CAPTEUR D’HUMIDITÉ (Hygromètres) Année Universitaire 2014 ~ 2015 CAHANDA, FRANCISCO 1er Année en GEII

1-INTRODUCTION 1)Introduction 2)Les définitions de l'humidité atmosphérique 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique Il est souvent nécessaire, dans de nombreux domaines industriels, de connaître et de réguler le taux d'humidité de l'air. En tant que premier élément d'une chaîne de régulation, un "bon" capteur d'humidité aurait donc de nombreuses applications.

SOMMAIRE 1)Introduction 2)Les définitions de l'humidité atmosphérique 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique 5)Capteur d’humidité a)Psychromètre b)Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu ii.Hygromètre à condensation a.hygromètre à point de rosée b.Hygromètre résistif c.Hygromètre capacitif iii.Difficulté d'emploi : la condensation

2-Les définitions de l'humidité atmosphérique 1)Introduction 2)Les définitions de l'humidité atmosphérique 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique L'air de la troposphère contient toujours une certaine quantité d'eau à l'état gazeux. Cette vapeur d'eau provient soit de l'évaporation des eaux de surface (océans, mers, lacs,...), soit de la transpiration des végétaux, des animaux ou encore des activités humaines (industries). Humidité absolue (HA): Que l'on exprime en grammes de vapeur d'eau par mètre cube d'air. On peut, en refroidissant suffisamment l'air, condenser cette vapeur d'eau et en déterminer la quantité. Capacité hygrométrique maximale (CHM):L'air ne peut contenir une quantité infinie de vapeur d'eau ; Humidité relative (HR):C’est le rapport entre la quantité de vapeur d'eau réellement contenue dans une masse d'air à une température déterminée (humidité absolue) et la quantité maximale de vapeur d'eau que la masse d'air pourrait contenir à la même température (capacité hygrométrique maximale). Ce rapport exprimé en % détermine l'humidité relative (HR) de la masse d'air. A la saturation, l'humidité relative vaut 100%. Capacité hygrométrique maximale (CHM):L'air ne peut contenir une quantité infinie de vapeur d'eau ; à partir d'un certain seuil appelé capacité hygrométrique maximale (CHM), l'eau peut se condenser et repasser à l'état liquide, l'air a atteint alors la saturation(et la temperature detectée est appelée ‘température de rosée’). Cette capacité hygrométrique maximale est fonction de la température de la masse d'air : Plus l'air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d'eau. Humidité relative (HR):C’est le rapport entre la quantité de vapeur d'eau réellement contenue dans une masse d'air à une température déterminée (humidité absolue) et la quantité maximale de vapeur d'eau que la masse d'air pourrait contenir à la même température (capacité hygrométrique maximale). Ce rapport exprimé en % détermine l'humidité relative (HR) de la masse d'air. A la saturation, l'humidité relative vaut 100%.

3-Influence de T et P 1)Introduction 2)Les définitions de l'humidité atmosphérique 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique Cependant l'influence de la pression pour une application en milieu extérieur reste minime,du fait de la faible amplitude des variations barométriques. Ainsi les mesures à effectuer ne prendront en compte dans un premier temps que la température comme grandeur d'influence. Les travaux de MOLLIER ont permis de mettre en évidence la relation entre température et humidité relative. Le diagramme directement issu de ses recherches montre cette relation

4-Table psychrométrique 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique 5)Capteur d’humidité a)Psychromètre b)Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu Cette table permet de connaître l'humidité relative (exprimée en %) à partir de la lecture des températures indiquées par le thermomètre sec et le thermomètre humide disposés côte à côte.

