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Instrumentos analiticos
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Contenido 1. Objetivo .............................................................................................................................. 1
2. Marco Teórico .................................................................................................................... 1
2.1 Humedad ....................................................................................................................... 1
TIPOS DE HUMEDAD ...................................................................................................... 1
Humedad Absoluta .......................................................................................................... 1
Humedad Relativa ........................................................................................................... 1
SENSORES DE HUMEDAD ............................................................................................. 1
Psicometría por Bulbo Húmedo / Bulbo Seco ................................................................ 1
Sensor por Condensación .................................................................................................... 2
Sensores Mecánicos (Por Absorción o Deformación) .................................................... 2
Sensores Capacitivos ....................................................................................................... 3
Sensor de Temperatura y Humedad Integrado.................................................................... 4
Sensor de Bloque de Polímero Resistivo ............................................................................ 4
3. Desarrollo ........................................................................................................................... 5
3.1. Equipo y material utilizado .......................................................................................... 5
3.2. Procedimiento .............................................................................................................. 6
3.2.1. Datos obtenidos ..................................................................................................... 8
4. Cálculos .............................................................................................................................. 9
5. Resultados ......................................................................................................................... 13
6. Conclusiones ..................................................................................................................... 14
7. Bibliografía ....................................................................................................................... 15
1
1. Objetivo Comprobar el funcionamiento de un sensor de humedad de tipo capacitivo, integrado con
su circuito electrónico, con el cual se medirán muestras de algodón con diferentes
cantidades de agua.
2. Marco Teórico
2.1 Humedad
Se define como la cantidad de vapor de agua contenida en la atmósfera. La rama de las
Ciencias físicas que tiene por objeto estudiar la proporción de humedad en la atmósfera es
la Higrometría, y el aparato que mide la humedad se llama higrómetro.
TIPOS DE HUMEDAD
Humedad Absoluta
La humedad absoluta es directamente proporcional a la temperatura, cuanto más calor, más
humedad. Se expresa en gramos por metro cúbico de aire, es la cantidad de vapor de agua
que contiene la atmósfera.
Humedad Relativa
La humedad relativa es inversamente proporcional a la temperatura en las capas
atmosféricas bajas. Con una humedad relativa de 100 % o cercana a ese valor, es muy
incómodo vivir, y se siente que falta el aire. La humedad relativa es una proporción entre la
que realmente tiene el aire, y la total que podría contener para que se saturara a igual
temperatura.
SENSORES DE HUMEDAD
Psicometría por Bulbo Húmedo / Bulbo Seco
Un psicómetro industrial consiste de un par de termómetros eléctricos o de líquido en
vidrios acoplados, uno de los cuales opera en estado húmedo. Cuando el dispositivo
funciona la evaporación del agua enfría el termómetro humedecido, resultando una
diferencia medible con la temperatura ambiente o la temperatura del bulbo seco. Cuando el
bulbo húmedo alcanza su máxima caída de temperatura la humedad puede determinarse
comparando la temperatura de los dos termómetros en una tabla psicométrica o mediante
cálculos. El psicómetro provee una alta exactitud en las proximidades del punto de
saturación (100 %HR) y es fácil de operar y reparar, por otra parte a baja humedad relativa
(menos del 20 %HR) el desempeño es pobre y el mantenimiento debe intensificarse. No
puede utilizarse a temperaturas menores de 0 °C y, siendo el propio psicrómetro una fuente
de humedad, no pude utilizarse en ambientes pequeños o cerrados. Ver figura 1.
2
Figura 1. Psicometría por bulbo húmedo/bulbo seco
Sensor por Condensación
El punto de rocío es una variable que nos permite encontrar la humedad relativa; para
lograr esta medición se utiliza un dispositivo llamado comúnmente higrómetro óptico de
espejo frío, y funciona de la siguiente manera. Ver figura 2.
Figura 2. Sensor por Condensación
Es un lazo cerrado de control que logra temperar la superficie del espejo hasta llegar al
punto de rocío, basta medir el valor de la temperatura superficial y acudir a las ecuaciones,
tablas o gráficos psicométricos para obtener %HR.
Sensores Mecánicos (Por Absorción o Deformación)
La idea de este tipo de sensores, es aprovechar los cambios en las dimensiones que sufren
ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Los más afectados son algunas
fibras orgánicas como por ejemplo el cabello humano, pelo de animal, madera y papel; así
como fibras sintéticas como el nylon. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan
de tamaño, es decir, se alargan. Luego esta deformación debe ser amplificada de alguna
manera (por palancas mecánicas, o circuitos electrónicos), y debe ser graduada de acuerdo
a la proporcionalidad con la humedad relativa. Ver figura 3.
