Sensores de humedad ambiente

El agua se encuentra en el aire, los suelos, es necesaria para la vida de los seres vivos, como ser nosotros los seres humanos. Es muy importante en el cultivo y ecosistemas.

La humedad es uno de los parámetros ambientales más difícil de controlar en ambientes específicos de cultivo. Los sistemas automáticos actuales no son perfectos a la hora de controlar la humedad. La humedad ambiente de los recintos, como ser invernaderos, fluctúa debido a cambios de temperatura del aire, y además las plantas exudan vapor de agua al ambiente.

El aire húmedo afecta en forma directa a las enfermedades de las plantas en sus raíces y hojas, bajando los niveles de producción de las mismas. Para bajar el nivel de utilización de pesticidas en la industria es conveniente controlar adecuadamente al temperatura y la humedad.

El crecimiento de las plantas se ve amenazado de la humedad es muy baja. Se caerán con mayor frecuencia las hojas inferiores, la calidad del cultivo no será buena y el crecimiento será difícil.

Humedad en el Aire

Existen dos métodos de medición de humedad, la medición absoluta y la relativa. La medición relativa es el porcentaje de agua, o más bien vapor de agua en el aire con respecto a un valor máximo de saturación, en vez la medición absoluta es la cantidad de agua en medida de peso (gramos o Kgramos) en el aire.
En meteorología el valor más utilizado es el de la humedad relativa. Por ejemplo si escuchas un reporte que al humedad ambiente es del 30%, esto indica que el aire en esas condiciones ambientales de presión y temperatura puede contener hasta un 30% de agua. La humedad posee un límite de saturación siendo el de la niebla espesa que llega al 100%. Cuando el aire llega a un punto límite de absorción de humedad, se produce la condensación produciéndose rocío, niebla, etc…

El origen del vapor de agua.

Considere un recipiente cerrado con agua en estado líquido como se muestra en la figura siguiente. La energía cinética promedio, y por lo tanto la el impulso de las partículas de agua en el agua líquida, están regidos por la temperatura. Algunas partículas logran una energía más alta que la media y pueden escapar del líquido. A este grupo de partículas se las denomina como la evaporación por encima del líquido. Dado que las partículas gaseosas rebotan alrededor del recipiente cerrado, algunas de ellas golpearán la superficie del agua líquida y pueden quedar atrapadas allí de nuevo. Pasado un tiempo, se producirá un equilibrio donde la cantidad de partículas de agua que salen de la superficie del agua líquida es igual al número que se reincorpora a ella. Si se alcanza este equilibrio, la cantidad de partículas de agua gaseosa permanece constante en forma permanente.

Máximo valor de humedad en el aire.

La ley de Dalton determina que la presión de aire total es la suma de las presiones parciales de vapor de sus componentes, donde la presión de vapor de agua es una de ellas: Presión Total del Aire = Presión del Vapor de Agua + Presión del Oxígeno + Presión del Nitrógeno + Presión de Otros gases . La Presión del Vapor de agua  es también llamada: presión parcial de vapor de agua. La cantidad máxima de humedad que el aire puede contener, se define como presión de vapor de agua de saturación la cual varía con la temperatura. Si la presión parcial de vapor de agua es igual a la presión de vapor de agua de saturación, se produce la condensación. Matemáticamente, la humedad relativa se expresa como la relación de la presión parcial de vapor de agua dividida por la presión de vapor de agua de saturación como un porcentaje.

RH(%) =  ( Presión de Vapor de Agua /  Presión de Saturación ) + 100

Si la temperatura sube o baja en un sistema cerrado, la presión de vapor de saturación aumentará o disminuirá. Como consecuencia, la humedad relativa disminuirá o aumentará.La presión del vapor de agua de saturación no es una función de la presión total del aire, pero sí la presión parcial del vapor de agua. Si por ejemplo, la presión de aire total en un sistema cerrado aumenta, la humedad relativa aumentará también, porque la presión parcial de vapor de agua se incrementa proporcionalmente al aumento general de presión de acuerdo con la ley de Dalton y la presión de vapor de saturación permanecerá igual.

