Un higrómetro es un instrumento que mide la humedad del aire o de algún otro gas: es decir, la cantidad de vapor de agua que contiene. [1] Los instrumentos de medición de humedad generalmente se basan en mediciones de otras cantidades, como la temperatura, la presión, la masa y los cambios mecánicos o eléctricos en una sustancia a medida que se absorbe la humedad. Mediante calibración y cálculo, estas cantidades medidas se pueden utilizar para indicar la humedad. Los dispositivos electrónicos modernos utilizan la temperatura de condensación (llamada punto de rocío ) o detectan cambios en la capacitancia o resistencia eléctrica .
La cantidad máxima de vapor de agua que puede contener un volumen de aire determinado ( saturación ) varía mucho según la temperatura; el aire frío puede contener menos masa de agua por unidad de volumen que el aire caliente. Por lo tanto, un cambio en la temperatura puede cambiar la humedad.
En 1480, Leonardo da Vinci inventó un prototipo de higrómetro. Durante el siglo XVII se produjeron importantes mejoras: Francesco Folli inventó una versión más práctica del dispositivo y Robert Hooke mejoró varios dispositivos meteorológicos, incluido el higrómetro. En 1755, el erudito suizo Johann Heinrich Lambert creó una versión más moderna . Más tarde, en el año 1783, el físico y geólogo suizo Horace Bénédict de Saussure inventó un higrómetro que utiliza un cabello humano estirado como sensor.
A finales del siglo XVII, algunos científicos llamaron higroscopios a los instrumentos de medición de la humedad ; esa palabra ya no se usa, pero higroscópico e higroscopia , que derivan de ella, sí lo son.
Durante la dinastía Shang , en la antigua China, se idearon y desarrollaron higrómetros rudimentarios para estudiar el clima. [2] Los chinos utilizaban una barra de carbón y un trozo de tierra: se tomaba su peso seco y luego se comparaba con su peso húmedo después de exponerlo al aire. Las diferencias de peso se utilizaban para calcular el nivel de humedad.
Se aplicaron otras técnicas que utilizaban la masa para medir la humedad, como por ejemplo, cuando el aire estaba seco, la barra de carbón sería liviana, mientras que cuando el aire estaba húmedo, la barra de carbón sería pesada. Al colgar un trozo de tierra en un extremo de un bastón y una barra de carbón en el otro extremo, y sujetar una cuerda de elevación fija al punto medio para hacer que el bastón estuviera horizontal en el aire seco, se hizo un antiguo higrómetro. [3] [2]
El higrómetro de bobina de papel y metal es muy útil para dar una indicación en el dial de los cambios de humedad. Aparece con mayor frecuencia en dispositivos económicos 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, lo que hace que la bobina cambie de forma. Estos cambios (análogos a los de un termómetro bimetálico ) provocan una indicación en un dial. Por lo general, hay una aguja de metal en la parte delantera del medidor que cambiará el lugar al que apunta.
Estos dispositivos utilizan un cabello humano o animal bajo cierta tensión. (Se pueden utilizar huesos de ballena y otros materiales en lugar de cabello). El cabello es higroscópico (tiende a retener la humedad); su longitud cambia con la humedad y el cambio de longitud se puede magnificar mediante un mecanismo e indicar en un dial o escala . El físico y geólogo suizo Horace Bénédict de Saussure fue el primero en construir un higrómetro de este tipo, en 1783. El dispositivo de arte popular tradicional conocido como casa meteorológica también funciona según este principio.
Consiste en un cabello humano de veinte o veinticinco centímetros de largo, bc, fig. 37, sujeto en un extremo a un tornillo, a , y en el otro pasando sobre una polea, c , y tensado fuertemente mediante un hilo de seda y un peso, d .
— John William Draper, Un libro de texto sobre química (1861)
La polea está conectada a un índice que se mueve sobre una escala graduada (e). El instrumento puede volverse más sensible eliminando los aceites del cabello, por ejemplo, sumergiéndolo primero en éter dietílico . [4]
Un psicrómetro, o termómetro de bulbo húmedo y seco, consta de dos termómetros calibrados, uno seco y otro que se mantiene húmedo con agua destilada sobre una media o mecha. [5] A temperaturas superiores al punto de congelación del agua, la evaporación del agua de la mecha reduce la temperatura , de modo que el termómetro de bulbo húmedo estará a una temperatura más baja que la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, cuando la temperatura del aire está por debajo del punto de congelación, el bulbo húmedo debe estar cubierto con una fina capa de hielo para que sea preciso. Como resultado del calor de sublimación, la temperatura del bulbo húmedo eventualmente será más baja que la del bulbo seco, aunque esto puede requerir muchos minutos de uso continuo del psicrómetro.
La humedad relativa (HR) se calcula a partir de la temperatura ambiente, que se muestra con el termómetro de bulbo seco, y la diferencia de temperaturas que muestran los termómetros de bulbo húmedo y de bulbo seco. La humedad relativa también se puede determinar ubicando la intersección de las temperaturas de bulbo húmedo y de bulbo seco en un diagrama psicrométrico . Los termómetros seco y húmedo coinciden cuando el aire está completamente saturado y, cuanto mayor sea la diferencia, más seco estará el aire. Los psicrómetros se utilizan comúnmente en meteorología y en la industria de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para la carga adecuada de refrigerante de los sistemas de aire acondicionado residenciales y comerciales.
Un psicrómetro giratorio, que utiliza termómetros unidos a un mango, se hace girar manualmente en un flujo de aire libre hasta que ambas temperaturas se estabilizan. A veces se utiliza para mediciones de campo, pero se está reemplazando por sensores electrónicos más convenientes. Un psicrómetro giratorio utiliza el mismo principio, pero los dos termómetros se colocan en un dispositivo que se parece a un trinquete o a un sonajero de fútbol.
El punto de rocío es la temperatura a la que una muestra de aire húmedo (o cualquier otro vapor de agua ) a presión constante alcanza la saturación de vapor de agua. A esta temperatura de saturación, un enfriamiento adicional da como resultado la condensación del agua. Los higrómetros de punto de rocío de espejo enfriado son algunos de los instrumentos más precisos disponibles comúnmente. Utilizan un espejo enfriado y un mecanismo optoelectrónico para detectar la condensación en la superficie del espejo. La temperatura del espejo se controla mediante retroalimentación electrónica para mantener un equilibrio dinámico entre la evaporación y la condensación, midiendo así de cerca la temperatura del punto de rocío. Se puede lograr una precisión de 0,2 °C con estos dispositivos, lo que se correlaciona en entornos de oficina típicos con una precisión de humedad relativa de aproximadamente ±1,2%. Los espejos enfriados más antiguos usaban un espejo metálico que necesitaba limpieza y mano de obra calificada. Las implementaciones más nuevas de espejos enfriados usan superficies altamente pulidas que no requieren limpieza de rutina.
Más recientemente, se han introducido espejos enfriados espectroscópicos. Mediante este método, el punto de rocío se determina con detección de luz espectroscópica que determina la naturaleza de la condensación. Este método evita muchos de los problemas de los espejos enfriados anteriores y es capaz de funcionar sin deriva.
Los espejos enfriados siguen siendo la medida de referencia para la calibración de otros higrómetros. Esto se debe a su naturaleza de primer principio fundamental que se refiere al núcleo de la física de condensación y mide la temperatura, que es una de las magnitudes básicas del Sistema Internacional de Magnitudes (longitud, tiempo, cantidad de sustancia, corriente eléctrica, temperatura, intensidad luminosa, masa). [6]
Cuando el costo, el espacio o la fragilidad son importantes, se utilizan otros tipos de sensores electrónicos, al precio de una menor precisión. Los higrómetros capacitivos miden el efecto de la humedad en la constante dieléctrica de un polímero o un óxido metálico . Cuando están calibrados , su precisión a humedades relativas entre el 5% y el 95% es de ±2% HR; sin calibrar, esto es dos o tres veces peor. Los sensores capacitivos son robustos frente a efectos como la condensación y las altas temperaturas temporales, [7] pero están sujetos a la contaminación , la deriva y los efectos del envejecimiento. Sin embargo, son adecuados para muchas aplicaciones.
En los higrómetros resistivos se mide el cambio de la resistencia eléctrica de un material debido a la humedad. [7] Los materiales típicos son las sales y los polímeros conductores . Los sensores resistivos son menos sensibles que los sensores capacitivos: el cambio en las propiedades del material es menor, 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 combinarse con un sensor de temperatura. La precisión y la robustez frente a la condensación varían según el material resistivo elegido. Existen sensores robustos y resistentes a la condensación con una precisión de hasta ±3% HR ( humedad relativa ).
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 lugar de la humedad relativa. [7]
Un higrómetro gravimétrico extrae el agua del aire (u otro gas) y la pesa por separado, por ejemplo, pesando un desecante antes y después de que haya absorbido el agua. También se miden la temperatura, la presión y el volumen del gas seco resultante, lo que proporciona suficiente información para calcular la cantidad de agua por mol de gas. [8] [9]
Este se considera el método primario más preciso para medir la humedad absoluta [ cita requerida ] y se han desarrollado estándares nacionales basados en él en EE. UU., el Reino Unido, la UE y Japón. Sin embargo, la incomodidad de usar estos dispositivos significa que, por lo general, solo se utilizan para calibrar instrumentos menos precisos, llamados estándares de transferencia.
Un higrómetro óptico mide la absorción de luz por el agua en el aire. [10] Un emisor de luz y un detector de luz están dispuestos con un volumen de aire entre ellos. La atenuación de la luz, como la ve el detector, indica la humedad , de acuerdo con la ley de Beer-Lambert . Los tipos incluyen el higrómetro Lyman-alfa (que usa luz Lyman-alfa emitida por hidrógeno), el higrómetro de criptón (que usa luz de 123,58 nm emitida por criptón ) y el higrómetro de absorción diferencial (que usa luz emitida por dos láseres que operan en diferentes longitudes de onda, uno absorbido por la humedad y el otro no).
Aparte de los invernaderos y los espacios industriales, los higrómetros también se utilizan en algunas incubadoras , saunas , humidores y museos . También se utilizan en el cuidado de instrumentos musicales de madera como pianos, guitarras, violines y arpas que pueden dañarse por condiciones de humedad inadecuadas. Los higrómetros juegan un papel importante en la lucha contra incendios, ya que cuanto menor sea la humedad relativa, más vigorosamente pueden arder los combustibles. [11] En entornos residenciales, los higrómetros se utilizan para ayudar a controlar la humedad (una humedad demasiado baja puede dañar la piel y el cuerpo humanos, mientras que una humedad demasiado alta favorece el crecimiento de moho y ácaros del polvo ). Los higrómetros también se utilizan en la industria de los revestimientos porque la aplicación de pintura y otros revestimientos puede ser muy sensible a la humedad y al punto de rocío .
La medición de la humedad es uno de los problemas más difíciles de la metrología básica. Según la Guía de la OMM , "las precisiones alcanzables [para la determinación de la humedad] que se enumeran en la tabla se refieren a instrumentos de buena calidad que se utilizan y mantienen correctamente. En la práctica, no son fáciles de conseguir". Se pueden comparar dos termómetros sumergiéndolos en un recipiente aislado con agua (o alcohol, para temperaturas inferiores al punto de congelación del agua) y revolviéndolos vigorosamente para minimizar las variaciones de temperatura. Un termómetro de líquido en vidrio de alta calidad, si se maneja con cuidado, debería permanecer estable durante algunos años. Los higrómetros deben calibrarse en aire, que es un medio de transferencia de calor mucho menos eficaz que el agua, y muchos tipos están sujetos a deriva [12], por lo que necesitan una recalibración periódica. Otra dificultad 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 absoluto de humedad, por lo que pequeñas variaciones de temperatura dentro del aire en una cámara de prueba se traducirán en variaciones de humedad relativa.
En un ambiente frío y húmedo, puede producirse la sublimación del hielo en el cabezal del sensor, ya sea un cabello, una celda de rocío, un espejo, un 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 no puede medir correctamente por debajo del punto de congelación, y la única forma de evitar este problema fundamental es utilizar una sonda de humedad calentada. [13]
La calibración precisa de los termómetros utilizados es fundamental para la determinación precisa de la humedad mediante el método húmedo-seco. Los termómetros deben estar protegidos del calor radiante y deben tener un flujo de aire suficientemente alto sobre el bulbo húmedo para obtener los resultados más precisos. Uno de los tipos más precisos de psicrómetro de bulbo húmedo-seco fue inventado a fines del siglo XIX por Adolph Richard Assmann (1845-1918); [14] en las referencias en idioma inglés, el dispositivo generalmente se escribe "psicrómetro Assmann". En este dispositivo, cada termómetro está suspendido dentro de un tubo vertical de metal pulido, y ese tubo a su vez está suspendido dentro de un segundo tubo de metal de un diámetro ligeramente mayor; estos tubos dobles sirven para aislar los termómetros del calor radiante. El aire se aspira a través de los tubos con un ventilador que es impulsado por un mecanismo de relojería para garantizar una velocidad constante (algunas versiones modernas usan un ventilador eléctrico con control electrónico de velocidad). [15] Según Middleton, 1966, "un punto esencial es que el aire sea aspirado entre los tubos concéntricos, así como a través del interior". [16]
Es muy difícil, especialmente con baja humedad relativa, obtener la depresión teórica máxima de la temperatura de bulbo húmedo; un estudio australiano de fines de los años 1990 encontró que los termómetros de bulbo húmedo de líquido en vidrio eran más cálidos de lo que predecía la teoría incluso cuando se tomaban precauciones considerables; [17] esto podría llevar a lecturas de valores de HR que son entre 2 y 5 puntos porcentuales demasiado altas.
Una solución que se utiliza a veces para medir con precisión la humedad cuando la temperatura del aire está por debajo del punto de congelación es utilizar un calentador eléctrico controlado por termostato para elevar la temperatura del aire exterior por encima del punto de congelación. En este sistema, un ventilador hace pasar el aire exterior por (1) un termómetro para medir la temperatura ambiente de bulbo seco, (2) el elemento calefactor , (3) un segundo termómetro para medir la temperatura de bulbo seco del aire calentado y, finalmente, (4) un termómetro de bulbo húmedo. Según la Guía de la Organización Meteorológica Mundial , "el principio del psicrómetro calentado es que el contenido de vapor de agua de una masa de aire no cambia si se calienta. Esta propiedad puede aprovecharse en beneficio del psicrómetro evitando la necesidad de mantener un bulbo de hielo en condiciones de congelación". [18] [19]
Dado que la humedad del aire ambiente se calcula indirectamente a partir de tres mediciones de temperatura, en un dispositivo de este tipo la calibración precisa del termómetro es incluso más importante que en una configuración de dos bulbos.
Varios investigadores [20] han investigado el uso de soluciones salinas saturadas para calibrar higrómetros. Las mezclas fangosas de ciertas sales puras y agua destilada tienen la propiedad de mantener una humedad aproximadamente constante en un recipiente cerrado. Un baño de sal de mesa saturada ( cloruro de sodio ) eventualmente 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%. Las soluciones salinas variarán un poco en humedad con la temperatura y pueden tardar tiempos relativamente largos en alcanzar el equilibrio , pero su facilidad de uso compensa un poco estas desventajas en aplicaciones de baja precisión, como la verificación de higrómetros mecánicos y electrónicos.
Edición obsoleta de esta guía publicada por primera vez en 1950
La primera edición de esta guía se publicó en 1950.
