100 %rh (i hele temperaturområdet). Nøjagtighed, temperatur: ± 0,5 °C eller bedre. Nøjagtighed, fugt: ± 3 %rh eller bedre (i hele måleområdet). Skal kunne tåle kondens. Responstid: 30 min. eller lavere. Der kan desuden gives følgende praktiske tommelfingerregler: Hygrometrets masse skal være sammenlignelig med, og helst mindre end, den største koncentrerede masse inde i apparatet, ellers er der mulighed for at kondensfænomener ændres. Desuden vil den endelige mængde kondensvand ved fugtpumpning blive tilsvarende større. Hygrometrets volumen skal være ca. 1/5 af apparatets frie volumen eller mindre. Ellers vil fugtpumpningen nedsættes. Ovenstående skal betragtes som minimumskrav. Afhængigt af apparatets brugsmiljø og funktion kan det også være nødvendigt, at hygrometret kan tåle særlige korrosive miljøer, og ikke bliver forstyrret af elektromagnetisk støj fra eksempelvis wireless moduler eller switch-mode strømforsyninger. Fugtmåling - en vanskelig disciplin Måling af luftfugtighed er ikke så ligetil, som mange tror, og det viser sig ofte, at selv de bedste hygrometre i praksis ikke måler nøjagtigt nok til en given opgave. Her adskiller fugtverdenen sig meget fra eksempelvis temperaturverdenen, især når det gælder høje relative fugtigheder ved høje temperaturer - altså typiske testkonditioner. Tager man eksempelvis IEC 60068-2-78, Test Cab, Damp heat, steady state, er en af standardkonditionerne specificeret som: 40 ± 2 °C og 93 ± 3 %rh. I dag vil man, med et instrument til ca. 500 - 1000 kroner, kunne klare temperaturmålingen med en nøjagtighed på ca. ± 0,2 °C, dvs. 10 gange bedre end kravet til testkonditionen. For fugten derimod, er den bedste nøjagtighed hos de nationale referencelaboratorier i verden, med udstyr til flere hundrede tusinder kroner og videnskabeligt personale, ca. ± 1 %rh, eller kun omkring 3 gange bedre end kravet til testkonditionen. Side 10 TN3 Det kan umiddelbart være svært at genfinde ovenstående problematik når man kigger i datablade for forskellige hygrometre. Her opgives der ofte målenøjagtigheder i størrelsesordnen ± 1-2 %rh, altså tæt på det bedst opnåelige. Kigger man lidt nærmere, vil man dog normalt finde ud af, at den fine målenøjagtighed kun gælder for et mindre måleområde, typisk omkring stuetemperatur og 10 – 90 %rh. Måleprincipper Langt de fleste moderne hygrometre benytter ét af følgende måleprincipper: Vandoptag i/på et hygroskopisk materiale (kapacitiv eller resistiv fugtsensor). Afkøling ved fordampning af vand fra en våd væge (psykrometer). Kondensation af vand på en blank metaloverflade der afkøles til dugpunktet (spejlhygrometer). Psykrometre og spejlhygrometre er langt de mest nøjagtige, især ved høje temperaturer og relative fugtigheder. Dertil kommer en forsvindende lav hysterese og langtidsdrift. I praksis kan de dog ikke anvendes til måling af fugt i apparater, da de udover at være alt for store og tunge, enten afsætter for meget effekt (adskillige Watt) eller tilfører vand til omgivelserne (ved fordampning). De resistive fugtsensorer kan normalt ikke tåle kondens, og selvom der hele tiden udvikles bedre typer, er udvalget af gode hygrometre med resistive sensorer yderst lille. Tilbage er der kun de kapacitive sensorer, og man er derfor tvunget til at forholde sig til deres typiske svagheder for at opnå tilfredsstillende måleresultater. Svaghederne inkluderer: temperaturafhængighed, hysterese og langtidsdrift. Kapacitiv fugtsensor En kapacitiv fugtsensor består af et