MEDICION DE HUMEDAD

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.

La medición de la humedad es un proceso verdaderamente analítico en el cual el sensor debe estar en contacto directo con el proceso a medir, esto tiene, por supuesto, implicancias en la contaminación y degradación del sensor en niveles variables dependiendo de la naturaleza del ambiente.

Existen muchas técnicas diferentes para la medición de humedad. El tema es algo complicado por la confusión en la variedad y diferentes formas de expresar las mediciones. En la práctica la humedad es una cantidad difícil de medir, y la incertidumbre es mayor que en otras áreas de medición como la masa, temperatura, presión, entre otras.

¿La Humedad?

La palabra humedad denota la presencia de vapor de agua en el aire u otro gas. El valor cuantitativo de la humedad es determinado por la medición de la cantidad de vapor de agua en el aire. El aire de la atmósfera se considera normalmente como una mezcla de dos componentes: aire seco y agua. El agua es la única sustancia de la atmósfera que puede condensar (pasar de vapor a líquido) o evaporarse (pasar de líquido a vapor) a condiciones ambientales: este hecho justifica la división del aire atmosférico es aire seco y agua, y además provocan una gran cantidad de fenómenos meteorológicos como la lluvia, el rocío y las nubes. Además de todo esto, el estudio del agua en el aire atmosférico es esencial para la sensación de bienestar.

El aire tiene una capacidad limitada para absorber vapor de agua. Esta capacidad depende principalmente de la temperatura, se podría decir que entre más caliente este el aire más vapor de agua puede contener. Cuando el aire esta a cierta temperatura y su capacidad de absorción de vapor de agua está al límite, entonces se dice que el aire esta “Saturado”. La “humedad relativa” del aire expresa cuan saturado esta de vapor de agua.

En los últimos años, el aumento en los requerimientos de mediciones más precisas y confiables con respecto a los niveles de humedad que intervienen en los procesos industriales y científicos a llevado al diseño de nuevas técnicas para la generación y medición de humedad, siendo esta una de las áreas más confusas y complicadas por la cantidad de términos y definiciones que describen la humedad. Así como la dificultad que se genera en la medición de humedad por la dependencia de factores variables como la presión y la temperatura.

¿Cómo se mide la humedad?

Las moléculas de agua cambian la longitud de materiales orgánicos, la conductividad y peso de materiales higroscópicos y absorbentes químicos, y en general la impedancia de casi cualquier material. Estos cambios son utilizados por los métodos o principios de medición de los instrumentos para la medición de humedad. Así, el contenido de agua puede ser medido removiendo el agua (vapor) de una muestra y medir el cambio de peso. Otros principios fundamentales son la evaporación de una superficie de agua con una corriente de gas (psicrometría) y el enfriamiento de una muestra de gas hasta que la condensaciones detectada.

No existe una tecnología de medición apropiada para todas las aplicaciones. Algunas de las tecnologías típicamente usadas son: psicometría, desplazamiento, resistivos, capacitivos y por absorción de líquido. Veamos a continuación las más usadas.

Seleccionar el Sensor Adecuado

Uno de los problemas más comunes de medición a nivel industrial, es la selección de un instrumento de medición que no cumple con las características que el proceso requiere, arrojando de esta manera mediciones erróneas que pueden alterar la calidad y funcionalidad del proceso. Antes de adquirir un sensor para un proceso en específico, se debe tomar en cuentas las siguientes características del proceso y del instrumento:

Exactitud: Se entiende como el error máximo que se permite dentro de una medición, y aunque algunos fabricantes utilizan este término indiscriminadamente, generalmente se le relaciona con la linealidad y la histéresis que presenta el sensor.

Repetibilidad: La entendemos como la diferencia que presentan las mediciones, bajo las mismas condiciones del instrumento, el mismo operador en un periodo de tiempo corto, mientras menores sean las diferencias, mejor será el sensor.

Tiempo de Respuesta: Velocidad con la que responde el sensor cuando se le somete a un cambio de humedad, en este punto influyen entre otros factores la temperatura, el flujo de aire y el tipo de filtro que se utiliza.

Tamaño: Dependiendo de la aplicación y del espacio con que se cuenta, se debe elegir el tamaño del sensor.

Intervalos de Operación: No es recomendable tener un sensor con un intervalo de medición muy grande para procesos de intervalos pequeños ya que las mediciones se volverán burdas y quizás no muestren los cambios de humedad como se requieren.