5-Capteur d’humidité a-Psychromètre 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique 5)Capteur d’humidité a)Psychromètre b)Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu Un psychromètre est un instrument de mesure destiné à connaître des caractéristiques énergétiques de l'air humide Il est constitué de deux thermomètres mesurant au même moment et au même endroit la température de l'air (dite température sèche) et sa température humide. La différence entre ces deux températures données par le psychromètre permet d'accéder à l'ensemble des données énergétiques de l'air humide et en particulier son humidité relative. L'utilisation d'un abaque ou d'une "table psychrométrique vu precèdemment permet de connaître l'humidité relative. La différence de température peut atteindre plusieurs degrés Celsius. Un psychromètre est un instrument de mesure destiné à connaître des caractéristiques énergétiques de l'air humide Il est constitué de deux thermomètres mesurant au même moment et au même endroit la température de l'air (dite température sèche) et sa température humide. Pour mesurer la température humide (ou température du thermomètre mouillé), il faut techniquement que le deuxième thermomètre soit entouré d'une mèche imbibée d'eau liquide et que l'air humide en contact avec ce thermomètre s'écoule autour de celui-ci avec une vitesse suffisante. Ainsi, en régime permanent, le séchage de la mèche humide provoque une baisse de température isenthalpique jusqu'à saturation de l'air en contact immédiat avec le thermomètre. La différence entre ces deux températures données par le psychromètre permet d'accéder à l'ensemble des données énergétiques de l'air humide et en particulier son humidité relative. L'utilisation d'un abaque ou d'une "table psychrométrique vu precèdemment permet de connaître l'humidité relative. La différence de température peut atteindre plusieurs degrés Celsius.

b-Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique 5)Capteur d’humidité a)Psychromètre b)Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu Utilise la propriété du crin de cheval ou du cheveu humain de s'allonger ou se raccourcir lorsque l'hygrométrie varie. L'allongement du cheveu est de l'ordre de 2% lorsque l'humidité (relative) varie de 0 à 100%. De manière anecdotique, les cheveux blonds sont plus sensibles aux variations d'humidité que les cheveux bruns. L'hygromètre à cheveux est peu fiable étant donné qu'il est aussi fortement sensible à la température. L'hygromètre le plus simple est l'hygromètre à cheveu, qui utilise la propriété du crin de cheval ou du cheveu humain de s'allonger ou se raccourcir lorsque l'hygrométrie varie. L'allongement du cheveu est de l'ordre de 2% lorsque l'humidité (relative) varie de 0 à 100%. De manière anecdotique, les cheveux blonds sont plus sensibles aux variations d'humidité que les cheveux bruns. L'hygromètre à cheveux est peu fiable étant donné qu'il est aussi fortement sensible à la température.

ii.Hygromètre à condensation a.hygromètre à point de rosée b)Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu ii.Hygromètre à condensation a.hygromètre à point de rosée b.Hygromètre résistif Pour mesurer l’humidité relative on peut aussi en pratique procéder à la mesure de la température de rosée avec un hygromètre dit à point de rosée dont le schéma de principe est figuré ci-dessous. Pour mesurer l’humidité relative on peut aussi en pratique procéder à la mesure de la température de rosée avec un hygromètre dit à point de rosée dont le schéma de principe est figuré ci-dessous. Il s’agit en fait de prélever un échantillon de l’air à mesurer et de l’amener au contact d’un miroir que l’on refroidit et dont on mesure la température. Lorsque celle-ci atteint le point de rosée l’eau se condense et le faisceau lumineux n’est plus réfléchi par le miroir, la mesure de la températureà l’instant d’interruption du faisceau permet de connaître la température de rosée et par suite l’humidité relative de l’air.

b.Hygromètre résistif a.hygromètre à point de rosée b.Hygromètre résistif c.Hygromètre capacitif iii.Difficulté Par mesure de la résistance, on peut connaître le taux d'humidité de l'objet étudié et mesurer ainsi l'humidité de matériaux de construction (plâtre, béton etc.) papier cuir tabac coton houblon bois Céréales Sur un support de faible dimension, on dépose une quantité de substance hygroscopique suivant un motif constituant une résistance. Celle-ci dépendra donc à la fois de la teneur en eau et de la température. Ex: le capteur type H104C de Toshiba céramique ZrCrO4 matériau poreux à base de vanadium R = 300KW à 30%RH R = 4KW à 90%RH Si cette solution donne théoriquement des temps de réponse courts, la courbe de réponse d'un tel capteur montre un hystérésis important et une nette tendance à dériver en température. Le domaine de mesure pour ce type de capteur s'étend généralement de 5% à 95% d'humidité pour des températures comprises entre -10°C et 50°C. Le temps de réponse est théoriquement de l'ordre de 10s pour une précision de 5% environ.

