Higrómetro

Durante la dinastía Shang en la antigua China se idearon y desarrollaron higrómetros rudimentarios para estudiar el clima. ^{[ 2 ]} Los chinos utilizaban una barra de carbón y un terrón de tierra: se pesaba en seco y se comparaba con su peso húmedo tras haber estado expuesto al aire. Las diferencias de peso se utilizaban para calcular el nivel de humedad.

Se aplicaron otras técnicas utilizando la masa para medir la humedad; por ejemplo, cuando el aire estaba seco, la barra de carbón era ligera, mientras que cuando el aire estaba húmedo, la barra de carbón era pesada. Colgando un terrón de tierra en un extremo de un bastón y una barra de carbón en el otro, y fijando una cuerda de elevación al punto medio para que el bastón quedara horizontal en aire seco, se construyó un antiguo higrómetro. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

El higrómetro de bobina de papel y metal es muy útil para indicar los cambios de humedad en una esfera. Se encuentra con mayor frecuencia en dispositivos económicos y su precisión es limitada, con variaciones del 10 % o más. En estos dispositivos, el vapor de agua es absorbido por una tira de papel impregnada de sal, unida a una bobina metálica, lo que provoca que esta cambie de forma. Estos cambios (análogos a los de un termómetro bimetálico ) generan una indicación en la esfera. Generalmente, hay una aguja metálica en la parte frontal del medidor que apunta a una escala.

Estos dispositivos utilizan cabello humano o animal bajo tensión. (En lugar de cabello, se pueden usar huesos de ballena y otros materiales). El cabello es higroscópico (tiende a retener la humedad); su longitud varía con la humedad, y este cambio se puede amplificar mediante un mecanismo y mostrar en una esfera o escala . El físico y geólogo suizo Horace Bénédict de Saussure fue el primero en construir un higrómetro de este tipo, en 1783. El dispositivo tradicional conocido como casa meteorológica también funciona según este principio.

Consiste en un cabello humano de ocho o diez pulgadas [20 o 25  cm] de largo, bc, Fig. 37, sujeto en un extremo a un tornillo, a , y en el otro pasando por una polea, c , tensado firmemente por un hilo de seda y un peso, d .

La polea está conectada a un índice que se mueve sobre una escala graduada (e). El instrumento puede hacerse más sensible eliminando los aceites del cabello, por ejemplo, sumergiéndolo previamente en éter dietílico . ^{[ 4 ]}

Un psicrómetro, o termómetro de bulbo húmedo y seco, consta de dos termómetros calibrados: uno seco y otro humedecido con agua destilada en una media o mecha. ^{[ 5 ]} A temperaturas superiores al punto de congelación del agua, la evaporación del agua de la mecha reduce la temperatura , de modo que el termómetro de bulbo húmedo marcará una temperatura inferior a la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, cuando la temperatura del aire está por debajo del punto de congelación, el bulbo húmedo debe cubrirse con una fina capa de hielo para que la medición sea precisa. Debido al calor de sublimación, la temperatura del bulbo húmedo acabará siendo inferior a la del bulbo seco, aunque esto puede tardar varios minutos de uso continuo del psicrómetro.

La humedad relativa (HR) se calcula a partir de la temperatura ambiente, medida por el termómetro de bulbo seco, y la diferencia de temperaturas entre los termómetros de bulbo húmedo y seco. También se puede determinar localizando la intersección de las temperaturas de bulbo húmedo y seco en un diagrama psicrométrico . Los termómetros de bulbo seco y húmedo coinciden cuando el aire está completamente saturado, y cuanto mayor sea la diferencia, más seco estará el aire. Los psicrómetros se utilizan comúnmente en meteorología y en la industria de la calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para la correcta carga de refrigerante en sistemas de aire acondicionado residenciales y comerciales.

Psicrómetro de honda

Un psicrómetro de honda, que utiliza termómetros sujetos a un mango, se hace girar manualmente en una corriente de aire libre hasta que ambas temperaturas se estabilizan. A veces se utiliza para mediciones de campo, pero está siendo reemplazado por sensores electrónicos más prácticos. Un psicrómetro giratorio utiliza el mismo principio, pero los dos termómetros están integrados en un dispositivo que se asemeja a un trinquete o un sonajero de fútbol .