¿Qué es el punto de rocío?. ¿Cómo se calcula?

El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura más baja a la cual comienza a generarse la condensación del vapor de agua contenido en el aire, produciéndose rocío, neblina, nubes o en el caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja se genera escarcha. Hay sensores que miden directamente el punto de rocío.

Sin embargo, también se puede calcular utilizando la humedad relativa y la temperatura como datos válidos para su cálculo. El punto de rocío es una medida de humedad absoluta. En consecuencia, el punto de rocío del aire permanecerá constante en habitación sin ventilación,  incluso si el aire se calienta o se enfría localmente. La fórmula de cálculo del punto de rocío puede calcularse por medio del siguiente algoritmo:

H = (log10(RH)-2.0)/0.4343+(17.62*t)/(243.12+t);

td = 243.12*H/(17.62-H);

Donde:
td  temperature de rocío en °C
t   temperature actual en °C
RH humedad relative actual %
m 17.62
Tn 243.12 °C

¿Cómo calcular la humedad absoluta?

La humedad absoluta se mide en g/m3. Puede ser calculada por el siguiente algoritmo:

dv = 216.7*(RH/100.0*6.112*exp(17.62*t/(243.12+t))/(273.15+t));

Donde:
dv  humedad absoluta en g/m3
t   temperaturaa ctual en °C
RH humedad relativa en %
m 17.62
Tn 243.12 °C
A 6.112 hPa

¿Que hay que tener en cuenta al medir la humedad relativa con un sensor?

Un factor muy importante en la medición de la humedad es la temperatura. La temperatura define la presión de vapor de saturación. Un ligero cambio de temperatura, especialmente a alta humedad, tiene un efecto significativo sobre la humedad relativa, ya que la presión de saturación también cambia. Por ejemplo un cambio de + 1 ° C (1.8 ° F) a 50 ° C (122 ° F) y 80% de humedad relativa significa un cambio de casi – 4% de humedad relativa. Por lo tanto, es importante conocer la temperatura exacta cuando se comparan los valores de medición de la humedad relativa. Por ejemplo en un sistema cerrado, con dos sensores que se mantienen a diferentes temperaturas mostrarán diferentes valores de humedad relativa, pero se puede calcular el mismo punto de rocío. Otro problema es la ubicación y la estabilización. Al comparar los valores de medición, la referencia y el sensor que se probarán deben colocarse lo más cerca posible, ya que incluso a cortas distancias, pueden existir diferencias considerables en los niveles de humedad y temperatura. Antes de tomar una medición, siempre debe esperar lo suficiente para que las condiciones se estabilicen, tanto de humedad como de temperatura. Estos problemas dejan en claro por qué no es posible realizar mediciones de humedad relativa extremadamente precisas. La calibración de los sensores de humedad también tienen que hacer frente a estos efectos. Los instrumentos de medición de humedad más precisos disponibles en el mercado son los higrómetros de espejo refrigerado. Un espejo se enfría lentamente hasta que se forme niebla. La temperatura del espejo en la que se forma la niebla es el punto de rocío. Con el punto de rocío y la temperatura real, se puede calcular la humedad relativa. Estos higrómetros son muy costosos y, por lo general, se utilizan como referencia para la calibración de componentes de sensores de alta precisión.   La mejor precisión para medición utilizando sistemas con componentes son con sondas de sensor calibradas basadas en sensores de tipo capacitivo. Su precisión es de alrededor de +/- 1.5% de humedad relativa. Estas sondas de alta precisión necesitan ser calibradas frecuentemente. La mayoría de los sensores calibrados de humedad capacitivos tienen una precisión de entre +/- 2% y +/- 3.5% de humedad relativa. Los sensores calibrados de humedad del tipo resistivo tienen una precisión menor de entre +/- 5% y +/- 10% de HR.

Sensores de humedad ambiente.

