Diciembre de 2000
Medición de humedad en sólidos Julio Pavez, Mauricio Pavez, Jaime Glaría Departamento Departamento de Electrónica, Universidad Técnica Federico Santa María, Casilla 110-V, Valparaíso, Chile
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Resumen- La humedad es una variable importante en muchos ámbitos, y hay varias maneras de medirla. Aquí se describen, preliminarmente, algunas maneras para la humedad absorbida en sólidos. Palabras claves – Humedad; medición
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1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN La humedad es una variable física definida formalmente como la cantidad de agua disuelta en un gas o absorbida en un sólido. Es una variable importante en muchos ámbitos; por ejemplo, en procesos de fabricación que deben ser ejecutados respetando condiciones de humedad especificas para garantizar los productos. A veces la clave está en la humedad del aire aire ambiental, y otras en la humedad de los productos mismos. Este apunte se refiere a la medición de la humedad absorbida en sólidos, mediante secado en hornos o por radiación infrarroja, mediante alteraciones de resistencias o capacidades eléctricas, y mediante absorción electromagnética.
2. PRECISIONES PREVIAS Se llama humedad absoluta sobre base húmeda, en tanto por uno de masa, al cuociente que sigue: ma H h = ms + ma donde: H h es la humedad absoluta sobre base húmeda, en tanto por uno de masa; ma es la masa del agua disuelta por un gas o absorbida por un sólido, en [kg]; ms es la masa de gas o sólido seco en que está disuelta o absorbida el agua, en [kg]. Se llama humedad absoluta sobre base seca, en tanto por uno de masa, al cuociente que sigue:
H s
=
ma ms
donde: H s es la humedad absoluta sobre base seca, en tanto por uno de masa. Se llama humedad absoluta de saturación sobre base húmeda, en tanto por uno de masa, al cuociente que sigue:
H hsat =
mamax ms
+ mamax
donde: H hsat hsat es la humedad absoluta de saturación sobre base húmeda, en tanto por uno de masa; mamax es la masa máxima de agua que puede ser disuelta por el gas o absorbida por el sólido, en [kg]. Nota: mamax es proporcional a ms; también depende marcadamente de la temperatura (en relación directa) y de la presión (en relación inversa). Se llama humedad absoluta de saturación sobre base seca, en tanto por uno de masa, al cuociente que sigue:
H ssat =
mamax ms
donde: H ssat ssat es la humedad absoluta de saturación sobre base seca, en tanto por uno de masa. Se llama humedad relativa, en tanto por uno, al cuociente que sigue:
H r =
ma mamax
=
H h H hsat
=
H s H ssat
donde: H r r es la humedad relativa, en tanto por uno. Nota: en el caso de los gases, pensando en las leyes ideales, suele plantearse / V )/(mamax⋅k ⋅T / V H r r =ma / mamax= (ma⋅k ⋅T V )/( V) = pa / pamax donde: k es la constante de los gases (constante de Boltzmann), en [J/(molec⋅K]; T es la temperatura, en [K]; V es el volumen, en [m3]; pa es la presión parcial del vapor, en [N/m2]; pamax es la presión parcial máxima del vapor, en [N/m2].
3. MEDICIÓN MEDIANTE SECADO EN UN HORNO Es la medición más precisa. Consiste en medir la masa del sólido a prueba en una balanza, y calentarlo luego en un horno cerrado. El horno se pone a una temperatura que, según conocimientos previos, asegura una humedad estacionaria muy pequeña en el sólido (por ejemplo, a 105, en [ °C], para el caso de la madera); y tal temperatura se mantiene durante un tiempo que, otra vez según conocimientos previos, asegura el estacionamiento de la humedad del sólido (por ejemplo, durante 24 horas). Por fin, se saca el sólido, se le mide otra vez la masa en la balanza, se resta esa medida a la inicial para deducir la masa de agua desprendida, y se calcula la humedad que corresponda (por ejemplo, la absoluta sobre base húmeda, que vendría a ser (minicial-m final)/ minicial), donde minicial y m final son la masa inicial y la final del sólido, respectivamente, en [kg]). Como se advierte, es una medición lenta. No puede usarse cuando el sólido tiene otros compuestos evaporables, además de agua, o puede sufrir reacciones químicas debidas a la temperatura.
4. MEDICIÓN MEDIANTE SECADO POR RADIACIÓN INFRARROJA Es parecida a la anterior, pero el calentamiento del sólido se realiza por radiación infrarroja sobre la misma balanza con que se mide su masa. Esto permite muestrear tal medida con un período que, por conocimientos previos, asegura cambios apreciables (por ejemplo, cada 1 minuto). Y la evolución de las medidas, a su vez, permite inferir la situación estacionaria antes de llegar a ella, con lo cual puede detenerse la medición tempranamente. Así, la medición es menos precisa que la anterior, pero
más rápida que ella. Ambas sufren las mismas dificultades ante compuestos evaporables y reacciones químicas.
5. MEDICIÓN MEDIANTE ALTERACIÓN DE UNA RESISTENCIA ELÉCTRICA Si se pone un sólido húmedo en contacto con otro, se producen desplazamientos transitorios de agua entre ambos, hasta que se alcanza un equilibrio de humedades según las características de ambos sólidos. Este principio sirve para medir indirectamente la humedad de un sólido a prueba, poniéndolo en contacto con un medidor (sólido) al cual la humedad altera alguna variable. Midiendo esa variable y sabiendo las características apropiadas de ambos sólidos, se puede inferir la humedad del sólido a prueba. Hay medidores a los cuales la humedad altera la resistencia eléctrica. Muchos están formados por dos cintas metálicas separadas, colocadas en zig-zag sobre un sustrato de plástico. El conjunto es recubierto por una solución acuosa de cloruro de litio, u otra sal higroscópica, cuya resistividad eléctrica depende notoriamente de la humedad del aire ambiental, ya que libera o absorbe iones de las películas metálicas. La dependencia de la resistividad respecto a la humedad es más bien exponencial y abarca varias décadas. La resistencia entre las cintas metálicas se mide con corriente alterna, para disminuir los efectos de la hidrólisis. Otros medidores están formados por huellas de oro impresas sobre un sustrato de alúmina (óxido de aluminio). El conjunto es recubierto por una capa delgada de óxido de zinc y estaño (Zn2SnO).
6. MEDICIÓN MEDIANTE ALTERACIÓN DE UNA CAPACIDAD ELÉCTRICA Hay medidores a los cuales la humedad altera la capacidad eléctrica. Están formados por una lámina dieléctrica capaz de absorber humedad, con las caras metalizadas. El agua absorbida por la lámina cambia la capacidad eléctrica entre las caras. La dependencia de la capacidad respecto a la humedad no es lineal.
7. MEDICIÓN MEDIANTE ABSORCIÓN ELECTROMAGNÉTICA El agua absorbe algunas ondas electromagnéticas. Esto permite medir la masa de agua en un sólido emitiendo ondas de intensidad conocida en una banda de frecuencias apropiada (por ejemplo, microondas), recibiendo las ondas transmitidas a través del sólido, y analizando las absorciones. Esta forma de medición sirve para sólidos en movimiento y se presta bien para confeccionar controles automáticos realimentados.
