establecimiento del patrón nacional de humedad

ESTABLECIMIENTO DEL PATRÓN NACIONAL DE HUMEDAD
Enrique Martines López, Centro Nacional de Metrología, Laboratorio de Humedad.
km. 4,5 Carretera a los Cués, Municipio del Marqués, Querétaro.
Tel (442) 110500 ext. 3420, Fax (442) 110548, e-mail: [email protected]
Resumen: El Patrón Nacional de Humedad fue establecido en la División de Termometría del Centro
Nacional de Metrología con el fin de satisfacer las demandas de calibración y trazabilidad por parte de
laboratorios secundarios así como de la industria nacional o extranjera que opera en nuestro país. El Patrón
Nacional de Humedad tiene un alcance de 10 %HR a 95% HR en un intervalo de temperatura de 0°C a 64 °C
con una incertidumbre que va desde ± 0,2 %HR a ±1,5 %HR. En este trabajo se describe el principio de
operación, caracterización e implementación de un generador de humedad de dos presiones como parte del
Patrón Nacional de Humedad.
INTRODUCCIÓN
Con el desarrollo de nuevas tecnologías, la industria
requiere cada vez de mejores instrumentos de
medición, tales que permitan medir en intervalos
más amplios y con menor incertidumbre.
De igual forma, las magnitudes que en el pasado
tenían poco interés, en los últimos años han
empezado a tener mayor relevancia y como
consecuencia, se ha iniciado el desarrollo de
nuevos instrumentos de medición. Un ejemplo de
estas magnitudes, es la humedad, la cual, antes de
1960 era poco conocida y de la misma manera,
escasamente medida en nuestro país.
Con el mismo propósito se publica ahora este
trabajo. Los lectores interesados podrán hallar mas
información y detalles técnicos en la referencia [2].
Así
mismo,
actualmente
se
trabaja
en
comparaciones con laboratorios nacionales de
diferentes países (Alemania, Corea) con el fin de
obtener un reconocimiento mutuo de mediciones a
nivel internacional. Los resultados se reportarán en
un trabajo posterior.
HUMEDAD EN EL SISTEMA INTERNACIONAL
Con el paso de los años, se han desarrollado
patrones de medición de humedad en distintos
laboratorios
nacionales con el fin de
dar
trazabilidad a sus mediciones y de esta manera,
satisfacer las necesidades actuales de la industria y
el desarrollo tecnológico.
La magnitud de humedad puede derivarse de las
unidades básicas del Sistema Internacional de
unidades (SI) y de esta manera, tener trazabilidad a
diferentes magnitudes de acuerdo a la definición
usada. En nuestro caso, el generador de humedad
se basa en mediciones de presión y temperatura.
En 1999, el CENAM estableció en nuestro país el
Patrón Nacional de Humedad, cuya principal
motivación fue atender la gran demanda de
servicios de calibración de medidores de humedad y
proporcionar trazabilidad a la industria nacional, vía
laboratorios secundarios [1].
Existe una gran cantidad
de definiciones
relacionadas con la humedad, entre las cuales se
han elegido a las siguientes:
Con el fin de difundir la metrología en humedad en
todo el país, el CENAM inició también una serie de
actividades, como:
• la participación en comités del Sistema
Nacional de Calibración,
• elaboración de publicaciones técnicas,
• asesorías a industrias,
• impartición de cursos,
• calibración de instrumentos, entre otras.
Estas definiciones describen correctamente los
fenómenos relacionados con la medición o control
de la humedad. Aunado a ello, estas mediciones
son las mayormente usadas internacionalmente y
cuentan con el reconocimiento del Buró
Internacional de Pesas y Medidas.
• Humedad relativa, y
• Temperatura de punto de rocío.
TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCÍO, td
Es la temperatura a la cual el vapor de agua
presente en el medio alcanza su condición de
presión de saturación con respecto al equilibrio con
una superficie plana de agua. Alternativamente se
puede definir como la temperatura a la cual la
mezcla aire–vapor de agua debe enfriarse
isobáricamente para inducir una condensación.
en donde:
%HR =
PC e s (T s ) f s (P s , Ts )
PS e c (T c ) f c (P c , Tc )
x100. ........(2)
Pc es la presión dentro de la cámara de prueba,
Ps es la presión en el saturador,
Ts es la temperatura en el saturador,
HUMEDAD RELATIVA (%HR)
Tc es la temperatura en la cámara de prueba,
Se define la humedad relativa (HR) como la razón
de la fracción molar del vapor de agua (x) con
respecto de la fracción molar de vapor de agua en
un espacio saturado (xs), tal como se expresa en la
ecuación siguiente:
fs(Ps, es, Ts) es el factor de corrección, a la
temperatura y presión de saturación[1],
La humedad relativa porcentual (%HR) es la
HR =
x
. ..............................(1)
xs
cantidad de HR multiplicada por 100.
fc(Pc, ec, Tc) es el factor de corrección, a la
temperatura y presión de la cámara de
prueba[1],
es, ec es la presión de vapor de agua en el saturador
y en cámara de prueba respectivamente, la cual
se puede expresar de la siguiente manera:
ln e( T ) = AT − 1 + B + CT + DT 2 + ln T .......... .......( 3 )
donde:
PATRÓN NACIONAL DE HUMEDAD
El Patrón Nacional de Humedad consiste de un
generador de humedad de dos presiones y un
medidor de punto de rocío, operando en el intervalo
de 10 %HR a 95%HR y de 0 ºC a 64 ºC en
temperatura de punto de rocío [1].
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
El generador de humedad de dos presiones se basa
en lo siguiente: se hace pasar un flujo de aire de
alta presión (aproximadamente 1,5 MPa) por un
sistema secador que extrae aceite y agua que
pudieran estar presentes en el aire. Este aire seco
se pasa por un saturador, el cual se encuentra en
un baño de temperatura controlada. A la salida del
saturador, se mide su presión y temperatura (Ps, Ts),
para posteriormente hacerlo pasar por una válvula
de expansión que reduce su presión, y luego lo
lleva a una cámara de prueba, en donde se mide
nuevamente la presión y la temperatura (Pc, Tc).
Con estas cuatro mediciones es posible calcular la
humedad dentro de la cámara por medio de la
siguiente expresión [1,2]:
A =-6096,9385
B = 21,2409642
C = -2,711193 X 10-2
D = 1,673952 X 10-5
E = 2,43502
La ecuación (2) puede deducirse de la ecuación (1),
y de las relaciones de los gases ideales. De la
misma manera, esta ecuación involucra términos
como la presión e, la cual describe la presión de
saturación de vapor
de agua y al factor de
corrección f, que toma en cuenta que el vapor de
agua no es un gas ideal, para mas detalles sobre f,
ver referencias [1,2].
Cámara
de prueba
Saturador
Tc ,Pc
Ts, Ps
Presaturador
Saturador
principal
Válvula de
expansión
Fig. 1 Diagrama esquemático de un
generador de dos presiones
El factor de corrección f, ha sido obtenido
experimentalmente y depende tanto de la
temperatura como de la presión[4].
CARACTERIZACIÓN DEL
GENERADOR DE HUMEDAD
La caracterización se llevó a cabo calibrando
primeramente los sensores de temperatura y
presión en el CENAM, con el fin de tener
trazabilidad a los patrones nacionales de esas
magnitudes. Se hicieron pruebas de operación y se
compararon los resultados con los obtenidos con un
medidor de punto de rocío calibrado para determinar
la estabilidad y repetibilidad en la cámara de
prueba.
La cámara de prueba esta hecha de acero
inoxidable y fue acondicionada especialmente para
conectar el medidor de punto de rocío.
Las
mediciones de presión en ésta, se hacen con un
transductor de presión y las mediciones de
temperatura se realizan con un termistor colocado
en el centro de la cámara. Las dimensiones de la
cámara son: (30x30x25) cm.
INCERTIDUMBRE Y RESULTADOS
El análisis de incertidumbre para el generador de
dos presiones se hizo en base a la ecuación (2). Las
fuentes de incertidumbre para este análisis fueron
las siguientes:
• Incertidumbre
de
los
sensores
de
temperatura(Ts, Tc),
•
Incertidumbre de los sensores de presión (Ps,
Pc),
•
Incertidumbre de la ecuación de la presión de
saturación de vapor de agua e,
•
Incertidumbre
corrección,f,
•
Estabilidad y repetibilidad en la cámara de
prueba,
•
Coeficientes de sensibilidad obtenidos de la
ecuación (2).
