Control de humedad con Arduino

Restauración de la Ermita del Cristo del Calvario de Eslida.

Tratamiento interior y exterior de humedades.

Debido a su ubicación en la ladera de una montaña y por la naturaleza del terreno, parte de la humedad del suelo asciende por capilaridad a través del mortero de los muros de mampostería. La intervención sobre esta ermita consiste en reparar los daños ocasionados en los paños interiores del templo, revestidos con yeso y estuco y minimizar o reducir el efecto de la humedad natural al máximo posible en ellos.

 Como primera parte de la intervención se ha efectuado una zanja en el exterior del templo sustituyendo el terreno por bolos que ayudan a cortar la ascensión capilar, en esta parte se excavan entre 40 y 50cm de terreno y se baja a dicha cota la presencia del agua contenida en el terreno. 

Interiormente se ha rebajado hasta 60cm el nivel del suelo, y sobre dicha cota se levanta una solera ventilada (sistema Caviti), de forma que a través de los casetones y de un sencillo sistema de compartimentación interior se fuerza una corriente de aire que pase por la base de los muros para desecarlos inferiormente y rebajar la cantidad de humedad contenida en él.

Finalmente las paredes se enfoscarán con mortero de cal permeable al vapor de agua, en lugar de yeso, para favorecer una mayor evaporación del agua que pueda remontar a cotas superiores del nivel del suelo.

Para inducir la ventilación, que es de tipo forzado a través de la solera, se ha diseñado con "arduino" un sistema para controlar la humedad y la temperatura en la cámara del suelo, ello permite actuar de forma más segura en los niveles de humedad interna y activar el ventilador sólo en los casos más favorables cuando se dan las condiciones idóneas de aire exterior para ventilar: humedad inferior al 50% y temperatura superior a 15º. Hay combinaciones de baja temperatura que permiten igualmente secar el interior (el aire frío contiene en peso menos cantidad de vapor de agua que el caliente), pero enfriar en exceso la cámara puede dar lugar a una condensación posterior en caso de aumento de la humedad, situación que no mejoraría las condiciones de los muros, por ello se limita inferiormente la temperatura a 15º.

Se disponen tres sensores, uno en la toma de aire exterior y dos en las salidas de la capilla lateral y altar.

Se han ubicado en el suelo varias rejillas de salida de aire, dos en el altar y dos en la capilla norte y una en la sacristía. La salida del aire se efectúa a través del óculo superior en la capilla sur y de una rejilla próxima a la cubierta de la sacristía.

Excavación del exterior de la ermita.

Excavación del interior de la ermita

 

Montaje de los casetones (Sistema Caviti) sobre riostras de hormigón dejando libre parte del terreno para permitir su ventilación.

Aspecto tras el hormigonado de la solera ventilada. Enfoscado de paredes con mortero de cal hasta una altura de 1,50-2,00m en el interior de la ermita. En la sacristía se han suprimido las paredes de ladrillo que hacían  de cámara y que también estaban afectadas por la humedad. Se ha eliminado el falso techo y se ha dejado vista la estructura de la cubierta.

Hueco para el ventilador de la solera.

Ventilador  de 760m3/h. Ø250mm

Sacristía. 

   

                                                                 Colocación del solado.

                                                                Rejillas de ventilación.

                                                    Reparación y sustitución de falsos techos

Inicio de la limpieza y decapado de la pintura

 Montaje de la circuitería del sistema de ventilación con un módulo de arduino UNO como unidad de control.

 

Calibrado del sensor DHT11 en arduino

Al comprobar las medidas de los sensores tras el montaje, tanto en la protoboard como en la instalación final, éstos diferían en gran medida con la realidad, sobretodo para el valor de la humedad. Si bien en teoría están calibrados y poseen una precisión del 5%, las lecturas comparadas con dos higrómetros digitales diferían hasta en un 30% en algunos casos para la humedad (valor nominal) y  hasta 6ºC para la temperatura en uno de ellos. Algunos sensores a través de los cables pueden tener alteraciones en la medición debido a caida de tension por la longitud de los mismos o por variaciones en la temperatura de los mismos (efecto joule o variación de la temperatura por otros medios). Aunque no era este el caso, en ocasiones donde se necesite una lectura fiable puede ser necesario aumentar la calidad o sección de los cables y aislarlos con coquilla térmica.

