El psicrómetro "helado"

Volviendo a los conceptos básicos de la medida de humedad atmosférica

RAM

Psicrómetro de garita, pareja de termómetros seco, izquierda, y húmedo, derecha. El bulbo del termómetro húmedo está envuelto en una muselina húmeda conectada a un depósito con agua destilada. Foto Ramón Baylina.

Notas de la RAM. Este artículo nace como consecuencia de las preguntas de un lector de la RAM sobre las medidas psicrométricas en condiciones de temperaturas bajo cero cuando se emplea la pareja de termómetros seco-húmedo o psicrómetro. En esos momentos el agua de la muselina, que envuelve el depósito de termómetro húmedo se puede congelar e, incluso, el propio recipiente del agua de donde está sumergida parte la muselina. En esas condiciones, y después de un tiempo, ambos termómetros pueden marcar lo mismo, dando lugar a medidas erróneas del punto de rocío y una humedad relativa con sobresaturaciones ficticias.

¿Cómo se realiza las medidas de humedad? La temperatura del termómetro húmedo puede ser más alta en algunos momentos que la del termómetro seco, dando sobresaturaciones absurdas ¿por qué y qué hay que hacer?.

Este artículo es el primero de una seria que se verán en la RAM.

Introducción

Una de las medidas meteorológicas convencionales e instrumentales que requieren más paciencia, y en las que el observador meteorológico muestra su buen hacer, es la medida de la humedad cuando las condiciones ambientales son muy frías y proclives a congelar el agua de la muselina y del deposito del termómetro húmedo. En estas condiciones las mediciones se deben realizar de forma paciente, cuidadosa y tomando el tiempo cronológico que sea necesario.

Hoy en día se disponen de sensores de humedad electrónicos y digitales, por lo que este problema se resuelve sin ningún esfuerzo en estas condiciones, ya que las medidas son directas en las estaciones modernas. Si dispones de un higrómetro convencional de cabello, no tendrás problemas en estimar la humedad relativa en condiciones extremas. Este sensor de humedad resiste muy bien condiciones adversas de frío.

En este trabajo nos centraremos en las medidas psicrométricas y, en especial, en condiciones bajo cero. Presentaremos algunas ideas recogidas en diferentes libros de observación meteorológica y el apartado de los manuales técnicos de la OMM referente a las medidas psicrométricas. Terminaremos con unos breves comentarios tomados de algunos observadores que se han tenido que enfrentar con esta problemática en su vida profesional y describiremos cómo lo han resuelto. Hemos subrayado en negrita y cursiva los párrafos más significativos. Todos estos temas serán desarrollados en éste y en sucesivos números de la RAM

Psicrómetro

Texto tomado del Manual del Observador de Meteorología, J.M. Jansá Guardiola, INM.

La humedad relativa y la tensión del vapor y el punto de rocío se determinan por medio del psicr6metro, con auxilio de Tablas.

El psicrómetro consta de un juego de dos termómetros iguales, uno de los cuales, llamado «termómetro seco», sirve sencillamente para obtener la temperatura del aire, y el otro, llamado «termómetro húmedo», tiene el depósito recubierto con una vaina de muselina humedecida por medio de una mecha que la pone en comunicación con un depósito de agua destilada.

El funcionamiento es fácil de comprender: el agua que empapa la muselina se evapora, y como para ello necesita calor se lo roba al termómetro, cuya temperatura, naturalmente, baja. El agua evaporada es reemplazada por la que llega a través de la mecha. El transporte se ajusta automáticamente, estableciéndose un régimen estacionario dependiente de la velocidad de evaporación, en el cual llega al termómetro exactamente la misma cantidad de agua que se evapora; ni más ni menos.

Ahora bien, la velocidad de evaporación, o sea la cantidad de agua evaporada depende de la humedad relativa del aire, pues si el aire está saturado es evidente que no podrá admitir ninguna nueva cantidad de vapor, mientras que si está muy seco la evaporación habrá de ser muy activa. Por otra parte, el descenso de temperatura provocado por la evaporación depende, a su vez, de la velocidad de ésta, pues también por este lado llega a establecerse un equilibrio estacionario entre el calor perdido a causa de la evaporación y el recibido del exterior y el descenso de temperatura no progresa indefinidamente, sino que se detiene en un punto más o menos bajo. En resumidas cuentas: el descenso de la temperatura depende de la humedad relativa y de la temperatura del aire, pero por desgracia no hay proporcionalidad.

