XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN Revista Investigación Científica, Vol. 4, No. 2, Nueva época. Mayo - Agosto 2008 ISSN 1870-8196

Diseño de medidor de humedad relativa (psicrómetro) con labview Lucila Graciano Gaytán Miguel Eduardo González Elías Julián González Trinidad Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma de Zacatecas E–mail: [email protected]

Resumen En la actualidad existe una gran variedad de instrumentos digitales para medir la humedad relativa los cuales emplean el concepto del higrómetro. Otra forma de medir la humedad relativa es por medio del psicrómetro, el cual usa los conceptos de bulbo húmedo y bulbo seco. El acondicionamiento de un dispositivo electrónico que actúe como psicrómetro, es posible usando sensores de temperatura LM35, que actúan como bulbo húmedo y bulbo seco. Con las ecuaciones de Will Ferrell y Willis Haviland Carrier, es posible calcular la humedad relativa. Además, empleando sistemas de adquisición de datos como NI ELVIS y la programación en el LabVIEW 7.1 de National Instruments, se pueden visualizar los datos en la computadora, de esta forma se puede utilizar el medidor dentro de un sistema de control automático. Palabras clave: Humedad Relativa, Psicrómetro, Medidor Digital.

Introducción Medir la humedad relativa no es una tarea fácil, acorde a la investigación realizada los instrumentos más conocidos son psicrómetros e higrómetros [1], los cuales pueden ser adquiridos en varios Estados de la República con costos elevados y sin la posibilidad de manejar la información automáticamente dentro de un sistema de control. Este trabajo, se ha diseñado un psicrómetro, el cual es

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sencillo y fácil de implementar. La finalidad primordial de diseñar un psicrómetro se basa en encontrar una forma de transferir los datos a una computadora, de esta forma hacer uso de ellos a través de la implementación de un control dentro de un invernadero. La investigación documental es primordial para diseño del psicrómetro, se encontraron varios autores para realizar este cálculo, como lo son Carrier, Ferrel, Sonntag, por mencionar algunos [1].

Humedad relativa El aire en la atmósfera se considera normalmente como una mezcla de dos componentes: aire seco y agua. La capacidad de la atmósfera para recibir vapor de agua se relaciona con los conceptos de humedad absoluta, que corresponde a la cantidad de agua presente en el aire por unidad de masa de aire seco, y la humedad relativa que es la razón entre la humedad absoluta y la cantidad máxima de agua que admite el aire por unidad de volumen. Se mide en tantos por ciento y está normalizada de forma que la humedad relativa máxima posible es el 100%. La forma más sencilla es medir lo que se conoce como temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo seco, corresponde a la temperatura ambiente, la que se mide habitualmente con un termómetro de mercurio. Para medir la temperatura de bulbo húmedo se usa el mismo tipo de termómetro pero se realiza la siguiente operación: se rodea el bulbo el termómetro con una tela humedecida. El aire circulante en la atmósfera choca con el algodón humedecido y evapora parte del agua. Al evaporarse el agua se absorbe calor latente y esto permite quitarle calor al bulbo del termómetro. Entonces la temperatura del termómetro desciende continuamente hasta que el aire de los alrededores se satura, es decir, no admite más agua. Así la temperatura permanece en un valor fijo que se denomina temperatura del bulbo húmedo. [2]

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Objetivos •

Diseñar y construir un psicrómetro (medidor de humedad relativa) con el cual sea posible leer los datos de manera digital a través del LabVIEW.

•

Contribuir en el diseño de un medidor de humedad relativa para ser utilizado por el sistema de control de un invernadero.

Metodología La ecuación con la cual se mide la humedad relativa mediante psicrómetro es la siguiente:

HR =

e(T ) ⋅ 100% .....................(1) e s (T )

Donde, HR es la humedad relativa en %, e(T ) la presión parcial real del vapor de agua en aire húmedo, en Pa y es (T ) la presión parcial de vapor de agua en aire húmedo saturado, en Pa.

Presión parcial de vapor saturado Expresa el hecho de que a una temperatura dada, existe un máximo en la cantidad de vapor de agua que puede estar presente, en otras palabras es la máxima presión parcial

es (T ) que puede ejercer el vapor de agua en el aire

saturado en Pa, a la temperatura del bulbo seco (t ó T). [3] e s (T ) = 1Pa ⋅ e

Donde,

e

= 2.71828182846

AT 2 + BT + C +

D T

......................(2)

que equivale a la base logaritmo natural, los valores

de A, B, C y D, son 1.23788476 × 10 −2 ,

− 1.9121316 × 10 −1 , 33.93711047

y

− 6.3431645 × 10 3 , respectivamente, por último T es la temperatura ambiente de bulbo seco en K = T + 273.15

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Presión parcial real de vapor de agua De acuerdo con la ecuación de Ferrel, la cual es utilizada en el cálculo de la humedad relativa con el psicrómetro de giro: e(T ) = es (Tw) − P ⋅ (T − Tw) ⋅ (ψ + ϕTw)......................(3)

