Indice
1.
Introducción
2. Precisión en la medición
de la humedad
3. Parámetros típicos para
determinar la humedad
4. Consideración de los distintos
tipos de sensor y sus aplicaciones
5.
Aplicación de campo de los sensores
6. Estándares de
calibración
7.
Definiciones
Podría decirse que la humedad juega un rol en
todos los procesos
industriales. El solo hecho de que la atmósfera contiene
humedad hace que, por lo menos, se estudie su efecto en el
almacenamiento y
operación de los distintos productos y
dispositivos. El alcance que la influencia de la humedad
podría tener en cualquier proceso
industrial puede variar pero es esencial que al menos sea
monitoreada, y en muchos casos controlada. Se puede decir que la
humedad es una propiedad
más difícil de definir y medir que sus
parámetros asociados como pueden ser la presión y
temperatura.
La medición de la humedad es un proceso
verdaderamente analítico en el cual el sensor debe estar
en contacto con el ambiente de
proceso a diferencia de los sensores de
presión y temperatura que invariablemente se encuentran
aislados del proceso por protecciones conductoras del calor o
diafragmas respectivamente. Esto tiene, por supuesto,
implicancias en la
contaminación y degradación del sensor en
niveles variables
dependiendo de la naturaleza del
ambiente.
En este trabajo vamos a revisar distintas tecnologías de
sensores de humedad y sus típicas aplicaciones en el
contexto de los rangos de medición para los que son
más apropiados.
Los efectos de la contaminación, de alta significación
dada la naturaleza analítica de las mediciones, se
evalúan brevemente.
Como conclusión se sugiere que si el costo inicial no
es de gran importancia, el higrómetro óptico de
punto de rocío o sensor de espejo enfriado, ofrece el
más preciso, repetible y confiable método
para la medición de humedad con el rango de mayor amplitud
posible.
En este trabajo vamos a poner el acento en los sensores que miden
el contenido de agua en los
gases
mencionando que hay otra familia de
dispositivos basados en la absorción de microondas que
se utilizan para determinar el nivel de humedad en los más
diversos compuestos de uso industrial o alimentos como
pueden ser: cereales, café,
madera, pulpa
de papel,
adhesivos etc. Normalmente estos elementos cambian sus
propiedades dieléctricas a medida que absorben el agua hecho
que se toma como base para la aplicación de mediciones
basadas en microondas.
2. Precisión en la
medición de la humedad
Los fabricantes y laboratorios de calibración
buscan determinar la calidad del
desempeño de los dispositivos para la
medición de humedad, esto es, que tanto las
especificaciones y como los datos de
calibración reflejen la operación real de los
sensores.
Podemos definir la precisión de un sensor como la
desviación con respecto a un patrón de laboratorio.
Esta característica es afectada por los
siguientes factores:
- Temperatura y humedad a la que fue calibrado el
sensor - Dependencia de la calibración con la humedad y
la temperatura, muchos sensores son no-lineales y casi todos
varían con la temperatura - Como afecta al sensor el envejecimiento y la velocidad de
envejecimiento - Que tan sensitivo es el sensor a los
contaminantes - Que precisión tiene el estándar usado
para construir el sensor y su certificación
A causa de estas variaciones es de notar que una
declaración de una precisión ±1% es poco
representativa del desempeño efectivo en el ámbito
de operación del sensor. Por ejemplo un sensor con una
precisión especificada de fábrica del ±1%
podría, después de operar durante 6 meses, caer
hasta una precisión de ±6% mientras que otro sensor
con una precisión de fábrica de ±2%
podría, luego de operar 6 meses en la misma
aplicación, tener una precisión del
±2%.
3. Parámetros
típicos para determinar la humedad
Medición de la humedad relativa (RH)
La medición de la humedad relativa consiste en la
relación entre la presión parcial del vapor de agua
en el gas de que se
trate y la presión de saturación del vapor, a una
temperatura dada. Por lo tanto la humedad relativa es función de
la temperatura. La medición es expresada como un
porcentaje. La humedad relativa es un parámetro utilizado
principalmente en aplicaciones ambientales (ej. acondicionamiento
de aire) o
mediciones meteorológicas ya que impacta directamente en
el confort humano. Cuando los niveles de humedad relativa son
bajos puede producirse electricidad
estática que dañe al equipamiento
electrónico.