En esta oportunidad analizaremos la línea de sensores y temperatura de Senserion. Los sensores de humedad y temperatura de Sensirion se establecen como el estándar en sus aplicaciones debido a su mejor rendimiento en su clase, alta confiabilidad y liderazgo en tecnología y precios. El SHT1x fue el primer sensor de humedad digital, calibrado y soldable por reflujo (lanzado en 2001) y marcó el comienzo de una nueva categoría de sensores de humedad. Las últimas innovaciones de productos de Sensirion han establecido el estándar del mercado y han abierto una amplia gama de nuevas aplicaciones. Combina los procesos de producción estándar CMOS y la avanzada tecnología MEMS en un solo chip de silicio. Los sensores de temperatura se basan en un principio de sensor de silicio de temperatura de banda prohibida. Mide la humedad por medio de un condensador interno.Utiliza un polímero como dieléctrico, que absorbe o desaborbe agua en función de la humedad ambiental.

Sensor digital de humedad y temperatura SHTW2

Sensor de humedad relativa ambiente (RH) y temperatura (T) a través de un algoritmo sofisticado del soporte de algoritmo de compensación avanzado: a pesar de la ubicación ideal del sensor alrededor de las fuentes de calor internas, puede influir en las lecturas de RH / T. Para proporcionar la mejor experiencia de usuario, Sensirion desarrolló una herramienta, así como algoritmos para compensar las influencias externas. Además, el fabricante también ofrece soporte técnico para el diseño de aplicaciones.

Sus dimensiones son diminutas: 1.3 x 0.7 x 0.5 mm.

Sus características son:

Sensor de humedad
Precisión típica (% RH) ± 3
Histéresis (% RH) ± 1
Deriva típica alargo plazo (% RH / y) < 0.25
Rango de operación (% RH) 0 to 100
Tiempo de respuesta τ63% (s) 8
Sensor de temperatura
Precisión típica (°C) ± 0.3
Deriva típica alargo plazo (°C / y) < 0.02
Rango de operación (°C) – 30 to 100
Tiempo de respuesta  τ63% (s)1 > 2
Características Eléctricas
Interface I2C
Tensión de alimentación (V) 1.62 to 1.98
Tiempo de medición (ms) (high / low) 10.8 (high)

0.7 (low)

Consumo de corriente promedio (µA) (high / low) 4.8 (high)

0.9 (low)

Corriente de reposo (µA) 0.7

Pines del sensor

Pin 1: Alimentación

Pin 2: SCL – Señal de reloj – Bidireccional

Pin 3: SDA – Datos serie – Bidireccional

Pin 4: Tierra

Las comunicaciones entre el sensor y un microcontrolador pueden ser realizadas por medio de I2C. Este puerto posee dos pines, uno de entrada de sincronismo (SCL) de datos con rango de reloj de 0 a 400Khz y un pin bidireccional de entrada y salida de los datos.

A continuación podemos ver su esquema de interconexión a un microcontrolador.

Sensor digital de humedad y temperatura SHTC1

Es un sensor completo dentro en un solo chip, que consta de un sensor de humedad capacitivo, un sensor de temperatura de banda prohibida, procesamiento de señal analógica y digital, convertidor A / D, memoria de datos de calibración y una interfaz de comunicación digital compatible con el modo rápido I2C. Sus dimensiones son de 2 × 2 × 0,75 mm siendo excelente para aplicaciones de tamaño muy pequeño. El sensor tiene un rango de medición de humedad de 0 a 100% RH y un rango de medición de temperatura de -30 ° C a 100 ° C con una precisión típica de ± 3% RH y ± 0.3 ° C.

Sus características son:

Sensor de humedad
Precisión típica (% RH) ± 3
Histéresis (% RH) ± 1
Deriva típica alargo plazo (% RH / y) < 0.25
Rango de operación (% RH) 0 to 100
Tiempo de respuesta τ63% (s) 8
Sensor de temperatura
Precisión típica (°C) ± 0.3
Deriva típica alargo plazo (°C / y) < 0.02
Rango de operación (°C) – 30 to 100
Tiempo de respuesta  τ63% (s)1 > 2
Características Eléctricas
Interface I2C
Tensión de alimentación (V) 1.62 to 1.98
Tiempo de medición (ms) (high / low) 10.8 (high)

0.7 (low)

Consumo de corriente promedio (µA) (high / low) 4.8 (high)

0.9 (low)

Corriente de reposo (µA) 0.7

Pines del sensor

Pin 1: Alimentación

Pin 2: SCL – Señal de reloj – Bidireccional

Pin 3: SDA – Datos serie – Bidireccional

Pin 4: Tierra

Las comunicaciones entre el sensor y un microcontrolador pueden ser realizadas por medio de I2C. Este puerto posee dos pines, uno de entrada de sincronismo (SCL) de datos con rango de reloj de 0 a 400Khz y un pin bidireccional de entrada y salida de los datos.

