Higrómetro

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Dial de un higrómetro de tensión de cabello con escala no-lineal.
HigrometroEspiral-1.jpg
Dial de un higrómetro de bobina metálica y papel impregnado de sal con escala lineal.
HigrometroEspiral-2.jpg HigrometroEspiral-3.jpg
Vista del mecanismo con la bobina de dilatación higroscópica, y detalle de la cara exterior de la bobina metálica con el papel impregnado de sal.

Un higrómetro (del griego ὑγροσία: humedad, y μέτρον: medida) o higrógrafo es un instrumento que se utiliza para medir el grado de humedad del aire o de otros gases. En meteorología es un instrumento usado para medir el contenido de humedad en la atmósfera.

Los instrumentos de medida de la humedad por lo general se basan en las mediciones de alguna otra magnitud como la temperatura, la presión, la masa o un cambio mecánico o eléctrico en una sustancia cuando absorbe la humedad. Mediante la calibración y el cálculo del funcionamiento del higrómetro, una vez conocidas estas otras magnitudes es posible deducir la medición de la humedad. Los dispositivos electrónicos modernos usan la temperatura de condensación (el punto de rocío), o cambios en la capacitancia o en la resistencia eléctrica para medir las diferencias de humedad. Un primer higrómetro muy primitivo fue inventado por Leonardo da Vinci[1] en 1480 y una versión más moderna fue creada por el polímata Johann Heinrich Lambert en 1755.

Unidad de medida[editar]

En física, y especialmente en meteorología, se establece que para una presión y temperatura dadas, el aire tiene una capacidad máxima de contener vapor de agua (humedad de saturación). La humedad relativa del aire se define como el cociente entre la humedad que contiene el aire y la humedad de saturación, expresado en tanto por ciento [%].

Varía entre el 0% (aire completamente seco) y el 100% (aire completamente saturado).[2]

Higrómetros clásicos[editar]

Higrómetro de bobina de metal-papel[editar]

El higrómetro de bobina de metal-papel es muy útil para dar una indicación líneal de los cambios de humedad. Se utiliza frecuentemente en dispositivos muy baratos, y su precisión es limitada, con variaciones del 10% o más. En estos dispositivos, el vapor de agua es absorbido por una tira de papel impregnada de sal, unida a una bobina de metal, haciendo que la bobina metálica cambie de forma por la variación de la dureza del papel provocada por el cambio de humedad. Estos cambios (análogos a los de un termómetro bimetálico) proporcionan una indicación en un dial haciendo girar una aguja.

Higrómetros de tensión de cabello[editar]

Higrómetro de Sassure de un texto de química de 1861

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. A finales de la década de 1700, estos dispositivos fueron llamados por algunos científicos higroscopios; esta palabra ya no está en uso actualmente, pero higroscópico e higroscopía , que se derivan de ella, todavía se usan. El dispositivo tradicional conocido como casita del tiempo (muy popular en Europa central) está basado en este principio.

En 1783, el físico y geólogo suizo Horace Bénédict de Saussure (1740-1799) construyó el primer higrómetro de tensión de cabello utilizando pelo humano.

Se compone de un cabello humano de ocho a diez pulgadas (entre 20 y 25 cm) de largo, b c, Fig. 37, fijado en un extremo a un tornillo, y en el otro, que pasa sobre una polea, c, es tensado por un hilo de seda del que pende el peso, d. La polea está conectada a un índice que se mueve sobre una escala graduada (e-e'). El instrumento se puede hacer más sensible mediante la eliminación de los aceites del cabello, sumergiéndolo previamente por ejemplo en éter etílico.[3]

John William Draper. Libro de texto de Química

Barbas de ballena u otros materiales pueden ser utilizados en lugar del cabello. En este sentido, el científico suizo radicado en Inglaterra Jean-André Deluc (1727–1817), publicó en las Transacciones Filosóficas el anuncio de un nuevo higrómetro parecido a un termómetro de mercurio, con un bulbo de marfil que al expandirse por la humedad provocaba el descenso del mercurio.[4] Posteriormente ingenió un higrómetro basado en una barba de ballena, lo que provocó el estallido de una amarga controversia con de Saussure.[5]

