Dauwpunts temperatuur bepaling

Datum: November-December 2010

Principe:

Waarnemen bij welke temperatuur dauw zich vormt op een afkoelend bekerglas, spiegeltje en een koperen strip.

Materiaal:

  • Bekerglas 400 ml
  • Bekerglas 150 ml
  • Ijs
  • Koellichaam
  • Mini-ventilator
  • Peltier element
  • Laser Module Emitter - Red Point - 5 mW
  • Batterijpak
  • Meetkabels
  • Voedingsbronnen
  • Spiegeltje
  • Koperen plaatje
  • Koperen strip
  • Roermotor
  • Roerboon
  • Elastiekjes
  • Technisch Lego
  • Infra rood thermometer
  • Radio Shack Sensor experimenteer kit
  • Coachlab met:
    Temperatuursensor
    Humidity sensor



Experimentele opstellingen:

In deze experimenten gebruiken we een fotoweerstand waarmee we het intensiteitsverloop meten van een laserstraal die daarop valt. Dat signaal is echter relatief zwak en daarom versterken we het signaal m.b.v. een OpAmp. De gehele sensorschakeling kunnen we bouwen met de onderdelen die in de RadioShack SensorLab zitten. Het Sensorlab bevat zijn eigen 9V voedingsbron.
Het uitgangssignaal monitoren we via Coachlab. Op Coachlab sluiten we een temperatuurmeter en een relatieve vochtigheidssensor aan. Deze geven dan informatie over de condities waarbij we de experimenten uitvoeren.
Het meetschema en versterkerschema is weergegeven in onderstaande figuur.
 
De laserdiode stuurt een laserstraal uit zodra we deze op een voedingsbron aansluiten (in dit geval een batterijpak van 6V).

De fotoweerstand en de laserdiode fixeren m.b.v. Lego bouwstenen zoals weergegeven op onderstaande foto's.
 
Bekerglas opstelling  
  • Bouw de opstelling op zoals weergegeven in onderstaande foto.
  • Neem een bekerglas van 400 ml en  vul het met ca. 350 ml water.
  • Zet het bekerglas op een roermoter en voeg een roerboon toe.
  • Zet de roermotor aan.
  • Plaats de Coachlabthermometer in de oplossing.
  • Plaats de Relatieve Vochtigheidssensor in de buurt van de roemotor
  • Positioneer de laser module zo dat een deel van de laserstraal onder een hoek van ca. 90° weerkaatst wordt.
  • Plaats de fotoweerstand dusdanig dat
    het gereflecteerde licht maximaal op de fotoweerstand valt.
  • Start een Coachlabmeting waarbij we elke seconde temperatuur, voltage en relatieve vochtigheid meten gedurende ca. 20 - 30 min.
  • Voeg langzaam steeds een blokje ijs toe, dudanig dat de watertemperatuur langzaam daalt.
  • Observeer.
  • Herhaal dit experiment met een bekerglas van 150 ml gevuld met 120 ml water.
  • Neem 2 elastiekjes en plaats deze over het bekerglas.
  • Neem een glanzende strip koper (evt. oppoetsen) en klem deze tussen de elastiekjes.
  • Herhaal het experiment waarbij we de laserstraal op het koperen plaatje laten vallen.
   
Spiegelopstelling  
  • Bouw het Peltierlement, het koellichaam en de ventilator samen in een LegoTechnic behuizing zoals weergegeven in de foto's en in onderstaande schema.

  • Plaats dit koelsysteem op een Lego bodemplaat.
  • Plaats een spiegel op het Peltier element.
  • Verbind Peltier element en ventilator met een voedingsbron.
  • Zet de voedingsbron van het Peltier element nog niet aan.
  • Positioneer de laser module dusdanig dat deze van boven onder een hoek op de spiegel valt.
  • Positioneer de sensor dusdanig dat de gereflecteerde laserstraal maximaal opgevangen wordt.

