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Sensores de humedad para aplicaciones industriales (página 2)

Enviado por anselmo_gutierrez



Partes: 1, 2

5. Aplicación de campo de los sensores

En las aplicaciones concretas de los instrumentos de medición de humedad las especificaciones del fabricante siempre pierden algo de significación. Las condiciones de operación no ideales afectan de alguna manera hasta el sistema más preciso, estas condiciones incluyen los siguientes factores:

  • Efectos de la temperatura: Casi todos los higrómetros son calibrados a una temperatura ambiente fija. usualmente esta temperatura es de 25°C ±1°C por lo tanto las variaciones en la temperatura pueden afectar los resultados de la medición. Muchos sistemas compensan este efecto ya sea electrónicamente o controlando la temperatura del sensor.
  • Electrónica: La instrumentación electrónica moderna es inmune a la temperatura ambiente en los rangos normales. Sin embargo grandes oscilaciones de temperatura pueden causar errores en diversos componentes electrónicos.
  • Presión: Los efectos de la presión son más fáciles de cuantificar y por lo tanto más fáciles de corregir que los efectos de la temperatura. Si se conoce el valor de la presión en el punto de medición su efecto puede corregirse totalmente a condición de que la naturaleza del gas y su comportamiento con la presión sean conocidos.
  • Caudal de gas: En teoría el caudal no debería afectar el nivel de humedad medido, pero en la práctica así ocurre. El excesivo caudal de gas en sistemas entubados puede producir gradientes de presión. Se debe tener cuidado para asegurar que el sistema de muestreo pueda acomodarse a las distintas condiciones de trabajo.
  • Contaminación

Los problemas de la contaminación
Para entender el significado de los efectos de los potenciales efectos de la contaminación en los sensores de humedad es apropiado volver en este punto a lo dicho en la introducción:
La humedad es una medición analítica en la cual el sensor debe estar en contacto con el ambiente del proceso, en contraste con los sensores de humedad y presión, que invariablemente están aislados del proceso por protecciones conductoras del calor o diafragmas respectivamente. Esto tiene implicancias en la contaminación y degradación del sensor en grados variables dependiendo de la naturaleza del ambiente de que se trate.
En casi todos los procesos industriales hay un gran potencial de contaminación por las partículas que pueda llevar el gas o por los contaminantes solubles que contiene la humedad que se quiere medir. Todos los sensores referidos hasta ahora son afectados por los dos tipos de contaminantes. Desafortunadamente muchos sensores no manifiestan un desempeño visiblemente defectuoso cuando resultan contaminados. Sin un chequeo periódico y recalibración la única forma de verificar el mal funcionamiento de un sensor es la caída en el rendimiento del sistema. El mantenimiento de los sensores pueden hacerse con sistemas de calibración de humedad, que incluyen sales saturadas y no-saturadas y generadores de humedad.
Hay dos enfoques para enfrentar el problema de la contaminación, uno es diseñar los sensores para reducir los efectos de la contaminación extendiendo su vida útil. Esto podría ser inherente al diseño del sensor (como es el caso de los sensores resitivos) o el efecto de introducir algún tipo de filtro o envoltura en el sistema, por otro lado colocar barreras físicas entre el sensor y el medio ambiente reduce la capacidad de hacer mediciones precisas y confiables, una vez contaminado el filtro podría tener el efecto de crear un microclima no representativo.
Un segundo enfoque es aceptar que la contaminación es un factor que no puede eludirse y por lo tanto diseñar la forma monitorearla y si es posible compensarla.
Una técnica de medición que cae dentro de esta categoría es el higrómetro óptico , que incorpora la característica de auto-chequeo que puede operar en forma manual o automática en los equipos más sofisticados. Ya que el higrómetro óptico provee una medición en la que el sistema de control continuamente recibe la luz de la superficie del espejo, el sensor reaccionará ante cualquier partícula o sal contenida en el vapor de agua que se deposite en la superficie del espejo. Cuando el sensor es puesto a operar por primera vez una delgada capa de condensación se mantiene en su superficie resultando una alta precisión y repetibilidad. Pero a medida que el sensor continúa su operación, por el período de semanas y meses, los contaminantes se depositan gradualmente en el espejo.

Sustancias que con mayor facilidad pueden afectar el sistema
Partículas
De la misma forma que la capa de condensado disminuye la cantidad de luz reflejada desde el espejo lo hace la acumulación de partículas no solubles en agua. Si esto ocurriese indefinidamente la lectura se produciría con un gran error, por eso antes de que esto suceda el espejo debe ser limpiado, en cualquier uso industrial de estos sensores es recomendado que el espejo sea limpiado antes de que las mediciones comiencen.
Las partículas pueden también obstruir la estructura porosa de los sensores resistivos o de film polímero y potencialmente ocasionar daños por impacto. Las partículas pueden reducir también la tasa de evaporación del humidificador del psicómetro.