La instalación del psicrómetro es muy sencilla. Los dos termómetros que lo forman van colgados verticales y paralelos de un soporte especial que les deja lo más libre posible a fin de que gocen de una buena circulación de aire. El depósito de agua destilada puede ser un largo tubo encorvado abierto por ambos extremos; por el agujero inferior penetra la mecha de algodón que debe llegar hasta la mitad del tubo; el agujero superior lleva un tapón y sólo se abre para cargar el tubo de agua. Sin embargo, es suficiente usar un pequeño frasco de boca ancha dentro del cual va metido uno de los extremos de la mecha.

El empalme entre la mecha y la muselina debe hacerse de manera que la mecha no «abrigue» el depósito del termómetro; tampoco la muselina debe dar más de una vuelta a su alrededor, pues se empaparía demasiado. La muselina debe cambiarse con más o menos frecuencia, según los lugares; cerca del mar se cubre de una costra de sal que la deja inservible en pocos días. Al efectuar una observación nunca debe estar seca.

Los dos defectos que puede sufrir el termómetro húmedo son que está demasiado seco o demasiado mojado; en ambos casos el error que resulta es del mismo sentido, dando valores de la humedad demasiado altos, pues sí está seco la evaporación es insuficiente y el descenso de temperatura demasiado pequeño, y si tiene un exceso de agua tiende a señalar la temperatura del agua que difiere muy poco de la del aire; en ambos casos habrá disminuido la diferencia de temperatura entre los dos termómetros y resultará, como decimos, exagerada la humedad relativa. «Un psicrómetro no da nunca humedades demasiado bajas»; si se observan humedades muy bajas hay que admitirlas como verosímiles; en cambio, si resultan muy elevadas, cabe sospechar del aparato: hay que vigilarlo; la muselina debe estar húmeda, pero no debe chorrear.

Para efectuar una observación se abre la garita termométrica donde está instalado el psicrómetro, y se leen las dos temperaturas lo más rápidamente posible para evitar la influencia perturbadora del cuerpo del observador, y se halla la diferencia entre las dos lecturas.

Si es de noche hay que servirse de una lámpara eléctrica de bolsillo, que se mantendrá encendida el menor tiempo posible, sin acercarla al aparato más de lo indispensable.

Cuando la temperatura del termómetro húmedo baja de cero grados el agua se hiela. Para que la observación esté bien hecha debe formarse alrededor del depósito una vaina de hielo delgada y homogénea; si es preciso, se vierten sobre el depósito, «suprimiendo la muselina», con una pipeta, unas gotas de agua que se hielan inmediatamente, formando la mencionada vaina. El resto de la observación se termina como de ordinario.

Tablas psicrométricas. Las tablas psicrométricas permiten obtener la humedad relativa y la tensión del vapor conociendo el descenso de temperatura y la temperatura del aire. El descenso de temperatura es la diferencia entre los dos termómetros del psicrómetro; y la, temperatura del aire la da el termómetro, seco. En la confección de las tablas se ha preferido sustituir la temperatura del termómetro seco por la del húmedo. Contienen en su primera columna dicha temperatura de grado en grado, y en su primera fila las diferencias de temperatura, de dos en dos décimas.

Las Tablas se manejan en la forma conocida, entrando con la temperatura del termómetro húmedo y con la diferencia de temperaturas: en el cruce de las dos líneas correspondientes se encuentran la tensión del vapor y la humedad relativa. Si la temperatura leída (en grados y décimas) no se encuentra exactamente hay que «interpolar»; la segunda columna contiene la variación de la tensión del vapor por cada décima de temperatura. Se procede en la siguiente forma: se busca en las tablas la temperatura más próxima menor a la leída y se toma la tensión del vapor que le corresponde; se multiplica el número de décimas que la temperatura leída excede a la encontrada en las tablas por el número correspondiente de la segunda columna y se suma este producto a la tensión encontrada antes; el resultado es la tensión buscada. Por ejemplo:

Diferencia de temperaturas= 1,4º C.

Temperatura húmeda = 15,8º C.

Tensión correspondiente a 15,0º = 11,24.

Corrección por una décima correspondiente a. la temperatura 15,0º = 0,08.

Exceso de la temperatura leída sobre la encontrada = 15,8º 15,0º =0,8º C.

Producto= 8 X 0,08 = 0,64.

Tensión corregida = 11,24 + 0,64= 11,88.

