Sensores de humedad para aplicaciones industriales

Indice1. Introducción 2. Precisión en la medición de la humedad 3. Parámetros típicos para determinar la humedad 4. Consideración de los distintos tipos de sensor y sus aplicaciones 5. Aplicación de campo de los sensores 6. Estándares de calibración 7. Definiciones

1. Introducción

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. Se puede decir que la humedad es una propiedad más difícil de definir y medir que sus parámetros asociados como pueden ser la presión y temperatura. La medición de la humedad es un proceso verdaderamente analítico en el cual el sensor debe estar en contacto con el ambiente de proceso a diferencia de los sensores de presión y temperatura que invariablemente se encuentran aislados del proceso por protecciones conductoras del calor o diafragmas respectivamente. Esto tiene, por supuesto, implicancias en la contaminación y degradación del sensor en niveles variables dependiendo de la naturaleza del ambiente. En este trabajo vamos a revisar distintas tecnologías de sensores de humedad y sus típicas aplicaciones en el contexto de los rangos de medición para los que son más apropiados. Los efectos de la contaminación, de alta significación dada la naturaleza analítica de las mediciones, se evalúan brevemente. Como conclusión se sugiere que si el costo inicial no es de gran importancia, el higrómetro óptico de punto de rocío o sensor de espejo enfriado, ofrece el más preciso, repetible y confiable método para la medición de humedad con el rango de mayor amplitud posible. En este trabajo vamos a poner el acento en los sensores que miden el contenido de agua en los gases mencionando que hay otra familia de dispositivos basados en la absorción de microondas que se utilizan para determinar el nivel de humedad en los más diversos compuestos de uso industrial o alimentos como pueden ser: cereales, café, madera, pulpa de papel, adhesivos etc. Normalmente estos elementos cambian sus propiedades dieléctricas a medida que absorben el agua hecho que se toma como base para la aplicación de mediciones basadas en microondas.

2. Precisión en la medición de la humedad

Los fabricantes y laboratorios de calibración buscan determinar la calidad del desempeño de los dispositivos para la medición de humedad, esto es, que tanto las especificaciones y como los datos de calibración reflejen la operación real de los sensores. Podemos definir la precisión de un sensor como la desviación con respecto a un patrón de laboratorio. Esta característica es afectada 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
• Como afecta al sensor el envejecimiento y la velocidad de envejecimiento
• Que tan sensitivo es el sensor a los contaminantes
• Que precisión tiene el estándar usado para construir el sensor y su certificación

A causa de estas variaciones es de notar que una 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, luego de operar 6 meses en la misma aplicación, tener una precisión del ±2%.

3. Parámetros típicos para determinar la humedad

Medición de la humedad relativa (RH) La medición de la humedad relativa consiste en la relación entre la presión parcial del vapor de agua en el gas de que se trate y la presión de saturación del vapor, a una temperatura dada. Por lo tanto la humedad relativa es función de la temperatura. La medición es expresada como un porcentaje. La humedad relativa es un parámetro utilizado principalmente en aplicaciones ambientales (ej. acondicionamiento de aire) o mediciones meteorológicas ya que impacta directamente en el confort humano. Cuando los niveles de humedad relativa son bajos puede producirse electricidad estática que dañe al equipamiento electrónico.

Medición del punto de rocío/escarcha (D/F PT) El punto de rocío es la temperatura, por sobre los 0° grados, al cual el vapor de agua presente en el gas condensa. El punto de escarcha es la temperatura, por debajo de 0° grados, a la cual el vapor se cristaliza en hielo. El punto D/F PT es función de la presión del gas pero independiente de su temperatura, y por lo tanto se lo considera una magnitud fundamental. Los puntos de rocío y escarcha son utilizados cuando la sequedad de un gas es relevante, esto es en procesos en los que debe evitarse la condensación de el vapor de agua a bajas temperaturas. El punto de rocío se usa también como un indicador del contenido de vapor de agua en procesos de alta temperatura como el secado industrial.

Partes por millón (PPM) Expresión del contenido de vapor de agua por fracción de volumen (PPMv) o, si es multiplicado por la relación entre el peso molecular del agua y el aire como PPMw. Este parámetro es más dificultoso de conceptualizar porque está fuera del alcance del cuerpo humano detectar los cambios de esta magnitud en la atmósfera. Este término y los asociados como pueden ser: El termino PPM u otrs asociados como la relación de mezcla, el porcentaje de volumen y la humedad específica, se utilizan cuando el vapor de agua es una impureza o un componente definido en una mezcla de gases que participa de un proceso industrial. Un ejemplo práctico de su aplicación son los gases de uso medicinal, como pueden ser el óxido nitroso, dióxido de carbono y oxígeno cuando son utilizados en operaciones quirúrgicas que deben tener un contenido de humedad menor a 60ppm.

