Conceptos y leyes físicas

La composición del aire

El aire limpio y seco contiene los siguientes componentes (en vol %)

78,10 Vol. de nitrógeno

20,93 Vol.-% de oxígeno

0,93 Vol-% de argón

0,03 Vol. de dióxido de carbono

0,01 Vol. de hidrógeno

junto con pequeñas cantidades de neón, helio, criptón y xenón.

Además de estos componentes, el aire interior y exterior contiene una serie de gases y sólidos, así como una cierta cantidad de humedad en forma de vapor de agua. El aire es, por tanto, una mezcla homogénea de diferentes gases y puede considerarse un "gas ideal". La radiación solar y el viento garantizan una mezcla uniforme de los gases implicados, de modo que no hay estratificación a pesar de las diferencias de gravedad específica.

Ley de Dalton P = P1 + P2 + ...

La presión total de una mezcla de gases está formada por la suma de las presiones parciales de sus componentes. Expresado en términos sencillos, el aire está formado por aire seco y vapor de agua.

P = Pw + Pdry

donde (Pw) representa la presión parcial producida por el vapor de agua y (Pdry) la suma de las presiones parciales de todos los demás gases.

Presión de saturación del vapor

El aire es capaz de absorber y almacenar una determinada cantidad de vapor de agua en función de su temperatura. Esta cantidad aumenta con el incremento de la temperatura. A cualquier temperatura determinada, la presión de vapor de agua resultante sólo puede aumentar hasta el límite de saturación que se designa como presión de vapor de agua de saturación PS.

La presión atmosférica y la presencia de otros gases o contaminantes no influyen en el comportamiento descrito.

Punto de rocío

La temperatura del punto de rocío Td es la temperatura a la que el aire está saturado de vapor de agua; la adición adicional de vapor de agua o el enfriamiento del aire provocan la condensación. El exceso de vapor de agua se condensa en forma de lluvia, niebla o condensado. El estado de saturación se mantiene. La temperatura del punto de rocío es igual a la temperatura de saturación del vapor de agua y puede ser de un máximo de 100 °C de presión normal.

Parámetros de medición

El contenido de humedad del aire puede caracterizarse mediante dos parámetros. Se distingue entre humedad relativa y humedad absoluta.

¿Qué es la humedad relativa?

La humedad relativa se define como la relación entre la presión parcial de vapor real Pw en un gas y la máxima presión de vapor posible, es decir, la presión de vapor de saturación Ps, a una temperatura determinada.

rH=100 * ( P_w / P_s (t) ) [%]

La humedad relativa es un valor adimensional. Representa una relación y se especifica en porcentaje. Dado que la presión de saturación sólo depende de la temperatura del aire, se deduce que la humedad relativa también depende de la temperatura.

Influencia de una variación de temperatura de ±1 K a diferentes temperaturas y humedades

¿Qué es la humedad absoluta?

La humedad absoluta a es la cantidad de vapor de agua contenida en un determinado volumen de aire.

a= masa de vapor de agua / volumen de aire

La unidad de la humedad absoluta es g/m3. La medición de la humedad absoluta tiene la gran ventaja de que representa la cantidad de agua realmente presente en un gas, por ejemplo, independientemente de la temperatura.

Relación de mezcla o contenido de agua (x)

Aquí se representa la relación entre la masa del vapor de agua y la masa del gas seco. Normalmente, se utilizan las unidades g/kg de aire seco y %.

Así, se indica cuántos gramos de vapor de agua contiene un kilogramo de aire seco. En la ingeniería de procesos, la determinación del contenido de agua desempeña un papel importante, ya que proporciona datos mucho más significativos en comparación con la humedad relativa.

Las dimensiones de la humedad absoluta y relativa tienen una relación fija entre sí. Las unidades de la humedad absoluta pueden seleccionarse en función de los requisitos respectivos.

Las unidades más comunes son:

Punto de rocío (-temperatura) - °C
Relación de mezcla - g/kg de aire seco
Humedad absoluta - g/m3

Relación entre la temperatura, el contenido de humedad y la humedad relativa

Las correlaciones correspondientes se muestran en el diagrama i-x (diagrama de Mollier).