Si la diferencia de temperatura es impar tampoco se encontrará en las tablas, pero se puede prescindir de la interpolación, cuya corrección en todo caso es muy pequeña, procurando que la diferencia sea siempre par, para lo cual al hacer la lectura de los termómetros tendrán que ser o ambas pares o ambas impares: si una es par y la otra impar se «forzará la que parezca menos exacta», con lo cual no se comete nunca un error mayor que una décima y casi nunca mayor que media. La humedad relativa varía mucho más lentamente que la tensión, Por lo cual la interpolación puede hacerse siempre a simple vista.

El punto de rocío sólo depende de la tensión y se obtiene después de calculada ésta, sirviéndose de la Tabla adecuada.

El psicrómetro

Texto tomado de Elementos de Meteorología de E. Fontseré

Desde hace ya bastante tiempo, el único aparato generalmente usado en los observatorios para la determinación de la humedad es el psicrómetro, que se funda en el enfriamiento producido por la evaporación del agua. La rapidez de esta evaporación, a igualdad de otras circunstancias, depende de la humedad atmosférica. Si, pues, observamos simultáneamente dos termómetros, uno seco y otro que tenga su depósito totalmente envuelto en una muselina húmeda, este último marcará una temperatura más baja que la del primero, tanto más baja cuanto más rápida sea la evaporación, es decir, cuanto más seco esté el aire. El conjunto de los dos termómetros, seco y húmedo, constituye un psicrómetro.

La muselina no ha de ser muy tupida; sólo lo suficiente para que con una sola capa impida ver el depósito, el cual ha de quedar cubierto en toda su longitud. Cuando hay que cambiarla, lo mejor es coser con un embaste una especie de funda o dedo de guante en que se introduce el depósito del termómetro, asegurándola después con una ligadura.

La observación del psicrómetro requiere una perfecta comprensión de los fenómenos que se realizan en el mismo, y son bastantes las estaciones para las cuales los resúmenes meteorológicos dan humedades evidentemente demasiado altas, imputables a falta de paciencia por parte del observador.

La evaporación en el termómetro húmedo, hasta que alcanza su temperatura de régimen, es un fenómeno algo complicado. Aun prescindiendo de las rápidas y no insignificantes variaciones de la humedad del ambiente, el equilibrio térmico en el termómetro mojado sólo se establece de una manera fugaz. Alrededor de la muselina se forma una capa de aire húmedo que el viento se va llevando, y en realidad la evaporación se efectúa en el seno de esa delgada atmósfera semisaturada, cuya continua desaparición depende de la velocidad del viento. El equilibrio térmico, en un régimen regular y permanente, se establecería cuando la cantidad de calor robada al termómetro por la evaporación fuese igual a la que le cede el aire que va poniéndose en contacto con él; entonces el descenso de temperatura habría llegado a un máximo, que se mantendría invariable. En saber apreciar ese máximo descenso consiste principalmente la habilidad del que observa un psicrómetro.

Para evitar el tener que aguardar el momento en que ese máximo se alcanza, muchos psicrómetros llevan anexo un depósito de agua (destilada o de lluvia) que mediante una torcida de algodón va humedeciendo continuamente la muselina del termómetro, consiguiéndose así que éste se encuentre siempre en estado de régimen; pero el procedimiento tiene sus inconvenientes en los núcleos urbanos o industriales o cerca de los caminos frecuentados, donde el humo y el polvo no tardan en formar sobre la muselina una costra o engrudo que exige frecuentes recambios.

Cuando por esta circunstancia se considera preferible mojar la muselina al tiempo de hacer la observación, se emplea para ello una pipeta o un vasito con agua de lluvia, que se levanta un momento para proceder a un mojado completo y se retira después a un lado para que no influya en la humedad de las cercanías del psicrómetro. Esta operación es la primera que se realiza antes de empezar las observaciones con los demás aparatos, y cuando éstas han terminado, se vuelve al psicrómetro, y después de cerciorarse de que el termómetro húmedo <>, se hace la lectura de los dos termómetros. Si se viese que todavía continúa el descenso, se aguardaría el tiempo necesario.

En tiempo frío, cuando el termómetro húmedo desciende bajo cero, el agua se hiela sobre él y hay que tener en cuenta varias circunstancias. Primeramente, en el momento de helarse la muselina, el termómetro húmedo se pone repentinamente a 0º, pudiendo darse el caso de que su temperatura sea durante un buen rato muy superior a la del termómetro seco. Entonces hay que esperar, para leerlos, a que se haya alcanzado aquel máximo descenso antes indicado, y no es raro el caso de tener que aguardar un cuarto de hora, y aun mucho más, para conseguirlo. Si en la estación se sigue el método de humidificación continua, la evaporación puede haber hecho desaparecer toda el agua de la muselina, que no se puede reponer por causa de la congelación de la torcida. En estas condiciones de tiempo frío, sobre todo si sobreviene con calma atmosférica, es cuando el observador demuestra mejor su ars faciendi y su compenetración con los hechos físicos que ocurren en su presencia.