4. Consideración de los distintos tipos de sensor y sus aplicaciones

No existe un tecnología de medición que sea apropiada para todas las aplicaciones. Algunas de las tecnologías típicamente usadas son: Técnicas para la medición de humedad relativa Las mediciones de humedad relativa puede ser hecha por sensores basados en: psicometría, desplazamiento, resistivos, capacitivos y por absorción de líquido. Algunos de los cuales describimos.

Psicometría por bulbo húmedo/bulbo seco La psicometría desde hace tiempo es uno de los métodos más populares para el monitoreo de la humedad debido a su simplicidad e inherente bajo costo. Un psicometro industrial típico consiste de un par de termómetros eléctricos acoplados, uno de los cuales opera en estado húmedo. Cuando el dispositivo funciona la evaporación del agua enfría el termómetro humedecido, resultando una diferencia medible con la temperatura ambiente o la temperatura del bulbo seco. Cuando el bulbo húmedo alcanza sus máxima caída de temperatura la humedad puede determinarse comparando la temperatura de los dos termómetros en una tabla psicométrica. El psicómetro provee una alta precisión en las proximidades del punto de saturación (100% RH) y es fácil de operar y reparar, por otra parte a baja humedad relativa (menos del 20%) el desempeño es pobre y el mantenimiento debe intensificarse. No puede utilizarse a temperaturas menores de 0° y, siendo el propio psicometro una fuente de humedad, no pude utilizarse tampoco en ambientes pequeños o cerrados. Los psicómetros son utilizados típicamente para control ambiental en recintos.

Psicómetro

Sensores por desplazamiento Es quizás el tipo de sensor más antiguo y de uso común, utiliza un mecanismo para medir la expansión o contracción de un cierto material que es proporcional a los cambios en el nivel de humedad relativa. Los materiales más comunes el nylon y la celulosa. Las ventajas de este tipo de sensos son el bajo costo de fabricación y es altamente inmune a la contaminación. Las desventajas son la tendencia a la descalibración en el tiempo y los efectos de histéresis significativos.

Sensor de bloque de polímero resistivo Están compuestos de un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una grilla de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida en una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectiva permeable al vapor de agua. A medida que la humedad permea 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 de el sensor se mide y es usada para calcular el porcentaje de humedad relativa. Por su misma estructura este tipo de sensores son relativamente inmunes a la contaminación superficial ya que no afecta su precisión aunque si el tiempo de respuesta. Debido a los valores extremadamente altos de resistencia del sensor a niveles de humedad menores que 20% es apropiado para los rangos altos de humedad.

Sensores capacitivos Los sensores capacitivos (polímero orgánico capacitivo) es diseñados 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 de el 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 varia con la humedad. Un cambio en la constante dieléctrica de aproximadamente el 30% corresponde a una variación de 0-100% en la humedad relativa. El material sensor es muy delgado para alcanzar grandes cambios en la señal con la humedad. Esto permite a el vapor de agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido para la sencilla calibración del sensor. 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% sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma en no lineal.

Efectos de la temperatura y la humedad La salida de todos los sensores de humedad por absorción (capacitivos, resistivos, de film resistivo etc.), se ven afectados sensiblemente por la temperatura y la humedad relativa. A causa de esto se utilizan mecanismos de compensación de temperatura en aplicaciones que demanden alto nivel de precisión o un amplio rango de temperaturas. Cuando se compensa la temperatura de un sensor lo mejor es hacer la medición de temperatura tan cerca como sea posible de área activa del sensor, esto es en el mismo micro-ambiente. Esto es especialmente verdad cuando se combina la medición de RH y temperatura par derivar el punto de rocío Los instrumentos de tipo industrial para medir humedad y punto de rocío incorporan una resistencia de platino (RTD) en la parte posterior del sustrato del sensor para la integridad de la compensación de la diferencia de temperaturas. Para estos sensores de alta temperatura no se proveen los circuitos electrónicos de acondicionamiento de señal

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

Humedad relativa calculada con el punto de rocío y la temperatura Un transmisor óptico de punto de rocío con el agregado de medición de temperatura podría utilizarse para obtener un valor de humedad relativa de alta precisión. Este sería un costoso método para derivar un valor de una medición primaria.

Dispositivos usados para medición del punto de rocío/escarcha Los sensores de sal saturada de cloruro de litio, óxido de aluminio y de espejo óptico enfriado son utilizados para la medición directa del D/F PT. Estos sensores proveen un amplio rango de medición en términos del punto de rocío o escarcha.