hygroskopisk materiale (dielektrikum) placeret imellem to elektroder, hvilket danner en kondensator. Dielektrikummet er normalt, som illustreret i Figur 8, en polymer (f.eks. polyimid = Kapton®) eller et metaloxid (f.eks. aluminiumoxid, A2O3). For at skabe mekanisk stabilitet benyttes et substrat (understøttende materiale), typisk glas, keramik eller silicium. Ovenpå substratet ligger først den ene elektrode, derefter dielektrikummet og øverst den anden elektrode. Den øverste elektrode er lavet perforeret, så den fugtige luft kan slippe igennem den og ned til dielektrikummet. Metaloxid benyttes primært som dielektrikum ved måling af meget lave fugtigheder, hvorimod polymer anvendes i hele området 0 - 100 %rh. Polymersensorer er derfor de mest oplagte til fugtmålinger i apparater. Figur 8 Typisk opbygning af kapacitiv polymersensor. Side 11 TN3 Sensorens kapacitet som funktion af den relative fugtighed C(RH) kan findes af C(RH) = εRH · ε0 · A / d hvor εRH er den relative permittivitet (eller dielektricitetskonstanten) for polymeren ved en given relativ fugtighed, ε0 er vakuumpermittiviteten, A er elektrodearealet, og d er afstanden imellem elektroderne. εRH stiger med vandoptaget i polymeren, fordi den relative permittivitet (εr) er højere for vand end for polymeren. For eksempel er εr ca. 3,5 for polyimid (Kapton®) men ca. 80 for vand (begge ved stuetemperatur). Da vandoptaget i polymeren stiger nogenlunde proportionalt med den relative fugtighed, bliver sensorens kapacitet som funktion af den relative fugtighed C(RH) tilnærmelsesvis en ret linje – se Figur 9. Figur 9 Venstre: Eksempel på kapacitiv polymersensor. Højre: Eksempel på karakteristik for en kapacitiv polymersensor. Den nominelle kapacitet (ofte opgivet ved 50 %rh og 25 °C) ligger normalt omkring 100 - 500 pF, og følsomheden er typisk 0,2 - 0,5 pF / %rh. En så lav kapacitet sætter en praktisk begrænsning for længden af sensorens tilledninger, typisk på omkring 3 m. Årsagen er tilledningernes egenimpedans. Selv med en state-of-the-art produktion er det normalt ikke muligt at lave kapacitive sensorer tilstrækkelig ens. I de fleste tilfælde kalibreres alle nye sensorer derfor fra fabrikken, så en efterfølgende individuel justering eller korrektion er mulig. Vandoptaget i en polymer som funktion af den relative fugtighed falder en smule med temperaturen. Dertil kommer, at εr for vand også falder ved stigende temperatur (εr er ca. 55 ved 100 °C). En kapacitiv fugtsensor, der ikke er temperaturkompenseret, vil derfor typisk vise for lavt ved højere temperaturer. Grundlæggende måler en kapacitiv fugtsensor relativ fugtighed, men man finder den af og til omtalt som en dugpunktssensor. Årsagen til dette kunne findes i, at en dugpunktsmåling normalt betragtes som værende finere (mere nøjagtig) end en relativ fugtmåling. Dette skyldes sikkert en ubevidst sammenligning med det meget nøjagtige dugpunktshygrometer (spejlhygrometer). Målingen fra en kapacitiv sensor skal dog altid suppleres med en temperaturmåling (ideelt set samme sted) for at muliggøre en beregning af dugpunkt og evt. absolut fugtighed. Da lufttemperaturen på flere måder er en relevant parameter i forbindelse med fugtmåling, og samtidig kan bruges til temperaturkorrektion, vil man i fugtmåleinstrumenter med kapacitive sensorer næsten altid også finde en temperatursensor. Et eksempel på dette er vist på Figur 10. Side 12 TN3 Figur 10 Fugtmåleprobe uden beskyttelseshætte. Øverst: Temperatursensor (gråsort). Nederst: Kapacitiv fugtsensor (inde i hvid filt). Alt-i-én sensorer Målingen af fugtsensorens kapacitet, og eventuelt også temperatur, kræver i sig selv en del elektronik. Dertil kommer behovet for en mikrokontroller, som kan håndtere målinger og kommunikation, og hukommelse til eventuelle kalibreringsdata. Dette, sammenholdt med kravet om korte tilledninger, gør det oplagt at samle alt i én komponent. Et eksempel på dette er vist på Figur 11. Figur 11 Digital Humidity Sensors fra Sensirion, indeholdende: temperatursensor, kapacitiv fugtsensor, måleelektronik og hukommelse. Venstre: SHT7X (pin version). Højre: SHT1X (SMD version). De viste sensorer kræver kun forsyningsspænding. Måleværdier for temperatur og relativ fugtighed er tilgængelige via en standard seriel I2C bus (2 forbindelser). Den kapacitive fugtsensors typiske svagheder Umiddelbart ser den kapacitive sensor ud til at være ideel til målinger i apparater. Den er billig, lille, let, og har et forsvindende lavt strømforbrug. Den er normalt specificeret til at kunne måle helt fra 0 til 100 %rh og ved temperaturer helt op til 200 °C. Responstiden ligger normalt i størrelsesordenen 30 til 60 sekunder for et 63 % spring i relativ fugtighed (63 % af aktuelt spring, ikke 63 %rh!). Men kapacitive sensorer har ofte problemer med fugtmætning, især ved høje relative fugtigheder. Dette giver sig udslag i lange (reelle) responstider og såkaldt hysterese. Hysterese dækker over det fænomen, at sensoren måler forskelligt ved samme kondition afhængigt af forhistorien. Laver man eksempelvis en måling ved lav relativ fugtighed efterfulgt af en længere eksponering ved høj relativ fugtighed, vil man ved gentagelse af målingen ved lav relativ fugtighed se, at sensoren nu indikerer højere relativ fugtighed. Ændringen er normalt reversibel, men hvor længe det varer, før visningen bliver normal igen, varierer meget fra sensor til sensor. Endelig kan den kapacitive sensor have stor langtidsdrift hvis den udsættes for miljøer med aggressive gasser eller kemikalier kombineret med høj relativ fugtighed. Side 13 TN3 Terminologi relevant for hygrometermålinger I det følgende forklares nogle af de begreber, der erfaringsmæssigt har vist sig at give anledning til flest spørgsmål i forbindelse med fugtmåling og tolkning af datablade for hygrometre. Kalibrering (calibration) Bestemmelse af et hygrometers visningsfejl. Kalibrering udføres ved en sammenligning med et mere nøjagtigt hygrometer, hvis visningsfejl er kendt. De mest nøjagtige kalibreringer foretages vha. normaler (referencehygrometer), der med en vis usikkerhed repræsenterer en måleenhed. For luftfugtighed er de mest præcise normaler, de såkaldte primære realisationsmetoder, det gravimetriske hygrometer (måler massen af vanddamp i en given fugtig luftmasse) og dugpunktsgeneratoren. Det næstbedste er et spejlhygrometer, som er kalibreret ved sammenligning med en primær normal. Bemærk, at ordet kalibrering ofte bruges til også at inkludere justering (f.eks. kalibrering af en joysticks midterposition). Dette er dog forkert i henhold til den vedtagne definition. Justering (adjustment) Justering af et hygrometer gøres normalt for at opnå den mindst mulige visningsfejl typisk ud fra resultaterne af en forudgående kalibrering. Tidligere blev justering af elektroniske hygrometre ofte foretaget ved, at man drejede på en lille skrue (potentiometer). Dette er senere blevet erstattet af softwarejustering, som i øvrigt ofte meget misvisende