Sensores de Humedad

^{Sensores de Humedad}

Higrómetro de cabello

Se basa en la expansión de o contracción lineal de materiales sensibles a la humedad, tales como las fibras orgánicas (cabellos naturales) o las fibras inorgánicas (nylon). El alargamiento de estos materiales es de un 2.5% cuando la humedad relativa pasa del 0% al 100%.

Su exactitud es del orden del 3% al 5% H.R. y su campo de medida es del 15% al 95% H.R. (humedad relativa).

Por su poca robustez no es utilizado en aplicaciones industriales.  

Porcentaje de elongación del cabello según la humedad relativa medida.

Bulbo seco y bulbo húmedo

Se basa en la captación de temperatura ambiente o seca y de la temperatura húmeda mediante dos termómetros, uno seco y uno con su bulbo constantemente humedecido.

La humedad se conoce observando el diagrama psicométrico, donde se obtiene por la intercepción de las líneas correspondientes a ambos bulbos. Si no se desea observar el diagrama en cada medición se puede emplear un instrumento que mida directamente la diferencia de temperatura entre ambos bulbos, con lo que el índice del instrumento determinara la humedad relativa.

Este instrumento tiene una exactitud del 1% al 2% la cual mejora cuando la humedad relativa está cercana a la de saturación, con lo que permite el uso de aparatos con un campo de medida muy estrecho a la H.R. próxima al 100% A.H.R menor del 20%. Es de precisión pobre.
Se desaconseja su uso en pequeñas cámaras, ya que el agua del bulbo húmedo se incorpora al ambiente y falsea la lectura.

              

Célula de cloruro de litio

Consiste en una célula embebida en cloruro de litio con una rejilla de laminas de oro, al aplicarle una tensión alterna a la rejilla, el tejido embebido en cloruro de litio se calienta y se establece un equilibrio entre la evaporación de agua del tejido y la absorción de agua de ambiente por parte del cloruro de litio. La sal tiene la propiedad de cambiar su resistencia al aumentarse o disminuirse la humedad ambiente, ya que libera o absorbe iones de la película soporte. Como la humedad relativa viene determinada por el contenido de la humedad relativa y por la temperatura del aire, por lo que es necesario compensarla.

Su exactitud es de 2% al 3% H.R y su campo de medida es del 5% al 95% de H.R.
Su utilización en la industria ha ido disminuyendo por problemas de mantenimiento, ya que el elemento no puede utilizarse en atmosferas con mucho polvo, con dióxido de azufre, vapores ácidos, amoniaco, cloro, vapores alcalinos y atmosferas contaminadas con sal.
El elemento envejece, por lo que disminuye su indicación entre un 1% y 2% al año.

Sensor polimérico (polímero orgánico capacitivo)

Consiste en un condensador formado por un polímero termoestable, electrodos de platino y una base de silicio. En operación el vapor de agua de la capa activa dieléctrica del condensador esta en equilibrio con el ambiente donde se desea medir la humedad relativa.

La capa de platino poroso actúa como blindaje de las influencias externas sobre la respuesta dieléctrica, mientras que la capa de polímero proporciona una protección mecánica sobre la capa de platino.

El condensador polimérico varia su constante dieléctrica según la humedad del ambiente, de modo que proporciona una respuesta a la humedad relativa dada por

Su exactitud es de 5% si la temperatura es menor a 10°C, es de 2% si la temperatura se encuentra entre 10°C y 20°C y si la temperatura es mayor a 20°C la exactitud del sensor será de 1%.

Este sensor puede trabajar con líquidos y vapores tales como isopropilo, benceno, tolueno, formaldehidos, aceites, agentes de limpieza y vapor de amoniaco.

Se incorpora un circuito de acondicionamiento de señal con una alimentación de 5V, a 25°C la señal de salida de 0.8V a 3.9V, corresponde a un cambio en la humedad relativa del 0% al 100%. 

Su mantenimiento se reduce a una verificación y limpieza periódicas con solución detergente o alcohol isopropilico para eliminar los contaminantes que puedan depositarse en la vaina del sensor. 

Psicrómetros:

Un psicrómetro es un dispositivo de medición de humedad relativa el cual tiene dos transductores de temperatura (termómetro). Uno de los termómetros mide la temperatura de un elemento que esta simplemente localizado en el aire ambiental. Este elemento se le denomina bulbo seco. El segundo termómetro mide la temperatura de un elemento que esta rodeado por un material fibroso saturado con agua liquida pura. Este elemento es denominado bulbo mojado.

