Teoría de la Academia de Humedad 6 - El sensor capacitivo

El sensor de humedad capacitivo consiste en un material dieléctrico higroscópico colocado entre un par de electrodos que forman un pequeño condensador. La mayoría de los sensores capacitivos utilizan un plástico o polímero como material dieléctrico, con una constante dieléctrica típica que oscila entre 2 y 15. Cuando no hay humedad en el sensor, tanto esta constante como la geometría del sensor determinan el valor de la capacitancia. A temperatura ambiente normal, la constante dieléctrica del vapor de agua tiene un valor de aproximadamente 80, un valor mucho mayor que la constante del material dieléctrico del sensor. Por lo tanto, la absorción de vapor de agua por el sensor provoca un aumento de la capacitancia del sensor. En condiciones de equilibrio, la cantidad de humedad presente en un material higroscópico depende tanto de la temperatura ambiente como de la presión ambiente del vapor de agua. Esto es cierto para el material dieléctrico higroscópico utilizado en el sensor.

Por definición, la humedad relativa también es función tanto de la temperatura ambiente como de la presión de vapor de agua. Por tanto, existe una relación entre la humedad relativa, la cantidad de humedad presente en el sensor y la capacitancia del sensor. Esta relación es la base del funcionamiento de un instrumento capacitivo de humedad.

En un instrumento capacitivo, como en prácticamente cualquier otro tipo de instrumento, la humedad se mide mediante un proceso en cadena y no se mide directamente. El rendimiento del instrumento viene determinado por todos los elementos de la cadena, no sólo por el sensor. Dado que el sensor y la electrónica asociada no se pueden considerar por separado, cualquier factor que pueda perturbar el proceso en cadena de la medición está destinado a tener un efecto sobre el rendimiento del instrumento.

Sensor electrónico de humedad

Pros y contras de los sensores capacitivos de humedad:

Pros:

• • Amplio Rango de medición
• • Amplio Rango de Temperatura
• • Excelente estabilidad
• • Respuesta rápida
• • Recuperación total de la condensación
• • Alta resistencia a los productos químicos
• • Pequeño
• • Bajo coste
• • Requiere muy poco Mantenimiento

Contrarios:

• •Puede estar limitado por la distancia del sensor a la electrónica
• •Pérdida de Precisión relativa por debajo del 5% HR
• •Requiere electrónica para convertir la capacitancia en humedad relativa

Clasificación de errores en sensores capacitivos de humedad

Los errores sistemáticos son predecibles y repetibles, tanto en magnitud como en signo. Los errores derivados de la no linealidad del instrumento o de los efectos de la temperatura entran dentro de este perfil. Los errores sistemáticos son específicos del instrumento.

Los errores aleatorios dependen de factores externos al instrumento, lo que significa que mientras que los errores sistemáticos son predecibles y repetibles, los errores aleatorios no lo son. Por ejemplo, los errores derivados de la histéresis del sensor, que definiremos más adelante, así como los derivados del procedimiento de calibración, son errores aleatorios. Normalmente, los errores aleatorios se estiman a partir de datos estadísticos, la experiencia y el juicio.

Errores de Linealidad

La respuesta típica de un sensor de humedad relativa (entre 0 y 100% HR) no es lineal. Dependiendo de la eficacia de la corrección efectuada por los circuitos electrónicos, el instrumento puede presentar un error de linealidad. Asumiendo que tanto el sensor como la electrónica asociada tienen características reproducibles, el error de Linealidad es un error sistemático.

Generalmente, los valores recomendados por el fabricante del instrumento para la calibración se determinaron con el objetivo de minimizar el error de linealidad. La calibración con esos valores debería producir una distribución uniforme de más y menos del error de linealidad.

Errores de temperatura

La temperatura puede tener un efecto importante en varios elementos del proceso de medición en cadena descrito anteriormente. En el caso concreto de un instrumento capacitivo de humedad, los siguientes efectos pueden producir un error de temperatura. Las propiedades higroscópicas del sensor varían con la temperatura. Un instrumento de humedad relativa se basa en el supuesto de que la relación entre la cantidad de humedad presente en el material higroscópico del sensor y la humedad relativa es constante.

Sin embargo, en la mayoría de los materiales higroscópicos, esta relación varía con la temperatura. Además, las propiedades dieléctricas de la molécula de agua se ven afectadas por la temperatura. A 20 °C, el dieléctrico del agua tiene un valor aproximado de 80. Esta constante aumenta más de un 8 % a 0 °C y disminuye un 30 % a 100 °C. Las propiedades dieléctricas de los sensores también varían con la temperatura.

La constante dieléctrica de la mayoría de los materiales dieléctricos disminuye al aumentar la temperatura. Afortunadamente, el efecto de la temperatura sobre las propiedades dieléctricas de la mayoría de los plásticos suele ser más limitado que en el caso del agua.

Cualquier longitud de cable que conecte el sensor a los circuitos electrónicos tiene su propia capacitancia y resistencia. Los circuitos electrónicos no pueden distinguir entre el sensor y el cable de conexión. Por lo tanto, dado que la capacitancia del sensor y del cable puede variar con la temperatura, los valores de humedad indicados por la electrónica deben compensarse por los efectos de la temperatura. Si no se hace así, pueden producirse grandes errores de medición, a veces de hasta un 8 %rh o más.

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 repetibilidad de un instrumento de humedad.