Ejemplo de utilización del diagrama:
a) Determinación del contenido de agua X y de la presión de vapor de agua e

Medido:

Temperatura del aire 28 °C

Humedad 60 % rH

Encuentra los valores medidos en el diagrama y determina el punto de intersección A. Cae una línea vertical en el punto de intersección y dibuja a través de los bordes superior e inferior del diagrama. El punto de intersección en el borde superior da la presión de vapor de agua e = 17 mm QS, que en el borde inferior da el contenido de agua X = 14 g/kg

b) Determinación de la temperatura del punto de rocío

Medido:

Temperatura del aire 28 °C
Humedad 60 % rH

Como se ha descrito en a) Determinar el punto de intersección A. Desde el punto de intersección A ir verticalmente hasta la humedad máxima del 100% y desde este punto trazar una línea en el eje (izquierda) con la división de la temperatura. El nuevo punto de intersección da como resultado la temperatura del punto de rocío de 19,4 °C. La temperatura del punto de rocío de 19,4 °C es la misma que la temperatura del punto de rocío de 19,4 °C.

Métodos de medición de la humedad y sus campos de aplicación

Para determinar la humedad del aire se pueden utilizar varios métodos de medición. La selección del método de medición más adecuado suele ser realizada por el usuario en relación con el objeto a medir. A menudo es posible lograr una mayor precisión de medición o cumplir los requisitos deseados mediante un dispositivo de medición de la humedad sencillo pero correctamente dispuesto. Como ayuda general, a continuación se describen algunos de los métodos de medición de la humedad más conocidos y utilizados, así como sus ámbitos de aplicación.

Método de medición psicrométrica

Con el método de medición psicrométrico, la humedad relativa del aire se determina directamente. El método de medición se basa en el principio del intercambio de calor.

El psicrómetro consta básicamente de dos sensores de temperatura independientes, uno de los cuales se utiliza como sensor de temperatura de la humedad y el otro como sensor de temperatura seca. El sensor de temperatura de humedad está rodeado por un tejido absorbente empapado en agua. Dependiendo de la temperatura o del contenido de humedad del aire que circula, se libera una cierta cantidad de vapor de agua por evaporación a través de un flujo de aire necesario. Esto hace que la superficie del termómetro húmedo se enfríe notablemente (temperatura de bulbo húmedo). Al mismo tiempo, la temperatura del aire del entorno (temperatura seca) se mide con el segundo sensor de temperatura. La diferencia de temperatura psicrométrica así determinada es una medida de la humedad relativa presente en el aire.

Con el psicrómetro y una manipulación cuidadosa, se pueden realizar mediciones precisas de la humedad del aire. Por ejemplo, los psicrómetros de aspiración según Assmann se utilizan como dispositivos de referencia y control reconocidos internacionalmente. Un ventilador integrado con bobinado de muelle garantiza una velocidad media de aire constante de aproximadamente 3 m/s, que fluye alrededor de los termómetros. La diferencia de temperatura se lee en dos termómetros de vidrio calibrados.

La evaluación se realiza manualmente mediante una tabla o un panel psicrométrico gráfico. Para una mayor precisión de la evaluación, también se pueden utilizar las tablas de psicrómetros de aspiración del Servicio Meteorológico Alemán, divididas en décimas de grado.

Además del psicrómetro de aspiración, también se dispone de una variedad de diseños diferentes. El campo de aplicación de la mayoría de los psicrómetros mecánicos con termómetros de vidrio se limita al rango climático para mediciones a temperaturas ≤ 60 °C. La ventaja de estos diseños es que no se necesita una fuente de alimentación.

Los psicrómetros eléctricos permiten un campo de aplicación ampliado. Las temperaturas de bulbo húmedo y de bulbo seco se miden con termómetros de resistencia Pt-100. Esto significa que la humedad relativa determinada según la "fórmula de Sprungsche" puede visualizarse directamente o procesarse posteriormente en dispositivos de visualización, control y registro controlados por microprocesador con los correspondientes circuitos de entrada. El rango de temperatura va de casi 0 a 100 °C.

