Medición de Humedad y Punto de Rocio

    Humedad  

La mezcla de aire y vapor de agua es lo que se conoce como humedad.

Como ya sabemos, dos terceras partes de la superficie dela tierra están cubiertas por agua: océanos, lagos y ríos, de las cuales se desprende el vapor de agua. Las nubes, también producto de esta evaporación, contribuyen a la humedad del ambiente al condensarse y precipitarse en forma de lluvia o nieve.

Todo lo anterior es lo que sucede a la intemperie. Dentro de una casa, edificio o fábrica, el vapor de agua puede provenir de la cocina, baño, máquinas, personas, etc. Así pues, la cantidad de humedad en el aire en un lugar y tiempo determinados, puede variar considerablemente. 

¿De qué depende la cantidad de agua que puede contener el aire? 

Pues depende de la temperatura. Cuanto mayor es la temperatura de ese aire, más cantidad de vapor de agua puede contener el mismo aire.                                .

Esto quiere decir que el mismo aire puede estar saturado de vapor de agua a una temperatura, pero si aumentamos su temperatura, podremos introducir en él más vapor. Dicho de otra forma. ¿Cómo podríamos meter más vapor de agua en un aire saturado?

Muy sencillo aumentando su temperatura.                                    .

Hay 3 tipos diferentes de humedad: humedad relativa, humedad absoluta y humedad específica.

Humedad relativa

En la atmósfera siempre hay una cantidad de agua en forma de vapor, aunque no se mire, la cantidad de agua que contiene el aire se llama humedad y se suele medir como humedad relativa. Si el valor de la humedad es del 50%, quiere decir que en ese momento el aire contiene un 50% de vapor de agua respecto al máximo que podría contener, que sería el 100%.                     

Humedad Absoluta

Otro tipo de humedad, que suele ser menos frecuente medir, es la humedad absoluta y se refiere al peso del vapor de agua por unidad de volumen. Se llama humedad absoluta al peso en gramos del vapor de agua contenido en 1 metro cúbico de aire. Se expresa en gm3 (con valores medios de 10 a 12 g/m3, pero puede llegar hasta 40 g/m3). 

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La humedad absoluta y específica se suelen utilizar, además de en meteorología, para medir por ejemplo la humedad de la madera,  en los materiales de construcción, en los cereales y los granos de café o también del papel, el material textil y el algodón.

¿Por qué medir la Humedad?

La mayoría de los productos naturales contienen humedad. El contenido de agua
por sí mismo es raramente interesante. Por el contrario, muestra si un producto 

que se pretende comercializar y producir tiene propiedades estándares como:

• aptitud para almacenamiento
• aglomeración en el caso de tratarse de un polvo.
• Estabilidad microbiológica.
• Propiedades de flujo, viscosidad.
• Peso en seco, – concentración o pureza.
• Grado comercial (cumplimiento de los acuerdos de calidad).
• Valor nutricional del producto.
• Conformidad legal (regulaciones normativas en cuanto a alimentación).

Punto de rocío o temperatura de rocío 

Es la temperatura a la que empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina, cualquier tipo de nube o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.

Para una masa dada de aire, que contiene una cantidad dada de vapor de agua (humedad absoluta), se dice que la humedad relativa es la proporción de vapor contenida en relación a la necesaria para llegar al punto de saturación, expresada en porcentaje. Cuando el aire se satura (humedad relativa igual al 100 %) se llega al punto de rocío. La saturación se produce por un aumento de humedad relativa con la misma temperatura, o por un descenso de temperatura con la misma humedad relativa.

         Instrumentos de medición de humedad

Método de elemento de cabello o naylon

Estos dispositivos utilizan un cabello humano o animal sometido a tensión. El pelo es higroscópico (es decir, tiende a retener la humedad); su longitud cambia con la humedad, y mediante un sistema amplificador mecánico es posible leer estos cambios de longitud en un dial a escala.

Su principio se basa en la contracción o expansión lineal que son características de los materiales sensibles a la humedad, tales como fibras ornaicas (cabellos naturales) o fibras sintéticas (nylon), el alargamiento de estos materiales es del 2.5 % cuando la humedad relativa pasa de 0 % a 100% , la exactitud es de  3% al  5%.