Medición del punto de rocío/escarcha (D/F
PT)
El punto de rocío es la temperatura, por sobre los 0°
grados, al cual el vapor de agua presente en el gas condensa. El
punto de escarcha es la temperatura, por debajo de 0° grados,
a la cual el vapor se cristaliza en hielo. El punto D/F PT es
función de la presión del gas pero independiente de
su temperatura, y por lo tanto se lo considera una magnitud
fundamental.
Los puntos de rocío y escarcha son utilizados cuando la
sequedad de un gas es relevante, esto es en procesos en los que
debe evitarse la condensación de el vapor de agua a bajas
temperaturas. El punto de rocío se usa también como
un indicador del contenido de vapor de agua en procesos de alta
temperatura como el secado industrial.
Partes por millón (PPM)
Expresión del contenido de vapor de agua por
fracción de volumen (PPMv) o,
si es multiplicado por la relación entre el peso molecular
del agua y el aire como PPMw.
Este parámetro es más dificultoso de conceptualizar
porque está fuera del alcance del cuerpo humano
detectar los cambios de esta magnitud en la atmósfera.
Este término y los asociados como pueden ser: El termino
PPM u otrs asociados como la relación de mezcla, el
porcentaje de volumen y la humedad específica, se utilizan
cuando el vapor de agua es una impureza o un componente definido
en una mezcla de gases que participa de un proceso industrial. Un
ejemplo práctico de su aplicación son los gases de
uso medicinal, como pueden ser el óxido nitroso,
dióxido de carbono y
oxígeno
cuando son utilizados en operaciones
quirúrgicas que deben tener un contenido de humedad menor
a 60ppm.
4. Consideración de
los distintos tipos de sensor y sus aplicaciones
No existe un tecnología de
medición que sea apropiada para todas las aplicaciones.
Algunas de las tecnologías típicamente usadas
son:
Técnicas para la medición de humedad
relativa
Las mediciones de humedad relativa puede ser hecha por sensores
basados en: psicometría, desplazamiento, resistivos,
capacitivos y por absorción de líquido. Algunos de
los cuales describimos.
Psicometría por bulbo húmedo/bulbo
seco
La psicometría desde hace tiempo es uno de
los métodos
más populares para el monitoreo de la humedad debido a su
simplicidad e inherente bajo costo. Un psicometro industrial
típico consiste de un par de termómetros
eléctricos acoplados, 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 sus
máxima caída de temperatura la humedad puede
determinarse comparando la temperatura de los dos
termómetros en una tabla psicométrica.
El psicómetro provee una alta precisión en las
proximidades del punto de saturación (100% RH) y es
fácil de operar y reparar, por otra parte a baja humedad
relativa (menos del 20%) el desempeño es pobre y el
mantenimiento
debe intensificarse. No puede utilizarse a temperaturas menores
de 0° y, siendo el propio psicometro una fuente de humedad,
no pude utilizarse tampoco en ambientes pequeños o
cerrados.
Los psicómetros son utilizados típicamente para
control ambiental
en recintos.
Psicómetro
Sensores por desplazamiento
Es quizás el tipo de sensor más antiguo y de uso
común, utiliza un mecanismo para medir la expansión
o contracción de un cierto material que es proporcional a
los cambios en el nivel de humedad relativa. Los materiales
más comunes el nylon y la celulosa. Las ventajas de este
tipo de sensos son el bajo costo de fabricación y es
altamente inmune a la contaminación. Las desventajas son
la tendencia a la descalibración en el tiempo y los
efectos de histéresis significativos.
Sensor de bloque de polímero resistivo
Están compuestos de un sustrato cerámico aislante
sobre el cual se deposita una grilla de electrodos. Estos
electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida
en una resina (polímero). La resina se recubre entonces
con una capa protectiva permeable al vapor de agua. A medida que
la humedad permea la capa de protección, el
polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan
dentro de la resina. Cuando los electrodos son excitados por una
corriente
alterna, la impedancia de el sensor se mide y es usada para
calcular el porcentaje de humedad relativa.
Por su misma estructura
este tipo de sensores son relativamente inmunes a la
contaminación superficial ya que no afecta su
precisión aunque si el tiempo de respuesta. Debido a
los valores
extremadamente altos de resistencia del
sensor a niveles de humedad menores que 20% es apropiado para los
rangos altos de humedad.