  • Start een Coachlab meting waarbij we elke seconde temperatuur, voltage en relatieve vochtigheid meten gedurende ca. 20 - 30 min.
  • Zet de laserstraal aan.
  • Stel de voedingspanning voor het Peltier element in op 3 V.
  • Observeer.
  • Herhaal dit experiment met een plaatje opgepoetst koper alsmede een niet opgepoetst koperplaatje.

 

Uitvoering en resultaten:

Bekerglas experiment 1  
 Bekerglas: 400 ml

 Water: 350 ml

 Omgevingstemperatuur: 19.6 °C

 Gemiddelde relatieve vochtigheid: 43.3%

Volgens de dauwpuntstabel mogen we bij deze condities een dauwpunt van ca. 7 °C verwachten. Bij ca. 8 minuten nemen we een duidelijke verandering in het signaal waar hetgeen overeenkomt met een temperatuur van 6 °C.
Bekerglas experiment 2  
 Bekerglas: 150 ml

 Water: 120 ml

 Omgevingstemperatuur: 20 °C

 Gemiddelde relatieve vochtigheid: 43.5%

Ondanks dat dit experiment niet zo netjes uitgevoerd is nemen we hiet een verandering waar bij 3 min. hetgeen overeenkomt met een temperatuur van 5 °C.

 
Bekerglas experiment 3  
Bekerglas: 150 ml

 Water: 120 ml

 Omgevingstemperatuur: 21 °C

 Gemiddelde relatieve vochtigheid: 40.8%

Opgepoetst koperen plaatje geplaatst m.b.v elastiekjes.


Betere focus van de gereflecteerde laserstraal.

Volgens de dauwpuntstabel mogen we bij deze condities een dauwpunt van naar schatting 7 °C verwachten. Bij ca. 3 minuten nemen we een duidelijke verandering in het signaal waar hetgeen overeenkomt met een temperatuur van 5 °C.
Spiegel experiment 1  
Omgevingstemperatuur: 19 °C

Gemiddelde relatieve vochtigheid: 53%

 

Op het moment dat we de spiegel zien beslaan meten we met de IR thermometer een temperatuur van 8.4 °C op het glas.
Enige tijd later is dat: 7.5 °C.

Volgens de dauwpuntstabel mogen we bij deze condities een dauwpunt van naar schatting 9 °C verwachten. Hetgeen aardig overeenkomt met wat we gemeten hebben met de IR thermometer.
Spiegel experiment 2  
Omgevingstemperatuur: 21 °C

Gemiddelde relatieve vochtigheid: 52.3%

 

Een duidelijke signaalverandering is waarneembaar.

 
Spiegel experiment 3  
Omgevingstemperatuur: 21 °C

Gemiddelde relatieve vochtigheid: 49.2%

Een duidelijke signaalverandering is waarneembaar.
In nevenstaande en onderstaande foto's kan men langzaam de dauwvorming zien ontstaan op de spiegel.

   
Koperen plaatje experiment 1  
Omgevingstemperatuur: 21 °C

Gemiddelde relatieve vochtigheid: 47.8%

 

Niet opgepoetst koperen plaatje.

Op een niet gepoetst koperen plaatje wordt het licht teveel verspreid en kunnen we geen signaalverandering waarnemen.
Koperen plaatje experiment 2  
Omgevingstemperatuur: 22 °C

Gemiddelde relatieve vochtigheid: 46.6%

 

Opgepoetst koperen plaatje.

Een duidelijke signaalverandering is waarneembaar.
 Met een koperen plaatje lukt het niet goed om de dauwpuntsvorming te zien. Meten doet men het echter wel.