Instrumento de medición de Bulbo húmedo y Seco

Bulbo húmedo es un termómetro de mercurio que tiene el bulbo envuelto en un paño de algodón empapado de agua, que se emplea para medir la temperatura húmeda del aire. Al proporcionarle una corriente de aire, el agua se evapora más o menos rápidamente dependiendo de la humedad relativa del ambiente, enfriándose más cuanto menor sea ésta, debido al calor latente de evaporación del agua. La corriente de aire puede darse mediante un pequeño ventilador o poniendo el termómetro en una especie de carraca para darle vueltas.

Bulbo seco o temperatura seca es la medida con un termómetro convencional de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco.

Esta temperatura junto a la temperatura de bulbo húmedo es utilizada en la valoración del bienestar térmico, en la determinación de la humedad del aire y en psicrometría para el cálculo y estudio de las transformaciones del aire húmedo.

Mediante el diagrama psicrométrico o carta psicrométrica es posible a partir de dos valores de entrada, uno de los cuales suele ser la temperatura seca por su fácil determinación, conocer el resto de las propiedades de las mezclas de aire seco y vapor de agua.

Es utilizado en meteorología, minería subterránea ventilación natural, climatización, en arquitectura bioclimática y en arquitectura sustentable, entre otros.

La unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin (K),1 aunque sigue utilizándose y está muy generalizado el grado centígrado(ºC) de la escala Celsius o centígrada. En los países anglosajones sigue utilizándose la escala Farenheit (ºF).

Célula de  cloruro de litio.  

La célula de cloruro de litio de medición de humedad relativa puede verse en la figura y consiste en una célula embebida en cloruro de litio con una rejilla de láminas de oro. Al aplicar una tensión alterna a la rejilla, el tejido embebido en cloruro de litio se calienta y se establece un equilibrio entre la evaporación de agua del tejido y la absorción de agua del ambiente por parte del cloruro de litio. La sal tiene la propiedad de variar considerablemente de resistencia al aumentar o disminuir la humedad ambiente, ya que libera o absorbe iones de la película soporte. Como la humedad relativa viene determinada simultáneamente por el contenido de la humedad y por la temperatura del aire, es obvio que es necesario compensarla. 

El elemento envejece, disminuyendo su indicación en torno al 1% al 2% por año. La exactitud suele ser del ± 2% al ± 3% de humedad relativa y el elemento puede medir del 5% al 95% de Humedad relativa. Su empleo, en la industria, ha ido disminuyendo por problemas de mantenimiento, ya que el elemento no puede utilizarse en atmósferas con mucho polvo, con dióxido de azufre, vapores ácidos, amoníaco, cloro, vapores alcalinos, acetileno, óxido de etileno y atmósferas contaminadas con sal. 

De polímero

Este tipo de sensor de humedad relativa consiste en un condensador formado por un polímero termoestable, electrodos de platino y una base de silicio. En operación, el vapor de agua de la capa activa dieléctrica del condensador está en equilibrio con el ambiente donde se desea medir la humedad relativa. La capa de platino poroso actúa como blindaje de las influencias externas sobre la respuesta dieléctrica, mientras que la capa de polímero proporciona una protección mecánica sobre la capa de platino. El condensador polimérico varía su constante dieléctrica según la humedad del ambiente, de modo que proporciona una respuesta a la humedad relativa dada por: 

El sensor puede trabajar con líquidos y vapores tales como isopropilo, benceno, tolueno, formaldehidos, aceites, agentes de limpieza y vapor de amoníaco. La exactitud es del      ± 5% si T < 10 °C, del ± 2% si 10 °C < T < 20 °C y del ± 1% si T > 20 °C. El sensor incorpora un circuito de acondicionamiento de señal con una alimentación de 5 V, con lo que a 25 °C, la señal de salida de 0,8 V a 3,9 V corresponde a un cambio en la humedad relativa del 0% al 100%.