kaldes for softwarekalibrering. Da kalibreringen altid vil være behæftet med en vis usikkerhed, kan man aldrig justere et hygrometer, så det kommer til at vise helt rigtigt. Det kan også være svært at justere godt nok, hvis visningsfejlen ikke følger en funktion, som umiddelbart kan implementeres i instrumentets software. Ofte er elektronikken i hygrometre meget begrænset, både hvad angår regnekraft og hukommelse. I nogle tilfælde vælges det at undlade justering af instrumentet, og i stedet korrigeres visningen ud fra en tabel eller et regneark. Fejl (error), usikkerhed (uncertainty) og nøjagtighed (accuracy) I traditionel fejlteori forsøges det at opdele fejl i forbindelse med målinger i: systematiske fejl og tilfældige fejl. De systematiske fejl er egentlige fejl på målingerne, og de tilfældige fejl er ikke virkelige fejl men tilfældige afvigelser fra den sande værdi. Ideelt set skulle man derfor efter en kalibrering kunne justere eller korrigere et hygrometer helt for systematiske fejl og anvende statistik til at beskrive størrelsen af de tilhørende tilfældige fejl. Da de tilfældige fejl dermed, med denne opdeling, indeholder det, man er usikker på, kunne man vælge at kalde dem usikkerhed. Det viser sig dog at være umuligt helt at holde denne opdeling i praksis. Nogle fejlbidrag kan være mere eller mindre systematiske/ tilfældige, og i nogle tilfælde kan det være meget uhensigtsmæssigt at skulle justere eller korrigere for systematiske fejl, hvis de for eksempel ændrer sig langsomt med tiden. Derfor har man valgt at udvide usikkerhedsbegrebet lidt, så det også kan inkludere systematiske fejl, hvis blot de er fornuftigt afgrænsede (minimum og maksimum). Det gælder dog stadig om at holde de rigtige systematiske fejl (der nu blot kaldes fejl eller bias) adskilte fra usikkerhed. Usikkerhed bruges mest indenfor kalibreringsverdenen, hvor det normalt er underforstået, at alle hygrometre naturligvis har en (systematisk) visningsfejl. Den kan man finde ved passende kalibrering og i øvrigt justere eller korrigere for, hvis det skulle være nødvendigt. Nøjagtighed bruges meget i procesindustrien og datablade for hygrometre. Her er det underforstået, at ethvert hygrometer naturligvis er justeret ind (kalibreret) efter bedste evne, og at de resterende, mere eller mindre systematiske/tilfældige fejl, er inkluderet i nøjagtigheden. Dermed kan man sige, at nøjagtigheden inkluderer både usikkerheden og eventuelle systematiske fejl, som man ikke har kunnet justere væk. Der er dog langtfra enighed om tolkning af begrebet nøjagtighed. Side 14 TN3 Karakterisering af fire forskellige dataloggere Følgende er et uddrag af de seneste resultater fra DELTA’s projekt i 2012 om fugtmåling i apparater. Det indeholder en karakterisering af fire forskellige dataloggere, som alle kan måle og logge både temperatur og relativ fugtighed. Dataloggere Dataloggerne (Figur 12) er valgt så de i det væsentlige opfylder kravene i afsnittet om Fugtmåling i apparater. De anvender alle kapacitive fugtsensorer og er batteriforsynede med deraf følgende minimal effektafsættelse. Loggerne har desuden medfølgende software og mulighed for tilslutning til PC, enten direkte med et USB stik eller via en speciel logger station, der skal købes separat. Figur 12 Dataloggere til måling af temperatur og fugt Øverst til venstre: iButton (Maxim) Øverst til højre: EL-USB-2-LCD+ (Lascar)) Nederst til venstre: Track-It (Monarch) Nederst til højre: TrackSense Pro (Ellab) I