Medir la sensación térmica

Construcción de un medidor de humedad, temperatura real y la sensación térmica. Para este montaje voy a utilizar el sensor de temperatura y humedad DHT11, y como controlador utilizaré Arduino. La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.

Sensor DHT11

La temperatura y la sensación térmica

Es habitual que nos fijemos en la temperatura que muestra un termómetro, y rápidamente asociemos el valor que hemos leído con la sensación de frío o calor que vamos a sentir. Sin embargo, la sensación térmica varía en función de otros factores, como son la humedad relativa del aire y su velocidad.

Regulación térmica

El cuerpo humano intenta mantener su temperatura corporal a un valor constante, alrededor de los 37ºC y la piel es el principal órgano encargado de regular la temperatura:

  • Cuando aumenta la temperatura del cuerpo, se dilatan los vasos sanguíneos y aumenta el flujo de sangre por la piel, y la piel en contacto con el exterior hace de radiador y se reduce la temperatura. Si el calor es excesivo, se abren los poros y se comienza a sudar. El sudor es un método de enfriamiento muy efectivo, porque su evaporación provoca un enfriamiento mucho más rápido.

Sudor y humedad

  • Cuando el cuerpo se enfrí­a, los vasos sanguí­neos se contraen y el flujo sanguíneo se reduce. Los músculos son estimulados para generar más calor, pudiendo llegar a provocar temblores involuntarios. Así  el cuerpo puede aumentar su temperatura rápidamente en caso de necesidad.

En definitiva, la piel humana es el sensor que detecta las diferencias de temperatura entre el cuerpo y el ambiente, para reaccionar en consecuencia. Si tenemos en cuenta que la temperatura de la piel se mantiene alrededor de los 32ºC, la sensación térmica variará de forma más brusca, cuando más nos alejemos de dicho valor y dependerá de la humedad y velocidad del aire exterior.

Sensación térmica: Humedad/Temperatura

La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad  y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.

Gráfica: sensación térmica

 

La humedad en verano y en invierno

  • En verano, con temperaturas altas, un exceso de humedad en el ambiente impide que el sudor se evapore de forma eficiente, provocando una sensación de calor más alta.
  • En invierno, con temperaturas bajas, un exceso de humedad en el ambiente provoca una hidratación mayor de la piel, condensando partículas de agua en la superficie como si fuera sudor, y su evaporación provoca una sensación de frío mayor que la que muestra el termómetro

Si queremos saber el grado de frío o calor, sobre todo en las regiones de climas húmedos, es mucho más útil conocer la sensación térmica que la temperatura. La humedad relativa del aire, representada con las siglas HR o la letra griega Φ (fi), es la concentración de vapor de agua en el aire.

Una vez corregido el valor de temperatura con la sensación térmica debido a la humedad, si además hay viento con una velocidad superior a 12,5 km/h, habría que aplicar al valor obtenido una nueva corrección.

Sensación térmica con viento

La corrección con el viento es mucho menor que la provocada por la humedad. Como se puede ver en la gráfica anterior,  la sensación de calor aumenta a partir de 34ºC  y también disminuye a partir de ese mismo valor.

Medir la sensación térmica

La construcción de un medidor que muestre el valor de la sensación térmica, es sencilla y de bajo costo. Con Arduino el código de programación es muy corto, y además las fórmulas de corrección ya están incluidas dentro de las librerías del sensor DHTxx. Para este montaje utilicé el sensor DHT11, pero si se requiere una mayor precisión, es mejor utilizar el DHT22. El controlador de este medidor está hecho con Arduino, y la presentación de los valores se muestra en un display LCD de 2×16 caracteres. Todo el conjunto se podría fabricar sin tener que soldar ningún componente, utilizando un Arduino UNO junto con su ‘Shield LCD‘. El sensor de temperatura/humedad se puede conectar con terminales de conexión en la tarjeta Arduino, porque el sensor DHT11 se puede comprar montado en una pequeña placa PCB, en la que lleva montada una resistencia Pull-Up y el condensador de desacoplo para la alimentación. La alimentación de todo el conjunto es de 5 VDC, por lo que se podría utilizar cualquier cargador USB que tengamos en casa.

También puedes optar por hacer un montaje independiente, sin la placa de desarrollo de Arduino.  Así  te saldrá todo más barato y su tamaño será menor:

Esquema del medidor de temperatura, humedad y sensación térmica

Firmware (v1)

El código de programación de este medidor, junto con la librería de control necesaria para el sensor DHTxx, se puede descargar desde el siguiente enlace: Temperatura y humedad

Descargar fichero .stl

Thermometer showing the thermal sensation

El medidor de temperatura y humedad lo puedes montar dentro de en una pequeña caja de plástico  (100 x 60 x 25 mm), incluyendo dentro su propia fuente conmutada de 5VDC. Los detalles de este montaje, los puedes ver en el siguiente video:

Sensación y conductividad térmica

¿Por qué tiene tan mala respuesta a la temperatura el sensor DHT11?. El problema es que el sensor de temperatura DHT11 está encerrado dentro de una jaula de plástico, por lo que su conductividad térmica entre el exterior y el sensor es mala, y esto provoca que su tiempo de respuesta sea lento. Para corregir este fallo, he montado un segundo sensor de temperatura en el termómetro. He utilizado el sensor DS18B20 con encapsulado metálico para medir la temperatura, dejando el sensor DHT11 para medir la humedad y calcular la sensación térmica.

Tiempo de respuesta de un sensor

La respuesta en el tiempo de un sensor de temperatura depende de la conductividad térmica del material utilizado entre el elemento a medir (aire, líquido) y el sensor de temperatura. Como norma general, los materiales mas conductivos eléctricamente, también lo son térmicamente.

Conductividad térmica de algunos materiales

Utilizar un sensor de temperatura con encapsulado metálico, es una buena elección cuando se necesita obtener una respuesta rápida en la medida.

Tabla: Conductividad eléctrica y térmica

Aunque esto no siempre es imprescindible y hay veces que es mejor utilizar un sensor de respuesta más lenta, con el fin de mostrar la temperatura ambiente y evitar que se muestren cambios bruscos debido a una corriente de aire frío o caliente  ocasional.

Conductividad térmica

El sensor de temperatura y humedad DHT11 es de respuesta lenta y muy válido para mostrar la temperatura en zonas abiertas, pero no es el más adecuado para medir valores en recintos pequeños (sauna, cámara frigorífica, caldera).

¿Es útil el montaje anterior?

Dependiendo del uso que le quieres dar al medidor de temperatura ambiente, tendrás que elegir el sensor de temperatura que mejor se adapte al entorno. Si quieres mostrar la temperatura en un espacio abierto, el montaje anterior te podría servir. Pero si lo quieres para hacer medidas rápidas, o para mostrar los valores dentro de en un recinto pequeño, es aconsejable añadir al esquema anterior un segundo sensor de temperatura con encapsulado metálico.

Temperatura, humedad y sensación térmica con dos sensores.

Firmware (v2)

El código de programación del medidor con doble sensor, se puede descargar desde el siguiente enlace: Temperatura y humedad (v2)

 

 

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