Un instrumento ampliamente utilizado para medir la humedad del aire (y otros gases) es un higrómetro de condensación. Su principio de funcionamiento es medir la temperatura, llamada punto de rocío, en la que comienza la condensación de la humedad del aire.
¿Qué es la humedad del aire?
Un higrómetro mide el contenido de humedad del aire, que se puede representar como un valor absoluto o relativo. El primero de ellos da simplemente la masa de vapor de agua en 1 metro cúbico. m de aire a una temperatura dada. Pero el segundo muestra cuán cerca está el vapor de agua en el aire de un estado de saturación, es decir, de un equilibrio dinámico con su fase líquida, cuando no hay ni evaporación ni condensación. Es igual a la relación entre la humedad absoluta medida del aire y su humedad absoluta en el estado de saturación. Cuando el vapor de agua en el aire está saturado (nuevamente, a una temperatura dada), la humedad relativa de ese aire es del 100%. En aire con vapor de agua no saturado, es, en consecuencia, menor.
Cómo funciona un higrómetro de condensación
El principio de funcionamiento de cualquier dispositivo para determinar la humedad del aire, por regla general, es medir alguna otra cantidad, como temperatura, presión, masa o cambios mecánicos y eléctricos en una sustancia que absorbe humedad. Mediante la calibración y el cálculo apropiados, estos valores medidos pueden conducir a la determinación de la humedad absoluta o relativa. La temperatura a la que se produce la saturación del vapor, llamada punto de rocío, juega un papel muy importante en este proceso. Por regla general, los dispositivos electrónicos modernos para determinar la humedad del aire miden esta temperatura o los cambios en la capacitancia eléctrica o la resistencia de varias sustancias absorbentes, que luego se convierten (automáticamente) en indicadores de humedad.
Dispositivo higrómetro de condensación
Su trabajo se basa precisamente en la medición del vapor de agua en el aire por el método del punto de rocío. Este método involucra el enfriamiento de una superficie, típicamente un espejo de metal, a una temperatura a la cual el agua en la superficie del espejo está en equilibrio con la presión de vapor del agua en el gas de muestra sobre la superficie. A esta temperatura, la masa de agua en la superficie del espejo no aumenta (si la superficie está demasiado fría) ni disminuye (si la superficie está demasiado caliente), es decir, el vapor sobre el espejo está en equilibrio dinámico con el agua condensada en el espejo (el vapor está saturado).
Este espejo está hecho de un material con buena conductividad térmica (como plata o cobre) ychapado con un metal inerte como iridio, rubidio, níquel u oro para evitar el deslustre y la oxidación. El espejo es enfriado por un enfriador termoeléctrico (efecto Peltier) hasta la formación de condensado. Un haz de luz, generalmente de un diodo emisor de luz de banda ancha de estado sólido, se dirige a la superficie de un espejo y un fotodetector controla la luz reflejada, cuyo flujo es máximo cuando no hay condensación en el espejo.
Método de funcionamiento del higrómetro de espejo infantil
Cuando se forman gotas de rocío en la superficie del espejo, la luz reflejada se dispersa. En este caso, su flujo que ingresa al fotodetector disminuye, lo que conduce a un cambio en la señal de salida de este último. Esto, a su vez, está controlado por un sistema de control de enfriador termoeléctrico analógico o digital que mantiene una temperatura de espejo estable en el punto de rocío. Con un sistema diseñado correctamente, el espejo se mantiene a una temperatura en la que la tasa de condensación es exactamente igual a la tasa de evaporación de la capa de rocío. Un termómetro de resistencia de platino (PRT) en miniatura montado en el espejo mide su temperatura en ese punto, que se convierte automáticamente en una lectura de humedad.
El higrómetro para medir la humedad del aire del diseño considerado también incluye una bomba de vacío para bombear la porción analizada de gas y elementos de filtración adicionales en condiciones sucias.
Ventajas de los higrómetros considerados
Tales instrumentos, basados en un principio de operación simple, con un amplio rango de medición, alta precisión y lecturas estables, son ampliamente utilizados en la industria y la investigación científica. Un higrómetro de punto de rocío típico, a diferencia de muchos otros sensores de humedad, se puede hacer muy estable, prácticamente resistente al desgaste, lo que minimiza la necesidad de recalibración. El higrómetro de humedad de punto de rocío es capaz de medir el punto de rocío en el rango de temperatura de 100 °C a un mínimo de -70 °C. En este caso, la precisión de la medición es de décimas de grado.
Muchos higrómetros del diseño considerado están equipados con control por microprocesador y, en combinación con un sensor de temperatura resistivo, pueden calcular y mostrar en un indicador externo cualquier parámetro de humedad deseado además del punto de rocío o en lugar del mismo. Además, estos dispositivos permiten la transferencia de resultados mediante tecnología inalámbrica. Naturalmente, estos dispositivos se utilizan ampliamente como parte de varios sistemas industriales para la recopilación automatizada de datos y el control de procesos técnicos relevantes.
¿Cuánto costaría un higrómetro como este? Su precio, por supuesto, está determinado principalmente por el conjunto de funciones implementadas, dependiendo de la disponibilidad y complejidad del sistema de control electrónico del dispositivo. Entonces, un higrómetro de condensación estacionario que parece un osciloscopio digital cuesta al menos $4,000. Los modelos particularmente "avanzados" pueden costar más de $10,000. En el mercadoTambién puede encontrar un higrómetro portátil totalmente funcional. Su precio es de 1 a 2 mil dólares.
