Clasificación de higrómetros

En el mercado existe gran variedad de instrumentos que son utilizados para la

medición de humedad, desde los higrómetros, higrotermómetros, meteorómetros, así

como también diferentes métodos que van desde primarios hasta secundarios

incluyendo a los basados en métodos fundamentales. Estos instrumentos de medición

pueden partir de diferentes técnicas para obtención de la humedad relativa, ya sea por

comparación, por cálculos, por tablas, etc.

Tabla 1. Patrones de humedad relativa, higrotermómetros e higróstatos

Tipo Método IntervaloLímites de Error

de Medición Típicos

Gravimétrico Primario -50…+100 °C Punto de rocío

±0,1 °C punto de rocío

Higrómetro óptico de espejo frío

Fundamental (transferencia)

0,05...99 %HR -80…+80 °C punto de rocío

±0,2 °C punto de rocío

Higrómetro electrolítico

Fundamental 1...2 000 ppm volumen

±5 % del valor medido en ppm Vol.

Psicrómetro Fundamental Limitado a 0…+60 °C punto de rocío

±2...5 %HR

Sensor capacitivo Secundario <5...95 %HR 0…+100 °C ambiente

±1...3 %HR

Sensor resistivo Secundario 15...95 %HR -10…+80 °C punto de rocío

±2...5 %HR

Tipos de sensores

Partiendo de que no existe una tecnología de medición que sea apropiada para todas

las aplicaciones, las mediciones de humedad relativa pueden ser hechas por sensores

basados en: psicometría, deformación, resistivos, capacitivos y algunos otros tipos para

aplicaciones más específicas

Psicometría por bulbo húmedo/bulbo seco

La psicrometría es uno de los métodos más populares para la medición de la humedad

debido a su simplicidad y bajo costo. Un psicómetro industrial típico consiste de un par

de termómetros eléctricos o de líquido en vidrio acoplado, uno de los cuales opera en

estado húmedo. Cuando el dispositivo funciona la evaporación del agua enfría el

termómetro humedecido, resultando una diferencia medible con la temperatura

ambiente o la temperatura del bulbo seco. Cuando el bulbo húmedo alcanza su máxima

caída de temperatura la humedad puede determinarse comparando la temperatura de

los dos termómetros en una tabla psicométrica o mediante cálculos. El psicómetro

provee una alta exactitud en las proximidades del punto de saturación (100 %HR) y es

fácil de operar y reparar, por otra parte a baja humedad relativa (menos del 20 %HR) el

desempeño es pobre y el mantenimiento debe intensificarse. No puede utilizarse a

temperaturas menores de 0 °C y, siendo el propio psicrómetro una fuente de humedad,

no puede utilizarse en ambientes pequeños o cerrados.

Figura X Psicrómetro de bulbo húmedo y bulbo seco

Termómetro de Bulbo Seco: En el acondicionamiento de aire, la temperatura del

aire indicada es normalmente la temperatura de «bulbo seco» (bs), tomada con el

elemento sensor del termómetro en una condición seca. Es la temperatura medida por

termómetros ordinarios en casa.

Termómetro de Bulbo Húmedo: Básicamente, un termómetro de bulbo húmedo no

es diferente de un termómetro ordinario, excepto que tiene una pequeña mecha o

pedazo de tela alrededor del bulbo. Si esta mecha se humedece con agua limpia, la

evaporación de esta agua disminuirá la lectura (temperatura) del termómetro. Esta

temperatura se conoce como de «bulbo húmedo» (bh). Si el aire estuviese saturado

con humedad (100% hr), la lectura de la temperatura en el termómetro de bulbo

húmedo, sería la misma que la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, la hr

normalmente es menor de 100% y el aire está parcialmente seco, por lo que algo de la

humedad de la mecha se evapora hacia el aire.

Esta evaporación de la humedad de la mecha, provoca que la mecha y el bulbo del

termómetro se enfríen, provocando una temperatura más baja que la del bulbo seco.

