Desmitificación de la precisión de la humedad: Lo que necesita saber para realizar mediciones precisas

Dominio de la medición de la humedad: Claves para mejorar la precisión

La comparación del rendimiento a largo plazo de los instrumentos de medición de la humedad relativa implica mucho más que la simple comparación de sus especificaciones de precisión. Aunque las especificaciones de precisión ofrecen un buen punto de partida, no cuentan toda la historia del rendimiento general de un instrumento, especialmente en condiciones reales a lo largo del tiempo. En este blog, iremos más allá de las especificaciones de precisión para descubrir cuatro factores críticos que debe tener en cuenta a la hora de seleccionar un instrumento de medición de la humedad relativa.

1. Definiciones y diferenciación

Precisión no es lo mismo que incertidumbre, pero puede utilizarse como parte de una especificación técnica. La precisión es un término cualitativo, pero puede definirse utilizando una expresión de la incertidumbre de una medición.

Por ejemplo, una calibración previa a la entrega puede «declarar» la especificación o precisión citada de un instrumento.

La precisión, tal como se indica en la especificación técnica de Rotronic, se refiere a la diferencia máxima entre un valor de medición tomado por un instrumento de referencia y el dado por un IUT (Instrument Under Test), lo que se conoce como error de medición.

Incertidumbre de medición de una calibración se define como el intervalo en el que se espera que se encuentre el «valor verdadero». Por ejemplo, un IUT (Instrumento bajo prueba) con un valor de referencia de 35,0 % rh podría leer 34,8 % rh con una incertidumbre de ± 0,4 % rh. Esto significa que se espera que el valor verdadero se encuentre en el intervalo de 34,4 % rh a 35,2 % rh.

Tolerancia se utiliza en la especificación técnica de Rotronic como un límite de error de medición máximo permitido y no es lo mismo que la incertidumbre de medición Por lo tanto, la incertidumbre de una medición es necesaria adicionalmente para permitir decidir si se cumple una especificación de aplicación.

Especificación no es lo mismo que incertidumbre. Una especificación permite al cliente saber qué tipo de rendimiento puede esperarse razonablemente de un producto determinado en cada rango de funcionamiento. Deben tenerse en cuenta el error de medición máximo admisible y la incertidumbre de medición.

2. Clasificación de los errores en la medición capacitiva de la humedad

Dependencia de la temperatura y la presión

La humedad relativa depende de la temperatura y la presión.

Las sondas Rotronic HygroClip compensan automáticamente la dependencia física de la temperatura. La electrónica avanzada incluye tablas de presión de vapor de saturación similares basadas en las normas de la OMM para permitir las correcciones precisas.

La presión total del gas no suele tenerse en cuenta en las mediciones habituales de humedad relativa. Una excepción es cuando hay una gran diferencia de presión, por ejemplo de varios bares. Por ejemplo, las mediciones de humedad relativa a la salida de una cámara de presión o de vacío proporcionarán lecturas diferentes de la humedad relativa real dentro de la cámara debido al impacto de los cambios de presión.

Las sondas Rotronic HygroClip pueden programarse con diferentes presiones para permitir una mejor compensación, especialmente cuando se emiten valores calculados como el punto de rocío.

Errores de temperatura
La temperatura puede tener un efecto importante en varios aspectos de la medición de la humedad. Los componentes de toda la electrónica pueden verse afectados por los cambios de temperatura. Además, el sensor de humedad capacitivo tiene propiedades higroscópicas que varían con la temperatura. Asimismo, la precisión del propio sensor de temperatura, que también se utiliza para compensar, influye en la precisión de la medición de la humedad.