Sensores capacitivos
Los sensores capacitivos (polímero orgánico
capacitivo) es diseñados normalmente con platos paralelos
con electrodos porosos o con filamentos entrelazados en el
sustrato. El material dieléctrico absorbe o elimina vapor
de agua del ambiente con los cambios de el nivel de humedad. Los
cambios resultantes en la constante dieléctrica causa una
variación en el valor de la
capacidad del dispositivo por lo que resulta una impedancia que
varia con la humedad. Un cambio en la
constante dieléctrica de aproximadamente el 30%
corresponde a una variación de 0-100% en la humedad
relativa.
El material sensor es muy delgado para alcanzar grandes cambios
en la señal con la humedad. Esto permite a el vapor de
agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido
para la sencilla calibración del sensor.
Este tipo de sensor es especialmente apropiado para ambiente de
alta temperatura porque el coeficiente de temperatura es bajo y
el polímero dieléctrico puede soportar altas
temperaturas. Los sensores capacitivos son también
apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de
sensibilidad a niveles bajos de humedad, donde proveen una
respuesta relativamente rápida. A valores de
humedad superiores al 85% sin embargo el sensor tiene una
tendencia a saturar y se transforma en no lineal.
Efectos de la temperatura y la humedad
La salida de todos los sensores de humedad por absorción
(capacitivos, resistivos, de film resistivo etc.), se ven
afectados sensiblemente por la temperatura y la humedad relativa.
A causa de esto se utilizan mecanismos de compensación de
temperatura en aplicaciones que demanden alto nivel de
precisión o un amplio rango de temperaturas.
Cuando se compensa la temperatura de un sensor lo mejor es hacer
la medición de temperatura tan cerca como sea posible de
área activa del sensor, esto es en el mismo
micro-ambiente. Esto es especialmente verdad cuando se combina la
medición de RH y temperatura par derivar el punto de
rocío
Los instrumentos de tipo industrial para medir humedad y punto de
rocío incorporan una resistencia de platino (RTD) en la
parte posterior del sustrato del sensor para la integridad de la
compensación de la diferencia de temperaturas. Para estos
sensores de alta temperatura no se proveen los circuitos
electrónicos de acondicionamiento de
señal
Las aplicaciones típicas para los
polímeros resistivos y capacitivos son
- HVAC administración de
energía - Control de salas de computadora/ambientes limpios
- Instrumentos portátiles
- Monitoreo ambiental y
meteorológico
Humedad relativa calculada con el punto de rocío
y la temperatura
Un transmisor óptico de punto de rocío con el
agregado de medición de temperatura podría
utilizarse para obtener un valor de humedad relativa de alta
precisión. Este sería un costoso método para
derivar un valor de una medición primaria.
Dispositivos usados para medición del punto de
rocío/escarcha
Los sensores de sal saturada de cloruro de litio, óxido de
aluminio y de
espejo óptico enfriado son utilizados para la
medición directa del D/F PT. Estos sensores proveen un
amplio rango de medición en términos del punto de
rocío o escarcha.
Sensor de sal saturada de cloruro de litio
El sensor de sal saturada de cloruro de litio ha sido uno de los
sensores de punto de rocío más ampliamente usados.
Su popularidad es resultado de su simplicidad, bajo costo,
durabilidad, y el hecho de que provee una medición
fundamental.
El sensor consiste de una bobina recubierta con una tela
absorbente y un arrollamiento de electrodos bifilares inertes. La
bobina es revestida con una solución diluida de cloruro de
litio. Un corriente alterna se hace pasar por el arrollamiento y
la solución salina causando calentamiento por efecto
joule. A medida que la bobina eleva su temperatura el agua de la
sal se evapora a una tasa que es controlada por la presión
de vapor de agua en el aire circundante. Cuando la bobina
comienza a secarse, la resistencia de la solución salina
se incrementa produciendo una disminución de la corriente
que enfría la bobina. Este efecto de calentamiento y
enfriamiento continúa hasta alcanzar un punto de
equilibrio en el que no hay intercambio de agua con el
ambiente. Esta temperatura de equilibrio es
directamente proporcional a la presión de vapor de agua o
el punto de rocío del aire circundante . Este valor es
medido utilizando un termómetro de resistencia de platino
(PRT).