Contaminantes solubles en agua
A veces se encuentran contaminantes disueltos en la humedad, generalmente en la forma de sales naturales inorgánicas. Estas sales en solución con el agua pura sobre el humidificador de psicómetro o el espejo del higrómetro óptico hacen que la presión de vapor disminuya.
Esto puede resultar en un exceso de agua sobre la superficie del espejo en el punto de rocío. El lazo de control detecta la pérdida resultante en la recepción de luz y entonces aumenta la temperatura del espejo para compensarla, esto es, evapora algo del exceso de agua. Un error positivo de distintos grados puede resultar de este efecto que es denominado efecto de Raoult ya que es definido por la ley de Raoult.

Distintas técnicas de corrección por contaminación se desarrollaron par los higrómetros ópticos.
Por otra parte, ya que casi todas las sales son higroscópicas, al depositarse sobre la estructura porosa de un sensor de RH modificarán su respuesta.

Compuestos orgánicos
Si bien los compuestos orgánicos tienden a no interferir directamente con el vapor de agua, pueden condensar sobre el higrómetro óptico a una temperatura superior a la del agua y evaporar del humidificador de un psicómetro ocasionando un enfriamiento adicional. También es posible que los compuestos orgánicos ataquen a los sensores que utilicen en su estructura resinas epoxie o pegamentos

6. Estándares de calibración

Un sistema o dispositivo utilizado para establecer un estándar es aquel con la capacidad de producir un caudal de gas de humedad conocida con referencia a las variables fundamentales (temperatura, presión y masa) o que puede medir la humedad en el gas en base al juego de variables fundamentales.
Los estándares utilizados para calibrar los instrumentos de humedad se agrupan en tres categorías

  • Estándares primarios: El estándar fundamental usado por los laboratorios nacionales se basa en el denominado higrómetro gravimétrico. El método de medición consiste en pesar una cierta cantidad de gas seco y hacer la comparación con el peso del mismo volumen del gas que se quiere evaluar. De esta forma se determina la cantidad de agua y se calcula la presión de vapor. Estos instrumentos son utilizados como patrones para calibrar otros instrumentos algo menos precisos pero aptos para calibraciones rápidas y sencillas, estos instrumentos pueden ser higrómetros ópticos o psicómetros especiales. Con algo menos de precisión los generadores de doble-presión y los generadores de doble-temperatura y otros sistemas son normalmente utilizados como referencias primarias.
  • Estándares de transferencia: Los instrumentos de esta categoría operan según lo principios fundamentales y proveen resultados estables y repetibles, pero si no se utilizan apropiadamente pueden dar resultados erróneos. Los más comunes son:
    • Higrómetro óptico
    • Higrómetro electrolítico
    • Psicómetro
  • Dispositivos secundarios: Estos dispositivos no miden parámetros fundamentales y deben calibrarse contra estándares de transferencia o fundamentales. La precisión de estos instrumentos depende de recalibraciones frecuentes . Estos sistemas raramente se utilizan en laboratorios de calibración pero tienen muchas aplicaciones en la industria. Ejemplos de este tipo de dispositivos son el higrómetro resistivo y los sensores de RH a base de película de polímero, que son similares a los resistivos. Todos estos dispositivos con el paso de los años han tenido mejoras de importancia brindando un muy buena relación costo/beneficio.

Tabla 1: Clasificación de los instrumentos de calibración

Tipo

Apropiado para uso

Clase

Rango

Precisión Típica

de medición

Gravimétrico

Si

Primaria

100°C/-50°C

0.1°C punto de rocío

Higrómetro óptico de espejo enfriado

Si

Fundamental (transferencia)

90°C/-90°C punto de rocío

0.2°C punto de rocío

Higrómetro electrolítico

Si

Fundamental

1 de 2000 ppmv

5% del valor medido en ppmv

Psicómetro

Si

Fundamental

5%-95% RH 2% RH 0°C-100°C ambiente

2% RH

Higrómetro resistivo

No

Secundaria

-100°C to 30°C

punto de rocío

2°C-4°C RH

Sensor de RH

de film polímero

No

Secundaria

5% -95% RH 0°C -100°C ambiente

2%-5% RH

7. Definiciones

Psicometría
Es el estudio de las propiedades termodinámicas de los gases húmedos mientras que humedad se refiere simplemente a la presencia de vapor de agua en el aire u otros gases.
Mucho del estudio de la mezcla del vapor con el aire seco se aplica también a otros gases ya que las propiedades termodinámicas del vapor d agua son aproximadamente independientes del gas de transporte. Además, como la composición del aire atmosférico es relativamente constante el aire seco como una masa homogenea con peso molecular 28.96, el peso molecular del agua es 18.01

