Sensores de temperatura del aire y humedad relativa: lo que necesita saber

Aunque los sensores de temperatura del aire y humedad relativa (RH) brindan el beneficio de ser un medio económico para recopilar datos de medición para dos parámetros, existen algunos problemas relacionados con estos sensores que debe tener en cuenta. En este artículo, brindaré algunos antecedentes sobre los sensores de temperatura del aire/RH, analizaré la compensación de pasar de sensores totalmente analógicos a digitales, resaltaré problemas relacionados con el material del filtro y ofreceré algunos consejos para seleccionar un sensor.

Algunos antecedentes sobre los sensores de temperatura del aire y humedad relativa

Si bien los sensores solares, de lluvia y de velocidad del viento están diseñados desde cero para sobrevivir bien en aplicaciones ambientales, no ocurre lo mismo con los sensores de temperatura del aire y humedad relativa. Los elementos centrales de los sensores de temperatura del aire/RH simplemente no están diseñados específicamente para aplicaciones meteorológicas. Más bien, los fabricantes han diseñado tradicionalmente los elementos de HR para industrias de mercado más grandes, como la automotriz, HVAC y cámaras ambientales (farmacéuticas, salas blancas, etc.)

Por lo general, terminamos recurriendo a CADA fabricante de sensores de temperatura del aire/RH con los que hemos trabajado para ayudarlos a mejorar su producto para que funcione bien en aplicaciones ambientales. Aunque estos fabricantes puedan afirmar que sus sensores están diseñados para aplicaciones ambientales, sus sensores no fueron diseñados específicamente para dejarse afuera, expuestos a los elementos, durante períodos prolongados. Generalmente encontramos uno o más defectos que los fabricantes pasaron por alto. Esto ha sido cierto incluso en el caso de los sensores de alta gama.

En general, hemos descubierto que los sensores que brindan excelente precisión y resolución nunca fueron diseñados para sobrevivir si se los coloca afuera durante períodos prolongados y, por lo general, requieren una cantidad considerable de energía para funcionar. Nuestro desafío ha sido encontrar sensores de temperatura del aire/RH que cumplan con estos requisitos.:

• Proporcionar el rendimiento de campo que requerimos

• Tiene necesidades de baja energía

• No tienen precios exorbitantes

• Disponer de una salida de tensión analógica que cumpla con el rango de nuestros registradores de datos.

• No es necesario que lo envíen para su calibración (cuando sea posible)

• No tenga problemas de agrietamiento de cables ni problemas de corrosión y descamación de la carrocería

• Sobrevivir a los elementos

La compensación analógica/digital

Todos los nuevos sensores de temperatura del aire/RH utilizan algún tipo de conversión A/D, lo que complica las cosas cuando se utilizan estos nuevos sensores con registradores de datos más antiguos que necesitan una salida de voltaje analógico. Esto se debe a que el sensor debe realizar una conversión adicional de digital a analógico (D/A). Por lo tanto, debe confiar en que el fabricante haga varias cosas: un gran trabajo de la conversión A/D inicial, un gran trabajo de la conversión D/A para que el registrador de datos pueda leerlo, Y el rendimiento de todo esto a lo largo del tiempo. rango de temperatura del propio sensor.

Aquí es donde hemos tenido más problemas con los nuevos sensores de temperatura del aire/RH totalmente digitales. Nuestra experiencia ha sido que el fabricante afirma una cosa y nosotros vemos otra o el sensor no mantiene su calibración con el tiempo cuando se coloca en un mundo analógico muy real y desordenado. Al agregar la conversión D/A para obtener una salida de voltaje analógico, se agrega una incertidumbre más a la mezcla.

La ventaja de los sensores digitales es que suelen ser muy fáciles de calibrar. La "magia" está en el elemento de humedad relativa patentado y en el algoritmo de medición utilizado por el fabricante. La mayoría de los fabricantes en realidad realizan muchas mediciones realmente rápidas en segundo plano y generan un promedio a lo largo del tiempo.

Problemas con el material del filtro

Cualquier sensor de temperatura del aire/RH implementado en el campo debe usar algún tipo de material de filtro alrededor del chip de RH para protegerlo del polvo, los contaminantes y el agua importantes. Esto crea una serie de problemas:

• El material filtrante utilizado por la mayoría de los fabricantes deja pasar muy bien el vapor de agua, pero no ocurre lo mismo con la temperatura. Si alguna vez ha realizado mediciones muy rápidas utilizando un sensor de temperatura del aire/RH, notará que la humedad cambia mucho más rápido que la temperatura. Algunos sensores pueden tardar entre 10 y 20 minutos en equilibrarse. Por lo general, esto no es culpa del sensor sino del medio filtrante. Con vientos de muy baja velocidad, el retraso puede ser incluso mayor.
  
  

• Si la condensación o el agua empapan el material del filtro, éste tardará un tiempo en secarse. No sabrá cuánto tiempo llevará este proceso, ya que depende en gran medida de la velocidad del viento y la humedad real del entorno. Mientras tanto, mientras espera que se seque el material del filtro, las medidas están sesgadas.
  
  

• Los filtros son excelentes para atrapar contaminantes y sales; sin embargo, dependiendo del material filtrante utilizado, con el tiempo se puede crear un microclima que distorsionará las mediciones. Los microclimas también pueden ser creados por una placa múltiple sucia o un protector aspirado usado alrededor de un sensor de temperatura del aire/RH. Puede esperar reemplazar o limpiar los elementos filtrantes y los protectores con frecuencia. Será necesario inspeccionar visualmente los sensores para determinar con qué frecuencia será necesario hacerlo.
  