El punto de rocío es la temperatura a la que una muestra de aire húmedo (o cualquier otro vapor de agua ) a presión constante alcanza la saturación de vapor de agua. A esta temperatura de saturación, un enfriamiento adicional produce condensación de agua. Los higrómetros de punto de rocío con espejo refrigerado son algunos de los instrumentos más precisos disponibles. Utilizan un espejo refrigerado y un mecanismo optoelectrónico para detectar la condensación en la superficie del espejo. La temperatura del espejo se controla mediante retroalimentación electrónica para mantener un equilibrio dinámico entre evaporación y condensación, midiendo así con precisión la temperatura del punto de rocío.  Con estos dispositivos se puede alcanzar una precisión de 0,2 °C, lo que en entornos de oficina típicos equivale a una precisión de humedad relativa de aproximadamente ±1,2 %. Los espejos refrigerados más antiguos utilizaban un espejo metálico que requería limpieza y mano de obra especializada. Las implementaciones más recientes de espejos refrigerados utilizan superficies altamente pulidas que no requieren limpieza rutinaria.

Más recientemente, se han introducido espejos enfriados espectroscópicos. Mediante este método, el punto de rocío se determina con detección de luz espectroscópica, lo que permite determinar la naturaleza de la condensación. Este método evita muchos de los inconvenientes de los espejos enfriados anteriores y es capaz de operar sin deriva.

Los espejos enfriados siguen siendo la medida de referencia para la calibración de otros higrómetros. Esto se debe a su naturaleza fundamental basada en primeros principios, que remite al núcleo de la física de la condensación y mide la temperatura, una de las magnitudes básicas del Sistema Internacional de Magnitudes (longitud, tiempo, cantidad de sustancia, corriente eléctrica, temperatura, intensidad luminosa, masa). ^{[ 6 ]}

Cuando el costo, el espacio o la fragilidad son factores importantes, se utilizan otros tipos de sensores electrónicos, aunque con una menor precisión. Los higrómetros capacitivos miden el efecto de la humedad en la constante dieléctrica de un polímero o un óxido metálico . Cuando están calibrados , su precisión a humedades relativas entre el 5 % y el 95 % es de ±2 % HR; sin calibrar, esta precisión es de dos a tres veces peor. Los sensores capacitivos son robustos frente a efectos como la condensación y las altas temperaturas transitorias, ^{[ 7 ]} pero son susceptibles a la contaminación , la deriva y el envejecimiento. Sin embargo, son adecuados para muchas aplicaciones.

En los higrómetros resistivos, se mide el cambio en la resistencia eléctrica de un material debido a la humedad. ^{[ 7 ]} Los materiales típicos son sales y polímeros conductores . Los sensores resistivos son menos sensibles que los sensores capacitivos  : el cambio en las propiedades del material es menor, por lo que requieren circuitos más complejos. Las propiedades del material también tienden a depender tanto de la humedad como de la temperatura, lo que significa que en la práctica el sensor debe combinarse con un sensor de temperatura. La precisión y la robustez frente a la condensación varían según el material resistivo elegido. Existen sensores robustos y resistentes a la condensación con una precisión de hasta ±3 % HR ( humedad relativa ).

En los higrómetros térmicos, se mide el cambio en la conductividad térmica del aire debido a la humedad. Estos sensores miden la humedad absoluta en lugar de la humedad relativa. ^{[ 7 ]}

Un higrómetro gravimétrico extrae el agua del aire (u otro gas) y la pesa por separado, por ejemplo, pesando un desecante antes y después de que haya absorbido el agua. También se miden la temperatura, la presión y el volumen del gas seco resultante, lo que proporciona información suficiente para calcular la cantidad de agua por mol de gas. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Este método se considera el más preciso para medir la humedad absoluta , y se han desarrollado normas nacionales basadas en él en EE. UU., Reino Unido, la UE y Japón. Sin embargo, la incomodidad que supone el uso de estos dispositivos hace que generalmente solo se utilicen para calibrar instrumentos menos precisos, denominados patrones de transferencia.