Análisis de la composición del aire a nivel del mar

Constituyente

Símbolo

Peso molecular (M)

Análisis Volumétrico

Análisis Gravimétrico

Nitrogeno

N2

28.016

78.09

75.55

Oxigeno

O2

32.00

20.95

23.13

Argon

Ar

39.944

0.93

1.27

Dióxido de carbono

CO2

44.01

0.03

0.05

100.00

100.00

Presión parcial
Las leyes de los gases dicen que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases constituyentes. También, la relación de los volúmenes son iguales a las relaciones de sus presiones parciales. Por ejemplo la presión atmosférica es la suma de las presiones parciales del aire seco y el vapor de agua

Presión de vapor de agua
Cuando la mezcla de aire y vapor de agua está en equilibrio con el agua líquida o el hielo se considera que está saturada (100% de humedad). El valor de la presión en ese caso es la presión de vapor de agua. La presión de vapor de agua sobre el hielo para el rango de temperaturas que va desde 0°C hasta -100°C (en grados Fahrenheit) es igual a:

Donde las constantes toman los siguientes valores

C1

-1.0214165E+04

C5

3.5575832E-10

C2

-4.8932428E+00

C6

-9.0344688E-14

C3

-5.3765794E-03

C7

4.1635019E+00

C4

1.9202377E-07

La presión de saturación sobre el agua líquida para el rango de temperaturas desde 0°C hasta 200°C (en grados Fahrenheit) está dada por:

Donde las constantes toman los siguientes valores

C8

-1.0440397E+04

C11

1.2890360E-05

C9

-1.1294850E+01

C12

-2.4780681E-09

C10

-270223555E-02

C13

6.5459673E+00

Humedad relativa
Es la relación entre la presión parcial de vapor sobre la presión de saturación del vapor a la temperatura de bulbo seco

Donde el numerador es la presión de saturación en el punto de rocío y el denominador es la presión de saturación a la temperatura de bulbo seco. La humedad relativa es dependiente de la temperatura y el contenido de agua pero independiente de la presión total. Si el punto de rocío y la temperatura de bulbo seco son conocidas puede calcularse la humedad relativa con la definición dada anteriormente.

Punto de rocío
Es la temperatura a la cual una muestra de aire húmedo se satura. Si la muestra se enfría por debajo del punto de rocío el vapor de agua condensa. Este fenómeno es la base de los sensores ópticos de condensación.

Punto de escarcha
Si la medición de la temperatura está debajo del punto de congelación del agua, esto es si el punto de rocío está debajo del punto de congelación del agua, entonces el equilibrio es entre la presión de vapor de hielo , que es algo menor que la del agua, esto es el punto de escarcha es un poco superior que el punto de rocío.

Calculo del punto de rocío conociendo la humedad relativa y la temperatura de bulbo seco
Si se conocen la humedad relativa y la temperatura de bulbo seco se puede calcular el punto de rocío calculando primero la presión de saturación del vapor a la temperatura de bulbo seco y después multiplicando por la humedad relativa para obtener la presión parcial de vapor
Para puntos de rocío en el rango desde 0°C y 100°C se aplica la siguiente fórmula:

Para puntos de rocío por debajo de los 0°C:

Donde para ambas expresiones

punto de rocío en °F

en psia

Relación de volumen (PPMv)
Es la relación entre el volumen de vapor de agua y el volumen de aire seco (Vw/Vd), como la relación de volumen de una mezcla de gases es igual a la relación entre las presiones parciales, la relación de volumen puede expresarse como:

Como la presión total es la suma de las presiones parciales la presión del aire seco puede calcularse conociendo la presión de vapor y la presión ambiente que suponemos es 1atm. Se obtiene la magnitud PPMv multiplicando la relación entra esos valores por 1 millón.

Relación de humedad (PPMw)
Es la relación entre la masa de vapor de agua y el aire seco. Para calcular este valor se multiplica la relación de volumen por los pesos moleculares:

Por ejemplo se podrá combinar la relación de volumen con la lectura de un caudalímetro para calucular la masa de vapor de agua que fluye por un conducto por unidad de tiempo.
Tabla: definiciones

Término

Definición

Unidades

Humedad absoluta (Concentración de vapor)

Masa de vapor/Volumen

Gramos/m^3

Humedad relativa

Masa de vapor/Masa de vapor saturado

Presión de vapor/Presión de vapor saturado

Presión parcial de vapor/Presión de vapor del agua

%

Punto de rocío

Temperatura de condensación (saturación)

Relación de volumen

Presión parcial de vapor/Presión parcial del gas seco

% por volumen

PPM por volumen

Volumen del vapor/Volumen del gas seco X 10^6

PPMv

PPM por peso

PPM X Peso molar del agua/Peso molar del gas

PPMw

 

 

 

 

Autor:


Anselmo Gutiérrez

Partes: 1, 2


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