Mientras más seco esté el aire, más rápida será la evaporación de la humedad de la

mecha. Así que, la lectura de la temperatura del bulbo húmedo, varía de acuerdo a qué

tan seco esté el aire. La precisión de la lectura del bulbo húmedo, depende de qué tan

rápido pase el aire sobre el bulbo. Las velocidades hasta de 1,500 m/min (90 km/hr),

son mejores pero peligrosas, si el termómetro se mueve a esta velocidad. También, el

bulbo húmedo deberá protegerse de superficies que radien calor (sol, radiadores,

calentadores eléctricos, calderas, etc.). Se pueden tener errores hasta del 15% si el

movimiento de aire es muy lento, o si hay mucha radiación presente. Cuando la hr es

de 100% (saturación), las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y del punto de

rocío son todas la misma. Abajo de 100% de hr, la temperatura del bulbo húmedo es

siempre algo menor que la del bulbo seco y mayor que el punto de rocío.

Toma de lecturas por medio de un psicrómetro de bulbo húmedo/bulbo seco

Para tomar las lecturas con el psicrómetro de onda, se recomiendan los siguientes pasos:

1. se sumerge la mecha sobre el bulbo húmedo en el agua. Sólo una vez por cada

determinación de la hr, pero nunca entre una lectura y otra. La evaporación progresiva

de la humedad en la mecha, hasta que alcanza el equilibrio con la humedad en el aire,

es el factor que determina la lectura de bulbo húmedo.

2. Se gira el psicrómetro durante 30 segundos. Rápidamente se toman las lecturas,

primero en el termómetro de bulbo húmedo y luego en el de bulbo seco. Se gira de

nuevo el psicrómetro, tomando lecturas a intervalos de 30 segundos durante cinco

lecturas sucesivas, y se anotan las temperaturas en cada ocasión, o hasta que se haya

obtenido la lectura más baja y que la última lectura se revela una nivelación o curva de

retorno. (Dos o más lecturas sucesivas casi idénticas).

3. Se utilizan las tablas o la carta psicométrica para obtener la hr. Normalmente, los

psicrómetros de onda vienen acompañados de una regla deslizable con las dos escalas

de temperaturas (bulbo húmedo y bulbo seco) y su hr correspondiente.

Figura x. diagrama explicativo de cómo se relacionan las variables que intervienen en la medición.

Figura x. Carta psicométrica a temperaturas normales y presión barométrica de 101.325 kPa (al nivel del mar).

En una carta psicométrica se encuentran todas las propiedades del aire, de las cuales

las de mayor importancia son las siguientes: |

1. Temperatura de bulbo seco (bs).

2. Temperatura de bulbo húmedo (bh).

3. Temperatura de punto de rocío (pr)

4. Humedad relativa (hr).

5. Humedad absoluta (ha).

6. Entalpía (h).

7. Volumen específico.

Sensor por condensación

El punto de rocío es una variable que nos permite encontrar la humedad relativa; para

lograr esta medición se utiliza un dispositivo llamado comúnmente higrómetro óptico de

espejo frío, y funciona de la siguiente manera.

Figura x. Sensor óptico de espejo frío

Se hace circular la mezcla gaseosa por una cámara provista en su interior de un espejo

(2). El cual puede ser enfriado o calentado por un equipo de refrigeración (3) o

calefactor (1) respectivamente, con la finalidad de poder lograr que el vapor se

condense en el espejo o el agua se evapore de él. Además se cuenta con una fuente

luminosa (4) que es proyectada sobre el espejo, el cual refleja el haz hacia una foto-

resistencia (5a). La luz también incide en una segunda foto-resistencia (5b) en forma

directa. Se tiene entonces una medición de la intensidad luminosa real (5b), y una

distorsionada según la cantidad de condensación presente en el espejo (5a), la

diferencia entre ambas es amplificada y sirve de actuación sobre el regulador de

potencia que controla el calefactor.

Figura x. diagrama que relaciona las variables involucradas.

Los rangos de operación del psicrómetro anterior son de -70[ºC] a 40[ºC] en la

medición del punto de rocío, y la precisión es de un 99,5%. La limitante de este método

es que el gas debe ser transparente, y libre de impurezas, de otro modo se estaría

alterando su principio de funcionamiento.

Sensores infrarrojos.

Las moléculas (cualesquiera), no son estructuras rígidas e inmóviles, poseen

movimientos rotatorios alrededor del centro de masa, y movimientos vibratorios (de sus

componentes atómicos), similares a un movimiento armónico simple. Ambas energías,

tanto la rotatoria como la de vibración están cuantizadas, y para que la molécula pase

de un nivel energético a otro se requiere por lo tanto, de una cantidad de energía

específica, que depende del tipo de molécula que se esté considerando. Lo anterior

origina la teoría de Automatización Industrial Sensores De Humedad 15 espectros

moleculares. Dado que las ondas electromagnéticas poseen cierta cantidad de energía

dependiendo de la longitud de onda de la misma, las moléculas absorberán o emitirán

ondas de frecuencias muy específicas, cuya energía sea equivalente a las transiciones

energéticas que presente la molécula. La fórmula matemática que permite calcular la

energía de una onda esta dada por:

E=hv=hcλ

Dónde:

-E, energía.