Discussie en conclusie:

De hoeveelheid water in de atmosfeer is relatief laag. Slechts 0.25% van de totale atmosferische massa bestaat uit water. Als we aan de oplosbaarheid van water in lucht denken hebben we eigenlijk te maken met een fasediagram te maken. In nevenstaande figuur is het fasediagram van water schematisch weergegeven (C = kritisch punt; A = tripel punt).
De eigenschappen van natte en droge lucht verschillen aanzienlijk. De mate waarin droge lucht verzadigd kan zijn met waterdamp wordt bepaald door de temperatuur en het waterdampgehalte in de lucht.

De druk binnen een ruimte die vochtige lucht bevat is gelijk aan de som van de partiële spanningen: die van de droge lucht p1 en die van de waterdamp pd : p = p1 + pd
Hierbij geld dat de waarde van pd aan een maximum gebonden is: 0 < pd < pmaxT
Hierin is pmaxT de verzadigingsdruk die bij de temperatuur in de betreffende ruimte hoort. Bij het rekenen aan de toestandsverandering van vochtige lucht dient men deze beperking steeds in de berekening te betrekken: de totale druk volgt de algemene gaswet alleen, zolang de waterdamp niet condenseert. Wordt een hoeveelheid vochtige lucht bij constante druk afgekoeld, dan is het moment van condensatie makkelijk te bepalen.
Is bv. bij een temperatuur van 80 °C de dampspanning 30000 Pa dan kan men in onderstaande grafiek aflezen bij welke temperatuur de verzadigingsdruk 30000 Pa bedraagt. Dat geeft een temperatuur van 70 °C. Men noemt deze temperatuur het dauwpunt van de oorspronkelijke vochtige lucht.
Het dauwpunt is dus de temperatuur tot waarop de lucht moet worden afgekoeld om verzadigd te raken met waterdamp (bij gelijke hoeveelheid waterdamp en druk). Bij verdere afkoeling - onder deze temperatuur - treedt condensatie (vorming van waterdruppels) op. Hoe groter het verschil tussen de temperatuur en het dauwpunt, hoe droger de lucht. Het dauwpunt wordt afgeleid van de huidige temperatuur en relatieve luchtvochtigheid. De relatieve luchtvochtigheid geeft aan hoeveel procent waterdamp zich ten opzichte van de maximale hoeveelheid waterdamp in de lucht bevindt bij een bepaalde temperatuur en luchtdruk.
Bekerglas experimenten
In de bekerglas experimenten hebben we een poging gedaan om het dauwpunt daadwerkelijk te bepalen. Op het moment dat er condensatie plaatsvindt zal het lichtsignaal verstrooid worden waardoor de gemeten intensiteit afneemt. Gekoppeld aan de temperatuur van de water die we meten m.b.v. de temperatuursensor meten we op deze manier de dauwpunts temperatuur. Erg nauwkeurig lijkt dit niet te zijn, het gemeten signaal en signaalverandering zijn relatief zwak hetgeen verantwoordelijk is voor een relatief hoog ruisniveau in de meting. Desalniettemin vinden we een goede overeenkomst tussen de gemeten temperatuur en de temperatuur die we mogen verwachten op basis van de gemeten relatieve vochtigheid en omgevingstemperatuur.
Spiegel experimenten
De meer formele benaming van het type dauwpuntsmeter dat we hier hebben proberen te bouwen is "dauwpunts hygrometer" (Dew point hygrometer) gebaseerd op het principe dat men ook in een badkamer waar kan nemen nl dat de spiegel "mistig" wordt als de temperatuur gelijk is aan de dauwpunts temperatuur tijdens het nemen van een bad of douche. Bij een dauwpunts hygrometer schijn laserlicht op een spiegel. Dit licht wordt gereflecteerd vanaf de spiegel in een detector die de intensiteit van het opvallende licht meet. Als vervolgens het spiegeloppervlak afkoelt tot de dauwpunts temperatuur zal zich dauw vormen op het spiegeloppervlak. Deze dauw druppels zorgen ervoor dat het opvallende laserlicht verstrooid wordt, waardoor er minder licht op de detector valt en de gemeten intensiteit afneemt. Door nu tegelijkertijd de temperatuur van het spiegeloppervlak te meten kan men de dauwpunts temperatuur bepalen.
Het zwakke punt in deze methodiek is dat ook andere vloeistoffen dan dauw op de spiegel kunnen neerslaan en op die manier voor lichtverstrooiing zorgen waardoor de verkeerde dauwpunts temperatuur wordt weergegeven