Sensor de sal saturada de cloruro de litio El sensor de sal saturada de cloruro de litio ha sido uno de los sensores de punto de rocío más ampliamente usados. Su popularidad es resultado de su simplicidad, bajo costo, durabilidad, y el hecho de que provee una medición fundamental. El sensor consiste de una bobina recubierta con una tela absorbente y un arrollamiento de electrodos bifilares inertes. La bobina es revestida con una solución diluida de cloruro de litio. Un corriente alterna se hace pasar por el arrollamiento y la solución salina causando calentamiento por efecto joule. A medida que la bobina eleva su temperatura el agua de la sal se evapora a una tasa que es controlada por la presión de vapor de agua en el aire circundante. Cuando la bobina comienza a secarse, la resistencia de la solución salina se incrementa produciendo una disminución de la corriente que enfría la bobina. Este efecto de calentamiento y enfriamiento continúa hasta alcanzar un punto de equilibrio en el que no hay intercambio de agua con el ambiente. Esta temperatura de equilibrio es directamente proporcional a la presión de vapor de agua o el punto de rocío del aire circundante . Este valor es medido utilizando un termómetro de resistencia de platino (PRT).

Si el sensor de sal saturada se contamina puede fácilmente hacerse una recarga de cloruro de litio. Las limitaciones de esta tecnología son un relativamente bajo tiempo de repuesta y el límite inferior del rango de medición impuesto por la naturaleza del cloruro de litio. El sensor no puede usarse para medir puntos de rocío cuando la presión de vapor de agua cae por debajo de la presión de saturación de vapor del cloruro de litio que ocurre cerca del 11% de humedad relativa. Los sensores de sal saturada resultan atractivos cuando el bajo costo, la resistencia ambiental, el bajo tiempo de respuesta y la moderada precisión son requeridos.

Las aplicaciones típicas de estos sensores son:

• Controles de refrigeración
• Secadores
• Dehumificadores
• Monitorio de líneas se suministro de aire
• Equipos envasadores de píldoras

Para aplicaciones que requieren una gran precisión y un amplio rango de mediciones se deben considerar sensores del tipo electrolítico de condensación y a base de óxidos.

Sensores de punto de rocío de óxido de aluminio Los instrumentos de óxido de aluminio y sus derivados, tales como los sensores basados en cerámicos o silicio, son dispositivos que de forma indirecta infieren el valor del punto de rocío por la variación de su valor de capacidad que es afectada por la humedad ambiente. Están disponibles en una variedad de tipos, desde sistemas de bajo costo portátiles operados a batería, hasta sistemas multi-punto basados en microprocesador con la capacidad de calcular la información de la humedad en diferentes parámetros. Un sensor de óxido de aluminio típico es un capacitor, formado por la deposición de una capa de óxido de aluminio poroso sobre un sustrato conductor que se reviste con una delgada lámina de oro. La base conductora y la lámina de oro forman los electrodos del capacitor. El vapor de agua penetra la lámina de oro y es absorbida por el óxido poroso. La cantidad de moléculas de agua absorbidas determina la impedancia eléctrica del capacitor que a su vez resulta proporcional a la presión de vapor de agua. Los sensores de óxido son de reducido tamaño. Son apropiados para medir bajos puntos de rocío (-100°?) y pueden operar sobre un amplio rango que abarca las aplicaciones de alta presión. Pueden utilizarse también para medir la humedad en líquidos y, debido al bajo consumo de potencia, son apropiados para instalaciones intrínsecamente seguras y a prueba de explosiones. Los sensores a base de óxido se usan frecuentemente en la industria petroquímica y de generación de potencia donde los puntos de rocío bajos deben monitorearse en línea con arreglos de múltiples sensores económicos. La principal desventaja asociada con estos sensores es que son dispositivos de medición secundaria y deben ser recalibrados frecuentemente para corregir los efectos de envejecimiento, histéresis y contaminación.

Higrómetro óptico de condensación El higrómetro óptico es considerado el método más preciso para la medición del punto de rocío. Esta es una medición primaria, que mide, como su nombre indica, el punto efectivo de condensación del gas ambiente y para el que se pueden con facilidad establecer estándares internacionales de calibración. El sensor contiene un pequeño espejo metálico cuya superficie es enfriada hasta que el agua de la muestra de gas condense. El espejo es iluminado por un fuente de luz y su reflexión es detectada por un fototransistor. Cuando la condensación ocurre la luz reflejada sufre una dispersión y por lo tanto disminuye la intensidad captada por el detector. Un sistema de control se encarga de mantener la temperatura de espejo en el punto necesario para mantener una delgada capa de condensación. Un PRT embebido en el espejo mide su temperatura y por lo tanto la temperatura de punto de rocío. Con el higrómetro óptico son posibles precisiones de +/- 0.2°. Ciertos equipos especiales pueden tener un rango completo desde -85° hasta casi 100° de punto de rocío. Los tiempos de respuesta son rápidos y la operación está relativamente libre de problemas de pérdida de calibración.

Las aplicaciones típicas de los higrómetros ópticos de condensación son:

• Líneas de aire medicinal
• Equipo electrónico refrigerado con líquido
• Computadoras refrigeradas
• Hornos de tratamiento térmico
• Hornos de fundición
• Control ambiental de recintos
• Secadores
• Estándares de calibración de humedad

Higrómetro óptico cuando empieza la medición

Higrómetro óptico cuando alcanza el punto de medición

Dispositivos usados para mediciones de PPM Para medir el vapor de agua en las regiones de bajo PPM se utilizan sensores electrilíticos, piezo-resonadores y ópticos. Cuando se hacen mediciones en este rango y utilizando el método de toma de muestras, en oposición a las técnicas de medición in-situ, ya que veces las condiciones del proceso, alta temperatura, presión, gases corrosivos etc., y/o cuando el tipo de tecnología del sensor utilizada imposibilita las mediciones in-situ, es vital asegurarse que los recintos para medición son herméticos, construidos con materiales no higroscópicos (por ejemplo acero inoxidable) y cuando se inicia la medición, se debe permitir un tiempo adecuado para que el sistema se equilibre y seque.

Higrómetro electrolítico El higrómetro electrolítico normalmente se utiliza para la medición de gases secos ya que provee una performance confiable para largos períodos en el rango de bajos valores de PPM. Los sensores electrolíticos típicamente requieren que el gas medido esté limpio y no debería reaccionar con la solución de ácido fosfórico, aunque desarrollos recientes en la tecnología de sensores de celda y los sistemas de acondicionamiento de muestras permiten aplicaciones más hostiles, como pueden ser la medición de humedad en cloruro. Los sensores electrolíticos utilizan una celda revestida con una delgada capa de pentóxido fosforoso (P2O5), que absorbe agua del gas bajo medición. Cuando una corriente eléctrica se aplica a los electrodos, el vapor de agua absorbido por el P2O5 se disocia en moléculas de hidrógeno y oxígeno. La cantidad de corriente requerida para disociar el agua es proporcional a el número de moléculas de agua presentes en la muestra. Este valor junto con el caudal y la temperatura se usan para determinar la concentración de las partes por millón por volumen (PPMv) del vapor de agua. El sensor electrolítico se utiliza en aplicaciones secas de hasta un máximo de 1000 PPMv y es apropiado para el uso en procesos industriales tales como gases ultra-puros, química fina, y producción de circuitos integrados, etc. En cada uno de estos casos el éxito de estos procesos industriales depende del mantenimiento de condiciones inertes. Esto significa que un suministro continuo de nitrógeno o argón se debe usar para purgar el ambiente de producción. Así como el mantenimiento de la pureza del gas, el contenido de vapor de agua debería mantenerse muy bajo ya que estas son las condiciones para las que el higrómetro electrolítico trabaja apropiadamente.

Aplicaciones típicas de este sensor

• Generadores de ozono
• Líneas de aire seco
• Sistemas de transferencia de nitrógeno
• Soldadura con gas inerte

En resumen, el higrómetro electrolítico suministra una medición primaria y confiable a bajos niveles de humedad, pero la precisión del dispositivo depende del mantenimiento del un flujo de muestras controlado. Las aplicaciones deben seleccionarse cuidadosamente ya que ciertos gases podrían corroer y/o contaminar el sensor.

Sensor Piezo-resonante El sensor piezo-resonante opera con el principio de equilibrio de RH donde la absorción de agua incrementa la masa de cristal lo que afecta directamente su frecuencia de resonancia. El sensor tiene un revestimiento sensible a la humedad ubicado sobre la superficie del cristal resonante. La frecuencia de resonancia del cristal cambia a medida que el revestimiento sensitivo a la humedad absorba o elimine vapor de agua en respuesta a los cambios en los niveles de humedad ambiente. Esta frecuencia de resonancia es comparada con mediciones similares en el gas seco o a al frecuencia de referencia a la que ha sido calibrado.

Higrómetro óptico por condensación con capacidad máxima de enfriamiento Como se dijo previamente se dijo en la sección sobre la medición del punto de rocío/escarcha, un higrómetro óptico de condensación con múltiples niveles de enfriamiento, suplentado en algunos casos con enfriamiento adicional por aire o glicol/agua, puede alcanzar mediciones del punto de rocío a niveles menores de -85°, lo que implica contenidos de agua de 0.25 PPMv a 1 atmósfera de presión.