A continuación podemos ver su esquema de interconexión a un microcontrolador.

Sensor digital de humedad y temperatura SHT3H con salida I2C o analógica

La serie digital de sensores de humedad SHT3x lleva la tecnología de sensores a un nuevo nivel. La serie de sensores de humedad SHT3x consta de una versión de bajo costo SHT30, una versión estándar SHT31 y una versión de gama alta con SHT35. La serie de sensores de humedad SHT3x combina múltiples funciones y varias interfaces (I2C, salida de voltaje analógica) con un rango de voltaje de operación muy amplio y fácil de usar (2,15 a 5,5 V). El sensor de humedad SHT3x está disponible en grandes y pequeños volúmenes de producción.Este sensor posee un procesamiento mejorado de la señal, dos direcciones I2C distintivas y seleccionables por el usuario, un modo de alerta con límites programables de humedad y temperatura, y velocidades de comunicación de hasta 1 MHz.

Características:

Sensor de humedad SHT30 SHT31 SHT35
Precisión típica (% RH) ± 2 (10 to 90 % RH) ± 2 (0 to 100 % RH) ± 1.5 (0 to 80 % RH)
Histéresis (% RH) ± 0.8 ± 0.8 ± 0.8
Deriva típica alargo plazo (% RH / y) < 0.25 < 0.25 < 0.25
Rango de operación (% RH) 0 to 100 0 to 100 0 to 100
Tiempo de respuesta τ63% (s) 8 8 8
Sensor de temperatura
Precisión típica (°C) ± 0.2 (0 to 65°C) ± 0.2 (0 to 90°C) ± 0.1 (20 to 60°C)
Deriva típica alargo plazo (°C / y) < 0.02 < 0.02 < 0.02
Rango de operación (°C) – 40 to 125 – 40 to 125 – 40 to 125
Tiempo de respuesta  τ63% (s)1 > 2 > 2 > 2
Parámetros eléctricos
Interface I2C, analógica I2C, analógica I2C
Tensión de alimentación (V) 2.15 to 5.5 2.15 to 5.5 2.15 to 5.5
Tiempo de medición (ms) (high / low) 13 (high)

3 (low)

13 (high)

3 (low)

13 (high)

3 (low)

Consumo de corriente promedio (µA) (high / low) 10 (high)

2 (low)

10 (high)

2 (low)

10 (high)

2 (low)

Corriente de reposo (µA) 0.2 0.2 0.2
Otras características
Opciones de protección Membrana Filtro, cobertor protector Membrana Filtro
Versión para aplicaciones en automotores si si si

Las versiones analógicas poseen dos pines independientes analógicos uno para la salida de humedad relativa y otro para la humedad.

En la próxima edición de Tecnología humanizada veremos los detalles que tenemos que tener en cuenta para realizar diseños con sensores de humedad y como interpretar sus características técnicas.

 

 

 

 

 

Fuentes:

Senserion Company.

Metereología en red.

Revista TECNOLOGIA HUMANIZADA Num. 2 , 2018

 

 

 

Gustavo Reimondo
Acerca de Gustavo Reimondo 23 Artículos
Gerente de Tecnología Humanizada. Coordinador del proyecto Realidad Empoderada. Un proyecto de realidad virtual para la concientización en una praxis solidaria. Miembro del grupo: "La familia de la calle", organización conformada por personas indigentes y no indigentes en una relación igualitaria. Coordinador de proyectos de Infraestructura Física de Telecomunicaciones. Experto en Robótica, Instrumentación & Control, IoT, Sensórica y sistemas microcontrolados.

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