De experimenten laten zien dat men op deze manier een veel duidelijker signaalverandering kan waarnemen hetgeen betekent dat men in  principe de dauwpunts temperatuur nauwkeuriger kan bepalen. Jammer genoeg hadden we geen gevoelige thermokoppel sensor (zoals weergegeven in nevenstaande figuur)  beschikbaar om de temperatuur op de spiegel te meten. Dit type kan men op de spiegel zelf plakken en zo de temperatuur van de spiegel meten. Poging om dit met een grover type thermokoppel te doen waren niet succesvol.

De experimenten laten ook zien dat men i.p.v. een spiegel een opgepoetst koperen plaatje als spiegel kan gebruiken. Koper geleid warmte beter dan glas hetgeen een nauwkeuriger temperatuur bepaling mogelijk zou maken.
Het experiment met het niet opgepoetste koperplaatje was gebaseerd op het artikel van Matsumoto en Toyooka uit 1992 waarin men een ruw oppervlakte gebruikte als "spiegel" om zo condensatie kernen te leveren die ervoor zorgen dat men niet men een effect analoog aan "oververzadiging" te maken krijgt. Dat experiment was echter niet succesvol aangezien er teveel verstrooiing plaatsvindt.

Literatuur:

  • Shigeaki Matsumoto, Saturo Toyooka; 'Laser Dew-Point Hygrometer'; Japanese Journal of Applied Physics; 1995 34 1; p. 316-320.
  • Shigeaki Matsumoto, Saturo Toyooka; 'Determination of the dew point using laser light and a rough surface'; Optics Communications; 1992 91 1,2; p. 5-8.
  • Shigeaki Matsumoto; 'The method for controlling dew droplets deposited on a copper plate by scattered light'; Measurement Science and Technology; 2008 19 017004; p. 1-5.
  • Zhi Chen, Chi Lu; 'Humidity Sensors; A Review of Materials and Mechanisms'; Sensor Letters; 2005 3; p. 274-295
  • Richard N. Zare, Bertrand H. Spencer, Dwight S. Springer, Matthew P. Jacobson; "Laser Experiments for Beginners"; University Science Books; 1995; ISBN 0935702369; p. 28-31.
  • J.C.H. van der Hage, H.R.A. Wessels; "Natuurkunde van de atmosfeer"; Wolters-Noordhoff; 1980; ISBN 9001893643; p. 23-29.
  • Forrest M. Mims III; "Electronic Sensorslab Workbook"; RadioShack; 2001; p. 86.
  • Craig F. Bohren; "What Light Through Yonder Window Breaks"; John Wiley; 1991; ISBN 047152915x; p. 1-8, 97-100.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • De door mij gebruikte koperen strips heb ik ooit in een modelbouw winkel gekocht.
  • Zoals altijd wil ik opmerken dat het niet noodzakelijk is om doit experiment met Coachlab te doen. Met een multimeter en een pen kan het in principe ook. Alhoewel het met Coachlab of een soortgelijk systeem wel leuker is om te doen.
  • Ik heb verschillende malen m.b.v. een thermokoppel de temperatuur van de spiegel of koperen plaat proberen te meten. Dat werkt echter niet goed.
  • De werking van OpAmps heb ik al eerder beschreven in een experiment:
     OpAmp experimenten met de Parallax Basic Stamp en USB Oscilloscoop

Achtergrondinformatie:

Dauwpuntstabel (zoals men deze op het web kan vinden)
 

23/12/2010