Cambiando a otro módulo arduino y volviendo a efectuar las mediciones se repetía el patrón de desfase. Por tanto entiendo que no todos los sensores (estos adquiridos a través de internet) tienen la misma precisión y que en adelante habrá que adquirirlos en tiendas especializadas que den cierta garantía a los mismos.

La forma de resolver el calibrado es vía software, ya que cada sensor lleva su propia electrónica calibrada de serie en un encapsulado, e intentar alterar los valores de las resistencias que ajustan los valores de la lectura podría ser bastante complejo.

                                           Variación entre la lectura del sensor y el higrómetro

Lo más sencillo en este caso es corregir las medidas a las variables que almacenan las  lecturas tanto de humedad como de temperatura.

De ser necesario un calibrado preciso habría que tener un laboratorio para reproducir dos condiciones extremas tanto para la temperatura como para la humedad y comparar con un higrómetro de referencia, y con esas lecturas obtener la relación a aplicar. En principio debería ser la ecuación de una recta tipo Y= a·X+b, obtenida como corrección a la recta de los dos  parámetros extremos de referencia, siendo necesaria una ecuación para la temperatura y otra para la humedad.

En ambos casos como se trata de un único valor que no está relacionado con otra unidad y lo que hay que corregir es el desfase, en el eje X se sitúan los valores de la medición mínima y máxima de referencia del higrómetro, y sobre el eje Y los valores del higrómetro y del sensor. Se obtendrán dos rectas que no tienen porqué coincidir con el siguiente dibujo (podrían cruzarse o estar la recta del sensor por encima de la de control), lo importante es buscar las correcciones a los parámetros a y b de la recta del sensor, donde “a” es la tangente de la recta (sena / cosa) y b el valor para Y en el origen X=0. Dividiendo el valor de  a  de la recta de control por el valor a’ de la recta del sensor se obtendrá el parámetro de corrección de la pendiente, que podrá ser mayor que la unidad si las medidas del sensor son inferiores a las de control  o inferior a la unidad si los valores del sensor son superiores a los valores de control., restando b’ a b se obtendrá el valor de la corrección en el origen.

En la práctica dado que no se requieren en mi caso valores muy precisos para hacer funcionar el ventilador basta con suponer que la pendiente de la recta no varía en gran medida (correción  de a=1) y sólo es necesario corregir el desfase (b) de la ecuación, cosa que es en la práctica más sencillo de comprobar.

Si tenemos definida la variable que lee la temperatura sin calibrar como:

  h1 = dht1.readHumidity();  

  t1 = dht1.readTemperature();   

Una vez efectuadas las medidas máxima y mínima (dentro del rango de funcionamiento normal del equipo) y comparadas con un higrómetro más exacto sumamos o restamos directamente la diferencia ponderada obtenida para h1 y t1, (b= (b1+b2)/2) entre las lecturas, de forma que cada variable quedará expresada de la siguiente forma:

  h1 = dht1.readHumidity();  

  t1 = dht1.readTemperature();   

h1 = h1+b ;  // b= media ponderada entre la diferencia de humedad respecto al higrómetro de control

t1= t1+b  ;   // b= media ponderada entre la diferencia de temperatura respecto al higrómetro de control

b será en cada caso un valor numérico constante que podrá ser positivo o negativo según los resultados obtenidos al comparar con el higrómetro de control.

 

a

Compilado y reprogramado del módulo arduino.