Si el sensor de sal saturada se contamina puede
fácilmente hacerse una recarga de cloruro de litio. Las
limitaciones de esta tecnología son un relativamente bajo
tiempo de repuesta y el límite inferior del rango de
medición impuesto por la
naturaleza del cloruro de litio. El sensor no puede usarse para
medir puntos de rocío cuando la presión de vapor de
agua cae por debajo de la presión de saturación de
vapor del cloruro de litio que ocurre cerca del 11% de humedad
relativa. Los sensores de sal saturada resultan atractivos cuando
el bajo costo, la resistencia ambiental, el bajo tiempo de
respuesta y la moderada precisión son
requeridos.
Las aplicaciones típicas de estos sensores
son:
- Controles de refrigeración
- Secadores
- Dehumificadores
- Monitorio de líneas se suministro de
aire - Equipos envasadores de píldoras
Para aplicaciones que requieren una gran
precisión y un amplio rango de mediciones se deben
considerar sensores del tipo electrolítico de
condensación y a base de óxidos.
Sensores de punto de rocío de óxido de
aluminio
Los instrumentos de óxido de aluminio y sus derivados,
tales como los sensores basados en cerámicos o silicio,
son dispositivos que de forma indirecta infieren el valor del
punto de rocío por la variación de su valor de
capacidad que es afectada por la humedad ambiente. Están
disponibles en una variedad de tipos, desde sistemas de bajo
costo portátiles operados a batería, hasta sistemas
multi-punto basados en microprocesador
con la capacidad de calcular la información de la humedad en diferentes
parámetros.
Un sensor de óxido de aluminio típico es un
capacitor, formado por la deposición de una capa de
óxido de aluminio poroso sobre un sustrato conductor que
se reviste con una delgada lámina de oro. La base
conductora y la lámina de oro forman los electrodos del
capacitor. El vapor de agua penetra la lámina de oro y es
absorbida por el óxido poroso. La cantidad de
moléculas de agua absorbidas determina la impedancia
eléctrica del capacitor que a su vez resulta proporcional
a la presión de vapor de agua.
Los sensores de óxido son de reducido tamaño. Son
apropiados para medir bajos puntos de rocío (-100°?) y
pueden operar sobre un amplio rango que abarca las aplicaciones
de alta presión. Pueden utilizarse también para
medir la humedad en líquidos y, debido al bajo consumo de
potencia, son
apropiados para instalaciones intrínsecamente seguras y a
prueba de explosiones.
Los sensores a base de óxido se usan frecuentemente en la
industria
petroquímica y de generación de
potencia donde los puntos de rocío bajos deben
monitorearse en línea con arreglos de múltiples
sensores económicos.
La principal desventaja asociada con estos sensores es que son
dispositivos de medición secundaria y deben ser
recalibrados frecuentemente para corregir los efectos de
envejecimiento, histéresis y
contaminación.
Higrómetro óptico de
condensación
El higrómetro óptico es considerado el
método más preciso para la medición del
punto de rocío. Esta es una medición primaria, que
mide, como su nombre indica, el punto efectivo de
condensación del gas ambiente y para el que se pueden con
facilidad establecer estándares internacionales de
calibración. El sensor contiene un pequeño espejo
metálico cuya superficie es enfriada hasta que el agua de
la muestra de gas
condense. El espejo es iluminado por un fuente de luz y su
reflexión es detectada por un fototransistor. Cuando la
condensación ocurre la luz reflejada sufre una
dispersión y por lo tanto disminuye la intensidad captada
por el detector. Un sistema de
control se encarga de mantener la temperatura de espejo en el
punto necesario para mantener una delgada capa de
condensación. Un PRT embebido en el espejo mide su
temperatura y por lo tanto la temperatura de punto de
rocío.
Con el higrómetro óptico son posibles precisiones
de +/- 0.2°. Ciertos equipos especiales pueden tener un rango
completo desde -85° hasta casi 100° de punto de
rocío. Los tiempos de respuesta son rápidos y la
operación está relativamente libre de problemas de
pérdida de calibración.