følgende tabel er nogle af de vigtigste data for loggerne samlet. Temp. range [°C] Max temp. for full hum. range [°C] Accuracy, temp. (full range) [°C] Accuracy, hum. (lim. hum. range) [%rh] Accuracy, hum. (full hum. range) [%rh] Hysteresis, hum. [%rh] Long term stability [%rh / year] Repeatability ("noise") [%rh] Response time (63 % or "1/e"), hum. [s] Resolution, temp. (best) [°C] Resolution, hum. (best) [%rh] Loggings (at best res. temp. + hum.) Batt. life [h] Change of batt. possible? Dimensions [mm] Weight [g] iButton (Maxim) EL-USB-2-LCD+ (Lascar) Track-It (Monarch) TS Pro (Ellab) -20 to 85 -35 to 80 -20 to 85 -40 to 80 50 N/A N/A 80 + 1.3 / - 0.8 ±2 ±2 ± 1.5 N/A ±2 ±3 ±2 ±5 ±4 ±5 N/A 0.5 N/A N/A N/A <1 0.5 N/A N/A ± 0.5 ± 0.1 ± 0.1 ± 0.1 30 N/A N/A 8 0.06 0.5 0.1 0.01 0.04 0.5 0.5 0.03 2047 16379 32000 30000 13140 8760 8760 750 No Yes Yes Yes 6 x 18 (dia.) 126 x 25 (dia.) 93 x 19 x 30 44 x 25 (dia.) 5 40 N/A (~40) 48 De væsentligste forskelle imellem loggernes data er batterilevetid, antallet af logninger og masse/størrelse. iButton, der nærmest har den ideelle størrelse og meget lav masse, har desværre kun plads til 2047 logninger i højeste opløsning (mindre end 2 dage ved 1 logning pr. min.). Desuden kan den kun fungere i roll-mode, hvilket betyder, at den begynder at overskrive de første logninger, når hukommelsen er fyldt. Side 15 TN3 Dataloggernes nøjagtighed (accuracy) Man skal kigge rigtig godt efter i databladene, hvis man vil forsøge at skyde sig ind på loggernes egentlige nøjagtighed. Et par eksempler er givet i det følgende. For iButton er der sammen med de ± 5 %rh angivet en note i databladet om, at de kun gælder ”With software correction”. Det viser sig, at iButton ikke selv kan korrigere for temperaturen, så de ± 5 %rh gælder altså kun ved 25 °C. Den omtalte softwarekorrektion kan laves i den medfølgende software men kun som efterfølgende databehandling. Der er desuden angivet en formel i databladet, som brugeren selv kan anvende til beregning af temperaturkorrektionen. Hysteresen er for iButton tilsyneladende holdt udenfor nøjagtigheden og behandlet særskilt med en længere forklaring om såkaldt ”saturation drift” (tilsyneladende det samme som hysterese). Der er endda angivet endnu en korrektionsformel, hvor brugeren kan korrigere for den tid, iButton har været anvendt ved over 70 %rh. For El-USB-2-LCD+ er der ikke angivet nogen hysterese. Til gengæld er nøjagtigheden delt op i to. I området fra 20 til 80 %rh gælder ± 2 %rh. I resten af fugtområdet gælder ± 4 %rh. Her er hysteresen altså (tilsyneladende) inkluderet i nøjagtigheden. Der er desuden ikke nævnt noget om temperaturafhængighed eller korrektion, og man må derfor forvente, at nøjagtigheden gælder i hele temperaturområdet. For Track-It er der heller ikke nævnt noget om hysterese. Nøjagtigheden er delt op i to ligesom for ElUSB-2-LCD+. I området fra 20 til 80 %rh gælder ± 3 %rh. I resten af fugtområdet gælder ± 5 %rh. Der er heller ikke nævnt noget om temperaturafhængighed eller korrektion, og man må derfor også forvente, at nøjagtigheden gælder i hele temperaturområdet. For TrackSense Pro er der kun angivet én nøjagtighed. Den er ± 2 %rh og gælder kun for fugtområdet fra 10 til 90 %rh ved 25 °C. Hysterese, temperaturafhængighed og langtidsdrift er ikke nævnt. Til sidst skal det nævnes, at både El-USB-2-LCD+ og Track-It anvender Sensirions Digitial Humidity Sensors (se Figur 11). I El-USB-2-LCD+ sidder en SHT25 og i Track-It en SHT11. Kigger