  

• La condensación en el elemento RH acelerará su degradación y deriva. Este fue un problema con los sensores más antiguos. Algunos sensores más nuevos con los que hemos trabajado utilizan un recubrimiento patentado en el elemento RH que lo protege y aumenta la vida útil del elemento sin degradar el rendimiento. Un entorno con una humedad constantemente mayor, como la costa o la selva tropical, requerirá que se calibre el sensor o que se reemplace su chip de humedad relativa en intervalos más frecuentes. Esto podría realizarse con una frecuencia de entre seis meses y un año.
  
  

• Más fabricantes han introducido sensores de temperatura/RH calentados para solucionar los problemas de condensación. La idea es que una sonda de temperatura separada mida la temperatura del aire mientras el elemento RH que tiene su propio sensor de temperatura se mantiene a una temperatura específica por encima del punto de rocío. El sensor toma el valor de humedad medido a su temperatura y traduce ese valor a la humedad correcta para el valor de temperatura del aire. Estos sensores requieren un poco más de energía para funcionar. Campbell Scientific no dispone actualmente de un modelo de este tipo, pero hemos tenido que integrarlos.
  
  

• El material del sensor de humedad relativa es sensible a la contaminación. El tipo de contaminación que degrada o destruye un elemento sensor de humedad relativa en particular suele ser exclusivo del fabricante. Como regla general, la exposición a petroquímicos es mala. Muy pocos sensores de temperatura/RH sobrevivirán bien en una refinería. Lo mismo ocurre con el amoníaco (desechos animales o humanos) y el sulfuro de hidrógeno o el dióxido de azufre.

Puede notar que la mayoría de los problemas enumerados anteriormente no se aplican a los sensores utilizados en un entorno de cámara ambiental o HVAC. Sin embargo, implementar estos sensores durante períodos prolongados en aplicaciones meteorológicas es otra historia. Es por eso que intentamos ser muy exhaustivos en las pruebas que realizamos aquí y verificar por nosotros mismos las afirmaciones de los fabricantes.

Consejos para seleccionar un sensor de temperatura del aire/RH

Advertencia:  Creo firmemente en "obtienes lo que pagas".

Las siguientes son algunas consideraciones al seleccionar un sensor de temperatura del aire/RH.

¿Cual es tu presupuesto?

Los sensores de menor costo no tendrán la resolución o precisión de los sensores de alta gama. Pero, por lo general, los sensores de menor costo funcionan muy bien en el campo, no requieren calibración (el elemento de humedad relativa es reemplazable en el campo) y cumplen o superan la precisión y resolución que se les exige.

¿Cuáles son las especificaciones de resolución y rendimiento?

La verdad es que realizar una medición de la humedad relativa es complicado. El agua en su fase de vapor es una molécula furtiva y completamente no lineal en su comportamiento a través de la temperatura. El comportamiento del agua vuelve a cambiar cuando la temperatura está por debajo de su punto de congelación. Todos los sensores del mercado enfrentarán un desafío difícil, con la correspondiente alta incertidumbre, al intentar medir un valor de humedad del 90% o más. Un desafío más difícil es medir la humedad relativa en condiciones bajo cero.

¿Qué precisión necesitas realmente?

Revise las especificaciones del sensor y verifique el tiempo de respuesta con el filtro. Hacer las cuestiones. Tenga en cuenta que tan pronto como ese sensor se coloca dentro de un protector de múltiples placas de aspiración natural, es posible que las especificaciones de temperatura simplemente estén sesgadas. Bajo la luz solar directa en un día cálido con muy poco viento, la temperatura dentro del escudo podría ser entre 0,5° y 1,5°C más alta que la temperatura ambiente real.

¿Cómo quiere manejar la deriva de HR?

Todos los chips RH de tipo capacitivo se desviarán. Con el tiempo, el elemento RH se agrietará (producirá una red de grietas en la superficie) y el RH se elevará y saldrá de las especificaciones.

¿Puede interrumpir la recopilación de datos de medición para enviar el sensor a calibración? Tendrás que hacer esto para los sensores de gama alta. En algunos casos, puede cambiar el cabezal del sensor en el campo por uno calibrado.

¿Preferiría ir a su sitio y reemplazar el chip RH? Nunca podrás hacer esto con sensores de alta gama. Simplemente no se puede obtener un rendimiento de alto nivel con un chip reemplazable en el campo.

¿Qué registrador de datos estás usando?

Compruebe siempre la compatibilidad del registrador de datos que desea utilizar con el sensor.

¿Cuáles son las condiciones ambientales?

Por ejemplo, ¿la ubicación del sensor tiene una humedad constantemente alta? ¿Se levanta mucho polvo? ¿Qué pasa con la lluvia helada, el rimming o la nieve horizontal?

Es importante comprender el entorno donde se ubicará el sensor.

• Las ubicaciones con alta humedad requerirán visitas más frecuentes para cambiar el sensor o reemplazar el chip RH, según el tipo de sensor.

• Soplar polvo trae consigo sus propias preocupaciones. La acumulación de polvo en un protector de placas múltiples o aspirado por ventilador distorsionará la temperatura en días soleados y brillantes. El polvo obstruirá el material del filtro.

• Las mediciones del sensor se desactivarán después de que un escudo de placas múltiples o aspirado por ventilador se cubra con hielo o se llene de nieve. En este punto, el sensor está midiendo el ambiente dentro del escudo y NO el exterior.