CALIBRACIÓN DE CÁMARAS DE HUMEDAD RELATIVA

Transcripción

1 CALIBRACIÓN DE CÁMARAS DE HUMEDAD RELATIVA Lic. Billy Quispe Laboratorio de Higrometría Dirección de Metrología

2 Cámara de Humedad Relativa La cámara o cabina climática es un ambiente cerrado en el cual se puede controlar varios parámetros ambientales, cámara termostática, en el caso que se pueda controlar la temperatura del aire en su interior y cámara climática en el caso que se pueda controlar la temperatura y humedad del aire en un ambiente cerrado. Para nuestro caso solo trataremos para el caso de humedad relativa a temperatura controlada y presión ambiental.

3 Aplicaciones de una Cámara de Humedad - Conservación de productos o materiales. - Prueba de materiales o equipos a diversas condiciones de humedad relativa y temperatura. - Caracterización de componentes electrónicos. - Caracterización de sensores. - Empaquetado de productos (alimentos, medicinas, etc.) - Realizar ensayos de envejecimiento de dispositivos eléctricos o electrónicos. - Calibración de higrómetros, entre otras.

4 Calibración de una Cámara de Humedad Relativa La calibración de una cámara de humedad relativa consiste en evaluar sus condiciones de operación y con ello determinar si es adecuada o no para el propósito que se requiere. Propósito de la calibración: - Confirmar las especificaciones del fabricante. - Evaluar las características de la cámara en una región determinada. - Determinar defectos u oportunidades de mejora.

5 Cámara de Humedad Relativa Construcción Dimensiones Selección del material Selección del método de generación de humedad Saturador Desecador Control y medición de temperatura Control y medición de presión Control y medición de flujo Sistema de generación Cámara de prueba

6 Calibración de una Cámara Climática para la calibración de higrómetros Parámetros a determinar: - Tiempo de estabilización, - Estabilidad, - Uniformidad.

7 td/ºc Calibración de cámaras de Humedad Relativa Tiempo de estabilización El tiempo de estabilización es el tiempo requerido por el equipo, instrumento para alcanzar su condición de estabilidad. sistema o tiempo de estabilización ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 tiempo/h

8 Estabilidad La estabilidad es una variación o fluctuación en el tiempo, de la magnitud que se mide. Esta se puede cuantificar con la dispersión de los datos en un intervalo de tiempo dado (desviación estándar). 60,2 60 Estabilidad 59,8 td/ºc 59,6 59,4 59, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 tiempo/s

9 Uniformidad Gradiente: permite cuantificar la uniformidad de la magnitud (temperatura o humedad en el espacio) en un volumen o espacio dado. Distribución de temperatura de cámara de humedad a 30 ºC 29,90 temperatura / ºC 29,80 29,70 29,60 29,50 29,40 29,30 t0 t1 t2 tp t3 t4 t5 Punto de plano horizontal 23 cm 18 cm 8cm

10 Gradientes de humedad relativa Gradientes de HR por diseño de la cámara Gradientes de HR por gradientes de temperatura

11 Métodos de calibración Cámara vacía Cámara con carga representativa Condiciones de uso en tiempo real

12 Procedimiento de calibración - Seleccionar el método de calibración. - Seleccionar el tipo de higrómetros: medidores de punto de rocío, higrómetros capacitivos, psicrómetros, etc. - Número de higrómetros: depende de las dimensiones de la cámara. - Distribución de los higrómetros al interior de la cámara. - Registro de datos. - Análisis de datos.

13 Método de calibración y tipo de higrómetros De los métodos de calibración antes mencionados, el más recomendado es aquel que se basa en las condiciones de uso en tiempo real. Por las desventajas de este método, resulta conveniente usar el método que considera una carga representativa ya que es más rápido y no se tiene que repetir las mediciones a menos que cambie la carga representativa. Existen diversos tipos de higrómetros que pueden usarse para calibrar una cámara de humedad, la selección de uno de ellos depende de las dimensiones, del intervalo de medición, de la estabilidad que se espera y la aplicación. Los más comunes son: Medidores de punto rocío, higrómetros capacitivos, resistivos entre otros.

14 Selección de higrómetros Generalmente los medidores de temperatura de punto rocío (espejo enfriado) se emplean en cámaras de ata estabilidad así como para bajas concentraciones de humedad. Los higrómetros capacitivos y resistivos se usan generalmente para caracterizar cámaras de humedad relativa con dimensiones menores a 1 m 3 y que operan en un intervalo de aprox. 5 % a 98 % de humedad relativa. Los psicrómetros se usan para calibrar cámaras de humedad relativa con dimensiones mayores de 1 m 3. En cámaras con menores dimensiones la fuente de agua del psicrómetro puede afectar la estabilidad de la cámara.

