¿Alguna vez te han hablado de las tecnologías de sensores utilizadas en transmisores de punto de rocío? ¿Has tenido un secador defectuoso en tu sistema de aire comprimido que arruinó tu producción y no se notó hasta que ya era demasiado tarde? El aire comprimido seco es uno de los parámetros de calidad más importantes en cuanto a la seguridad del proceso. Cuando se comprime el aire ambiente, la proporción de humedad en relación al volumen de aire aumenta drásticamente. Por lo tanto, la mayor concentración de humedad en el aire comprimido conduce a una temperatura de punto de rocío más alta y la humedad es más propensa a condensarse a temperaturas más altas.

 ¿Qué puede ser peor que tener gotas de agua en las tuberías de aire comprimido, lo que puede llevar a fallos en la maquinaria, contaminación de tu proceso o incluso causar bloqueos?

Usar un instrumento para medir el punto de rocío, un llamado analizador de punto de rocío o medidor de punto de rocío ayudará a los usuarios a operar un sistema de aire comprimido seguro y confiable, notificándoles temprano en caso de alarmas. Este artículo es una breve descripción general de las tecnologías de sensores utilizadas en transmisores de punto de rocío disponibles, con una revisión de sus ventajas y desventajas cuando se utilizan en equipos de medición.

Introducción

El punto de rocío describe la temperatura a la cual el vapor de agua en el aire comienza a condensarse. Típicamente, la temperatura del punto de rocío (Td) en condiciones de presión y temperatura ambiente es alrededor de 54 – 57°F (12-14 °C) Td. Todos hemos experimentado este fenómeno en nuestras vidas diarias. Saca una bebida fría del refrigerador en un día cálido de verano y en segundos comenzarán a formarse gotas de agua en la superficie de la lata o botella. La razón es que la bebida fría ha enfriado el aire circundante, causando que condense su vapor de agua en la superficie del contenedor al alcanzarse la temperatura del punto de rocío.

Es más común llamar a la temperatura descrita anteriormente el punto de rocío, punto de rocío de presión o temperatura de punto de rocío. Pero cuando las temperaturas están por debajo de 32°F (0°C) Td, el término correcto sería punto de escarcha en lugar de punto de rocío. En los últimos veinte años, el término punto de rocío y medidor de punto de rocío se ha utilizado y aceptado, donde sensor de punto de escarcha o medidor de punto de escarcha sería el término estrictamente correcto, pero no comúnmente utilizado en la industria.

Sensores de Óxido Metálico

Hay muchas variaciones en el diseño de este tipo de sensor, pero el más común es el sensor de óxido de aluminio, que básicamente consiste en dos capas, o a veces tres capas.

La primera capa es comúnmente una superficie de aluminio que forma la capa base sobre la cual se aplica la segunda capa, en forma de óxido de aluminio, a través de procesos químicos. Algunos sensores ofrecen una tercera capa, que actúa como una capa protectora en forma de metales porosos de alta calidad.

El principio de funcionamiento simplificado puede describirse como que las moléculas de agua viajan hacia la capa de Al-Oxido y se quedan allí como moléculas de vapor de agua. La molécula de agua ahora cambiará la capacitancia total del elemento sensor. Dado que las brechas de Al-Oxido actúan como una matriz de múltiples condensadores, la capacitancia eléctrica cambia cuando las moléculas de agua entran en el espacio entre las brechas individuales. Este cambio puede medirse y utilizarse para calcular la humedad correspondiente presente. 

La mayor ventaja de este tipo de sensor es que son relativamente baratos de fabricar y pueden desarrollarse en un elemento sensor de pequeño tamaño y pueden usarse en un amplio rango de presión. 

La desventaja de estos sensores es su tiempo de respuesta lento y su deriva relativamente alta con el tiempo. El problema principal es la estructura de la superficie de Al-Oxido, que es propensa a atrapar polvo u otras partículas, además de obstruirse progresivamente con el tiempo. 

Estos tipos de sensores son conocidos por ofrecer una buena precisión cuando se despliegan, pero debido a lo descrito anteriormente, la precisión se desvía con el tiempo, especialmente si se usan en condiciones donde existe una leve contaminación. 