Los transductores mostrados en la figura son RTD de cable de platino, El bulbo seco se mantiene a temperatura del flujo del aire ambiental, de manera que la temperatura del bulbo seco es simplemente igual a la temperatura del aire ambiental, sin importar su humedad. El bulbo mojado se encuentra mas frio que el bulbo seco debido a la evaporación del agua liquida contenida en el material fibroso que rodea al bulbo mojado. Cuanto mayor sea la proporción de evaporación del agua, mayor será el efecto de enfriamiento del bulbo y menor la lectura de la temperatura del bulbo mojado.

La proporción de evaporación depende de la humedad relativa del aire en movimiento. Si el aire esta seco (humedad relativa baja), la proporción de evaporación será mayor, y el bulbo mojado estará mucho mas frio que el bulbo seco. Si el aire es húmedo (humedad relativa alta), la proporción de evaporación no será tan grande, y el bulbo mojado estará solo un poco mas frio que el bulbo seco. La diferencia entre las temperaturas será una señal de humedad relativa del aire.

 

Salida en un sicrómetro

Por conductividad

Error inducido en un psicrómetro

Se basa en la medida de la conductividad de una muestra del producto al pasar una corriente a través de los electrodos en contacto con el mismo. Estos electrodos forman parte de un puente de Wheatstone con la indicación, el registro o el control de la humedad.

El método da buenos resultados y es repetitivo. Sin embargo, la lectura viene incluida considerablemente por el estado de la supercie de contacto de los electrodos, por la presión de los mismos en el material, por la temperatura, etc., y, en particular, en los materiales de alta resistividad como el papel.

Por conductividad (polarización con NE555)

Es un sensor pasivo el cual nos entregará una salida con variación de frecuencia y no de amplitud, entre más frecuencia tengamos a la salida representará una mayor humedad, esto se logra ya que la tierra o el aire son por si solos un material aislante natural a la electricidad y el agua es un conductor, al agregar agua a la tierra esta mezcla se hace menos resistiva y al quitarle agua esta es más resistiva (al igual que el aire), al hundir los 2 electrodos en la tierra estos nos arrojarán una resistencia la cual modificará la señal de salida en el circuito integrado NE555 dándonos a la salida una señal variada en frecuencia.

Circuito de polarización.

Se tiene que cuidar de que el entorno a medir no sea demasiado seco (resistencia infinita) porque la lectura de la salida será constante y no tendrá frecuencia.

Para este tipo de sensor se puede calibrar a cierta frecuencia para cierta humedad con tan sólo aumentar o disminuir el valor de la resistencia del resistor de polarización.

Por capacidad

Se basa en la variación de la constante dieléctrica que el material experimenta entre el estado húmedo y el estado totalmente seco. Las moléculas de agua son de carácter bipolar y  enen una alta constante dieléctrica frente a los productos secos (Er = 80 frente a Er = 6). Por ejemplo, en el caso del papel, la variación puede estar entre 2,8 al salir del horno y 80, que es la constante dieléctrica del agua. Además, el valor de Er es linealmente proporcional a la humedad del sólido y a la capacidad del condensador. De esta forma: 

Y 

con: 

El material, cuya humedad se mide, es el dieléctrico situado entre las placas del condensador. Cuando el material toca o cierra el campo eléctrico de alta frecuencia, éste cambia y la señal de salida alimenta un puente de medida de capacidades. La frecuencia de trabajo está comprendida entre 10 MHz y 1 GHz.

Valores dados de capacitancia para cierta medida de humedad relativa.

Por resonancia de microondas

Un circuito oscilante electromagnético, sintonizado a la frecuencia de resonancia del producto, orienta las moléculas de agua de éste hacia la polaridad del campo eléctrico, gracias a las moléculas de H2 y O2 que constituyen un dipolo. Al cambiar rápidamente de polaridad el campo, sólo las moléculas de agua vuelven a reorientarse, lo cual absorbe una energía que depende del número de moléculas de agua en el producto. Esta absorción de energía representa un factor de atenuación de la señal en la resonancia y da lugar a un desplazamiento de la frecuencia de resonancia.

En la figura puede verse la forma con que la medida se hace independiente de la densidad. Cada frecuencia de resonancia corresponde a una longitud de onda. Al cambiar la densidad del producto de una humedad constante se obtienen diferentes puntos unidos con una línea recta. El ángulo que forman dichas rectas con la horizontal es, pues, independiente de la densidad del producto.

De este modo, el aparato se calibra asociando el ángulo con un valor de la humedad. La determinación de la humedad es muy rápida, menos de un 1 segundo. La exactitud del sistema es del orden del ± 0,5% al ± 2%, hasta el 20% de humedad.