Resistencia a Contaminantes y Ambientes Extremos: Sí el proceso al que se someterá el instrumento de medición cuenta con ambientes poco usuales, se deberá tener esto en cuenta, eligiendo sensores especializados para dichos ambientes, colocando filtros especiales o protecciones a los sensores.

Problemas más frecuentes de los sensores de humedad

Es importante que consideremos que los sensores de humedad, al ser aparatos tan sensibles, suelen presentar alguno inconvenientes a lo largo de su empleo, ya que debemos tener en cuenta que se encuentran permanentemente expuestos a los cambios ambientales, de esta forma debemos decir que es importante que los revisemos periódicamente para asegurarnos de que los mismos funcionan a la perfección. Por ejemplo, uno de los problemas más comunes que suelen tener los sensores de humedad es que el sistema que los compone comienza a fallar. Lanzándonos resultados equivocados con respecto a la humedad en el ambiente y haciéndonos correr el riesgo de perjudicar el proceso de producción o análisis de muestras. Por otro lado, la instalación que se realice de los sensores de humedad también es muy importante ya que una sensor que se encuentra instalado de manera equivocada, puede llegar a traernos más de un dolor de cabeza ya que los sensores pueden captar una temperatura distinta al lugar de trabajo y calcular de esta manera una humedad relativa distinta a la existente en el área de trabajo.

Es importante conocer que las empresas que se encargan de desarrollar y comercializar los sensores de humedad, suelen ofrecer servicios de instalación y mantenimiento de los mismos justamente para evitar que sus clientes tengan algún tipo de problema con sus productos, siendo esta opción de gran ventaja.

Sobre de la exactitud de un sensor de humedad

Podemos definir la precisión como la proximidad de concordancia entre valores medidos obtenidas por mediciones repetidas de un mismo objeto, o de objetos similares, bajo condiciones especificadas. En los sensores de humedad esta característica se ve afectada de manera directa 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.
Efecto de envejecimiento sobre en el sensor.
Sensibilidad del sensor ante los contaminantes.
Que precisión tiene el patrón usado para construir el sensor y su certificación.
A causa de estas variaciones, es importante señalar que la 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, tras operar 6 meses en la misma aplicación, tener una precisión del ±2%.

 

Patrones 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

Patrones primarios: El patrón primario usado por los laboratorios 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 tales como; 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.

Patrones 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
Psicrómetro
Patrones 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 humedad relativa 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.

 

Tipos de Sensores

No existe una tecnología de medición apropiada para todas las aplicaciones. Algunas de las tecnologías típicamente usadas son: psicometría, desplazamiento, resistivos, capacitivos y por absorción de líquido.

 

Veamos a continuación las más usadas

Sensores por Deformación

La idea de este tipo de sensores, es aprovechar los cambios en las dimensiones que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Los más afectados son algunas fibras orgánicas y sintéticas, como por ejemplo el cabello humano o de animales como el caballo, aunque en la actualidad solo se usan fibras sintéticas. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan de tamaño, es decir, se alargan. Luego esta deformación debe ser amplificada de alguna manera (por palancas mecánicas, o circuitos electrónicos), y debe ser graduada de acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa.

La incertidumbre de medición de este tipo de sensores es mínimo de ±3%, y su ventaja radica principalmente en que es fácil de reproducir, sin embargo, es poco robusto y no es de gran utilidad en aplicaciones industriales debido a la acumulación de polvo en las fibras lo que crea contaminación y por consecuencia una mala medición, su uso va dirigido a laboratorios donde se necesite llevar un registro de las condiciones ambientales diarias.

Su rango de operación de humedad relativa está entre 15% y 95%, a temperatura ambiente entre los –20 y 70 ºC. Uno de los requisitos para lograr una medición más confiable, es que el aire circule a una velocidad de 3 m/s.

Sensores por Condensación

El punto de rocío es una variable que nos permite encontrar la humedad relativa; para lograr esta medición se utiliza un dispositivo llamado comúnmente higrómetro óptico por condensación, y funciona proyectando un haz de luz sobre un espejo de platino que a su vez la refleja hacia una foto resistencia. El espejo es calentado o enfriado hasta conseguir un efecto de condensación, justo en ese momento, se calcula el punto de roció y por lo tanto la humedad relativa del ambiente.

Los rangos de operación son de -70 a 40 ºC en la medición del punto de rocío, y con una incertidumbre de ±0,2%. La limitante de este método es que el gas debe ser transparente, y libre de impurezas, de otro modo se estaría alterando su principio de funcionamiento.