Secado térmico

Es el método más antiguo; se emplea, normalmente, como comprobación de los demás sistemas. Consiste en aplicar calor al material en estado sólido, granular, fibroso e incluso en forma líquida hasta que no puede liberarse más agua, a no ser que se aumente la temperatura. El agua se evapora mientras su presión de vapor dentro del material es mayor que la del aire del horno que le rodea; de este modo, pueden mejorarse las condiciones de secado trabajando a temperaturas altas y manteniendo baja la humedad dentro del horno (con sustancias absorbentes del agua o en hornos al vacío). La muestra del producto debe mantenerse un cierto tiempo a la temperatura de secado para llegar a un equilibrio de humedad en su interior, pudiendo variar este tiempo de 2 a 15 horas. Por diferencia de pesadas, antes y después de secar el material, se conoce la humedad del mismo.

El método de secado es fácil de realizar, pero tiene el inconveniente del excesivo tiempo que requiere y no distingue entre la humedad y las materias volátiles que el cuerpo puede contener o que puedan producirse por descomposición térmica. No obstante, el método correctamente realizado permite comprobar los demás sistemas de determinación de humedad. 

Conductividad

 Se basa en la medida de la conductividad de una muestra del producto al pasar una corriente a través de los electrodos en contacto con el mismo. Estos electrodos forman parte de un puente de Wheatstone con la indicación, el registro o el control de la humedad.

El método da buenos resultados y es repetitivo. Sin embargo, la lectura viene influida considerablemente por el estado de la superficie de contacto de los electrodos, por la presión de los mismos en el material, por la temperatura, etc., y, en particular, en los materiales de alta     resistividad como el papel. 

Capacitivo

Los sensores capacitivos (polímero orgánico capacitivo) es diseñado 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 del 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 varía con la humedad.                                         

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

Infrarrojos

En el método de infrarrojos, aplicado preferentemente en la fabricación del papel, una fuente de rayos infrarrojos emite un haz de rayos hacia la superficie del material cuya humedad desea medirse. La onda emitida está seleccionada de tal forma que el agua contenida en el producto absorbe la máxima radiación infrarroja mientras que la celulosa absorbe el mínimo. 

De este modo, un detector capta la radiación que atraviesa el material e indica la humedad correspondiente. Para que la medida sea independiente de la capa de aire intercalada entre el emisor, el material y el detector, de las variaciones espesor del material y de su posición relativa entre el emisor y el detector, se acostumbra a utilizar otra fuente adicional que actúa como referencia. El conjunto emisor-detector suele ser móvil para explorar toda la banda de papel.

Radiación

En el método de radiación, una fuente de neutrones de alta energía (americio/berilio) se dirige contra el material del proceso y parte de la radiación emitida es reflejada, principalmente, por los átomos de hidrógeno existentes en las moléculas del material que retardan su velocidad. De este modo, se forma una nube de neutrones lentos alrededor de la fuente de neutrones rápidos y su concentración depende de la humedad del producto. El método es caro, requiere una supervisión de seguridad y una comprobación periódica de la fuente de neutrones. La exactitud es del ± 0,1%.

En la medición del punto de rocío se emplean la cámara de niebla, la célula de cloruro de litio, el sensor polimérico, el sistema de condensación en un espejo y el analizador de infrarrojos.

Cámara de niebla

La cámara de niebla realiza una medida manual discontinua del punto de rocío. Consiste en una pequeña cámara con una bomba manual que permite comprimir una muestra del gas. El operador anota la presión y la temperatura iniciales del gas y lo comprime a una presión dada. A continuación, abre una válvula de escape a la atmósfera, con lo que el gas sufre una expansión adiabática y baja de temperatura. El ensayo se repite varias veces comprimiendo cada vez más el gas hasta que la temperatura alcanzada en la expansión hace aparecer niebla en la cámara. Esta temperatura corresponde al punto de rocío. 