Los dos termómetros que constituyen el psicrómetro han de reunir especiales condiciones. Como que en el valor de la humedad relativa influye más la diferencia de las dos temperaturas que la temperatura absoluta del ambiente, los fabricantes preparan para los psicrómetros parejas de termómetros de mercurio gemelos, es decir, del mismo modelo y de igual fabricación, y que además lleven exactamente el mismo error instrumental. De este modo se puede predecir que andando el tiempo cualquier alteración que se produzca en uno de ellos se producirá igual en él otro, y así la diferencia entre las temperaturas respectivas no estará nunca afecta de error importante.

El psicrómetro se instala en el interior del abrigo termométrico y su termómetro seco suele considerarse como el normal de la estación, con el cual se comparan los demás. Por esta razón, la temperatura del aire se denomina a veces “temperatura del termómetro seco”.

Se han calculado tablas psicrométricas para las diferentes funciones de la humedad; las que ordinariamente se emplean dan la humedad relativa o la tensión del vapor acuoso. Los valores de entrada en las tablas que se usan en la mayor parte de estaciones son la temperatura del termómetro húmedo V y la diferencia T T' entre los dos termómetros. Se han dispuesto así porque existe una discontinuidad en los valores de la humedad suministrados por el aparato, según que sea agua o hielo lo que recubre la muselina; para evitar titubeos respecto a este punto, se puede admitir que T' = 0 marca el límite entre ambos casos.

En las altas montañas, y en general cuando la presión atmosférica difiere mucho de 760 mm, hay que hacer además una corrección por causa de la presión.

Comentarios de observadores

Hemos hecho un sondeo entre algunos observadores experimentados que han tenido que enfrentarse a este problema de tener la mecha o muselina del termómetro húmedo congelados y sus modus operandis eran muy parecidos. Todos eran conscientes del problema al que se enfrentaban y entendían la problemática y la termodinámica del termómetro húmedo en estas condiciones.

- Al abrir la garita me encontré un día con el depósito de agua y la muselina que envolvía al bulbo del termómetro húmedo congelado. Tuve que retirarlos y poner un nuevo depósito con agua destilada y con muselina nueva. Realice las mediciones oportunas y entre los 5 y 10 min., posteriores al cambio, según el día sin que el agua de la muselina se hubiera congelado.

- En mis años de trabajo no me he encontrado nunca el agua de la muselina congelada, aún teniendo temperaturas bajo cero en el termómetro de la garita.

- Normalmente no me encontraba el depósito del agua congelado pero sí, a veces, la muselina. Echábamos agua destilada sobre ella con un cuentagotas y esperábamos 10 ó 15 minutos para realizar la medida. En muchas ocasiones se tuvo que poner una muselina nueva.

- Nosotros no le echábamos agua a la muselina congelada, sino que cambiábamos todo directamente. Además, no recuerdo haber hecho este cambio nunca de noche (21, 00, 03 UTC) , ni tampoco que, una vez cambiado, se volviera a congelar.

Como puede observarse, el cambio de muselina y, en ocasiones, del depósito de agua son los pasos a seguir para una buena medida de la humedad a partir del psicrómetro en condiciones de adversas de frío, cuando el agua está congelada sobre la muselina. Se deja pasar varios minutos para seguir realizándose las medidas oportunas.

Siguiente artículo:

Algunas consideraciones técnicas basadas en los manuales y guías de la OMM

Referencias (los links han dejado de funcionar a fecha de nov. 2017)

Formulas psicrométricashttp://www.srh.noaa.gov/elp/wxcalc/formulas/rhTdFromWetBulb.html

Tablas psicrométricas y herramienta interactivahttp://www.met.wau.nl/Courses/Micrometcourse/Modules/WaterVapour/ModulePage3.html

Manual del Observador de meteorología. J.M. Jansá Guardiola. Publicación del INM.

Elementos de Meteorología. E. Fontseré. Editorial Gustavo Gili S.A., 1943.

Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos. OMM. 1996. ISBN: 92-63-36008-1. Precio: 150.- Fr.S