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Figura 3. Sensor fibra de cabello
El error de medición de este tipo de sensores se especifica de 3 %HR, y su ventaja radica
principalmente en que es fácil de reproducir, sin embargo, es poco robusto y no es de gran
utilidad en aplicaciones industriales. Su intervalo de operación es de humedades relativas
entre 15...95 %HR, a temperatura ambiente entre los -20…+70 ºC. Uno de los requisitos
para lograr una medición más confiable, es que el aire circule a una velocidad de 3 m/s a
través del sensor de deformación formado por una tira de madera, papel o plástico sobre
una tira metálica, enrollados en forma espiral o helicoidal. Ver figura 4.
Figura 4. Higrómetro, Sensor de deformación
Sensores Capacitivos
Los sensores capacitivos (polímero orgánico capacitivo) son diseñados normalmente con
platos paralelos con electrodos porosos o con filamentos entrelazados en el sustrato. El
material dieléctrico absorbe o elimina vapor de agua del ambiente con los cambios del nivel
de humedad. Los cambios resultantes en la constante dieléctrica causa una variación en el
valor de la capacitancia eléctrica del dispositivo por lo que resulta una impedancia que
varía con la humedad. Un cambio en la constante dieléctrica de aproximadamente el 30 %
corresponde a una variación de 0...100 %HR en la humedad relativa. Ver figura 5.
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Figura 5. Sensor Capacitivo
El material sensor es muy delgado para alcanzar grandes cambios en la señal con la
humedad. Esto permite al vapor de agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido para la
sencilla calibración del sensor. Este tipo de sensor es especialmente apropiado para
ambiente de alta temperatura porque el coeficiente de temperatura es bajo y el polímero
dieléctrico puede soportar altas temperaturas. Los sensores capacitivos son también
apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de sensibilidad a niveles bajos de
humedad, donde proveen una respuesta relativamente rápida. A valores de humedad
superiores al 85 %HR sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma
en no lineal.
Sensor de Temperatura y Humedad Integrado
El uso de procesos de fabricación CMOS industriales, permite la integración en un chip, del
sensor y la parte del proceso electrónico de la señal, también asegura la confiabilidad más
alta y la estabilidad a largo plazo excelente. Este sensor permite la toma de los valores de:
temperatura y humedad del medio ambiente, básicamente son sensores capacitivos para la
medición de humedad y termistores para la temperatura. Ver figura 6.
Figura 6. Ser Integrado
Sensor de Bloque de Polímero Resistivo
Están compuestos de un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una rejilla de
electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida en una
resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectora permeable al
5
vapor de agua. A medida que la humedad pasa por la capa de protección, el polímero
resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resina. Cuando los electrodos son
excitados por una corriente, altera la impedancia del sensor se mide y es usada para calcular
el porcentaje de humedad relativa. Ver figura 7.
Figura 9. Sensor Resistivo
Por su misma estructura este tipo de sensores son relativamente inmunes a la
contaminación superficial ya que no afecta su exactitud aunque si el tiempo de respuesta.
Debido a los valores extremadamente altos de resistencia del sensor a niveles de humedad
menores que 20 %HR es apropiado para los intervalos altos de humedad.
3. Desarrollo
3.1. Equipo y material utilizado
1 Balanza Analítica Velab (10 mg – 1000 g)
1 sensor de humedad HIH4030
1 Placa fenolica de 6cm x 6cm
2 Resistencias de 220 Ω
2 Resistencias de 560 Ω
2 Resistencias de 2.16 kΩ
3 leds (Azul, amarillo, rojo)
1 Amplificador operacional LM224
1 Amplificador operacional LM224
1 Regulador de voltaje MC7805CI
1 bolsa de algodón
4 Vasos desechables
6
1 batería de 9V
1 botella llena de agua 250 mL
Cables jumper macho-macho
1 multimetro digital 200 mVDC – 1000 VDC
3.2. Procedimiento
a) Realizar el diagrama de conexión en PROTEUS y pasarlo a placa fenolica
b) Soldar los componentes en la placa fenolica (figura 3.1).
Figura 3.1. Circuito para medición de humedad
c) Conectar la balanza analítica (figura 3.2).
Figura 3.2. Balanza analítica encendida.
7
d) Colocar un pedazo de algodón del mismo tamaño en los cuatro vasos (figura 3.3).
Figura 3.3. Vasos con pedazo de algodón
e) Usar la balanza analítica para asegurarse de tener la misma cantidad de algodón
volúmenes (figura 3.4) y posteriormente verter agua en cada vaso para cubrir los siguientes:
Vaso 1.- 0.5 mL
Vaso 2.- 1 mL
Vaso 3.- 4 mL
Vaso 4.- Saturado (sumergido en agua)
Figura 3.4. Peso del algodón con el vaso
f) Energizar el circuito con la pila cuadrada
g) Acercar las muestras, adicionando, un pedazo de algodón seco y el dedo de un
compañero al sensor para medir la humedad (figura 3.5).
