020_Patrón Nacional de Humedad

7/24/2019 020_Patrn Nacional de Humedad

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Zaragoza, 11-13 de mayo de 2005

Ponencia n 020

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Ttulo abreviado de la Ponencia........ 1/9

EL PATRN NACIONAL DE HUMEDAD: MATERIALIZACIN DE LATEMPERATURA DE PUNTO DE ROCO Y SU DISEMINACIN

R. Benyon Puig y T. Vicente Mussons

Instituto Nacional de Tcnica Aeroespacial, Esteban Terradas,Centro de Metrologa y Calibracin, Ctra. a Ajalvir, km. 4, 28850 Torrejn de Ardoz.

RESUMEN:En el ao 1993 el INTA firmo un acuerdo marco de colaboracin con el CEM que determinaba labases de colaboracin entre ambas instituciones en el campo de la metrologa en orden a optimizar sus recursostecnolgicos, personal e inversiones. Esto se puntualiza en la firma de un acuerdo especfico de colaboracin en elcampo de la humedad debido a la limitada infraestructura nacional existente y el aumento de demanda detrazabilidad en este campo para diversas aplicaciones industriales y de investigacin. El acuerdo estableci elprograma de acontecimientos e hitos a lograr para el desarrollo por parte del INTA de una infraestructura de mediday calibracin de humedad en dos fases: El desarrollo y puesta en marcha de un servicio de calibracin acreditadopor tercera parte y la designacin del INTA como el depositario del patrn nacional de humedad y LaboratorioAsociado al CEM. En el Real Decreto 346/2001, de 4 de abril (BOE 19-abril-2001) [1], se declara al INTA laboratorioasociado al Centro Espaol de Metrologa y depositario del patrn nacional de la unidad derivada de humedad.Designa al INTA como responsable en nombre del Estado, de la custodia, conservacin, mantenimiento y difusinde este patrn nacional as como la representacin del pas ante las organizaciones internacionales de metrologaen el campo de la humedad, bajo la supervisin y coordinacin del CEM, de acuerdo con el segundo punto delartculo cuarto de la Ley 3/1985, de Metrologa. El patrn nacional de humedad se declara en la Orden de 27 deabril de 2001 (BOE 14-mayo-2001) [2] y est materializado mediante generadores de humedad de precisin,utilizando el principio de saturacin de un gas a una temperatura y presin conocidas y su posterior expansin.Estos generadores cubren el campo de temperatura de punto de roco de 75 C a 10 C con saturacin s obre unasuperficie de hielo, y de 10 C a +75 C para satu racin con respecto a agua, as como el campo de humedad

relativa equivalente en el campo de temperatura ambiente de 5 C a 75 C. Este patrn se conserva medi ante lacomparacin peridica efectuada con patrones de humedad de organismos metrolgicos de otros Estados. Sepresentan las actividades que constituyen el mantenimiento y diseminacin de este patrn y su equivalencia a nivelinternacional mediante la participacin activa en las actividades de EUROMET y del CCT y en particular de lascomparaciones clave (Key Comparisons) fundamentales para asegurar que el patrn nacional goza delreconocimiento internacional que proporciona el Acuerdo de Reconocimiento Mutuo (MRA) del Comit Internacionalde Pesas y Medidas (CIPM).

1. INTRODUCCIN

Las medidas de humedad son trazables al kilogramo (kg), metro (m) y Kelvin (K), unidadesbsicas del Sistema Internacional. Esta trazabilidad se puede obtener mediante el uso dehigrmetros gravimtricos, generadores de humedad de precisin y la relacin determinada

experimentalmente de la tensin de vapor saturante del agua y las correcciones por elcomportamiento no ideal de la mezcla de aire hmedo a alta presin.