Psicrómetros (termómetros de bulbos húmedo y seco)[editar]

1861 diagrama de un psicrómetro con bulbo húmedo (a) y bulbo seco (b). El bulbo húmedo está conectado a un depósito de agua.
Interior de un abrigo meteorológico mostrando un psicrómetro motorizado

Un psicrómetro (o termómetro de bulbo seco y húmedo), consta de dos termómetros, uno que está seco y otro que se mantiene húmedo con agua destilada en una funda de tela o mecha. Los dos termómetros se denominan así de bulbo seco y de bulbo húmedo. A temperaturas por encima del punto de congelación del agua, la evaporación del agua de la mecha reduce la temperatura, por lo que el termómetro de bulbo húmedo por lo general muestra una temperatura más baja que la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, cuando la temperatura del aire está por debajo de la congelación, el bulbo húmedo se cubre con una fina capa de hielo y puede estar más caliente que el bulbo seco.

La humedad relativa se calcula a partir de la temperatura ambiente (marcada por el termómetro de bulbo seco) y de la diferencia de temperaturas (entre los termómetros de bulbo húmedo y de bulbo seco). La humedad relativa se puede determinar también mediante la localización de la intersección de las gráficas de las dos temperaturas en una carta psicrométrica. Cuando los dos termómetros coinciden, entonces el aire está completamente saturado; y cuanto mayor es la diferencia, más seco está el aire. Los psicrómetros se utilizan comúnmente en meteorología, y en la industria HVAC para determinar la carga refrigerante adecuada en los sistemas de aire acondicionado residenciales y comerciales.

Psicrómetro[editar]

Psicrómetro giratorio para uso exterior

El psicrómetro giratorio, donde los termómetros están unidos a un mango o longitud de cuerda y se centrifugan en el aire durante unos pocos minutos, a veces se usa para mediciones de campo, pero está siendo sustituido por sensores electrónicos de uso más sencillo. Alternativamente, existen otros tipos de psicrómetro giratorio que utilizan el mismo principio, pero en los que los dos termómetros se montan en un dispositivo que se asemeja a una carraca, con un mango y una rótula.

Higrómetro electrónico

Higrómetro de punto de rocío[editar]

El punto de rocío es la temperatura a la que una muestra de aire húmedo (o cualquier otra de vapor de agua) a presión constante alcanza la saturación de vapor de agua. A esta temperatura de saturación, el enfriamiento adicional se traduce en la condensación del agua. Los higrómetros de punto de rocío de espejo enfriado son algunos de los instrumentos más precisos comúnmente disponibles. Utilizan un espejo enfriado y un mecanismo optoelectrónico para detectar la condensación en la superficie del espejo. La temperatura del espejo es controlada por retroalimentación electrónica para mantener un equilibrio dinámico entre la evaporación y la condensación en el espejo, por lo tanto la medición se mantiene cerca de la temperatura del punto de rocío. Se puede obtener una precisión de 0,2 °C con estos dispositivos, que se correlaciona en los entornos típicos de oficina con una precisión de la humedad relativa de aproximadamente ±1,2%. Estos dispositivos necesitan una limpieza frecuente, un operador experto y calibración periódica para alcanzar estos niveles de precisión. Aun así, son propensas a la acumulación de suciedad en entornos donde el humo o el aire impuro pueden estar presentes.

Higrómetros modernos[editar]

El uso de procesos de fabricación complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) industriales permite la integración del sensor y de la parte del proceso electrónico de la señal en un chip. También asegura una mayor fiabilidad, y una estabilidad excelente a largo plazo. Estos sensores permiten la toma de valores de temperatura y humedad del ambiente. Además, el protocolo de comunicación «serial sincrónico» los hace aptos para ser utilizados con todos los microcontroladores de Parallax y la mayoría de otras marcas. La principal ventaja de este tipo de sensores, en virtud de su sistema de comunicación digital, consiste en la facilidad de envío de datos a un computador para su posterior almacenamiento y análisis.