Higrómetros Espectroscópicos

Las propiedades físicas del aire como ser el índice de refracción, la absorción de radiación, conductividad térmica, viscosidad, densidad y la velocidad sónica cambian con la cantidad de vapor de agua presente. El higrómetro espectroscópico mide la atenuación de la absorción debido a la absorción de vapor de agua en ciertas bandas del espectro. Estas bandas ocurren principalmente en la región del UV (ultravioleta)  y en el IR (infrarrojo).

La región del infrarrojo desde 1000 a 3000 nm es una de las mejores regiones, ya que hay muy poca emisión solar y terrestre en esta región y existe una fuerte absorción del vapor de agua en dicha banda.

Grafica de porcentaje de absorción de vapor de agua en la región de infrarrojo.

La absorción ocurre en ciertas líneas. Hay líneas de fuerte vibración-rotación en las longitudes de onda de: 2663, 2734,3163 y 6271 nm. Estas líneas se ensanchan debido a la presión atmosférica y al movimiento molecular (ensanchamiento de Doppler) y esto es función de la temperatura.

Recordando la ley de Beer, que nos dice la fracción de la radiación incidente transmitida a través del espesor de atmosfera:

Donde x= espesor óptico (m) dv= humedad absoluta (kg/m3) reducida a una atmosfera estándar (p=1013, 25hPa y T= 273,15 k)

 Kλ=coeficiente de absorción.

I e I0 representan la fuente de intensidad y la intensidad de la luz luego de pasar por la capa.

Los higrómetros láser son muy caros y no son prácticos para utilizar en campo. Por otro lado los higrómetros IR utilizan fuentes de banda ancha y filtros para definir las bandas de las ondas. Utilizan 2 bandas en la región de absorción, una alrededor de los 2600 nm y una banda de referencia o no absorbente alrededor de los 2300 nm.

La ecuación de transferencia para el higrómetro IR es:

Ventajas y desventajas de los sensores

Como todo instrumental para la elección nos fijamos en el costo, precisión,

mantenimiento requerido, que se ajuste a la aplicación, velocidad de respuesta y consumo de energía (batería, panel solar, etc), a continuación ventajas y desventajas de cada uno de los diferentes tipos de sensores de humedad.

APLICACIONES

Industria textil, papelera y de pieles

Debido a que la humedad altera la estructura de ciertas fibras y tejidos, esto afecta la calidad del producto elaborado. Por ello es muy común apreciar las aplicaciones de sistemas de regulación de humedad en las industrias relacionadas a estos productos.

Industria alimenticia

Ya que la mayoría de los alimentos contienen o son preparados con grandes cantidades de agua o líquidos, la regulación de la cantidad de líquido presente es vital para lograr la obtención de un producto óptimo y normalizado. Sus aplicaciones más comunes son en:

·       Deshidratación de frutas, pastes, café, sopas, etc.

·       Panadería.

·       Refrigeración.

·       Conservación de vinos.

Meteorología

La aplicación más conocida de los sensores de humedad. Debido a que la humedad es una de las variables fundamentales en el estudio de la meteorología y por ello es necesario contar con medidores muy exactos, para poder llevar registros o realizar investigaciones científicas.

Industria química – biológica

Se utiliza en los cultivos de bacterias, con el fin de estudiar su comportamiento ante los antibióticos, esto es realizado bajo condiciones de climatización extrema, en donde el control de la humedad es fundamental.

Conservación y  almacenamiento

Debido a las consecuencias negativas de la humedad a las propiedades físicas, químicas y biológicas de ciertos materiales; la humedad se necesita controlar, especialmente en bodegas de almacenamiento, con el fin de evitar el deterioro de las especies afectadas.
Su uso es muy común en la conservación de obras de arte tales como pinturas, esculturas y libros.

Electrónica y semiconductores

La descarga electrostática tiene un efecto destructor en los circuitos electrónicos. La cantidad de energía transferida depende del medio ambiente en que ocurre: humedad relativa, temperatura, impurezas en el aire, etc.

Bibliografía

Antonio Creus. (2010). Instrumentación Industrial. México: Alfaomepga.

MALONEY, TIMOTHY J., ELECTRÓNICA INDUSTRIAL MODERNA. Edición Edición 5. Editorial: PEARSON EDUCACION DE MEXICO, S. A. DE C. V., 972 p.

ALLOCCA, JOHN A., TRANSDUCERS; THEORY AND APPLICATION.. Edición Edición 1. Editorial: RESTON PUBLISHING COMPANY INC, 497 p.

Dra. Madeleine Renom, Principios básicos de las mediciones atmosféricas, Higrometría (2011), Facultad de Ciencias.