Para cualquier instrumento dado, el valor de la histéresis depende de varias cosas:

• • el lapso total del ciclo de humedad utilizado para medir la histéresis
• • tiempo de exposición del sensor a cada condición de humedad
• •temperatura durante las mediciones
• • criterios utilizados para determinar el equilibrio del sensor
• • y el historial previo del sensor

Por lo general, la histéresis del sensor aumenta a medida que el sensor se expone a una humedad alta y a una temperatura alta 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 muy 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 Repetibilidad de un instrumento no debe especificarse por debajo del valor total de la histéresis.

Errores de Calibración

Errores de Calibración

La Calibración consiste en comparar la salida de un instrumento de medida con una referencia e informar de los resultados. El ajuste consiste en cambiar la salida de un instrumento que se está calibrando para que coincida con la salida de la referencia. En algunos casos, el servicio denominado "Calibración" incluye tanto la calibración como el ajuste.

Los instrumentos de referencia utilizados para proporcionar valores conocidos de humedad y temperatura para la calibración tienen sus propios valores de precisión, repetibilidad e histéresis, que deben tenerse en cuenta al especificar la incertidumbre final del instrumento. Además, ningún ajuste realizado durante un servicio de Calibración puede replicar perfectamente el valor observado por los instrumentos de referencia. Estos errores deben tenerse en cuenta y tratarse como errores aleatorios en el cálculo de la incertidumbre del instrumento.

Estabilidad a largo plazo

Un factor crucial es la capacidad del instrumento para devolver los mismos valores de HR para una condición de humedad dada durante un largo período de tiempo. Este valor, normalmente denominado Repetibilidad, mide la capacidad de un instrumento para mantener su calibración a pesar de los cambios en las características del sensor y su electrónica asociada durante largos periodos de tiempo. En general, se puede dividir el problema de la Repetibilidad en dos áreas: la capacidad del sensor para mantener su respuesta a una condición de humedad dada a una temperatura dada y la estabilidad de la electrónica a lo largo del tiempo.

La Repetibilidad es la capacidad del sensor para mantener su respuesta a una condición de humedad dada a una temperatura dada y la estabilidad de la electrónica a lo largo del tiempo.

La Repetibilidad es la capacidad del sensor para mantener su respuesta a una condición de humedad dada a una temperatura dada y la estabilidad de la electrónica a lo largo del tiempo.

Resistencia química

Los sensores de humedad de polímero capacitivo son sensibles a la presencia de sustancias químicas en el gas circundante. La magnitud de la influencia depende de una serie de parámetros:

• • tipo de producto químico
• • concentración
• • longitud de la influencia
• • cantidad de humedad y temperatura
• • y presencia de otros productos químicos

Dado que es difícil hacer predicciones sobre la desviación y la vida útil del sensor, lo mejor es hacer pruebas. entre ciclos de Calibración.

Productos químicos no críticos

Las siguientes tablas hacen referencia al impacto de estos gases en la familia de sensores Rotronic IN-1:

• • Argón (Ar)
• • Dióxido de carbono (CO₂)
• • Helio (H_e)
• • Hidrógeno (H₂)
Neón (Ne)
• Nitrógeno (N2) Nitrógeno (N2)
• Oxido nitroso (gas de la risa, N2O)
• • Óxido nitroso (gas de la risa, N₂O)
• Oxígeno (O2)
• • Oxígeno (O₂)

Los siguientes gases no tienen ninguna o poca influencia sobre el sensor y la medición de la humedad:

• • Butano (C₄H₁₀)
• • Etano (C₂H₆)
• • Metano (CH₄)
• • Gas natural
• • Propano (C₃H₈)

Productos químicos críticos

En las siguientes concentraciones, los gases enumerados en la siguiente tabla no tienen ninguna o poca influencia sobre el sensor o la medición de humedad. Los datos mostrados son sólo valores orientativos. La resistencia del sensor depende en gran medida de las condiciones de temperatura y humedad, así como de la duración de la influencia del contaminante.

Contaminación del sensor

Fallo permitido causado por el contaminante: +/- 2 %rh

Ejemplos de Aplicaciones

A) Medición de humedad en cámara de esterilización (óxido de etileno)

Aplicación del cliente: Esterilización de equipos médicos Sensor: C-94
Concentración Óxido de etileno: 15% en volumen
Dióxido de carbono 85% en volumen
Presión 0,2 a 2,5 bar absolutos
aprox. 40 °C
aprox. 80 %rh
Experiencia en aplicaciones: Los sensores tienen una vida útil de aproximadamente 3 meses. La cámara está en funcionamiento continuo.

B) Medición de humedad en cámara de ozono

Sensor: HYGROMER HT-1
Concentración ozono: app. 500 ppm
app. 23 °C
Humedad: aprox. 50 %rh
Aplicaciones: Los sensores tienen una vida útil de aproximadamente 1 mes a 500 ppm de ozono.

C) Aplicaciones especiales: Medición de humedad en aceite

En principio es posible medir la humedad directamente en el aceite, pero la vida útil de los sensores depende en gran medida del aceite utilizado. Las mediciones en aceite sólo son posibles con un sensor especial, y el plan de pruebas.

Obtenga más información sobre la humedad en el siguiente vídeo: "Explicación de la medición de la humedad relativa"

Vea las entradas anteriores del blog:
Teoría 1 - Qué es la humedad?
Teoría 2 - Humedad relativa, presión y temperatura
Teoría 3 - Humedad y presión de vapor
Teoría 4 - Definiciones de humedad: Concentración de Vapor
Teoría 5 - Efecto de la Temperatura y la Presión sobre el % rh
Esté atento a la Teoría de la Academia de la Humedad parte 7 en el Blog de PST