El análisis de incertidumbre para la humedad
relativa y temperatura de punto de rocío, se hizo
siguiendo el método de varianzas relativas descrito
en la "Guía para la Expresión de Incertidumbres" del
BIPM, ISO/1993 [4].
Los resultados obtenidos en
incertidumbre son los siguientes:
el
T(K)
Ps(hPa) Pc(hPa) %HR
853
810,57
95,04
273,15
1800
810,57
45,17
a
3500
810,57
23,36
343,15
8200
810,57
10,11
análisis
de
Uexp(%HR)
1,5
0,72
0,36
0,16
Tabla 1. Incertidumbre en humedad relativa
Incertidumbre del Patrón Nacional de
Humedad
Uexp (%HR)
La presión de vapor de agua e, es un término que
no se mide directamente debido a la poca
disponibilidad de instrumentos para realizar tal
medición. En lugar de eso, se usan formulaciones
empíricas que son consistentes con mediciones
realizadas directamente en puntos fijos de
temperatura, como lo son el punto de solidificación,
punto triple y el punto de ebullición del agua, etc.[4].
2
1.5
1
0.5
0
95
45
23
10
%HR
Gráfica 1. Incertidumbre del Patrón de Humedad relativa
En la siguiente tabla se muestran los valores de
incertidumbre estimados para la generación de
temperatura de punto de rocío (td) en el intervalo de
–2,6 °Cdp hasta 64 °Cdp.
Ps(hPa)
4069,68
1893,955
1154,74
1057,88
920,75
906,83
Pc(hPa)
811,79
812,08
808,74
811,75
811,49
811,88
td(ºC)
-2,6
9,8
20,0
40,0
60,2
64,0
Udp(ºC dp)
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
de la ecuación del factor de
Tabla 2. Incertidumbre en temperatura de punto de rocío.
En siguiente gráfica muestra la compatibilidad de
los resultados obtenidos del generador de humedad
con respecto a un medidor de punto de rocío
comercial calibrado.
Resultados del Generador de Humedad de dos
presiones comparado con un medidor de punto de
rocío(M2-GEI)
[1] “Patrón Nacional de Humedad”, reporte No.
CNM-PNE-8, Centro Nacional de Metrología,
1999.
[2] Martines-López, E., “Mediciones de humedad”,
reporte técnico No.CNM-MET-PT-010, 1997.
1
2500 -M2(%HR)
REFERENCIAS
0.5
[3] Huang, P.”Determining uncertainties of Relative
Humidity, Dew/Frost temperature, and Mixing
Ratio in a Humudity Standard Generator”, Third
International Symposium on Humidity and
Moisture, London, England, 1998.
0
-0.5
-1
-1.5
0
20
40
60
80
100
Humedad relativa(%HR)
Gráfica 2. Comparación
de resultados del
generador de humedad con un
higrómetro comercial.
CONCLUSIONES
Son indudables las ventajas que se tienen al contar
con un patrón nacional de medición, y más aún
cuando las necesidades de la industria son muchas
y muy variadas.
Con el establecimiento del Patrón Nacional de
Humedad, se podrán satisfacer algunas de estas
demandas así como dar trazabilidad a las
mediciones de humedad que se realizan en el país.
El intervalo de operación en el que queda
establecido el Patrón Nacional de Humedad es el
siguiente:
•
Humedad relativa
10 %HR a 95%HR
UHR : ± 0,2 a ± 1,5 %HR
•
Temperatura de punto de rocío
0 ºC a 64 ºC
Udp: ± 0,08 ºC
Actualmente se trabaja para ampliar el intervalo de
mediciones en temperatura de punto de rocío hasta
aproximadamente –30 ºC.
[4] Sonntag, D. “The history of formulations and
measurements of saturation water vapour
pressures”, Third International Symposium on
Humidity and Moisture, London, England, 1998.
[5]
"Guide for the expresion of Uncertainty in
Measurement", International Organization for
Standarization, Geneva, Sweden, 1993.