El higrmetro gravimtrico es sin duda el patrn primario por excelencia para la definicin de launidad derivada de relacin de mezcla (expresada en g/kg) y proporciona la comprobacin msprecisa del comportamiento de un generador de humedad de precisin con trazabilidad a launidad bsica de masa. El proyecto de humedad INTA descart la construccin de taldispositivo dada la disponibilidad en Europa de trazabilidad de relacin de mezcla, en concretoen el National Physical Laboratorydel Reino Unido.

Los generadores patrn de humedad de precisin conforman el siguiente paso en la cadena detrazabilidad y son los adoptados por regla general en los institutos nacionales de metrologapara la realizacin de la temperatura de punto de roco y a partir de sta y la temperatura seca,

la humedad relativa. Teniendo en cuenta las necesidades expresadas por el sector industrial,gubernamental, y de Defensa [3-4], en Espaa, el patrn nacional de la unidad de humedadest materializado mediante generadores de humedad de precisin, utilizando el principio de


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saturacin de un gas a una temperatura y presin conocidas y su posterior expansin,

denominado mtodo de dos-presiones, desarrollado por el antiguo NBS (NIST) de EE. UU.La figura 1 muestra de forma esquemtica el generador de dos presiones.

Figura1: Esquema de generador de dos-presiones / dos-temperaturas

Estos generadores cubren el campo de temperatura de punto de roco de 75 C a 10 C con

saturacin sobre una superficie de hielo, y de 10 C a +75 C para saturacin con respecto aagua, as como el campo de humedad relativa equivalente en el campo de temperaturaambiente de 5 C a 75 C.

El patrn de transferencia, utilizado a su vez como monitor del comportamiento de losgeneradores patrn, que representa el estado del arte en cuanto a medida de temperatura deroco en el margen indicado, es el higrmetro ptico de punto de roco [5].

Este patrn se conserva mediante la comparacin peridica efectuada con patrones dehumedad de organismos metrolgicos de otros Estados, en la forma que describe en elsiguiente apartado.

2. DESARROLLO

2.1 Materializacin de la temperatura de punto de rocoAmbos generadores tienen en comn que de forma dinmica, durante el proceso de saturacinse alcanza el equilibrio trmico de un flujo de aire seco con respecto a una superficie de agua ohielo a temperatura TSy presin PSy a continuacin pasa por una vlvula de expansin para yes aportado al patrn de transferencia y al higrmetro monitor a presin PC, prxima a presinatmosfrica. La temperatura de roco generada, td, se obtiene mediante la solucin de lasiguiente ecuacin:

= (1)

Donde, PCes la presin absoluta en la cmara de medida del higrmetro; es, edse refieren a lafuncin de tensin de vapor saturante, evaluada a las temperaturas de roco y saturacin,

! !

! ! !

"


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respectivamente; fsy fdse obtienen de las ecuaciones del factor de no-idealidad (enhancement

factor), evaluados en las condiciones del saturador y cmara de medida, respectivamente.Los generadores se han modificado para permitir una medida de temperatura y presinindependiente de los sensores de control y se registran de forma continua. En ambosgeneradores, la medida de PS y PC se hace de forma directa. En el caso del generador dehumedad alta, ts (la temperatura de punto de roco a presin absoluta PS a la salida delsaturador) se mide de dos formas: (a) en el fluido del bao prximo al saturador, a su entrada ysalida y directamente en el flujo de aire saturado. Sin embargo, en el generador patrn de alta,se mide la temperatura en el fluido del intercambiador de calor que circula a un caudal alto porel saturador. En este ltimo, la medida definitiva es prximo al ltimo elemento del saturador,pero se realizan medidas en tres zonas ms para determinar la uniformidad de temperatura.

En ambos casos, antes de entrar en el cuerpo principal del saturador, el flujo de aire se

acondiciona a una temperatura ms elevada que la temperatura de roco deseada, de formaque al enfriarse a medida que avanza por el saturador, se satura a una temperatura superior atSal principio de su trayecto por el saturador. Durante el resto del trayecto por el saturador, elaire se mantiene saturado a medida que se enfra a tS, en equilibrio trmico con el condensado(agua o hielo) que recubre las superficies internas del saturador, prximo a la salida.