15 Número de higrómetros El número de higrómetros requerido para calibrar una cámara de humedad relativa depende de las dimensiones de la cámara. Es recomendable que en una cámara con geometría cúbica o en forma de paralelepípedo usar al menos 9 sensores calibrados (tal como se muestra en la figura). Cuando lo anterior no es posible, se recomienda usar al menos dos sensores calibrados uno fijo y otro que pueda moverse en los puntos de interés. Las consideraciones anteriores aplican para otro tipo de geometrías..

16 Distribución de los higrómetros al interior de la cámara La distribución de los higrómetros depende de la geometría de la cámara y del número de higrómetros disponibles. Lo recomendable es distribuir los sensores de tal manera que cubran la zona de interés a calibrar.

17 Registro de datos El registro de datos se debe hacer en base al parámetro de interés. En el caso del tiempo de estabilización, el número de lecturas y el tiempo para registrarlas depende de la respuesta de la cámara. En cámaras menores de 1 m 3 se recomienda hacer el registro cada minuto. Para determinar la estabilidad y gradientes se recomienda hacer el registro cada minuto en un intervalo de al menos 30 min. El intervalo de tiempo del registro entre una lectura y otra debe ser tal que permita considerar las máximas fluctuaciones presentes. 60,2 60 Estabilidad 59,8 td/ºc 59,6 59,4 59, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 tiempo/s

18 Análisis de datos: Estabilidad Punto de calibración Posición de los sensores P 1 (%hr) HR c,1 HR 1,1 HR 2,1 HR 3,1 HR 4,1 HR 5,1 HR 6,1 HR 7,1 HR 8,1 P 2 (%hr) HR c,2 HR 1,2 HR 2,2 HR 3,2 HR 4,2 HR 5,2 HR 6,2 HR 7,2 HR 8,2 P 3 (%hr) HR c,3 HR 1,3 HR 2,3 HR 3,3 HR 4,3 HR 5,3 HR 6,3 HR 7,3 HR 8,3 La incertidumbre por estabilidad en cada punto de calibración se puede obtener por medio de la ecuación: U estb ( HR ), con 1 i 8, 1 j 3 max, i j

19 Análisis de datos: Uniformidad La incertidumbre por gradientes en cada punto de caracterización se puede obtener por medio de la ecuación: U grad ( HRc, 1 HR1,1 ),( HRc,1 HR2,1 ), ( HRc,1 HRi, 1),... Otra forma de realizar el análisis consiste en calcular la desviación estándar de los valores medidos en cada punto de caracterización distribuidos en la zona de caracterización, es decir : Punto de calibración Posición de los sensores P 1 (%hr) HR c,1 HR 1,1 HR 2,1 HR 3,1 HR 4,1 HR 5,1 HR 6,1 HR 7,1 HR 8,1 P 2 (%hr) HR c,2 HR 1,2 HR 2,2 HR 3,2 HR 4,2 HR 5,2 HR 6,2 HR 7,2 HR 8,2 P 3 (%hr) HR c,3 HR 1,3 HR 2,3 HR 3,3 HR 4,3 HR 5,3 HR 6,3 HR 7,3 HR 8,3

20 Determinación de gradientes de humedad relativa Gradientes de HR por diseño de la cámara Gradientes de HR por gradientes de temperatura

21 Determinación de gradientes de humedad relativa Para determinar gradientes de humedad relativa por gradientes de temperatura, es necesario contar con un higrómetro patrón y un sensor de presión absoluta, además de los nueve sensores de temperatura. La distribución de los sensores de temperatura se realiza de acuerdo a lo mostrado en el gráfico de la derecha y solo el higrómetro patrón en la posición central del volumen efectivo de la cámara de humedad.

22 Determinación de gradientes de humedad relativa El sistema debe garantizar que la presión atmosférica deba ser medida de forma constante al igual que los demás sensores. Una vez realizada las mediciones de todos los sensores (t1, t2,,t9; HRc y Pc) se puede determinar el correspondiente valor de HRi para cada ti, empleando la ecuación de presión de vapor de agua determinada por Sonntag: Pc HR = p v 100 (1) p vs donde: p v : presión parcial de vapor de agua p vs : Presión de saturación del vapor de agua

23 e(t) / Pa Calibración de cámaras de Humedad Relativa Propiedades del aire relacionadas con la humedad Presión de saturación de vapor de agua Es la máxima presión que puede ser ejercida por el vapor de agua a una temperatura dada Presión de vapor de agua, e(t) T / K La presión de vapor de agua en el punto triple del agua es 611,657 Pa.