man i databladet for eksempelvis SHT11, finder man en nøjagtighed på ± 3 %rh fra 20 til 80 %rh og ± 5 %rh i resten af fugtområdet, altså præcis det samme som i databladet for Track-It loggeren. Det samme er tilfældet med El-USB-2-LCD+ med de lidt bedre nøjagtigheder fra SHT25. Men i databladene for SHT11 og SHT25 står der specifikt, at begge nøjagtigheder kun gælder ved 25 °C. Karakterisering I karakteriseringen er loggernes grundlæggende måleegenskaber blevet undersøgt nærmere under forskellige kombinationer af temperatur og fugt, som er relevante for målinger inde i apparater. Karakteriseringen indeholder: Kalibrering ved 25 °C og 20, 60 og 95 %rh. Kalibrering ved 55 °C og 20, 60 og 95 %rh. Måling af hysterese ved 25 °C og 55 °C. Måling af responstid (fugt) ved 25 °C og 55 °C. Ved alle kalibreringspunkterne er der anvendt en stabiliseringstid på ca. 24 timer. Årsagen til den lange stabiliseringstid er, at EL-USB-2-LCD+ og Track-It har meget lange responstider (fugt). Hysteresen er her målt ved at gentage kalibreringspunktet ved 20 %rh, det vil sige før og efter at dataloggerne har haft mulighed for at blive mættet med vanddamp ved både 60 og 95 %rh. Den angivne hysterese er forskellen imellem fejlene ved de to gentagne målinger. Side 16 TN3 Responstiden (fugt) er målt på to forskellige måder. ”Response time (up)” er målt ved skiftet fra 60 til 95 %rh. Den angivne tid er målt fra skiftets start til det tidspunkt, hvor hygrometrets visning er nået indenfor 3 %rh af slutvisningen ved 95 %rh. ”Response time (down)” er målt ved skiftet fra 95 til 20 %rh. Den angivne tid er målt fra skiftets start til det tidspunkt, hvor hygrometrets visning er nået indenfor 3 %rh af slutvisningen ved 20 %rh. Målingerne er foretaget i DELTA’s kalibreringslaboratorium med en usikkerhed (på kalibreringskonditionerne) på hhv. ± 1 %rh for relativ fugtighed og ± 0,07 for temperatur. For at opnå et passende statistisk grundlag, er alle målinger udført på 12 loggere, 3 af hver type. Resultaterne i de følgende tabeller (temperatur først efterfulgt af fugtighed) er gennemsnittet af de 3 målinger for hver type. iButton (Maxim) EL-USB-2-LCD+ (Lascar) Track-It (Monarch) TS Pro (Ellab) Temp. error [°C] Temp. error [°C] Temp. error [°C] Temp. error [°C] Calibrations: 25 °C / 20 %rh 25 °C / 60 %rh 25 °C / 95 %rh 25 °C / 20 %rh 55 °C / 20 %rh 55 °C / 60 %rh 55 °C / 95 %rh 55 °C / 20 %rh Hysteresis, 25 °C Hysteresis, 55 °C 0,2 0,2 0,2 0,1 0,0 -0,3 -0,3 -0,1 0,0 -0,1 0,1 -0,1 0,0 -0,1 0,0 0,0 0,0 -0,1 -0,2 -0,1 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 0,1 0,1 0,1 0,2 -0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 -0,1 -0,1 -0,1 -0,2 0,0 -0,1 Som ovenstående tabel viser, måler alle dataloggerne temperatur bedre end specificeret, selv efter lang tid ved høj temperatur og fugtighed. iButton (Maxim) EL-USB-2-LCD+ (Lascar) Track-It (Monarch) TS Pro (Ellab) Hum. error [%rh] Hum. error [%rh] Hum. error [%rh] Hum. error [%rh] Calibrations: 25 °C / 20 %rh 25 °C / 60 %rh 25 °C / 95 %rh 25 °C / 20 %rh 55 °C / 20 %rh 55 °C / 60 %rh 55 °C / 95 %rh 55 °C / 20 %rh Hysteresis, 25 °C Hysteresis, 55 °C Response time (up), 25 °C Response time (down), 25 °C Response time (up), 55 °C Response time (down), 55 °C 0,3 0,3 0,7 0,2 -4,0 -5,8 -7,8 -3,8 -0,1 0,2 30 min. < 45 min. < 10 min. < 30 min. 1,6 -0,5 2,0 3,1 1,3 0,5 2,2 0,6 1,5 -0,6 4 h 5 min. 2 h 55 min. 2 h 40 min. 5 h 30 min. 1,6 0,2 1,9 2,9 -0,6 -5,1 -6,5 -1,8 1,3 -1,2 4 h 20 min. 6 h 35 min. 