O bien mediante la ecuación experimental de Carrier:

e(T ) = e s (Tw) −

[P − es (Tw)] ⋅ (T − Tw) .......................(4) θ + χ ⋅ Tw

Donde, e(T ) es la presión parcial real de vapor de agua en aire húmedo en Pa, a la temperatura de bulbo seco t ó T, es (Tw) es la presión parcial de vapor de agua en aire húmedo saturado en Pa, a la temperatura de bulbo húmedo Tw ó tw, P es la presión atmosférica local en Pa, Tw es la temperatura de bulbo húmedo en ºC = tw + 273.15, las contantes ψ , ϕ , θ y χ equivalen a los valores −4 −1 −7 −2 de 4.53 ×10 K , 7.59 ×10 K , 1940°C y − 1.44 , respectivamente.

Sustituyendo la ecuación (3) en (1), tenemos que: Ferrel: HR % =

e s (Tw) − P ⋅ (T − Tw) ⋅ (ψ + ϕTw) ⋅ 100%...................(5) e s (T )

Y ahora sustituyendo la ecuación (4) en (1), resulta: e s (Tw) −

Carrier: HR % =

[P − es (Tw)]⋅ (T − Tw) θ + χ ⋅ Tw e s (T )

⋅ 100%......................(6)

Se programaron las ecuaciones de Carrier y Ferrel en el programa National Instruments

LabVIEW

7.1,

el

cual

es

una

herramienta

gráfica,

para

instrumentación, control y diseño mediante la programación [5]. Una vez

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diseñado el programa de la humedad relativa, se hace uso de sus entradas analógicas a través del NI ELVIS (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) de Nacional Instruments, siendo éste un dispositivo de adquisición de datos multifunción (DAQ) y una estación de trabajo para banco de pruebas con una tarjeta de conexiones para prototipos (proto board) [6]. Con el uso de un amplificador operacional, conectado como un amplificador no inversor y dos LM35 (sensores de temperatura) para simular, cada uno de ellos, el bulbo húmedo y el bulbo seco [4]. El sensor que actúa como bulbo húmedo es introducido en un pequeño recipiente con agua envuelto en algodón, para disminuir la temperatura, en la computadora se visualiza la diferencia de temperaturas de los dos sensores.

Resultados Con la diferencia de temperatura de los dos sensores, automáticamente son introducidos a las ecuaciones de Ferrel y Carrier dentro del programa elaborado en LabVIEW 7.1, se puede observar como se va modificando la humedad relativa (%), además de guardarse en un tabla de datos para este registro. Cuando se ha puesto en marcha el programa se espera un tiempo pertinente para que se estabilice, es decir cuando el algodón esta completamente saturado y se muestra el valor en pantalla tomándose este como el dato de la humedad relativa del ambiente. Para validar el resultado visualizado en la pantalla del LabVIEW 7.1 es comparado con la medida

que muestra la pantalla del termómetro e

higrómetro digital. Las pruebas realizadas en días anteriores, son las siguientes: Con el Higrómetro Digital se mostraba un valor de 29% de humedad relativa y en el psicrómetro en LabVIEW 7.1 con la ecuación de Carrier un valor de 31% promedio y Ferrel de 30% promedio. Lo que índica que son validos los resultados de manera experimental.

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Conclusiones La construcción de un psicrómetro con la posibilidad de enviar los datos a una computadora permite, de manera sencilla, ser utilizados dentro de un sistema de control. Los dispositivos electrónicos usados para este diseño son económicos y fáciles de conseguir. La programación de las ecuaciones de Ferrel y Carrier en el LabVIEW 7.1 de National Instruments, conforman sólo dos formas de calcular la humedad relativa de varias que se han estudiado, siendo sus aplicaciones en sistemas de calefacción, principalmente. La validación de la información que se obtienen en las pruebas en laboratorio, concluyen que los objetivos planteados para un diseño económico y de fácil aplicación son acertados, así la finalidad de este es ser implementado en el interior de un invernadero se cumple para facilitar un el diseño de un control multivariable.

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Bibliografía [1] Jesús A. Dávila Pacheco, Enrique Martines López, “Propagación de incertidumbre en la conversión de algunas magnitudes de humedad”, Centro Nacional de Metrología, División de Termometría, Qro., México, (Octubre 2006). [2] Carolina Meruane y René Garreaud, “Determinación de Humedad en la Atmósfera”, DGF, Universidad de Chile, (Abril 2006). [3] Ing. Silvia Medrano, “Medición de Humedad Relativa con Psicrómetro”, Metas S. A. de C. V. Metrólogos Asociados, Jalisco, México, (Septiembre 2003). [4] Ramón Pallás Areny, “Sensores y Acondicionadores de señal”, Ed. Alfaomega, 4a. Edición, Barcelona, (2007). [5] Data Acquisition Basics Manual of LabVIEW. Part Number 320997E-01, (January 2000). [6] NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite (NI ELVIS) User Manual. Part Number 323363A-01, (April 2003).

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