Humedad

¿Qué es un sensor de humedad?

Un sensor de humedad (o higrómetro) detecta, mide e informa tanto la humedad como la temperatura del aire. La relación de humedad en el aire a la mayor cantidad de humedad a una temperatura de aire particular se llama humedad relativa. La humedad relativa se convierte en un factor importante cuando se busca comodidad.

Los sensores de humedad funcionan al detectar cambios que modifican las corrientes eléctricas o la temperatura en el aire.

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¿Cuáles son los tipos de sensores de humedad?

Sensor de humedad capacitivo

Principio de funcionamiento

El sensor de humedad capacitivo es un pequeño condensador hecho de material dieléctrico higroscópico colocado entre un par de electrodos. La mayoría de los sensores capacitivos usan plástico o polímero como material dieléctrico, con una constante dieléctrica típica que varía de 2 a 15. Esta constante y la geometría del sensor determinan el valor de la capacitancia.

A temperatura ambiente normal, la constante dieléctrica del vapor de agua tiene un valor de aproximadamente 80, un valor mucho mayor que la constante del material dieléctrico del sensor. Por lo tanto, la absorción de humedad por el sensor da como resultado un aumento en la capacidad del sensor. En condiciones de equilibrio, la cantidad de humedad presente en un material depende tanto de la temperatura ambiente como de la presión de vapor de agua ambiental. Esto también se aplica al material dieléctrico higroscópico utilizado en el sensor.

Por definición, la humedad relativa es una función tanto de la temperatura ambiente como de la presión de vapor de agua. Existe una relación directa entre la humedad relativa, la cantidad de humedad presente en el sensor y la capacidad del sensor. Esta relación es la base del funcionamiento de un instrumento capacitivo de humedad.

Sabemos que la humedad relativa es la relación entre la presión de vapor de agua real y la presión de vapor de agua máxima (presión de vapor saturada) posible a una temperatura dada. El material dieléctrico varía a una velocidad relacionada con la variación de la humedad relativa.

Cadena de medida y rendimiento

En un higrómetro que utiliza un sensor capacitivo, la humedad se mide mediante un proceso en cadena en lugar de detectarse directamente. La cadena está compuesta por los siguientes componentes:

1. Sensor capacitivo

2. Sonda

3. cable

4. Electrónica

5. Señal de salida


El rendimiento del instrumento está determinado por todos los elementos de la cadena y no solo por el sensor. El sensor y la electrónica asociada no pueden considerarse por separado. Es probable que cualquier factor que pueda perturbar el proceso de medición de la cadena tenga un efecto en el rendimiento del instrumento.

Errores e incertidumbres

Clasificación de errores que afectan la incertidumbre final de un higrómetro con sensor capacitivo. Los errores de medición se pueden dividir en dos categorías principales:

Los errores sistemáticos son predecibles y reproducibles. Los errores resultantes de la no linealidad del instrumento o los efectos de temperatura entran en esta categoría. Los errores sistemáticos son específicos del instrumento.

Los errores aleatorios no son completamente predecibles ya que dependen principalmente de factores externos al instrumento. Los errores resultantes de la histéresis del sensor, así como los resultantes de la calibración, son errores aleatorios. Por lo general, los errores aleatorios se estiman sobre la base de datos estadísticos o sobre la base de la experiencia y el juicio.

Debido a que son predecibles, los errores sistemáticos pueden eliminarse potencialmente. Sin embargo, los errores aleatorios no se pueden eliminar por completo.

Errores de linealidad. La respuesta típica de un sensor capacitivo de humedad relativa (entre 0 y 100% HR) no es lineal. Dependiendo de la corrección realizada por los circuitos electrónicos, el instrumento puede tener un error de linealidad. Suponiendo que el sensor y la electrónica asociada tienen características reproducibles, el error de linealidad es un error sistemático.

Por lo general, los puntos de medición recomendados por el fabricante del instrumento para la calibración se determinan para minimizar el error de linealidad. La calibración en estos puntos debería producir una distribución más o menos igual del error de linealidad.

Errores de temperatura. La temperatura puede tener un efecto importante en varios elementos del proceso de medición de la cadena descrito anteriormente. Las propiedades higroscópicas del sensor varían con la temperatura. Un instrumento de humedad relativa funciona correctamente basándose en el supuesto de que la relación entre la cantidad de humedad presente en el dieléctrico del sensor y la humedad relativa es constante. Sin embargo, en la mayoría de los materiales higroscópicos, esta relación varía con la temperatura.

Propiedades dielectricas

Las propiedades dieléctricas de la molécula de agua se ven afectadas por la temperatura. A 20 ° C, la constante dieléctrica del agua tiene un valor de aproximadamente 80. Esta constante aumenta en más del 8% a 0 ° C y disminuye en un 30% a 100 ° C. Se pueden observar efectos similares con respecto a se refiere a otras propiedades físicas del agua, como la conductividad eléctrica.