3h 4 h 5 min. -0,3 -0,4 -0,2 -0,7 -1,6 -2,2 -1,4 -0,3 -0,4 1,3 < 15 min. < 45 min. < 10 min. 50 min. Resultaterne for fugtighed viser stor forskel på de fire loggere. Alle loggere måler indenfor specifikationerne ved 25 °C, bortset fra EL-USB-2-LCD+, der pga. hysteresen på 1,5 %rh ligger lidt udenfor. Men ved 55 °C er det tydeligt at se, hvilke loggere der ikke har temperaturkompensation (se afsnittet Fugtmåling i apparater). Både iButton og Track-It viser omkring 7 %rh for lavt ved 55 °C og 95 %rh, som er et meget vigtigt punkt for målinger i apparater under test. Det er også interessant at se forskellen imellem EL-USB-2-LCD+ og Track-It, der jo anvender næsten samme type fugt- / temperatursensor fra Sensirion. Da der ikke foregår temperaturkompensation i sensoren, må den derfor være implementeret i selve EL-USB-2-LCD+ loggeren men ikke i Track-It. TrackSense Pro ser Side 17 TN3 ud til at have temperaturkompensation og holder sine specifikationer for relativ fugtighed 55 °C, selvom de kun er specificeret ved 25 °C. EL-USB-2-LCD+ og Track-It har meget lange responstider. Hvis målingerne skal indenfor 3 %rh af slutvisningen, skal man generelt vente 3-6 timer, og helt op til 10 timer, for at komme indenfor 12 %rh. Helt anderledes er det med iButton og TrackSense Pro, der generelt målte lige så hurtigt eller hurtigere end de genererede ændringer i DELTA’s kalibreringskammer. På Figur 13 ses loggernes step-respons ved skiftet fra 60 til 95 %rh (25 °C). Figur 13 Step-respons for dataloggere ved et skift fra 60 til 95 %rh (25 °C). Den stiplede linje på figuren angiver det punkt, hvor måleværdien er indenfor 63 % af slutvisningen. På grund af iButton loggerens begrænsede antal logninger, er målingerne lavet med en tidsopløsning på 10 min. De meget lange responstider for EL-USB-2-LCD+ og Track-It, er meget uheldige, ikke mindst fordi indsvingningsforløbene til forveksling ligner dem man typisk ser ved fugtophobning i et apparat under fugttest. Man vil dermed let kunne komme til at fejltolke måleresultater i egentlige målesituationer. Da der ikke er specificeret nogen responstid for de to loggere, kan man ikke sige, at de ikke overholder specifikationerne. Men hvis man kigger i databladene for de Sensirion sensorer, der sidder i loggerne, er der angivet ”tau 63 %” tider på mellem 5 og 30 sekunder. Hvis man på traditionel vis ganger dem op med 5 for at komme indenfor 99 % af slutvisningen, er resultatet meget langt fra de mange timer, der blev observeret under karakteriseringen. Databladene for sensorerne beskriver, at man ved anvendelse af sensorerne udenfor ”normal range”, som er > 80 %rh, må forvente et ”temporarily offset” på omkring 3 %rh. Der er desuden angivet to ”reconditioning” procedurer, som kan anvendes til at bringe sensorerne indenfor specifikationerne igen: ”Baking” er 10 timer ved < 5 %rh / 100 °C og ”Re-Hydration” er 12 timer ved ~75 %rh / 25 °C). Der blev imidlertid observeret omtrent samme indsvingningsforløb og responstider ved alle kombinationer af temperatur og relativ fugtighed under karakteriseringen. Af Figur 13 kan det også ses, at alle loggerne har en fornuftig responstid til 63 % af slutvisningen. Den store forskel imellem de fire loggere viser sig først i den sidste del af indsvingningsforløbet. Man skal derfor være meget opmærksom på specifikationen af responstiden, og ikke mindst tolkningen af denne for en given datalogger. Generelt fungerede alle dataloggerne som forventet under karakteriseringen, og