Sensores de humedad para aplicaciones industriales (página 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

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

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

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

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

Autor:

Anselmo Gutiérrez