-ν, frecuencia

- λ, longitud de onda.

-h, constante de Planck = 6.63×10-34[Js].

En el caso del agua una de las radiaciones que absorbe, se ubica en la porción

infrarroja del espectro, concretamente en λ = 1400[ηm] y λ = 1930[ηm]. Se puede

aprovechar esta propiedad para medir la cantidad de agua presente en un gas. La idea

consiste en proyectar una fuente de rayos infrarrojos a través de la muestra que se

desea medir, y recoger en el otro extremo la radiación resultante, empleando un

receptor adecuado para tal propósito.

Figura x. Ejemplo del proceso de un sensor infrarrojo

Se dispone de 2 fuentes infrarrojas idénticas (1 y 2), la primera se toma como

referencia y es medida por una foto-resistencia (r1), la segunda atraviesa la muestra

con vapor de agua, el cual absorbe parte de la radiación e incide en el otro detector

(r2), ambos valores resistivos son transformados a voltaje por puentes de Wheatstone,

para finalmente ser comparados con un amplificador diferencial. La diferencia entre

ambos va a ser proporcional a la cantidad de humedad presente en la muestra, con lo

que se logra una medida de la variable deseada. Los sensores que utilizan este método

son muy sensibles y logran precisiones desde 0,05 a 30.000 PPM, en rangos de

temperatura que comprenden de -85[ºC] a 40[ºC]. Lógicamente no conviene utilizarlos

en el caso de tener mezclas con materiales particulados. Cabe señalar que todo el

procedimiento anterior se puede realizar análogamente para frecuencias en la parte

ultravioleta del espectro, donde el agua absorbe longitudes de onda de alrededor

λ = 121.66[ηm].

Sensores piezoeléctricos.

Los cristales poseen frecuencias de oscilación bastante estables, sin embargo, al

cambiar la masa del cristal por deposiciones de materiales sobre el, éste experimenta

una variación de 2000[Hz] en su frecuencia de oscilación por cada microgramo [µg] de

aumento de material sobre su superficie. Por ello son empleados en la medición de

humedad, dado que basta cubrirlos con un material higroscópico, para que aumente la

cantidad de agua sobre el cristal en forma proporcional a la humedad absoluta

presente. A mayor masa, menor es la frecuencia de oscilación, con este sistema se

pueden detectar hasta variaciones de ±0.1[Hz], lo cual equivale a humedades de

alrededor de 0.1 PPM. Son sensores bastante robustos, y como ya se indicó muy

sensibles, otra ventaja es que son de transcientes cortas, y entregan una medida en

forma de frecuencia, la cual puede ser utilizada para control con PLL, o para ser

convertida a voltaje.

Figura x. Sensor piezoeléctrico

Sensores de humedad en el suelo

Se aplica un principio similar al del sensor de conductividad. Se trata de utilizar la

conductividad de la muestra (tierra), la cual va a ser mayor mientras más sea la

cantidad de agua presente en ella. Se introducen dos electrodos separados por cierta

distancia, para luego ser sometidos a una diferencia de potencial constante. La

corriente circulante será entonces proporcional a la cantidad de agua presente en la

muestra.

Figura x Esquema de medición

R es sólo una medida de protección en caso de corto circuito. La desventaja de este

método es que si se agregan fertilizantes, o cambia la constitución de la mezcla, se

tendrá que volver a calibrar el instrumento. Se recomienda además aplicar tiempos de

medición cortos, dado a que los electrodos se pueden deteriorar. O para prevenir esta

situación utilizar voltajes alternos, sin embargo se requerirá transformar la corriente

alterna medida a una señal continua, en vista que la mayoría de los sistemas de

adquisición de datos trabajan en modo cc.

Otra forma es utilizar la tierra (con agua) como dieléctrico, análogamente a lo realizado

en el sensor capacitivo), en este caso se deberán introducir las placas del condensador

paralelamente en la muestra. La constante dieléctrica de la mezcla será directamente

proporcional a la cantidad de agua presente en ella, variando de esa manera el valor C

del condensador.

Figura x posible implementación.