Las propiedades dieléctricas del sensor también varían con la temperatura. La constante dieléctrica de la mayoría de los materiales dieléctricos disminuye a medida que aumenta la temperatura. El efecto de la temperatura sobre las propiedades dieléctricas de la mayoría de los plásticos y polímeros es generalmente más limitado.

Sensor de humedad termal

Dos sensores térmicos conducen la electricidad de acuerdo con la humedad del aire ambiente. Un sensor está encerrado en nitrógeno seco mientras que el otro mide el aire ambiente. La diferencia entre las dos medidas de humedad.

Sensor de humedad resistivo

Principio de funcionamiento

Los sensores de humedad resistivos miden la variación de la impedancia eléctrica de un medio higroscópico como un polímero conductor, sal o un sustrato tratado.

Los sensores resistivos se basan en un devanado interdigitado o de dos hilos. Después de depositar un recubrimiento de polímero hidroscópico, su resistencia cambia inversamente con la humedad. El cambio en la impedancia es generalmente una relación exponencial inversa a la humedad.

Los sensores resistivos generalmente consisten en electrodos de metales nobles depositados en un sustrato por técnicas de fotorresistencia o electrodos enrollados en un cilindro de plástico o vidrio. El sustrato está cubierto con una sal o un polímero conductor. Alternativamente, el sustrato se puede tratar con productos químicos activadores como el ácido.

El sensor absorbe el vapor de agua y los grupos funcionales iónicos se disocian, lo que aumenta la conductividad eléctrica. El tiempo de respuesta de la mayoría de los sensores resistivos varía de 10 a 30 s para alcanzar el 63% del valor real. El rango de impedancia de los elementos resistivos típicos varía de 1 ohmios a 000 ohmios.

La mayoría de los sensores resistivos usan un voltaje de excitación de CA balanceado sin polarización de CC para evitar la polarización del sensor. Esta respuesta puede ser linealizada por métodos analógicos o digitales. La resistencia variable típica varía de unos pocos kilohms a 100 Mohms. La frecuencia de excitación nominal es de 30 Hz a 10 kHz.

Calibración y precisión del sensor 

El sensor "resistivo" no es puramente resistivo porque los efectos capacitivos hacen que la respuesta sea una medida de impedancia. Una ventaja distintiva de los sensores de HR resistivos es su intercambiabilidad, generalmente dentro de más o menos 2% de HR, lo que permite que los circuitos electrónicos de acondicionamiento de señal sean calibrados por una resistencia en un punto fijo de HR. Esto elimina la necesidad de estándares de calibración de humedad, por lo que los sensores de humedad resistivos generalmente se pueden reemplazar en el campo.

La precisión de los sensores de humedad resistivos individuales puede confirmarse mediante pruebas en una cámara de calibración de HR o mediante un sistema DA computarizado al que se hace referencia en un entorno estandarizado de humedad controlada. La temperatura de funcionamiento nominal de los sensores resistivos varía de -40 grados C a 100 grados C.

Vida del sensor

En entornos residenciales y comerciales, la vida útil de estos sensores es> 5 años, pero la exposición a vapores químicos y otros contaminantes, como la neblina de aceite, puede provocar fallas prematuras. Otra desventaja de algunos sensores resistivos es su tendencia a cambiar los valores cuando se exponen a la condensación si se usa un recubrimiento soluble en agua.

Los sensores de humedad resistivos tienen importantes dependencias de temperatura cuando se instalan en un entorno con grandes fluctuaciones de temperatura. La compensación simultánea de temperatura está integrada para mayor precisión. El tamaño pequeño, el bajo costo, la intercambiabilidad y la estabilidad a largo plazo hacen que estos sensores resistivos sean adecuados para su uso en productos de control y visualización para aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.

Verificación de la operación a lo largo del tiempo.

Precisión

Cada sensor debe tener su propia curva de calibración, basada en un sistema de 9 puntos.

Repetibilidad

Las mediciones de un sensor deben hacerse para que no se desvíen. La repetibilidad es la medida sucesiva de la deriva entre medidas de una sola cantidad.

Linealidad

Indica la desviación de voltaje del valor BFSL y el valor de voltaje de salida medido, convertido en humedad relativa.

Fiabilidad

Las mediciones a menudo causan una desincronización del sensor. Sin embargo, para que un sensor sea útil, debe proporcionar mediciones confiables.

Tiempo de respuesta

Generalmente, el tiempo que tarda un sensor en alcanzar el 66% (tiempo de subida) o el 33% (tiempo de caída) de la tensión de salida máxima se denomina tiempo de respuesta.

Aplicación de sensores

Las aplicaciones de los sensores de humedad son muy variadas. Las personas con enfermedades afectadas por la humedad, la vigilancia y las medidas preventivas en los hogares utilizan sensores de humedad. Un sensor de humedad también forma parte de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (sistemas HVAC). Estos también se usan en oficinas, automóviles, humidificadores, museos, espacios industriales e invernaderos y también se usan en estaciones meteorológicas para informar y pronosticar el clima.