Actualización 27 junio 2017

Finalmente he sustituido los sensores DHT11 por DHT22, más precisos que los anteriores sobretodo con la humedad, y también después de probar con varios modelos (hay muchas variaciones y fabricantes de este sensor) he concluido que no todos tienen la misma calidad ni precisión, sobretodo en los DHT11. Si se adquieren  en tiendas especializadas posiblemente tengan más garantías y calidad . De los que conseguí por internet (mucho más económicos) tan sólo una remesa de sensores tenía bastante homogeneidad en las medidas, y comparado con las estaciones metereológicas coincidían adecuadamente en valor. Concluyo que el DHT11 es adecuado para aplicaciones como las previstas en este proyecto, donde no se requiere una gran  precisión (un grado arriba o abajo no es relevante) .

Otro efecto observado es que cuando en un sensor se alcanza la saturación las mediciones de humedad empiezan a fluctuar de forma errática, seguramente la condensación de agua altera los contactos internos y hasta que se vuelve a un valor más bajo de humedad las mediciones son poco fiables.

El mismo sistema puede emplearse para climatizar una vivienda de forma adecuada, y más económica que con el aire acondicionado, si se prevé adecuadamente en fase de diseño una o varias tomas de ventilación exterior, y éste el objetivo del siguiente proyecto.  

 

Actualización 16 junio 2018

Después de dos años de funcionamiento ininterrumpido el sistema de control de temperatura ha fallado. En la inspección del equipo se encuentra que el fusible está fundido, que el cable de datos del sensor 2 está abierto (algún cable cortado) y que el sensor 2 y todas sus conexiones están oxidadas o sulfatadas.

A lo que se prestan dos supuestas fallas: por daño en el sensor o el cable que haya provocado algún tipo de cortocircuito y haya hecho actuar el fusible, o que se haya producido alguna sobretensión que igualmente haya fundido el fusible.

                      Ubicación del fusible antes del filtro de la fuente. El varistor naranja es el que ha actuado.

El tema cortocircuito del cable o sensor queda descartado ya que la tensión del sensor es de 5v y no se ha producido ningún daño ni al módulo arduino, ni a la fuente. De hecho el cable está cortado en algún punto y no le llega tensión al sensor, así que el posible óxido y sulfatación de los componentes se deba precisamente a la falta de voltaje que alimente al sensor, el otro sensor interno en igualdad de condiciones y con tensión de 5v está intacto.

Al desmontar la placa para sustituir el fusible se aprecia en el plástico de la caja una especie de fogonazo (que no ha sido tal, sin más bien una repentina subida de temperatura que ha evaporado parte de la resina de soldadura que suele quedarse en las inmediaciones de las soldaduras de los componentes). Coincide exactamente en la posición del primer varistor del filtro de protección, así que lo más probable es que se haya producido un pico de tensión, el varistor se ha puesto en corto y automáticamente ha saltado el fusible.

Conclusiones de este primer fallo:

El empleo de un circuito de filtro y protección antes del resto de componentes ha sido un acierto y ha evitado el daño del resto de componentes. El uso de un fusible de 1 Amperio es adecuado, puesto que es más sensible a picos, y al tener un bajo consumo la fuente con el módulo arduino, los sensores y el relé, es muy difícil que se funda por el propio funcionamiento del equipo. Como mejora al circuito inicial se ha añadido un portafusibles para reemplazarlo más fácilmente.

Los cables y sensores empleados en una cámara de aire expuestos a una humedad alta no son duraderos si no hay tensión en el equipo. Apenas un año ha bastado para oxidar componentes y sulfatar los conectores en uno de los sensores.

Este tipo de sensores, tanto los DHT11 como los DHT22 son poco fiables y duraderos en condiciones de humedad próximos a la saturación, por un lado porque al llegar a valores próximos al 100% de humedad la precisión se pierde, tanto en temperatura como en humedad (el fabricante indica un 5% de precisión inicial), por otro porque se pueden oxidar muy fácilmente y se pierde la conexión o se dañan los componentes. Si se extraen del ambiente húmedo y se vuelven a comprobar en otro entorno más seco junto a un sensor de control dan lecturas totalmente erróneas muy por encima de los valores reales.