Donde estos sensores muestran un buen tiempo de respuesta para mediciones de seco a húmedo, el tiempo de respuesta de húmedo a seco es significativamente más lento. La superficie rugosa microscópica del Al-Oxido no libera las moléculas de agua fácilmente, lo que los convierte en una opción pobre para sistemas de cambios rápidos, especialmente en uso portátil. Debido a la deriva, que es alrededor de 2°C Td por año, estos sensores necesitan ser mantenidos y calibrados mucho más a menudo que otras tecnologías.

**Ventajas**

• Baratos de fabricar
• Rápido tiempo de respuesta de seco a húmedo
• Tamaño pequeño
• Amplio rango de presión

**Desventajas**

• Tiempo de respuesta lento de húmedo a seco debido a la rugosidad estructural
• Deriva con el tiempo
• Alta sensibilidad a la contaminación
• Deriva con el tiempo
• Alta frecuencia de calibración

Sensores de Polímero

Los sensores de polímero son muy similares al principio utilizado en los sensores de óxido de aluminio, pero tienen una diferencia determinante en términos de la estructura del sensor.

Los sensores de polímero se construyen en tres capas; la estructura base actúa como un sustrato aislado, la segunda capa de poliamida mide la humedad y finalmente una capa de protección en la parte superior.

Para describir el principio de funcionamiento simplificado, se puede decir que la capa protectora está hecha de un material poroso que actúa como un filtro. Esto solo deja pasar las moléculas de agua, pero las impurezas de mayor tamaño no pueden entrar en la capa de polímero. Las moléculas de agua luego cambian la capacitancia eléctrica del elemento sensor, similar al principio descrito para el sensor de óxido de aluminio. El cambio de la capacitancia se mide eléctricamente y es proporcional a la presencia de la humedad dentro del elemento sensor y, por lo tanto, al aire circundante. 

La principal ventaja del sensor de polímero proviene de la estructura física de la capa de polímero. La superficie uniforme facilita que las moléculas de agua entren y también sean liberadas, y las moléculas no quedan atrapadas fácilmente. Esto resulta en un tiempo de respuesta muy rápido en cualquiera de las dos direcciones, tanto de seco a húmedo como de húmedo a seco. 

Otra ventaja es que los sensores son altamente resistentes a la contaminación y casi no hay deriva, ya que es poco probable que el polímero envejezca o cambie su estructura, incluso si se expone a alta humedad. 

El inconveniente de estos sensores es su pérdida de sensibilidad en aplicaciones de baja humedad. Más comúnmente, los sensores de polímero se utilizan para medir puntos de rocío de presión hasta -76°F (-60°C) Td. Por debajo de este punto, la sensibilidad disminuye masivamente y resulta en lecturas inexactas.

**Ventajas**

• Resistencia a la contaminación mejorada por la estructura
• Rápidos tiempos de respuesta de seco a húmedo y de húmedo a seco
• Casi sin envejecimiento y/o deriva
• Amplio rango de presión

**Desventajas**

• No apto para aplicaciones de baja humedad
• Inexacto por debajo de -76°F (-60°C) Td

Sensores de Microbalanza de Cristal de Cuarzo (QCM)

Los sensores de microbalanza de cristal de cuarzo se construyen con un sustrato de cuarzo como base y se cubren con una película delgada de una capa activa de adsorción de humedad. Su principio de medición se basa en el cambio de masa del cuarzo oscilante debido a la masa adicional de moléculas de agua, lo que alterará directamente la frecuencia de oscilación.

A un voltaje aplicado, el cuarzo comenzará a oscilar a una frecuencia de resonancia. Si el sensor ahora se expone al aire comprimido o gases que contienen humedad, las moléculas de agua son adsorbidas por la capa delgada de recubrimiento en la superficie del sensor. Al adsorber las moléculas de agua, la masa del sensor cambiará, y simplificado, a medida que se vuelve más pesado al agregar la masa de las moléculas de agua a la masa total, la frecuencia de oscilación resultante será diferente de cuando no hay ninguna molécula presente.

Basado en esto, en teoría, un sensor QCM es capaz de detectar una sola molécula de agua presente en la capa de adsorción del sensor. Por supuesto, depende en gran medida del circuito eléctrico utilizado para aplicar el voltaje de oscilación y la evaluación del cambio de frecuencia. 

La principal ventaja de estos sensores es la alta precisión en aplicaciones de muy baja humedad, donde otros principios de sensores tienen inconvenientes en términos de sensibilidad. 

Al mismo tiempo, los sensores QCM tienen tiempos de respuesta moderadamente rápidos en aplicaciones de húmedo a seco, gracias a la capa de polímero de alta adsorción de agua.