Célula de cloruro de litio

Consiste en un manguito de tela impregnado con una solución de cloruro de litio, envolviendo una bobina. Sobre el manguito está arrollado un hilo bifilar, abierto en un extremo y alimentado a través del secundario de un transformador, con lo que circula una corriente entre los hilos a través de la sal de cloruro de litio. Ésta ene la propiedad característica de mantenerse con una humedad relativa del 11% en equilibrio con la atmósfera húmeda. A valores inferiores al 11%, la sal cristaliza y deja de ser conductora.

La sal es altamente higroscópica, por lo cual ene una gran afinidad por la humedad ambiente; cuanto más alta sea ésta tanto más conductora será la sal y tanto más se calentará la bobina por la circulación de corriente a través del hilo bifilar. La temperatura de equilibrio de la bobina está, pues, relacionada con el punto de rocío del aire o del gas, de modo que puede medirse con una sonda de resistencia y un instrumento de puente de Wheatstone graduado, directamente, en temperatura del punto de rocío.

 La célula es apta para temperaturas ambientes de -30 °C a 130 °C. A temperaturas superiores a 130 °C, el punto de rocío puede medirse admitiendo el paso de aire a una cámara de temperatura constante y enfriándolo a menos de 80 °C (180 °F) antes de circular a través de la célula. La célula exige que los gases, cuyo punto de rocío se mida, no contengan ni amoníaco, ni dióxido de azufre, ni cloro, ni sal, ni partículas en suspensión. En caso de contaminación de la célula, es necesario regenerarla limpiándola y sumergiéndola en una solución de cloruro de litio. Su empleo ha ido disminuyendo debido a estos problemas de mantenimiento. El intervalo de medida es de -40 °C a 80 °C. 

Sistema de condensación en un espejo

 Está representado en la figura y consta de una cámara con un sistema calefactor y refrigerante que controla la temperatura de la superficie de un espejo miniatura situado en su interior y, a cuyo través, circula una corriente del gas cuyo punto de rocío hay que determinar. Inicialmente, el espejo es refrigerado mediante el efecto Peltier de un termopar hasta alcanzar el punto de rocío del gas, momento en el cual se empaña y una célula fotoeléctrica capta la reducción en la intensidad de luz reflejada. A partir de este punto, la temperatura de la superficie del espejo es controlada de manera que está en un estado de empañamiento, como equilibrio, entre la evaporación y la condensación. En estas condiciones, la temperatura del espejo, medida con una termoresistencia de platino, indica el punto de rocío del gas.

El instrumento ene una exactitud total de ± 0,2 °C para los puntos de rocío comprendidos entre      - 30 °C y 130 °C.

Analizador de infrarrojos

El analizador de infrarrojos, representado en la figura, consiste en una fuente pulsante de infrarrojos (filamentos de Ni-Cromo), dos células, una de referencia y otra de muestra, a cuyo través pasan las radiaciones infrarrojas, y un detector. 

Si la cámara detectora está llena de vapor de agua, la radiación infrarroja es absorbida, proporcionalmente a la concentración de vapor de agua en la célula de gas muestra, con lo cual disminuye la presión en esta cámara como resultado de la energía intermedia absorbida. Si se bloquean las dos radiaciones, una la que pasa por la célula de referencia y la otra la que pasa a través de la célula de muestra del gas a analizar, no hay variación de presión en la cámara.

Si la célula de referencia contiene un gas no absorbente, tal como el nitrógeno, y por la célula muestra pasa el gas húmedo, la radiación a través del gas muestra, tal como se ha indicado, estará atenuada en la longitud de onda del vapor de agua en el gas, mientras que la radiación a través del gas patrón N2 permanecerá invariable. Se obtiene así una presión variable pulsante en el detector; éste contiene dos cámaras separadas por un diafragma que actúa como un micrófono a condensador y convierte los impulsos de presión a una señal eléctrica que es amplificada, rectificada y, finalmente, registrada. El instrumento, además de medir el punto de rocío, puede determinar los porcentajes de varios componentes en el gas a analizar.

Los analizadores infrarrojos son de respuesta rápida, aptos para el registro de varias muestras de gas, pueden analizar atmósferas conteniendo amoníaco y con la ayuda de cilindros patrón son de fácil calibración.