Capacitivos[editar]

Sensor electrónico de humedad capacitivo, con convertidor de analógico a digital integrado.

Para aplicaciones donde el costo, el espacio o la fragilidad son relevantes, se utilizan otros tipos de sensores electrónicos, a costa de una menor precisión. En los higrómetros capacitivos, se mide el efecto de la humedad en la constante dieléctrica de un material polimérico u óxido de un metal. Con una adecuada calibración, estos sensores tienen una precisión de ± 2% en un rango comprendido entre el 5% y el 95% de humedad relativa. Sin calibración, la precisión es de 2 a 3 veces peor. Los sensores capacitivos son robustos frente a efectos tales como la condensación y las altas temperaturas temporales.[6] Sin embargo, están sujetos a los efectos de la contaminación, el desajuste y los efectos del envejecimiento, pero son adecuados para muchas aplicaciones.

Resistivos[editar]

En los higrómetros resistivos se suele medir el cambio en la resistencia eléctrica de un material (habitualmente sales o polímeros conductores) debido a la humedad.[6] Los sensores resistivos son menos sensibles que los sensores capacitivos, al ser el cambio en las propiedades del material menores, por lo que requieren circuitos más complejos. Las propiedades del material también tienden a depender tanto de la humedad como de la temperatura, lo que significa en la práctica que el sensor debe ser combinado con un segundo sensor de temperatura. La precisión y robustez contra la condensación varían dependiendo del material resistivo elegido. Existen sensores robustos, resistentes a la condensación con una precisión de hasta ± 3% de la humedad relativa.

Térmicos[editar]

En los higrómetros térmicos, se mide el cambio en la conductividad térmica del aire debido a la humedad. Estos sensores miden la humedad absoluta en vez de la humedad relativa.[6]

Gravimétricos[editar]

Un higrómetro gravimétrico mide la masa de una muestra de aire en comparación con un volumen igual de aire seco. Es considerado como el principal método más exacto para determinar el contenido de la humedad en las normas nacionales de control del aire,[7] siendo la base de los sistemas normativos desarrollados en los Estados Unidos, Reino Unido, Unión Europea y Japón. El inconveniente de utilizar este tipo de dispositivos es que por lo general sólo se utilizan como patrones de transferencia para calibrar instrumentos menos precisos.

Otros tipos[editar]

Entre otros tipos de estos dispositivos, existen los siguientes:

  • Higrómetros de absorción: Se utilizan sustancias químicas que, luego de absorber, exhalan la humedad, según las circunstancias.
  • Higrómetros eléctricos: Están constituidos por dos electrodos arrollados en espiral. Si a estos electrodos se les aplica una tensión alterna, el tejido se calienta, y una parte del contenido de agua se evapora.

A una temperatura definida se establece un equilibrio entre la evaporación, por calentamiento del tejido, y la absorción de agua de la humedad ambiente por acción de un compuesto químico muy higroscópico: el cloruro de litio: LiCl. A partir de estos datos se establece con precisión el grado de humedad.

Otras sustancias tienen la propiedad de cambiar de color por efecto de la humedad. Por ejemplo, el cloruro de cobalto (CoCl2) se muestra azul en el sensor integrado de temperatura y humedad (Sensirion SHT11).

Aplicaciones[editar]

Además de en invernaderos y en espacios industriales, los higrómetros se utilizan en algunas incubadoras de huevos, saunas, humidores y museos. También se utilizan en el cuidado de los instrumentos musicales de madera tales como pianos, guitarras, violines y arpas, que pueden ser dañados por las condiciones de humedad inadecuadas. En entornos residenciales, los higrómetros se utilizan para ayudar en el control de la humedad (cuando es demasiado baja puede dañar la piel y el cuerpo humano, mientras que cuando es demasiado alta favorece el crecimiento de hongos y ácaros). En la industria de los recubrimientos tienen múltiples usos debido a que la aplicación de la pintura y otros recubrimientos puede ser muy sensible a la humedad y al punto de rocío. Con una necesidad cada vez mayor de mediciones, los psicrómetros se sustituyen actualmente por medidores de punto de rocío denominados dewcheck. Estos dispositivos hacen mediciones mucho más rápidamente, pero a menudo no están permitidos en entornos explosivos.