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Figura 3.5. Ejemplo de medición de la humedad en vaso 1
h) Registrar los datos obtenidos en la tabla 3.1.
Tabla 3.1 error en la balanza analítica.
Muestra Volumen de agua Humedad
Pedazo de algodón seco 0 mL
Vaso 1 0.5 mL
Vaso 2 1 mL
Vaso 3 4 mL
Vaso 4 Saturado
Mano de compañero
i) Desconectar y guardar el equipo y material usado.
3.2.1. Datos obtenidos
Con base al procedimiento, se obtuvieron los siguientes datos, los cuales están
representados en la tabla 3.2
Tabla 3.2. Datos para el cálculo del error en la balanza analítica.
Muestra Volumen de agua Humedad
Pedazo de algodón seco 0 mL 2.68 volts
Vaso 1 0.5 mL 3.09 volts
Vaso 2 1 mL 3.33 volts
Vaso 3 4 mL 3.66 volts
Vaso 4 Saturado 3.78 volts
Dedo de compañero 3.73 volts
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4. Cálculos
Con los datos obtenidos en la tabla 3.2, se obtendrá el coeficiente de correlación de Pearson
(tabla 3.3).
Tabla 3.3. Datos para el cálculo del coeficiente de correlación de Pearson.
Muestra
Volumen
de agua
[x]
Humedad
[y]
Pedazo de
algodón seco 0 mL 2.68 0 0 7,2361
Vaso 1 0.5 mL 3.09 1,545 0,25 9,5481
Vaso 2 1 mL 3.33 3,33 1 11,0889
Vaso 3 4 mL 3.66 14,68 16 13,4689
5.5 12.78 70.29 17.25 41.342
Considerando el coeficiente de correlación r= 0.8919, se procede a obtener la ecuación de
tendencia de los datos con la tabla 3.2.
Tabla 3.2. Datos obtenidos.
Muestra Volumen de agua Humedad
Pedazo de algodón seco 0 mL 2.68
Vaso 1 0.5 mL 3.09
Vaso 2 1 mL 3.33
10
Vaso 3 4 mL 3.66
Vaso 4 Saturado 3.78
Mano de compañero 3.73
1.- Se grafican las columnas “volumen del agua” y “humedad” en Excel (figura 3.7).
Figura 3.7. Gráfica humedad vs volumen de agua
2.- Posteriormente se obtiene el polinomio de la gráfica que mejor se le adecue a su
comportamiento (figura 3.8).
Figura 3.8. Ajuste de la gráfica con un polinomio de tercer grado
El polinomio resultante es:
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3.- De igual manera se obtiene una ecuación para el volumen de agua dado un valor de
humedad.
Figura 3.9. Volumen de agua vs Gráfica humedad
El polinomio resultante es:
4.- Utilizando la ecuación 5, se obtendrá el valor del volumen de agua en el algodón para el
saturado y el dedo del compañero.
Para saturado con humedad= 3.78
Para saturado con humedad= 3.73
Calculo de la ecuación de la recta considerando r=1
1.- Se grafican las columnas “volumen del agua” y “humedad” en Excel (figura 3.10).
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Figura 3.10. Gráfica humedad vs volumen de agua
2.- Posteriormente se obtiene la linealización de la gráfica que mejor se le adecue a su
comportamiento (figura 3.11).
Figura 3.11. Ajuste de la gráfica con la ecuación y=mx+b
La ecuación resultante es:
3.- De igual manera se obtiene una ecuación para el volumen de agua dado un valor de
humedad, despejando x de la ecuación 10.
La ecuación resultante es:
4.- Utilizando la ecuación 11, se obtendrá el valor del volumen de agua en el algodón para
el saturado y el dedo del compañero.
Para saturado con humedad= 3.78
f
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Para saturado con humedad= 3.73
5. Resultados
Se realizaron los cálculos para cada caso y se obtuvieron los siguientes valores del volumen
de H2O de acuerdo a los gráficos obtenidos experimentalmente y posteriormente a los
polinomios obtenidos de dichos gráficos
Tabla 5.1 Volumen del algodón con respecto a la humedad detectada.