HygroClip - Compensación de temperatura del sensor de humedad

Todos los sensores de humedad relativa requieren una compensación del efecto de la temperatura en la señal de salida de humedad para mantener mediciones precisas en un amplio rango de condiciones de temperatura. El AirChip 3000 dentro de la sonda Rotronic Hycroclip mantiene en memoria un conjunto de 31 tablas correspondientes a valores de temperatura dentro del rango de -100 °C a +200 ˚C. Cada tabla contiene datos de compensación entre 0 % rh y 100 % rh en pasos de 10 % rh. Combinado con una medición de temperatura de alta precisión, un diseño de muy bajo consumo y, por tanto, de bajo autocalentamiento y una electrónica avanzada, el Rotronic HygroClip puede lograr mediciones de humedad relativa y temperatura excepcionalmente precisas en un amplio rango de temperaturas.

Errores de linealidad

El sensor ideal es totalmente lineal en términos de humedad frente a su salida (véase la fig. 2), pero la respuesta típica de un sensor de humedad relativa (entre 0...100 % rh) no es lineal. Dependiendo de la eficacia de la corrección efectuada por los circuitos electrónicos, el instrumento puede presentar un error de linealidad. Si tanto el sensor como la electrónica asociada tienen características reproducibles, el error de linealidad es un error sistemático.

La capacitancia del sensor de humedad utilizado junto con el AirChip3000 es una función no lineal de la humedad relativa (% rh). El AirChip3000 cambia los valores brutos leídos del sensor de humedad a valores lineales y compensa estos valores por el efecto de la temperatura en el sensor de humedad y valores de compensación únicos para cada sonda.

Linealización del sensor de humedad HygroClip

Cada sonda HygroClip lleva incorporado un microcontrolador llamado AirChip3000, que mantiene en memoria un conjunto de dos tablas (A1 % y A2 %) consistentes en correcciones (linealización) que se aplican a los datos brutos de humedad generados por el sensor de humedad. Cada tabla contiene 101 valores (de 0 a 100 % rh, en pasos de 1 % rh) para conseguir una linealización muy precisa del sensor de humedad. La tabla A1 % contiene los valores por defecto. La tabla A2 % contiene las correcciones adicionales generadas durante los ajustes realizados por el usuario. El valor de humedad linealizado se obtiene sumando al valor de humedad bruto los valores correctivos correspondientes de ambas tablas. Para los valores brutos intermedios se utiliza una interpolación. Los usuarios pueden restablecer el AirChip3000 a sus ajustes originales de fábrica en cualquier momento.

Generalmente, los valores recomendados por el fabricante del instrumento para el ajuste se determinan con el objetivo de minimizar el error de linealidad. El ajuste a esos valores debería reducir el error de linealidad.

Recomendación Rotronic para los puntos de ajuste:

Un ajuste de 3 puntos para las mediciones de humedad y temperatura garantiza un rendimiento preciso del sensor en diferentes condiciones ambientales.

1. Primer punto de ajuste a 23 °C y 35 %rh: Este punto de ajuste estándar se utiliza para mejorar la precisión de la línea base del sensor en condiciones ambientales típicas. El ajuste en este punto ayuda a garantizar mediciones fiables en entornos moderados.
2. Segundo punto de ajuste a 23 °C y más, por ejemplo, 50 %rh -80 %rh: El punto de ajuste a un nivel de humedad superior, como el 80 % de humedad relativa, mejora la capacidad del sensor para medir con precisión en condiciones de mayor humedad. Este paso es crucial para validar el rendimiento cuando los niveles de humedad son elevados, garantizando que el sensor siga siendo preciso en todo su rango operativo.
3. Tercer punto de ajuste a 23 °C e inferior, por ejemplo, 10 %rh -20 %rh: Este punto de ajuste de humedad baja mejora el rendimiento del sensor en condiciones más secas. El ajuste por debajo del 20 % rh es esencial para confirmar que el sensor puede detectar y notificar datos precisos incluso en entornos con una humedad mínima.

Al utilizar estos tres puntos diferentes, el ajuste garantiza la optimización de la precisión general del sensor y el mantenimiento de los niveles de tolerancia en un amplio espectro de humedad.