Dificultad de la medición precisa de la humedad[editar]

La medición de la humedad es uno de los problemas más difíciles en la metrología básica. De acuerdo con la Guía de la OMM, "Las precisiones alcanzables para la determinación de la humedad [...] que figuran en la tabla se refieren a los instrumentos de buena calidad que son bien operados y mantenidos. En la práctica, estas condiciones no son fáciles de lograr." Dos termómetros se pueden comparar mediante la inmersión de los dos en un recipiente aislado de agua (o alcohol, para temperaturas inferiores al punto de congelación del agua), agitados vigorosamente para reducir al mínimo las variaciones de la temperatura. Un termómetro de alta calidad de columna de líquido en un tubo de vidrio debe permanecer estable durante algunos años si se maneja con cuidado. Los higrómetros deben calibrarse en el aire, que es un medio de transferencia de calor mucho menos eficaz de lo que lo es el agua, y muchos tipos están sujetos a la deriva de sus mediciones[8] por lo precisan una recalibración regular. Una dificultad adicional es que la mayoría de los higrómetros detectan la humedad relativa en lugar de la cantidad absoluta de agua presente, pero la humedad relativa es una función tanto de la temperatura como del contenido de humedad absoluto, por lo que las pequeñas variaciones de la temperatura del aire en una cámara de prueba, se traducirán en variaciones de humedad relativa.

En un entorno frío y húmedo, se puede producir sublimación de hielo en la cabeza del sensor independientemente de que se trate de un pelo, célula de rocío, espejo, elemento de detección de capacitancia, o un termómetro de bulbo seco de un psicrómetro de aspiración. El hielo en la sonda coincide con la lectura de la humedad de saturación con respecto al hielo a esa temperatura, es decir, el punto de congelación. Sin embargo, un higrómetro convencional es incapaz de medir adecuadamente por encima del punto de congelación, y la única manera de evitar este problema fundamental es utilizar una sonda de humedad calentada.[9]

Los estándares de calibración[editar]

Calibración del psicrómetro[editar]

La calibración precisa de los termómetros utilizados es fundamental para la determinación de la humedad exacta por el método del húmedo-seco. Los termómetros deben ser protegidos del calor radiante y deben tener un nivel suficientemente alto de flujo de aire sobre el bulbo húmedo para obtener resultados más precisos. Uno de los tipos más precisos de psicrómetro de bulbo húmedo-seco fue inventado en el siglo XIX por Adolph Richard Aßmann (1845-1918); [10] en las referencias en idioma inglés el dispositivo por lo general se cita como "psicrómetro Assmann." En este dispositivo, cada termómetro se suspende dentro de un tubo vertical de metal pulido, que a su vez está suspendido dentro de un segundo tubo metálico de diámetro ligeramente mayor; estos tubos dobles sirven para aislar los termómetros del calor radiante. El aire es aspirado a través de los tubos con un ventilador que es accionado por un mecanismo de relojería para garantizar una velocidad constante (algunas versiones modernas utilizan un ventilador eléctrico con control electrónico de velocidad).[11] Según Middleton, 1966, "un punto esencial es que el aire circule entre los tubos concéntricos, así como a través del interior."[12]

Es muy difícil, especialmente a baja humedad relativa, obtener la depresión teórica máxima de la temperatura del bulbo húmedo; un estudio australiano a finales de 1990 encontró que el líquido en el tubo de vidrio de los termómetros de bulbo húmedo estaba más caliente de lo que la teoría predice incluso cuando se tomaron precauciones considerables;[13] este hecho puede dar lugar a lecturas del valor de la humedad relativa que pueden ser entre 2 y 5 puntos porcentuales erróneamente más altas.