2.2 Estimacin de incertidumbre y capacidad de medida

Las componentes de incertidumbres de tipo A consisten en las incertidumbres aleatorias de latemperatura y presin medida en el bao del saturador principal el cual contiene el saturador yla cmara. Las componentes de las incertidumbres de tipo B consisten de aquellasincertidumbres obtenidas por mtodos no estadsticos en la medida de presin y temperaturaatribuidas a las incertidumbres de los indicadores de presin, el termmetro (puente y TRPP) y

el gradiente de temperatura en el bao principal. La incertidumbre en la medida del factor de noidealidad es tambin considerada de tipo B.

Se puede producir una diferencia entre la temperatura medida en el fluido y la temperatura desaturacin Ts, a raz de los siguientes casos: (a) El caudal de aire est saturado a unatemperatura mayor que la del condensado, (b) el condensado en si est a una temperaturams elevada que el fluido que acondiciona esa parte del saturador, o (c) por una falta deuniformidad en la temperatura del fluido, resultando en una diferencia de temperatura entre elfluido prximo a la salida del saturador y en el punto de medida. El origen de las diferencias sedetermina experimentalmente. Las diferencias debidas a los dos primeros casos deberanagravarse con una perturbacin ms extrema de las condiciones de pre-saturacin y/o caudalde aire generado, mientras se mide de forma continua la temperatura de roco generada con el

higrmetro ptico de punto de roco monitor. La incertidumbre asociada al tercer caso, sedetermina mediante medidas directas de la temperatura, de acuerdo con lo indicado en elapartado anterior.

Las distintas magnitudes de influencia y componentes de la incertidumbre se desglosan en latabla 2:

Sistema de Medida de Temperatura:Incertidumbre de calibracin , Deriva a largo plazo, Linealidady resolucin, Calentamiento propio y flujo trmico residualTemperatura de

SaturacinSaturador: Uniformidad de temperatura, Estabilidad de temperatura

Manmetro de precisin:Incertidumbre de calibracin, Deriva a largo plazo, Linealidady resolucin, histresis

Diferencias de presin en el propio saturador

Presin desaturacin

Estabilidad de la presin


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ConfiguracinInfluencias debidas al tubo de conexin del manmetro alsaturador

Manmetro de precisin:Incertidumbre de calibracin, Deriva a largo plazo, Linealidady resolucin, histresis

Estabilidad de la presinPresin en el

punto degeneracin

ConfiguracinInfluencias debidas al tubo de conexin del manmetro alsaturador

Medida decaudal:

Caudalmetro msico Estabilidad del caudal generado, Reproducibilidad

Diseo Eficiencia de saturacin

CorrelacinCorrelacin entre las medidas de presin ytemperatura

EcuacionesIncertidumbres debidas a las ecuacionesutilizadas

Funciones de la tensin de vapor saturante y del factor deno-idealidad.

Tabla 2: Magnitudes de influencia en la determinacin de la temperatura de roco

Las incertidumbres expandidas asignadas a las temperaturas de roco / escarcha generadaspor los generadores de humedad existentes [3-6] se incluyen en la tabla 3, en el contexto delas dems Capacidades de Medida y Calibracin (CMC) evaluadas por EUROMET. Los valoresindicados son para un nivel de confianza de aproximadamente un 95%.

Pas Margen IncertidumbreExpandida

Pas Margen IncertidumbreExpandida

( -90 a -75) C 0,30 ( -75 a -60) C 0,11

( -75 a -70) C 0,20 ( -60 a 65) C 0,05

( -70 a -40) C 0,10

Italia

( 65 a 90) C 0,1

( -40 a 0) C 0,05 ( -75 a -50) C 0,30

Alemania

( 0 a 80) C 0,04 ( -50 a 0) C 0,20

Dinamarca ( 0 a 82) C 0,14 a 0,16

Noruega

( 0 a 20) C 0,10

Eslovaquia ( -75 a 20) C 0,40 a 0,10 ( -80 a -30) C 0,30

Eslovenia ( -35 a 65) C 0,30 ( -30 a 60) C 0,05

( -75 a


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Las comparaciones clave en humedad, se realizan mediante la comparacin de las