Error de ajuste

La calibración consiste en comparar la salida de un instrumento de medición con una referencia y comunicar los resultados. El ajuste consiste en cambiar la salida de un instrumento y calibrarlo para que coincida con la salida de la referencia.

Los instrumentos de referencia utilizados para proporcionar valores conocidos de humedad y temperatura para la calibración tienen su propia incertidumbre formada por los valores de precisión, repetibilidad, reproducibilidad e histéresis, que deben tenerse en cuenta al especificar la incertidumbre final del instrumento. Además, si no se realiza ningún ajuste durante un servicio de calibración, el error de medición debe tenerse en cuenta e incluirse en el cálculo del resultado del instrumento o añadirse a la precisión como error no corregido.

Ajuste con estándares de humedad Rotronic

La temperatura tiene un impacto en la humedad de equilibrio de los estándares de humedad Rotronic, la diferencia entre el valor de calibración a 23 °C del certificado y el valor de humedad de la temperatura real de la tabla debe añadirse manualmente a la entrada del valor de referencia de ajuste.

Histéresis

La histéresis es la diferencia máxima que puede medirse entre pares de datos correspondientes, obtenidos al ejecutar una secuencia ascendente y otra descendente de condiciones de humedad. La histéresis determina la reproducibilidad de un instrumento de humedad.

Para un instrumento determinado, el valor de la histéresis depende de varios factores:

• El intervalo total del ciclo de humedad utilizado para medir la histéresis.
• Tiempo de exposición del sensor a cada condición de humedad
• Estabilidad de la temperatura durante la medición
• Criterios utilizados para determinar el equilibrio del sensor y el historial anterior del sensor

Normalmente, la histéresis del sensor aumenta a medida que éste se expone a una humedad y una temperatura elevadas durante períodos de tiempo más prolongados.

Sólo tiene sentido indicar los valores de histéresis de un sensor proporcionando al mismo tiempo detalles sobre cómo se realizaron las pruebas. En la práctica real de las mediciones, las condiciones son extremadamente diversas y la histéresis puede alcanzar o no su valor máximo. Por lo tanto, es razonable considerar la histéresis como un valor aleatorio que no puede predecirse ni compensarse totalmente. Cuando se especifica la precisión de un instrumento, la mitad del valor máximo de la histéresis debe distribuirse por igual como error positivo y negativo. Sin embargo, la reproducibilidad del instrumento no debe especificarse por debajo del valor máximo de la histéresis.

3. Comprender la precisión de la humedad

Precisión, cuando se refiere a instrumentos de medición, suele significar la concordancia entre el valor de una cantidad medida y el valor de una cantidad real. Sin embargo, en la práctica, es esencial recordar que no existe tal cosa como un valor «verdadero»: cada medición conlleva cierto grado de incertidumbre y error de medición. La especificación de precisión de una hoja de datos de Rotronic simplemente describe la diferencia admisible entre las lecturas de su instrumento y un dispositivo de referencia (error de medición)

En muchos casos, la especificación de precisión por sí sola es insuficiente para evaluar la fiabilidad a largo plazo de un sensor de humedad, sobre todo si se trabaja en entornos con condiciones variables. He aquí por qué:

• La especificación de precisión de Rotronic no incluye factores como histéresis, repetibilidad, linealidad, estabilidad a largo plazo e incertidumbre de medición.

4. Variaciones de la precisión en función de la temperatura

La mayoría de las especificaciones de precisión sólo son válidas a una temperatura determinada o dentro de un estrecho margen de temperatura, como ±0,8 % rh a 23 °C o dentro de un margen de 20 °C ± 5 °C. Si utiliza el instrumento fuera de estos parámetros, es probable que su precisión se degrade. Esto se debe a que las sondas de humedad relativa son sensibles a la temperatura, y su rendimiento se ve afectado por los cambios en la temperatura ambiente.