Sensor de Bulbos húmedo y seco (Psicrómetros)

 

Este tipo de sensor se basa fundamentalmente en la medición de temperatura, y partiendo de ella deducir la cantidad de vapor de agua presente en una mezcla gaseosa. La idea consiste en disponer de 2 termómetros lo más idéntico posibles, en la cual uno de ellos mide la temperatura de la mezcla (temperatura de bulbo seco), y con el otro, la temperatura en la superficie de una película de agua que se evapora en forma adiabática (temperatura de bulbo húmedo), esto se logra envolviendo el bulbo de uno de los termómetros con un algodón humedecido con agua (de ahí el nombre de bulbo húmedo). Las moléculas de agua presentes en el algodón absorberán la energía necesaria para evaporarse del bulbo del termómetro, disminuyendo la temperatura del mismo algunos grados por de bajo en comparación a la temperatura del termómetro seco. Al conocerse el valor de ambas variables es posible determinar la humedad relativa, usando ecuaciones, tablas o gráficos psicrómetricos.

Este sensor requiere también una circulación de aire con una velocidad de 3 m/s, para ello se pueden emplear ventiladores. Con este tipo de medición se logran valores de humedad relativa con una incertidumbre de ± 0.5%. Sin embargo su desventaja radica en que introduce vapor de agua al ambiente que se desea medir, lo cual en algunos procesos puede ser un inconveniente. Los rangos de operación van de 0 a 100 %HR y de 0 ºC a 90 ºC.

 

Sensores de bloque de polímero resistivo

Están compuestos de un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una rejilla de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad rodeada de una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectora (permeable al vapor de agua). A medida que la humedad atraviesa 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 del sensor se mide y es usada para calcular el porcentaje de humedad relativa.

Por su estructura, este tipo de sensores son relativamente inmunes a la contaminación superficial. Debido a que los valores de resistencia del sensor son extremadamente altos con niveles de humedad menores del 20%, es apropiado para los rangos altos de humedad.

Sensores Capacitivos

Son quizás los más difundidos en la industria y meteorología, pues son de fácil producción, bajo costo y alta fidelidad. El principio en el cual se basa este tipo de sensores, es en el cambio que sufre la capacidad de un condensador al variar la constante dieléctrica del mismo, por lo tanto se utiliza la mezcla gaseosa (agua – aire) como dieléctrico entre las placas del condensador.

Dado a la naturaleza polar del agua, en presencia de un campo eléctrico, se produce la alineación de la moléculas, siendo esta la causa del porque el agua presenta una constante dieléctrica mayor que el aire. Luego si se utiliza como dieléctrico una mezcla gaseosa que contenga vapor de agua, el valor de la constante dieléctrica del condensador va a variar dependiendo de la cantidad de moléculas de agua que estén presentes entre las placas, en consecuencia basta medir el cambio para calcular el %HR.

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 %HR sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma en no lineal.

Conviene limpiar el sensor periódicamente, con el fin de no obstruir la circulación de aire a través del manto, y por ende no alterar la medición. Son robustos y tienen muy baja incertidumbre aproximadamente ±1,5% además de operar en rangos de temperaturas de -80 a 60 °C.

Aplicaciones

Industria textil, papelera y de pieles
Como la humedad altera la estructura de ciertas fibras y tejidos, esto afecta la calidad del producto elaborado. Por ello es muy común apreciar la aplicación de sistemas de regulación de humedad en industrias relacionadas con estos productos.

Industria alimenticia
La mayoría de los alimentos contienen o son preparados con grandes cantidades de agua, la regulación del monto de líquido presente es vital para lograr un producto óptimo y normalizado. Las aplicaciones más frecuentes son:

Deshidratación (frutas, pastas, café, sopas, etc.);
Panadería;
Refrigeración de frutas y carnes;
Conservación de vinos finos.
Industria farmacéutica

Los medicamentos son elaborados bajo estrictas medidas de calidad, en ello la humedad juega un rol importante, dado a que se emplea el uso de agua en la fabricación de muchos medicamentos, además de existir algunos procedimientos en que la presencia de agua no es deseada.

Meteorología
Es quizás la aplicación más común, o más conocida, de estos sensores. 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 investigación científica.

Industria química – biológica
Se aplican en cultivos de bacterias, para estudiar su comportamiento ante los antibióticos, esto es realizado bajo condiciones de climatización extrema, en donde el control de humedad es fundamental.

Como punto final, es importante estudiar y conocer el proceso al cual se desea controlar la humedad, porque solo de esta manera se lograra adquirir el método adecuado para la medición y control de la humedad.