Las desventajas de los sensores QCM son su limitación para no ser utilizados en aplicaciones de humedad donde se deben medir puntos de rocío en todo el rango, de -148 a 122°F (-100 a 50°C) Td. La microbalanza generalmente está diseñada para tener una frecuencia estable en relación con el grosor de la capa de adsorción de humedad. Para diseñar un sensor con alta sensibilidad en ambientes de baja humedad, el grosor de la capa debe ser delgado para obtener una frecuencia estable y un cambio de masa notable. Pero este grosor de capa limita las capacidades para adsorber más moléculas de agua y, por lo tanto, limita las capacidades para medir puntos de rocío más altos.

A medida que la capa de adsorción se satura en niveles más altos de humedad, hay un límite físico para medir concentraciones de humedad más altas. Si se aumentara el grosor de la capa de adsorción, las mediciones de punto de rocío de bajo rango no tendrían un cambio de masa significativo. Por lo tanto, en el diseño de los sensores QCM se debe tomar un compromiso, ya sea tener una capa delgada para medir baja humedad o una capa más gruesa para medir mayor humedad, pero perdiendo precisión en el extremo inferior. Típicamente, un sensor QCM está diseñado para medir en aplicaciones de baja humedad.

Otra limitación es su uso en aplicaciones de alta presión. Los sensores QCM pierden precisión cuando se usan en aplicaciones de alta presión por encima de 1.6 MPa(g) o más, ya que el gas comprimido amortigua la capacidad del cuarzo para oscilar.

Conclusión

Las tecnologías descritas de sensores de óxido de aluminio y sensores de polímero son los sensores más comúnmente utilizados en medidores de punto de rocío disponibles en el mercado y están bien adaptados para aplicaciones de medición de humedad estándar. Los sensores QCM son mucho menos comunes, ya que se utilizan en aplicaciones de alta tecnología, donde se necesitan mediciones precisas de baja humedad. 

Los sensores de óxido de aluminio tienen su mayor desventaja en la sensibilidad a las contaminaciones y su estructura física tiende a envejecer y, por lo tanto, desviarse con el tiempo.

Los sensores de polímero son los sensores más robustos, ofreciendo alta precisión y estabilidad a largo plazo, pero al mismo tiempo, no son adecuados para aplicaciones de baja humedad.

Tecnología de Sensores Utilizada en los Medidores de
Punto de Rocío de SUTO iTEC

Para aplicaciones estándar, SUTO iTEC confía en la tecnología de sensores de polímero en sus medidores de punto de rocío. Ofrecen un tiempo de respuesta rápido y una buena precisión en aplicaciones donde están presentes puntos de rocío entre -76 y 122°F (-60 a +50°C) Td, haciéndolos óptimos para monitorear secadores de aire comprimido refrigerados y desecantes. 

Para aplicaciones de alta tecnología, la empresa combina dos tecnologías de sensores en un solo medidor de punto de rocío. Sus soluciones únicas de sensores combinan el sensor QCM junto con el sensor de polímero en una sola unidad de medición, ofreciendo las ventajas de ambos sensores y eliminando las desventajas de cada una de las dos tecnologías de sensores entre sí. El sensor cambia automáticamente el elemento sensor sobre el que está leyendo, basado en las condiciones y el rango actual. Para este propósito, SUTO ha desarrollado un algoritmo de cambio confiable, que cambia con precisión al elemento sensor más adecuado cuando es necesario.

Con este diseño único, la empresa es capaz de ofrecer un sensor de punto de rocío capaz de medir de manera precisa y confiable el rango completo de temperaturas de punto de rocío, hasta -148°F (-100°C) Td. 

Además, los sensores de punto de rocío cuentan con un sensor de presión integrado. Al agregar un sensor de presión al dispositivo de medición, los usuarios están habilitados, primero que todo, para medir la presión del sistema, que es un indicador clave de cualquier sistema de aire comprimido, pero esto también les permite convertir la salida de medición a otras unidades de humedad sobre la marcha, por ejemplo, para medir ppm(v), humedad absoluta y muchas otras unidades que dependen de la presión. Esto hace que este sensor de punto de rocío sea uno de los sensores más versátiles del mercado.

Gracias a las soluciones modernas de tecnología de aire comprimido, las empresas tienen a su alcance soluciones y productos realmente innovadores.

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