Lo que hay que tener en cuenta:

• Sensibilidad a la temperatura: Muchas sondas de humedad relativa verán disminuir su precisión a medida que la temperatura se desvíe de la temperatura de calibración. Esto es especialmente importante en industrias como las cámaras ambientales o los sistemas de control de procesos, donde las temperaturas varían significativamente.

5. Incertidumbre en la medición de la calibración: Un factor crítico

Toda medición, por precisa que sea, conlleva cierta incertidumbre. Incluso las mediciones de institutos nacionales de metrología como el NIST (National Institute of Standards and Technology) vienen acompañadas de una cifra de incertidumbre. Incertidumbre de calibración se refiere a la precisión del procedimiento de calibración y es un dato clave para comprender la precisión total de un instrumento de humedad.

6. Deriva a largo plazo (estabilidad): El reto oculto

Todos los instrumentos de medición de la humedad relativa experimentan cierta deriva a largo plazo, es decir, un cambio en las lecturas con el paso del tiempo debido a factores como el envejecimiento de los componentes electrónicos, el desgaste mecánico y la acumulación de contaminación. Los sensores capacitivos de humedad relativa son vulnerables a la deriva porque están expuestos al entorno que miden. El envejecimiento del polímero en el senso de humedad es un comportamiento normal, muestra típicamente un valor más alto cuanto mayor es la condición de humedad.

Cuando se supera una deriva de más del 3 % rh, Rotronic recomienda sustituir el sensor, ya que entonces la deriva del sensor es cada vez más rápida.

• Envejecimiento de los componentes electrónicos
• Degradación mecánica de los materiales.
• Contaminantes como polvo, partículas o vapores químicos.

La deriva a largo plazo puede ser predecible o impredecible, dependiendo del diseño del sensor y del entorno. Mientras que los sensores de temperatura a menudo pueden sellarse para evitar la exposición a contaminantes, los sensores de humedad relativa suelen «respirar aire», lo que los hace más susceptibles a las influencias ambientales.

7. Manipulación de contaminantes: Partículas y vapores

Los sensores de humedad relativa son especialmente sensibles a los contaminantes del entorno. Estos contaminantes pueden afectar a las lecturas de forma temporal o permanente, dependiendo de su tipo y concentración. Los dos tipos de contaminantes más comunes son:

• Los contaminantes particulados, como el polvo o las sales, pueden acumularse en el sensor y afectar a sus lecturas. En la mayoría de los casos, las partículas ralentizan el tiempo de respuesta o generan desviaciones de las mediciones a una humedad específica (en función del tipo de sal), debido a un microclima en el sensor.
• Las partículas pueden afectar a las lecturas del sensor.
• Contaminantes del vapor, como los compuestos orgánicos volátiles (COV), pueden provocar que las lecturas del sensor se desvíen, especialmente en sistemas cerrados como las cámaras ambientales Esta contaminación suele provocar una lectura más baja, ya que los COV bloquean la entrada de las moléculas de agua en el sensor.

La selección de los filtros protectores adecuados y su limpieza periódica pueden ayudar a reducir el impacto de las partículas contaminantes, pero los contaminantes de vapor son mucho más difíciles de filtrar.

En entornos difíciles, acortar los ciclos de calibración y ajuste puede ayudar a mantener la precisión, ya que se espera una deriva anual mayor.

Conclusión: Más allá de la precisión

Elegir el instrumento adecuado para medir la humedad relativa requiere algo más que fijarse en la especificación de precisión de una hoja de datos. Factores como el rango de temperatura, la incertidumbre de calibración, la deriva a largo plazo y los contaminantes ambientales desempeñan un papel crucial a la hora de determinar el verdadero rendimiento a largo plazo de su dispositivo. Para evitar condiciones fuera de tolerancia, profundice en los datos del producto, hable con los fabricantes, ajuste las especificaciones a su caso de uso específico y asegúrese de aplicar las mejores prácticas en la instalación, el mantenimiento y la calibración de los instrumentos.

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