Desventajas de los higrómetros de condensación
Si bien el sistema de higrómetros considerado se considera el más eficiente en el proceso de medición, su desventaja es la inevitable contaminación de las partes de la ruta de medición durante la operación.
Los higrómetros equipados con espejos refrigerados tienden a aumentar las imprecisiones de medición debido a la presencia de contaminantes solubles e insolubles depositados en el espejo. Las partículas insolubles afectan las características ópticas del espejo. La presencia de polvo moderado o la aparición de partículas insolubles en el espejo proporciona centros de concentración en los que se puede formar rocío o escarcha, lo que aumenta el tiempo de respuesta del dispositivo. Las impurezas solubles afectan la cantidad de presión de vapor de la humedad condensada en el espejo, lo que cambia el punto de rocío. Los higrómetros de medición modernos (al menos sus modelos más sofisticados) incluyen características de "autocomprobación" que permiten que el dispositivo detecte y responda a la contaminación haciendo los ajustes apropiados a los algoritmos de cálculo de humedad.
Independientemente de estas capacidades, prácticamente todos los higrómetros en cuestión deben revisarse y limpiarse periódicamente.
Mantenimiento de higrómetros de espejo frío
Qué recomienda el manual de instrucciones al usuario del dispositivo en este sentido. Un higrómetro sensible a la suciedad debe serlimpiarse periódicamente para garantizar la estabilidad de los resultados de la medición, aunque esto puede aumentar el coste de su mantenimiento. La inspección del espejo del instrumento generalmente se realiza con el microscopio incorporado y su mantenimiento se realiza manualmente después de abrir el compartimiento de medición.
Si la limpieza de la superficie del espejo se realiza con la frecuencia requerida en las instrucciones para su funcionamiento, de esta manera es posible mantener la precisión de las mediciones. El acceso conveniente a la superficie del espejo para la limpieza generalmente se proporciona mediante una bisagra entre los componentes ópticos y el espejo. Ya puedes encontrar en el mercado cualquier higrómetro de condensación que el consumidor necesite. La foto de abajo muestra un ejemplo de su ejecución.
Uso de higrómetros en metrología
Un higrómetro de espejo frío correctamente diseñado y mantenido proporciona mediciones de humedad con una precisión mucho mayor que otros medidores de humedad populares. Su precisión de medición inherente, especialmente cuando está equipado con un termómetro de resistencia de platino para medir la temperatura, un espejo y un microscopio de potencia media para monitorear el espejo, lo hace ideal para mediciones metrológicas. Las posibilidades de transmisión de información a través de canales de comunicación digital inalámbricos abren amplias posibilidades para el uso de estos higrómetros en sistemas globales para recopilar y procesar información meteorológica.
Uso en laboratorios de fábrica y entornos contaminados
Este medidor de humedad del aire es ideal para medir su valor absoluto en los laboratorios de climatización de las fábricas. A menudo se usan como referencias para controlar la precisión de otros instrumentos, como los sensores de humedad relativa que se usan para controlar las cámaras de prueba ambientales.
La estabilidad de los materiales utilizados en la construcción de estos higrómetros, así como la capacidad de limpiarlos repetidamente, hacen que los instrumentos sean adecuados para una vida útil muy larga en entornos con la mayoría de los contaminantes sin pérdida de calibración. Esta estabilidad de rendimiento los hace adecuados para su uso en corrientes de gas donde los altos niveles de contaminantes en las muestras de gas son irreversiblemente perjudiciales para los tipos de sensores de humedad menos estables. Por ejemplo, este tipo de higrómetro se usa ampliamente para controlar el punto de rocío durante el endurecimiento por calor de las superficies de los productos metálicos en un ambiente de aire con impurezas especiales. En tales casos, es especialmente deseable proporcionar un fácil acceso al espejo para limpiarlo.
Producción sensible a la humedad
Los procesos de envasado especializados requeridos en la producción de productos farmacéuticos, películas, revestimientos y otros productos a menudo son monitoreados por higrómetros de espejo frío. Nuevamente, su elección en este caso está influenciada por la estabilidad de la precisión de la medición y la larga vida útil. Además, dado que estos procesos tienden a ser menos sensibles acostos del instrumento, el alto costo de estos higrómetros no es un factor determinante en la elección de un esquema de monitoreo de humedad.
Gases a alta temperatura y sus puntos de rocío
Este tipo de higrómetro suele elegirse para medir temperaturas de punto de rocío superiores a la temperatura ambiente. Los instrumentos de espejo enfriado se utilizaron ya en 1966 para monitorear las celdas de combustible de hidrógeno del cohete Apolo que operaban a 250°C y 700 psi. Con las tecnologías actuales de refrigeración por espejo termoeléctrico, los puntos de rocío de hasta 100 °C (y superiores, suponiendo presiones superiores a la presión atmosférica) se miden fácilmente. En tales casos, todas las superficies de la cámara de medición del higrómetro que están en contacto con la muestra de gas deben tener una temperatura superior al punto de rocío más alto esperado, de lo contrario se producirá condensación en estas superficies y la medición será errónea.
En higrómetros diseñados para medir el punto de rocío de gases a alta temperatura, es una práctica común usar calentadores eléctricos controlados termostáticamente para mantener las paredes de la cámara de medición por encima de los puntos de rocío más altos esperados. Los componentes ópticos de estado sólido, como los LED y los detectores, se mantienen a su temperatura de funcionamiento nominal (normalmente 85 °C) para evitar la degradación y el daño del higrómetro. Esto se puede lograr aislando térmicamente estos componentes de la cámara de medición calentada.