realizaciones locales de temperatura de punto de roco utilizando de forma simultnea doshigrmetros de condensacin, como patrones de transferencia. Las primeras comparacionesrealizadas por el INTA fueron anteriores a la existencia de comparaciones clave del CCT yEUROMET y fueron con los principales laboratorios nacionales europeos, dentro de un contratodel primer programa marco de medidas y pruebas de la UE [5], adoptada a posteriori como lacomparacin suplementaria EUROMET-T-S19, y dos bilaterales con dos de los msprestigiosos laboratorios nacionales, el PTB de Alemania [6] y el NIST, de EE. UU. [7].Posteriormente se realiz una comparacin bilateral con el MSL de Nueva Zelanda [8].

Hasta la fecha solo existen dos comparaciones clave, una del CIPM, la CCT/K6 y otra deEUROMET (KC-P621). Ambas se desarrollan en el margen de temperatura de punto de rocode 50 C a + 20 C. La figura 2 muestra el esquema de circulacin del primera:

Figura 2: Comparacin CIPM-CCT/K6

En esta comparacin acta el NPL (Reino Unido) como piloto y el NMIJ (Japn) como suasistente. Participan 5 laboratorios europeos y 5 de otras regiones metrolgicas. Lafinalizacin del lazo europeo est prevista para finales de junio de 2005.

De esta comparacin se establecern los KCRV (Key Comparison Reference Values) a partirde las cuales se establecern las equivalencias entre los distintos participantes. Paradeterminar las equivalencias con otros pases es necesario establecer las correspondientescomparaciones claves regionales equivalentes en protocolo y margen de medida. Este es elpropsito del proyecto EUROMET P621. Esta comparacin se desarrolla en tres lazossimultneos y cada lazo se ve enlazado con otro a travs de dos participantes comunes.Adems se enlaza con la CCT/K6 a travs de los participantes de sta (subrayados en lafigura). El INTA participa en los lazos 2 y 3. La figura 3 muestra el esquema de estacomparacin.


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Figura 3: Comparacin EUROMET-P621

Se ha aprobado un nuevo proyecto (P717) para una comparacin clave en el margen dehumedad alta (hasta 80 C), en el que tambin participa el INTA.

3. RESULTADOS Y DISCUSIN

A continuacin se presentan algunos de los resultados pertinentes a lo desarrollado en elapartado anterior. La figura 4 muestra el estudio de gradientes de temperatura en el fluido delsaturador del generador patrn de baja, para temperaturas de saturacin de 70 C a +10C.

Figura 4: Gradientes en el saturador del generador de baja

Los resultados se corresponden a la diferencia entre la temperatura obtenida con un

Termmetro de Resistencia de Platino Patrn de 25 a 0 C (TRPP) y cuatro Termmetros de

MIKES

IMGC

INTA

NPL

NMi

!

"

-0,03

-0,02

-0,01

0,00

0,010,02

0,03

-75 -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 15

Tem per atura de saturacin (C)

TRPP-TRP(C)


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Resistencia de Platino de 100 a 0 C. El trazo que se mantiene prximo a la lnea de 0 C se

corresponde con la medida diametralmente opuesta al TRPP y a la misma profundidad deinmersin, cerca de la salida del saturador, mientras que los otros tres se refieren a otras

posiciones ms alejadas. En todo caso, las diferencias son menores de 0, 015 C.

Figura 5: Gradientes (medidas en gas y liquido) en el saturador del generador de alta

La figura 5 muestra el estudio de diferencias entre las medidas en aire y en lquido. Se observaque los crculos slidos muestran una diferencia menor a alta temperatura. Esto es debido auna investigacin sobre una variacin del mtodo de variacin de la presin, pudiendo lasdiferencias obtenidas anteriormente, ser debidas a la evaporacin de agua proveniente de lavlvula de expansin, sobre el TRPP en gas, producido al variar la temperatura del bao.