El método de medición psicrométrico es insensible a otros métodos de medición de la humedad y, por lo tanto, permite en gran medida realizar mediciones en gases sucios, con contenido de disolventes y agresivos. Por ejemplo, los psicrómetros eléctricos se utilizan para realizar mediciones continuas en la industria de la carnicería y del queso.

Con el método de medición psicrométrico, conocido desde hace más de cien años, se ha conseguido un método de medición de la humedad sencillo y rentable. Sin embargo, las mediciones continuas fiables requieren criterios específicos de la aplicación que deben cumplirse. Por ejemplo, una ventilación y humidificación suficientes, así como el mantenimiento del equipo de medición. Los detalles se pueden encontrar en las instrucciones de funcionamiento y procedimiento del instrumento respectivo.

Método de medición capacitiva

El contenido de humedad del aire ambiente, que depende de la temperatura, penetra en el electrodo superior higroscópico del sensor de humedad en forma de vapor de agua y llega a la película polimérica activa.

La cantidad de vapor de agua absorbida en la película de polímero modifica las propiedades eléctricas del sensor de humedad y tiene el efecto de cambiar la capacitancia. El cambio de la capacitancia es proporcional al cambio de la humedad relativa y es evaluado por la electrónica posterior y convertido en una señal de salida normalizada. La electrónica de evaluación debe adaptarse a la capacidad básica del respectivo sensor de humedad.

Gracias al diseño especial y al bajo peso muerto de los sensores de humedad capacitivos, se consiguen tiempos de respuesta muy rápidos. Además, son ampliamente insensibles a la suciedad ligera y al polvo. Como protección contra el contacto con la superficie, los sensores están encerrados en una carcasa de plástico. Para las aplicaciones en el rango de la humedad alta, existen versiones a prueba de rocío.

Los métodos de medición capacitivos se utilizan, por ejemplo, en el sector climático y en los procesos industriales en los que no hay una alta concentración de gases o soluciones corrosivas.

El rango de medición estándar de los sensores de humedad capacitivos es predominantemente de 10 a 90 % de HR. Con versiones de mayor calidad, es posible realizar mediciones en el rango entre 0 y 100 % de HR.

Una de las principales ventajas del método de medición capacitiva es el rango de temperatura factible en el que se pueden realizar las mediciones de humedad. Por ejemplo, los modernos sensores de humedad para aplicaciones industriales permiten realizar mediciones entre -40 y +180 °C, con lo que la temperatura se registra simultáneamente y también está disponible como señal de salida normalizada.

Dependiendo de la versión del instrumento, son posibles desviaciones del rango de trabajo indicado.

Debido a la medición puramente eléctrica, el método de medición capacitivo ofrece una ventaja adicional. Por ejemplo, los sensores de humedad de alta calidad equipados con la última tecnología de microprocesadores pueden equiparse con una variedad de opciones y funciones posibles.

Dado que las diferentes presiones de gas y velocidades del aire apenas influyen en el sensor de humedad capacitivo, existen versiones de dispositivos que permiten realizar mediciones en sistemas cargados de presión entre 0 y 100 bares.

La precisión de medición se sitúa entre ±2 y ±5 % rf, según la versión del aparato. En determinadas condiciones, se pueden alcanzar incluso precisiones de medición de ±1 % de HR.

Método de medición higrométrica

El método de medición higrométrica utiliza las propiedades especiales de los materiales fibrosos higroscópicos para determinar la humedad del aire. Si estas fibras se exponen al aire ambiente, se producen cambios medibles en la longitud después de un tiempo de compensación en función del contenido de humedad del aire.

El estado respectivo de la pulpa permite ahora sacar una conclusión directa sobre la humedad del aire presente. En los elementos de medición higrométricos se utilizan principalmente hilos de plástico especialmente preparados y cabello humano.

Elemento de medición del cabello

La eficacia del elemento de medición se basa en el hecho de que el cabello utilizado es capaz de absorber la humedad. La absorción de la humedad crea un efecto de hinchazón en el cabello, que se nota principalmente como un cambio de longitud.