Una solución que a veces se utiliza para la medición precisa de la humedad cuando la temperatura del aire está por debajo de la de congelación es el uso de un calentador eléctrico controlado por termostato para elevar la temperatura del aire exterior antes de la congelación. En esta disposición:

  • 1) Un ventilador aspira aire exterior y lo hace pasar por un termómetro para medir la temperatura ambiente en el bulbo seco.
  • 2) A continuación pasa por un elemento de calentamiento.
  • 3) Un segundo termómetro mide la temperatura de bulbo seco del aire calentado.
  • 4) Finalmente un termómetro de bulbo húmedo registra la temperatura del aire.

De acuerdo con la Guía de la Organización Meteorológica Mundial, "El principio del psicrómetro climatizado es que el contenido de vapor de agua de una masa de aire no cambia si se calienta. Esta característica puede ser explotada con ventaja por el psicrómetro, evitando así el problema de la formación de hielo en el bulbo del termómetro". [14]

Dado que la humedad del aire ambiente se calcula indirectamente a partir de tres mediciones de la temperatura, una calibración precisa de los termómetros de este tipo de dispositivo, es incluso más importante que para una configuración con dos bulbos.

Calibración mediante solución saturada de sal[editar]

Varios investigadores[15] han propuesto el uso de soluciones salinas saturadas para la calibración de higrómetros. Mezclas saturadas de ciertas sales puras y agua destilada tienen la propiedad de que mantienen una humedad aproximadamente constante en un recipiente cerrado. Un baño de sal de mesa (cloruro de sodio) saturado, con el tiempo dará una lectura de aproximadamente 75%. Otras sales tienen otros niveles de humedad de equilibrio: cloruro de litio ~ 11%; cloruro de magnesio ~ 33%; carbonato de potasio ~ 43%; sulfato de potasio ~ 97%. La humedad de las soluciones salinas variará algo con la temperatura y puede necesitar tiempos relativamente largos para llegar al equilibrio, pero su facilidad de uso compensa estas desventajas en aplicaciones de baja precisión, como la comprobación de higrómetros mecánicos y electrónicos.

Véase también[editar]

Enlaces externos[editar]

Referencias[editar]

  1. HubPages (24 de enero de 2012). «Hygrometer: Leonardo da Vinci's Weather Predictions» (en inglés). Consultado el 17 de mayo de 2016. 
  2. «METEOBLUE». Consultado el 17 de mayo de 2016. 
  3. Draper, John William (1861). A Textbook on Chemistry. p. 55. 
  4. "Account of a new hygrometer" (1773); "A second paper on hygrometry" (1791)
  5. René Sigrist, «Scientific standards in the 1780s: A controversy over hygrometers», en John Heilbron & René Sigrist (eds), Jean-André Deluc.
  6. a b c D.K. Roveti. Choosing a Humidity Sensor: A Review of Three Technologies. Sensors Magazine (2001).
  7. https://archive.org/details/nbsstandardhygro73wexl
  8. catching the drift
  9. Makkonen, L., Laakso, T (2005) Humidity measurements in cold and humid environments. Boundary-Layer Meteorology, 116: 131-147, doi 10.1007/s10546-004-7955-y
  10. "Aßmann, Adolph Richard" by Guido Heinrich
  11. "Smithsonian Catalog of Meteorological Instruments in the Museum of History and Technology" Prepared by W. E. Knowles Middleton
  12. A History of the Thermometer ISBN 0-8018-7153-0 by W. E. Knowles Middleton, Johns Hopkins Press 1966
  13. J. Warne, The Practical Impacts of RTD and Thermometer Design on Wet and Dry Bulb Relative Humidity Measurements. Bureau of Meteorology, Melbourne (1998).
  14. " url=http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf archiveurl=http://www.webcitation.org/6E9CzPWoA WMO Guide To Meteorological Instruments And Methods Of Observation (Seventh edition, 2008), Chapter 4: Humidity, section 4.2.5: Heated psychrometer." World Meteorological Organization
  15. Salt Calibration of Hygrometers