Figura 6: Histrico del higrmetro monitor del generador patrn de baja

La reproducibilidad del conjunto generador-patrn de transferencia (monitor) del generador debaja en el margen de la comparacin CCT-K6, de 50 C a 20 C se muestra en la figura 6. Los

resultados estn dentro de los lmites de 0,025 C.

La figura 7 muestra los resultados del generador de alta en el margen de 10 C a 75 C. Los

resultados estn dentro de los lmites de

0,025 C

-0,12

-0,08

-0,04

0,00

0,04

-55 -45 -35 -25 -15 -5 5 15 25

Tem per atura de punto de roco (C)

TRP-EN60571(td)(Ohm)

-0,05-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

0,00

0,01

0,02

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tem peratura de Saturacin (C)

Gas-Fluido(C)


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.

Figura 7: Histrico del higrmetro monitor del generador patrn de alta

4. CONCLUSIONES

Se ha descrito el proceso empleado en la realizacin de la temperatura de punto de rocoutilizando como referencia los generadores de dos-presiones que conforman el patrn nacionalde humedad. Se han descrito las magnitudes de influencia que contribuyen a su incertidumbrey se ha descrito la capacidad de medida y calibracin de la unidad derivada de humedad en elcontexto de las CMC presentadas por otros pases europeos. Se han presentado las

actividades necesarias para asegurar la equivalencia internacional de la realizacin de latemperatura de punto de roco, dentro del MRA del CIPM. Esta capacidad sirve para ladiseminacin de la unidad mediante la utilizacin de higrmetros de punto de roco que sirvende trazabilidad a los laboratorios acreditados por la Entidad Nacional de Acreditacin [9].

5. REFERENCIAS

[1] Real Decreto 346/2001, de 4 de abril (BOE 19-abril-2001), por el que se declara alLaboratorio de Temperatura y Humedad del Instituto Nacional de Tcnica Aeroespacial,laboratorio asociado al Centro Espaol de Metrologa y depositario del patrn nacional de launidades derivada de humedad.

[2] ORDEN de 27 de abril de 2001 (BOE 14-mayo-2001), por la que se define el patrnnacional de la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades de humedad.

[3] R. Benyon, R. F. Pragnell, Development of the Spanish National Humidity StandardFacility, Proc. Intnl. Symp. on Humidity and Moisture. Teddington. U.K. (1998), 37-44

[4] R. Benyon et al, Desarrollo de los patrones nacionales de humedad, Actas del 2 CongesoNacional de Metrologia. Sevilla. (2000).

[5] A. Actis, et al.,The use of a humid air generator as a reference method for the measurementof humidity, Proc. Int. Symp. on Humidity and Moisture. Teddington. U.K. (1998), 10-19

[6] P. Macrodt, R. Benyon, G. Scholz, State-of-the-art calibration of high-range chilled-mirrorhygrometers and their use in the intercomparison of humidity standard generators, Proc. Intnl.

Symp. on Humidity and Moisture. Teddington. U.K. (1998), 159-166

[7] R. Benyon, P. Huang, An intercomparison of INTA and NIST Humidity StandardGenerators, Proc. Intnl. Symp. on Humidity and Moisture. Teddington. U.K. (1998), 28-36

-0,14

-0,10

-0,06

-0,02

0,02

0,06

-15 -5 5 15 25 35 45 55 65 75

Tem peratura de punto de r oco (C)

TRP-EN60571(td)(Ohm


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[8] J. Lovell-Smith, R. Benyon "Bilateral comparison of the Spanish and New Zealand national

humidity standards", Proc. of International conference on Temperature Measurement:TEMPMEKO 01, Berlin, June 2001, 2, 873-878

[9] http://www.enac.es

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