Muestra Volumen de agua [ml]
(Calculado)
Humedad
[Volts]
Pedazo de algodón seco 0 2.68
Vaso 1 0.5 3.09
Vaso 2 1.0 3.33
Vaso 3 4.0 3.66
Vaso 4 4.2346 3.78
Mano de compañero 3.99 3.73
Por medio de la tabla 5.1 se generó un gráfico (figura 5.1) en el cual muestra la tendencia y
el comportamiento del sensor de humedad a fin de que se pueda comprobar la linealidad de
dicho producto como se puede ver a continuación:
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Figura 5.1. Volumen del algodón con respecto a la humedad detectada con datos linealizados
Como se mostró anteriormente, al analizar los datos obtenidos y calcular otros puntos del
volumen con respecto a la humedad detectada (volts) se pudo generar una gráfica más
exacta, sin embargo se puede observar tambien que no se genera como tal un gráfico lineal
como se muestra en el mismo gráfico 5.1 la linea tendencia, esto se puede deber debido a
los errores que se generaron dentro de la medición como contemplar la distancia minma
detectable del sensor de humedad para realizar las respectivas mediciones y tambien
posibles errores en las muestras con respecto al volumen exacto a utilizar.
6. Conclusiones
Pérez Bravo Agustín
Se obtuvo la medición de humedad de las seis muestras, de las que se destaca el algodón
con 0 mL de agua, en ese caso se obtuvo un valor diferente de cero concluyendo que el
sensor en las mediciones, considera la humedad en el aire, de igual manera se observo que
para una correcta medición, había que soplarle al sensor, para prevenir que éste tuviese
agua de la medición anterior.
Finalmente al tener graficados los valores de humedad vs volumen del agua, se concluye
que el circuito no da una linealización de la señal de humedad, si no que es más un
comportamiento descrito por un polinomio de tercer orden, pero que de igual forma es
posible interpolar o extrapolar valores de volumen de agua o humedad con las ecuaciones
obtenidas anteriormente.
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Rosales Hernández Eduardo
Durante esta práctica pudimos observar el funcionamiento de un circuito medidor de
humedad. Este circuito utiliza un sensor de humedad de tipo capacitivo, el cual varía su
campo eléctrico dependiendo de la humedad que lo rodea. Siendo así, el tiempo de reacción
del circuito es hasta cierto punto lento, por lo que se tiene que esperar unos segundos para
esperar la medición correcta. Lo medido puede ser interpretado con la ayuda de tres LED’s
de colores que encienden conforme va subiendo la temperatura.
Ruiz Estudillo María Fernanda
En esta práctica se pudo comprobar el funcionamiento de un sensor de humedad sin
embargo aunque el producto se haya comprado en teoría como un sensor de
comportamiento lineal, este mismo tiene sus variaciones con respecto a eso. Tambien se
puede concluir que aunque nos haya generado su curva de funcionamiento con los datos
obtenidos experimentalmente no garantiza que el dato sea exacto ya que el grafico fue
realizado mediante un polinomio que se realizado mediante datos experimentales y
mientras se tengan los mismos errores de medición o tomar en cuenta el alcance del sensor
se generará el mismo grafico similar y tendremos una gran desviación con respecto al valor
esperado.
Zavala Gómez David
Al realizar la práctica observamos el funcionamiento del sensor capacitivo, con el cual
mediamos el nivel de humedad de unas muestras de algodón mojadas con agua. Al acercar
la muestra al sensor este absorbía la humedad el material dieléctrico y creaba una
diferencia de humedades con las cuales dependiendo la cantidad de agua que tuviera la
muestra el sensor montado en el circuito, mandaba a encender un led azul, amarillo o rojo
dependiendo la cantidad de agua que tuviera la muestra.
7. Bibliografía
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http://www.metas.com.mx/guiametas/la-guia-metas-08-05-sensores-de-humedad.pdf
[2] [En línea], [Fecha de consulta 17-Nov-2015] Disponible en:
http://www.astromia.com/glosario/humedad.htm
[3] [En línea], [Fecha de consulta 17-Nov-2015] Disponible en:
ASTM E 1907-06a. (2006). Standard Guide to Methods of Evaluating Moisture
16
Conditions of Concrete Floors to Receive Resilient Floor Coverings. ASTM,
West Conshohocken, PA.
[4] [En línea], [Fecha de consulta 17-Nov-2015] Disponible en:
Bentley, R. (1998). Temperature and Humidity Measurement. Vol. 1. Handbook
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[4] [En línea], [Fecha de consulta 17-Nov-2015] Disponible en:
https://es.wikipedia.org/wiki/Humedad
17
INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
Ingeniería en Control y Automatización Equipo No.
Salón 3304 – Lab. Aula A1 7AM1
Instrumentos Analíticos de Medición
Práctica No 2: “Medición de humedad para diferentes
volúmenes de H2O”
PRESENTA:
* Pérez Bravo Agustín
*Rosales Hernández Eduardo
*Ruiz Estudillo María Fernanda
* Zavala Gómez David
PROFESOR:
M. en C. Gómez Álvarez Miriam
Fecha dealizac: 25/08/2014
Fecha de realización: 11/11/2015
Fecha de entrega: 18/11/2015