der var ikke signifikante forskelle imellem de 3 udmålte loggere indenfor hver type. Side 18 TN3 Konklusion For at opnå retvisende fugtmålinger i apparater kræves først og fremmest et godt hygrometer. I langt de fleste tilfælde betyder det et hygrometer, som er: lille, let, robust, nøjagtigt og med et forsvindende lavt strømforbrug. Derudover er det en stor fordel, hvis man har et rimeligt kendskab til typiske fejlmekanismer for apparater, der anvendes i fugtige miljøer. Det gør det muligt at vurdere, om og hvordan et givent hygrometer vil influere på måleresultatet. Ofte kan de mange særlige krav til hygrometret i praksis kun opfyldes af trådløse dataloggere med indbygget temperatur- og fugtsensor. I størstedelen af de kommercielt tilgængelige dataloggere vil fugtsensoren være af den kapacitive type. Det betyder, at man skal være opmærksom på de kapacitive sensorers typiske svagheder for at sikre sig tilfredsstillende måleresultater. Svaghederne inkluderer: temperaturafhængighed, hysterese og langtidsdrift. De to førstenævnte kan man normalt se bort fra, hvis man har valgt den rette datalogger. Den sidste kan i mange tilfælde håndteres ved løbende kalibrering af dataloggeren imod en passende reference. I dette TEK’notat er der set nærmere på de målemæssige egenskaber for fire forskellige kommercielle dataloggere: iButton (Maxim), El-USB-2-LCD+ (Lascar), Track-It (Monarch) og TrackSense Pro (Ellab). De fire loggere har alle både fordele og ulemper, afhængigt af hvilken parameter man ser på. Eksempelvis er iButton lille, let, med hurtig respons og forsvindende lav hysterese. Til gengæld har den kun hukommelse til få logninger og har store fejl ved høje temperaturer pga. manglende temperaturkompensation. Umiddelbart har TrackSense Pro de bedste egenskaber rent målemæssigt, men er også den tungeste af de testede loggere, hvilket kan give problemer ved målinger i apparater med små masser. Der er imidlertid mange andre vigtige parametre at se på, før man kan udpege den bedste af de fire dataloggere til en foreliggende opgave. Karakteriseringen som er beskrevet her, siger ikke noget om loggernes performance under ikke-ideelle forhold med for eksempel: længerevarende kondens, saltholdig luft eller elektromagnetiske forstyrrelser. Desuden er der store variationer i dataloggernes software, som kan være en lige så væsentlig udvælgelsesparameter. Disse dele ses der nærmere på i den resterende del af DELTA’s projekt om fugtmåling i apparater. Resultaterne bringes ved udgangen af 2012 i form af en industriguide, som beskriver best practice for fugtmåling i apparater. Side 19 TN3 Om TEK’notat DELTA udgiver regelmæssigt rapporter i TEK’notat-serien for at kommunikere den nyeste internationale viden indenfor vores fagområder. Formålet er at understøtte en fremrykning af tidspunktet, hvor nye teknologiske landvindinger giver et forretningsmæssigt afkast til danske virksomheder. Om DELTA DELTA hjælper sine kunder med effektiv anvendelse af avancerede teknologier, der skal opnå kommerciel succes i en kompleks verden. Vi varetager design, udvikling, test, certificering og rådgivning inden for elektronik, mikroelektronik, softwareteknologi, lys, optik, akustik, vibration og sensorsystemer. DELTA er ét af Europas førende udviklingshuse samt ét af de ni Godkendte Teknologiske Serviceinstitutter (GTS) i Danmark. Vores 270 medarbejdere i Danmark, Sverige og Storbritannien samarbejder med kunder i over 50 lande. Side 20
© Copyright 2024