24 Propiedades del aire relacionadas con la humedad Presión de saturación de vapor de agua: Ecuaciones de aproximación para la fase líquida e(t ) exp 6 i 0 a T i i 2 a 7 lnt, en Pa Wexler (1976, 1977) Sonntag (1990) Hardy (1998) a a a a a a a a U r (e(t)) 0.005% 0ºC t 100ºC 0.005% 0ºC t 100ºC 0.005% 0ºC t 100ºC

25 Propiedades del aire relacionadas con la humedad Presión de saturación de vapor de agua: Ecuaciones de aproximación para la fase sólida (hielo) e(t ) exp 6 i 0 a T i i 2 a lnt, Wexler (1976, 1977) Sonntag (1990) Hardy (1998) a a a a a a a a U r (e(t)) ( t)% -100 ºC t 0.01 ºC 7 en 0.5% -100ºC t 0.01ºC Pa ( t)% -100 ºC t 0.01 ºC

26 Propiedades del aire relacionadas con la humedad Factor de corrección para la presión de vapor de agua: f(p,t) Aproximación de Sonntag (U<± ), (-50 C t 100 C) 4 10 e( t) f1( P, t) t Aproximación simplificada de Sonntag, (-50 C t 60 C) (U<±0.0004), P está dado en hpa e( t) P exp t / exp t /107 1 P 6 f2( P) x10 P P e( t)

27 Propiedades del aire relacionadas con la humedad Factor de corrección para la presión de vapor de agua: f(p,t) Aproximación de Wexler actualizada por Hardy (0.01% U 0.2%), (0 ºC t 100 ºC) e P f 3( P,t ) exp 1 1 P e 3 A i t i0 i e 3 B i t i0 i i A i B i x x x x x x x10-7 P está dado en Pa

28 Propiedades del aire relacionadas con la humedad Considerando que el vapor de agua presenta desviaciones respecto a un gas ideal, resulta necesario realizar una corrección por tal desviación, luego las fracciones molares deben ser corregidas tomando en cuenta este efecto. p v = f P, T d e(t d ) P f P, T e(t) p vs = P donde: Pv: presión parcial de vapor de agua Pvs: Presión de saturación del vapor de agua (2) (3) Finalmente, la humedad relativa se puede estimar por medio de la siguiente expresión: %HR = f P, T d e(t d ) f P, T e(t) 100 (4)

29 Determinación de gradientes de humedad relativa Simplificando la ecuación (4) consideramos que los factores de corrección f P, T d y f P, T son iguales a 1, entonces podemos escribir la ecuación (4) de la siguiente forma: %HR = e(t d) e(t) 100 Nuevamente de la ecuación (4) podemos calcular el valor de la temperatura de punto de rocío T d de la siguiente forma, considerando una función: F = e T d f P, T d %HR e T f P, T O por medio de la aproximación: F e T d %HR e T /100 La solución de ambas ecuaciones se obtiene al aplicar el método de Newton

30 Tabla de conversión de HR y t a t d Esta tabla de conversión fue calculada sin considerar el factor de corrección f(p,t) Temperatura Humedad relativa (%) t / ºC

31 Determinación de gradientes de humedad relativa De esta forma, empleando el valor del higrómetro patrón que podemos identificar como HRc para un determinado valor de temperatura tc, y la presión P de la cámara, podemos calcular el correspondiente t d de la cámara y esta temperatura de punto rocío nos permita determinar el valor de cada HRi con t j (con i, j = 1, 2,,8). Pc

32 Ejercicio Determinar el valor de humedad relativa en una muestra de gas que se encuentra a una temperatura de 20 C, una presión de 150 kpa y una temperatura de punto de rocío de -20 C. Solución 1: Primera aproximación, la primera aproximación para determinar la humedad relativa se obtiene de la siguiente ecuación: %HR = e(t d) e(t) 100 De la aproximación de Hardy para estimar la presión Hardy (1998) de vapor de agua, se tiene: e(t d =-20 C) = 125,58 Pa e(t =20 C) = 2339,26 Pa e(t ) exp 6 i 0 a T i i 2 a 7 lnt, en Pa a a a a a a Luego: %HR 125,58 Pa 2339,26 Pa 100 = 5,369 % a a

33 Ejercicio Solución 2: Empleando la ecuación (4) y considerando el factor de corrección f(p,t), se tiene: %HR = f P, T d e(t d ) f P, T e(t) 100 En este caso esta ecuación fue actualizada por Hardy de acuerdo a la Escala Internacional de temperatura de e P f ( P, t ) exp 1 1 P e 3 A i t i0 i e 3 B i t i0 i f(p,t d ) = 1, f(p,t ) = 1, Finalmente se obtiene i A i B i x x x x x x x10-7 %HR = 125,58 Pa 1, = 5,373 % 2339,26 Pa 1,

34 Documentos de consulta [1] FD X Mesure de l humidté de l air -Enceintes climatiques et thermostatiques- Caractérisation et vérification. AFNOR, France [2] A Guide to the Measurement of Humidity, NPL, UK [3] Guideline DKD-R 5-7 Calibration of Climatic Chambers, DKD, Germany [4] A guide to calculating the uncertainty of the performance of environmental chambers, SEE The Society of Environmental Engineers, UK [5] PC-018 Procedimiento para la calibración o caracterización de medios isotermos con aire como medio termostático, INACAL, Perú

35 Gracias!! Consultas: