Un higrómetro es un instrumento que mide la humedad del aire o de algún otro gas: es decir, cuánto vapor de agua contiene. [1] Los instrumentos de medición de humedad generalmente se basan en mediciones de otras cantidades, como temperatura, presión, masa y cambios mecánicos o eléctricos en una sustancia a medida que se absorbe la humedad. Mediante calibración y cálculo, estas cantidades medidas pueden conducir a una medición de la humedad. Los dispositivos electrónicos modernos utilizan la temperatura de condensación (llamada punto de rocío ), o detectan cambios en la capacitancia o resistencia eléctrica para medir las diferencias de humedad. Leonardo da Vinci inventó un higrómetro tosco en 1480. Durante el siglo XVII se produjeron grandes avances; Francesco Folli inventó una versión más práctica del dispositivo, mientras que Robert Hooke mejoró varios dispositivos meteorológicos, incluido el higrómetro. Una versión más moderna fue creada por el erudito suizo Johann Heinrich Lambert en 1755. Más tarde, en el año 1783, el físico y geólogo suizo Horace Bénédict de Saussure inventó el primer higrómetro utilizando cabello humano para medir la humedad.
La cantidad máxima de vapor de agua que se puede contener en un volumen determinado de aire ( saturación ) varía mucho según la temperatura; El aire frío puede contener menos masa de agua por unidad de volumen que el aire caliente. La temperatura puede cambiar la humedad.
Los prototipos de higrómetros se idearon y desarrollaron durante la dinastía Shang en la antigua China 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 haber sido expuesto al aire. Las diferencias de peso se utilizaron para calcular el nivel de humedad.
Se aplicaron otras técnicas usando masa para medir la humedad, como cuando el aire estaba seco, la barra de carbón sería liviana, mientras que cuando el aire estaba húmedo, la barra de carbón sería pesada. Colgando un trozo de tierra y una barra de carbón en los dos extremos de un bastón por separado y agregando una cuerda de elevación fija en el punto medio para que el bastón quedara horizontal en aire seco, se construyó un higrómetro antiguo. [3] [2]
El higrómetro de bobina de papel metálico es muy útil para indicar con dial 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 frontal del medidor que cambiará el lugar al que apunta.
Estos dispositivos utilizan pelo humano o animal bajo cierta tensión. El cabello es higroscópico (tiende a retener la humedad); su longitud cambia con la humedad, y el cambio de longitud puede ampliarse mediante un mecanismo e indicarse en un dial o escala . A finales del siglo XVII, algunos científicos llamaron a estos dispositivos higroscopios ; esa palabra ya no se usa, pero higroscópico e higroscopia , que derivan de ella, todavía lo están. El dispositivo de arte popular tradicional conocido como casa del clima funciona según este principio. Se pueden utilizar huesos de ballena y otros materiales en lugar de pelo.
En 1783, el físico y geólogo suizo Horace Bénédict de Saussure construyó el primer higrómetro de tensión del cabello utilizando cabello humano.
Consiste en un cabello humano de ocho o diez pulgadas [20 o 25 cm] de largo, bc, Fig. 37, sujeto en un extremo a un tornillo, a , y en el otro que pasa sobre una polea, c , que se tensa firmemente mediante un hilo de seda y 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 la grasa del cabello, por ejemplo sumergiendo primero el cabello 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 en un calcetín 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 cubrirse 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 muestra el termómetro de bulbo seco y la diferencia de temperaturas que muestran los termómetros de bulbo húmedo y seco. La humedad relativa también se puede determinar ubicando la intersección de las temperaturas de bulbo húmedo y seco en un gráfico psicrométrico . Los termómetros seco y húmedo coinciden cuando 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 de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para la carga adecuada de refrigerante de sistemas de aire acondicionado residenciales y comerciales.
Un psicrómetro de cabestrillo, que utiliza termómetros sujetos 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 está siendo reemplazado por sensores electrónicos más convenientes. Un psicrómetro giratorio utiliza el mismo principio, pero los dos termómetros están instalados en un dispositivo que se asemeja a un trinquete o un cascabel 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 mayor enfriamiento da como resultado la condensación de 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 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. Con estos dispositivos se puede lograr una precisión de 0,2 °C, lo que se correlaciona en entornos de oficina típicos con una precisión de humedad relativa de aproximadamente ±1,2%. Los espejos fríos más antiguos utilizaban un espejo metálico que necesitaba limpieza y mano de obra calificada. Las implementaciones más nuevas de espejos fríos utilizan superficies muy pulidas que no requieren una limpieza de rutina.
Más recientemente, se han introducido espejos fríos espectroscópicos. Con este método se determina el punto de rocío mediante detección de luz espectroscópica, que determina la naturaleza de la condensación. Este método evita muchos de los inconvenientes de los espejos fríos anteriores y es capaz de funcionar sin deriva.
Los espejos fríos 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 la condensación y mide la temperatura, que es una de las unidades fundamentales (longitud, tiempo, cantidad de sustancia, corriente eléctrica, temperatura, intensidad luminosa, masa). [6]
Para aplicaciones donde el coste, el espacio o la fragilidad son relevantes, se utilizan otro tipo de sensores electrónicos, al precio de una menor precisión. En los higrómetros capacitivos se mide el efecto de la humedad sobre la constante dieléctrica de un polímero o de un material de óxido metálico . Con calibración , estos sensores tienen una precisión de ±2 % de HR en el rango de 5 a 95 % de HR. Sin calibración , la precisión es de 2 a 3 veces peor. Los sensores capacitivos son resistentes a efectos como la condensación y las altas temperaturas temporales. [7] Los sensores capacitivos están sujetos a efectos de contaminación , deriva y envejecimiento, pero son adecuados para muchas aplicaciones.
En los higrómetros resistivos se mide el cambio en 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 en la práctica significa que el sensor debe combinarse con un sensor de temperatura. La precisión y robustez contra la condensación varían según el material resistivo elegido. Existen sensores robustos y resistentes a la condensación con una precisión de hasta ±3% RH ( 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 información suficiente para calcular la cantidad de agua por mol de gas. [8] [9]
Este se considera el método principal más preciso para medir la humedad absoluta y se han desarrollado estándares nacionales basados en él en EE. UU., Reino Unido, UE y Japón. Sin embargo, el inconveniente de utilizar estos dispositivos significa que normalmente sólo 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, vista por el detector, indica la humedad , según la ley de Beer-Lambert . Los tipos incluyen el higrómetro Lyman-alfa (que utiliza luz Lyman-alfa emitida por hidrógeno), el higrómetro de criptón (que utiliza luz de 123,58 nm emitida por criptón ) y el higrómetro de absorción diferencial (que utiliza luz emitida por dos láseres que funcionan a diferentes longitudes de onda, uno absorbido por humedad y el otro no).
Además de en invernaderos y 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 desempeñan un papel importante en la extinción de incendios, ya que cuanto menor es 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 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] enumeradas en la tabla se refieren a instrumentos de buena calidad que están bien operados y mantenidos. En la práctica, no son fáciles de lograr". Se pueden comparar dos termómetros sumergiéndolos en un recipiente aislado con agua (o alcohol, para temperaturas por debajo del punto de congelación del agua) y revolviendo vigorosamente para minimizar las variaciones de temperatura. Un termómetro de líquido en vidrio de alta calidad, si se manipula 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. 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 función tanto de la temperatura como del contenido de humedad absoluta, 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 sensor de capacitancia o un termómetro de bulbo seco de un psicrómetro de aspiración. El hielo de la sonda coincide la lectura con 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 adecuadamente por debajo del punto de congelación, y la única forma de solucionar este problema fundamental es utilizar una sonda de humedad calentada. [13]
La calibración precisa de los termómetros utilizados es fundamental para una determinación precisa de la humedad mediante el método húmedo-seco. Los termómetros deben protegerse del calor radiante y deben tener un flujo de aire suficientemente alto sobre el bulbo húmedo para obtener resultados más precisos. Uno de los tipos más precisos de psicrómetro de bulbo seco-húmedo fue inventado a finales del siglo XIX por Adolph Richard Assmann (1845-1918); [14] en las referencias en 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 metálico de diámetro ligeramente mayor; Estos tubos dobles sirven para aislar los termómetros de la calefacción radiante. El aire se aspira a través de los tubos con un ventilador impulsado por un mecanismo de relojería para garantizar una velocidad constante (algunas versiones modernas utilizan 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". [dieciséis]
Es muy difícil, particularmente a baja humedad relativa, obtener la depresión teórica máxima de la temperatura de bulbo húmedo; un estudio australiano realizado a finales 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 dar lugar a lecturas del valor de HR que sean entre 2 y 5 puntos porcentuales demasiado altas.
Una solución que a veces se utiliza para medir la humedad con precisión cuando la temperatura del aire está por debajo del punto de congelación es utilizar un calentador eléctrico controlado termostáticamente para elevar la temperatura del aire exterior por encima del punto de congelación. En esta disposición, un ventilador aspira aire exterior pasando 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, luego 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 explotarse en beneficio del psicrómetro evitando la necesidad de mantener una bombilla 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 lámparas.
Varios investigadores [20] han investigado el uso de soluciones salinas saturadas para calibrar higrómetros. Las mezclas granizadas de determinadas sales puras y agua destilada tienen la propiedad de mantener una humedad aproximadamente constante en un recipiente cerrado. Un baño saturado de sal de mesa ( 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 relativamente mucho tiempo en alcanzar el equilibrio , pero su facilidad de uso compensa en cierta medida estas desventajas en aplicaciones de baja precisión, como la comprobación 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.