Al aumentar la humedad, el cabello se alarga. El cambio de longitud es de aproximadamente un 2,5 % en relación con la longitud del cabello con un cambio de humedad de 0 a 100 %. Sin embargo, el cabello sólo muestra un alargamiento relativamente pequeño con una humedad elevada (véase la figura anterior).

Los elementos de medición del cabello se utilizan preferentemente en instrumentos de puntero para aplicaciones climáticas. El cambio en la longitud del cabello se transfiere a un puntero o lápiz mediante una transmisión mecánica de precisión especial. Por razones de estabilidad mecánica, se combinan varios pelos para formar un haz de pelos o un arpa de pelos.

El método de medición garantiza una precisión de ±3 % en el rango de medición de 0 a 90 (100) % de humedad relativa. Son posibles temperaturas ambientales de -35 a +50 °C. Para un uso prolongado en el rango de baja humedad por debajo del 40 % HR, el elemento capilar debe regenerarse. Para ello, el higrómetro de pelo se expone al aire casi saturado (aprox. 94 a 98 %) durante unos 60 minutos. A continuación, se puede realizar una posible corrección de la posición de la aguja con un tornillo de ajuste. Los higrómetros de pelo son sensibles al polvo higroscópico, por lo que deben protegerse o limpiarse a intervalos regulares.

Elemento de medición de plástico

El elemento de medición de plástico utiliza hilos de plástico en lugar de cabello humano. Además, un proceso especial confiere a estas fibras propiedades higroscópicas. Los cambios en la humedad relativa provocan un cambio proporcional en la longitud del elemento de medición. El alargamiento se transmite también a través de una transmisión mecánica de precisión.

La ventaja del elemento de medición de plástico es que puede utilizarse a temperaturas más elevadas (hasta 110 °C) y también durante más tiempo con una humedad relativa baja. En este caso no es necesaria una regeneración conocida de los elementos de medición del cabello.

El elemento de medición de plástico es resistente al agua e insensible a la suciedad seca, el polvo, las pelusas y otras contaminaciones similares. El rango de medición o de trabajo es de (0)30 a 100 % de humedad relativa, pero depende de la temperatura ambiente (véase la figura siguiente). La precisión de la medición es de ±2 a 3 %.

Los transductores higrométricos con elemento de plástico se utilizan para mediciones continuas en la ingeniería de procesos industriales y en aplicaciones climáticas debido a su alta insensibilidad y a su mayor compatibilidad con la temperatura. Dependiendo de la aplicación correspondiente, existe una gran variedad de versiones de instrumentos.

Estos incluyen, pero no se limitan a:

Sensor Hygro

El cambio de longitud del elemento de medición de plástico se detecta mediante un sistema adecuado y suele convertirse en una señal de resistencia lineal. También existen versiones con transmisores de dos hilos incorporados, que permiten disponer de señales normalizadas de corriente y tensión en la salida. Los dispositivos con un rango adicional de medición de la temperatura se denominan transductores higrotérmicos.

Higrostatos

En esta variante, el cambio de longitud del elemento de medición se utiliza para accionar un contacto de conmutación. Los higrostatos se utilizan para controlar los sistemas de humidificación y deshumidificación.

Hygrograph

El higrógrafo es un registrador de humedad con elementos de medición higrométricos de pelo o de plástico. También es posible un registro adicional de la temperatura (higrotermógrafo). Los campos de aplicación son, por ejemplo, las estaciones meteorológicas.

Con el método de medición higrométrico, generalmente son posibles las mediciones de humedad en aire no presurizado y no agresivo. Deben evitarse las mediciones en medios que contengan disolventes y sean agresivos, ya que su tipo y concentración pueden provocar mediciones incorrectas o destruir el elemento de medición.

Observación final

El apartado sobre los métodos de medición de la humedad y sus ámbitos de aplicación trata de los principios básicos. Por ello, las versiones de los instrumentos descritas y las especificaciones técnicas pueden diferir de las del fabricante. Por lo tanto, se puede encontrar información más detallada en las instrucciones de uso o en las hojas de datos de los instrumentos individuales.