Las aplicaciones típicas de los
higrómetros ópticos de condensación
son:
- Líneas de aire medicinal
- Equipo electrónico refrigerado con
líquido - Computadoras refrigeradas
- Hornos de tratamiento térmico
- Hornos de fundición
- Control ambiental de recintos
- Secadores
- Estándares de calibración de
humedad
Higrómetro óptico cuando empieza la
medición
Higrómetro óptico cuando alcanza el punto
de medición
Dispositivos usados para mediciones de PPM
Para medir el vapor de agua en las regiones de bajo PPM se
utilizan sensores electrilíticos, piezo-resonadores y
ópticos. Cuando se hacen mediciones en este rango y
utilizando el método de toma de muestras, en
oposición a las técnicas de medición
in-situ, ya que veces las condiciones del proceso, alta
temperatura, presión, gases corrosivos etc., y/o cuando el
tipo de tecnología del sensor utilizada imposibilita las
mediciones in-situ, es vital asegurarse que los recintos para
medición son herméticos, construidos con materiales
no higroscópicos (por ejemplo acero inoxidable)
y cuando se inicia la medición, se debe permitir un tiempo
adecuado para que el sistema se equilibre y seque.
Higrómetro electrolítico
El higrómetro electrolítico normalmente se utiliza
para la medición de gases secos ya que provee una
performance confiable para largos períodos en el rango de
bajos valores de PPM. Los sensores electrolíticos
típicamente requieren que el gas medido esté limpio
y no debería reaccionar con la solución de
ácido fosfórico, aunque desarrollos recientes en la
tecnología de sensores de celda y los sistemas de
acondicionamiento de muestras permiten aplicaciones más
hostiles, como pueden ser la medición de humedad en
cloruro.
Los sensores electrolíticos utilizan una celda revestida
con una delgada capa de pentóxido fosforoso (P2O5), que
absorbe agua del gas bajo medición. Cuando una corriente
eléctrica se aplica a los electrodos, el vapor de agua
absorbido por el P2O5 se disocia en moléculas de
hidrógeno y oxígeno. La cantidad de corriente
requerida para disociar el agua es proporcional a el
número de moléculas de agua presentes en la
muestra. Este valor junto con el caudal y la temperatura se usan
para determinar la concentración de las partes por
millón por volumen (PPMv) del vapor de agua. El sensor
electrolítico se utiliza en aplicaciones secas de hasta un
máximo de 1000 PPMv y es apropiado para el uso en procesos
industriales tales como gases ultra-puros, química fina, y
producción de circuitos
integrados, etc. En cada uno de estos casos el éxito
de estos procesos industriales depende del mantenimiento de
condiciones inertes. Esto significa que un suministro continuo de
nitrógeno o argón se debe usar para purgar el
ambiente de producción. Así como el mantenimiento
de la pureza del gas, el contenido de vapor de agua
debería mantenerse muy bajo ya que estas son las
condiciones para las que el higrómetro
electrolítico trabaja apropiadamente.
Aplicaciones típicas de este sensor
- Generadores de ozono
- Líneas de aire seco
- Sistemas de transferencia de
nitrógeno - Soldadura con gas inerte
En resumen, el higrómetro electrolítico
suministra una medición primaria y confiable a bajos
niveles de humedad, pero la precisión del dispositivo
depende del mantenimiento del un flujo de muestras controlado.
Las aplicaciones deben seleccionarse cuidadosamente ya que
ciertos gases podrían corroer y/o contaminar el
sensor.
Sensor Piezo-resonante
El sensor piezo-resonante opera con el principio de equilibrio de
RH donde la absorción de agua incrementa la masa de
cristal lo que afecta directamente su frecuencia de
resonancia.
El sensor tiene un revestimiento sensible a la humedad ubicado
sobre la superficie del cristal resonante. La frecuencia de
resonancia del cristal cambia a medida que el revestimiento
sensitivo a la humedad absorba o elimine vapor de agua en
respuesta a los cambios en los niveles de humedad ambiente. Esta
frecuencia de resonancia es comparada con mediciones similares en
el gas seco o a al frecuencia de referencia a la que ha sido
calibrado.
Higrómetro óptico por condensación
con capacidad máxima de enfriamiento
Como se dijo previamente se dijo en la sección sobre la
medición del punto de rocío/escarcha, un
higrómetro óptico de condensación con
múltiples niveles de enfriamiento, suplentado en algunos
casos con enfriamiento adicional por aire o glicol/agua, puede
alcanzar mediciones del punto de rocío a niveles menores
de -85°, lo que implica contenidos de agua de 0.25 PPMv a 1
atmósfera de presión.
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