Un higrómetro óptico mide la absorción de luz por el agua en el aire. ^{[ 10 ]} Un emisor de luz y un detector de luz se disponen con un volumen de aire entre ellos. La atenuación de la luz, tal como la ve el detector, indica la humedad , según la ley de Beer-Lambert . Los tipos incluyen el higrómetro Lyman-alfa (que utiliza la luz Lyman-alfa emitida por el hidrógeno), el higrómetro de kriptón (que utiliza  la luz de 123,58 nm emitida por el kriptón ) y el higrómetro de absorción diferencial (que utiliza la luz emitida por dos láseres que operan a diferentes longitudes de onda, uno absorbido por la humedad y el otro no).

La calibración precisa de los termómetros utilizados es fundamental para la determinación precisa de la humedad mediante el método húmedo-seco. Los termómetros deben protegerse del calor radiante y deben tener un flujo de aire suficientemente alto sobre el bulbo húmedo para obtener los resultados más precisos. Uno de los tipos más precisos de psicrómetro de bulbo húmedo-seco fue inventado a finales del siglo XIX por Adolph Richard Assmann (1845-1918); ^{[ 14 ]} en referencias en inglés, el dispositivo suele escribirse como "psicrómetro de Assmann". En este dispositivo, cada termómetro está suspendido dentro de un tubo vertical de metal pulido, y ese tubo, a su vez, está suspendido dentro de un segundo tubo de metal de diámetro ligeramente mayor; estos tubos dobles sirven para aislar los termómetros del calentamiento radiante. El aire se aspira a través de los tubos mediante un ventilador accionado por un mecanismo de relojería para asegurar una velocidad constante (algunas versiones modernas utilizan un ventilador eléctrico con control electrónico de velocidad). ^{[ 15 ]} Según Middleton, 1966, "un punto esencial es que el aire es aspirado entre los tubos concéntricos, así como a través del interior". ^{[ 16 ]}

Es muy difícil, sobre todo con baja humedad relativa, obtener la máxima depresión teórica de la temperatura de bulbo húmedo; un estudio australiano de finales de la década de 1990 descubrió que los termómetros de bulbo húmedo de líquido en vidrio eran más cálidos de lo que predecía la teoría incluso cuando se tomaban precauciones considerables; ^{[ 17 ]} esto podría llevar a lecturas de valores de HR que son de 2 a 5 puntos porcentuales demasiado altas.

Una solución que a veces se utiliza para medir con precisión la humedad cuando la temperatura del aire está por debajo del punto de congelación consiste en usar un calentador eléctrico con termostato para elevar la temperatura del aire exterior por encima del punto de congelación. En este sistema, un ventilador impulsa el aire exterior a través de (1) un termómetro para medir la temperatura ambiente de bulbo seco, (2) el elemento calefactor , (3) un segundo termómetro para medir la temperatura de bulbo seco del aire calentado y, finalmente, (4) un termómetro de bulbo húmedo. Según la Guía de la Organización Meteorológica Mundial , «El principio del psicrómetro calentado es que el contenido de vapor de agua de una masa de aire no cambia si se calienta. Esta propiedad puede aprovecharse para el psicrómetro evitando la necesidad de mantener un bulbo de hielo en condiciones de congelación». ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Dado que la humedad del aire ambiente se calcula indirectamente a partir de tres mediciones de temperatura, en un dispositivo de este tipo la calibración precisa del termómetro es incluso más importante que en una configuración de dos bulbos.

Varios investigadores ^{[ 20 ]} han estudiado el uso de soluciones salinas saturadas para calibrar higrómetros. Las mezclas semilíquidas de ciertas sales puras y agua destilada tienen la propiedad de mantener una humedad aproximadamente constante en un recipiente cerrado. Un baño de sal de mesa saturada ( cloruro de sodio ) eventualmente dará una lectura de aproximadamente el 75%. Otras sales tienen otros niveles de humedad de equilibrio: cloruro de litio ~11%; cloruro de magnesio ~33%; carbonato de potasio ~43%; sulfato de potasio ~97%. Las soluciones salinas variarán un poco en humedad con la temperatura y pueden tardar tiempos relativamente largos en alcanzar el equilibrio , pero su facilidad de uso compensa en cierta medida estas desventajas en aplicaciones de baja precisión, como la verificación de higrómetros mecánicos y electrónicos.