 Sensor 2 dañado, se aprecia el óxido en el borne de conexión y pistas sulfatadas en la placa junto a los componentes.

El principio de funcionamiento del mecanismo del ventilador tenía en cuenta la lectura de tres sensores, y para economizar su funcionamiento y ponerlo en marcha sólo cuando las condiciones exteriores e interiores fueran las adecuadas se implantó el sistema controlado por Arduino. La experiencia de estos dos años y las frecuentes visitas de inspección han revelado que por problemas en la fiabilidad de los sensores el sistema casi nunca entraba en marcha, o lo hacía en pocas ocasiones. En general las condiciones de activación eran temperatura exterior superior a 15º y humedad baja inferior al 50% (que luego se amplió al 65% porque ese valor casi nunca se detectaba) y condiciones interiores de humedad en la cámara del suelo superiores al 80%.

En la práctica los sensores internos siempre daban humedades superiores al 80%, así que esta condición se podía haber obviado, al igual que estos sensores. El otro sensor que medía los valores externos, para que quedara cerca del exterior ( pero a salvaguarda de la intemperie), se ubicó a unos 3cm de la rejilla de toma de aire del ventilador, dentro de un tubo de PVC. En este tubo en condiciones de invierno se producen a veces condensaciones que pueden alterar tanto la medición de la temperatura como de la humedad, de manera que la lectura siempre era peor que las condiciones reales del exterior, y por tanto la respuesta del módulo arduino implicaba ventilador apagado.

Después de dos años los muros presentan buen aspecto frente a los daños que provocan las eflorescencias o las humedades, pero el olor a humedad en el interior del templo es alto. Éste procede de la humedad del terreno, que sale por las rejillas del suelo, lo que indica que en la cámara sigue habiendo mucha humedad y que no se ventila adecuadamente. En otros casos, donde sea posible, la salida de las rejillas es preferible hacerlas hacia el exterior del edificio.

Como medidas correctoras al sistema se indican las siguientes:

.- Colocar el sensor 1 de medida exterior al interior del templo, en la sacristía. En ella, pese a haber condiciones de humedad ligeramente superiores a la del exterior, siempre se estará en valores por debajo de la saturación, y al final el valor de la temperatura no es tan crítico (y es además más fiable en lecturas). De las dos condiciones de temperatura y humedad exteriores e interiores sólo se requieren las del exterior, y los dos sensores del interior de la cámara sólo aportan valores de control y no son necesarios para el funcionamiento del ventilador.

.-Los cables, conexiones y componentes que quedan dentro de la cámara de ventilación hay que aislarlos de la humedad. Los sensores han de estar separados del suelo y las paredes, y ubicados dentro de alguna pieza cerámica o porosa que en caso de haber condensación la absorba o facilite su drenaje

 Bornes sulfatados de la regleta de empalmes y cables del sensor oxidados y sulfatados.

Para  instalaciones similares a este caso es más directo instalar un temporizador, y mediante pruebas in situ ver cuánto tiempo es el adecuado para tener en marcha el ventilador, y posiblemente en esta ermita acabemos implementando este sistema. El control con arduino es fiable y preciso siempre que los sensores se mantengan en sus rangos de valores intermedios, donde no pierden su precisión. Por ello en otros usos similares, donde las condiciones de humedad no sean tan extremas, y se pueda monitorizar continuamente el equipo, por ejemplo un museo, una incubadora, un terrario, etc.,  se puede implementar a un coste relativamente bajo y con un buen control del consumo energético.

En esta ermita el control es más difícil, porque al tener un uso esporádico, muchas veces ha saltado el diferencial general anulando todo el funcionamiento, o se ha producido una avería o error en los sensores que no se ha detectado a tiempo y el equipo lleva varias semanas sin funcionar.