c.Hygromètre capacitif ii. Hygromètre à condensation Hygromètre à point de rosée Hygromètre résistif c. . hygromètre capacitif iii. Difficulté d'emploi : la On mesure la capacité d'un condensateur dont le diélectrique est hydrophile. Le principe de ce type de capteur est basé sur la variation de la capacité d'un condensateur par l'intermédiaire de sa constante diélectrique. Le diélectrique, d'une épaisseur de quelques microns, absorbe les molécules d'eau de l'air ambiant jusqu'à l'équilibre. Sa capacité est alors donnée par la formule: La figure ci-dessus représente un capteur capacitif développé au LETI (Grenoble) et commercialisé par la compagnie CORECI à Lyon. Il s’agit d’un principe à base d’électrode active en chrome et de polymère craquelés ce qui lui confère une très grande surface d’échange et donc une bonne sensibilité ainsi qu’une certaine immunité à la pollution. S = Surface en regard des plaques du capteur d = Distance entre les plaques Ea = Constante diélectrique de l'eau E0 = Constante diélectrique du matériau sec P = Pourcentage d'humidité du matériau

iii.Difficulté d'emploi : la condensation ii. Hygromètre à condensation Hygromètre à point de rosée Hygromètre résistif c. . hygromètre capacitif iii. Difficulté d'emploi : la condensation Le principal intérêt des hygromètres à variation d'impédance, qu'ils soient résistifs ou capacitifs, réside dans le fait que leur mise en oeuvre peut se faire à partir d'une électronique simple (pont de Wheastone ou oscillateur). Mais ils possèdent cependant quelques inconvénients: ! Mais ils possèdent cependant quelques inconvénients: · Il est souvent difficile d'obtenir des caractéristiques parfaitement reproductibles. Si l'on veut avoir une bonne précision, il est nécessaire d'étalonner individuellement chaque capteur. · Les caractéristiques du matériau hygroscopique évoluent avec le temps. · leur utilisation en milieu pollué provoque rapidement un encrassement du capteur, impliquant non seulement une augmentation du temps de réponse mais aussi parfois des mesures totalement erronées. · Enfin, s'il est relativement facile de passer d'un taux d'humidité faible à un taux élevé, l'inverse n'est pas toujours vrai. Le capteur doit en effet évacuer l'excédent d'humidité qu'il a emmagasiné. Selon les cas, le "temps de purge" peut varier de quelques minutes à quelques

Tableau Comparatif Hygromètre a condensation Hygromètre a cheveu Hygromètre capacitif Avantages Grande étendue de mesure haute précision -  simple dans l'acquisition technique de mesure -  peuonéreux  peu onéreux, rapide et précis (±1 %HR) Plage démesure importante (0...100 %HR, -40...+180°C)  stabilité́ dans le temps Inconvénients Faible et sensible a température  frais d'entretien important Plage de mesure variant seule -Avant... Le capteur capacitif entait considèré comme non robuste et instable Prix 40-50€ 19,98 € 14,99 €

CONCLUSION Les capteurs jouent des rôles de plus important car ce sont eux qui permettent de mesurer les effets des phénomènes de tous qui agissent sur l’environnement de l’homme avec l’évolution de la technologie , l’électronique en particulier leur importance s’accroit car il permette d’assurer la liaison homme – machine – environnement.

Annexe: équation de calcul de HR% Il est possible, en partant de la relation (1) de Van Der Waals, de trouver des équations qui permettent de calculer le taux d'humidité relative en utilisant un calculateur. P = Pc 10K(1-Tc/T) (1) où K est un paramètre dépendant de la température par la relation suivante: K = -8,833*10-10 T3 + 3,072*10-6 T2 -3,469*10-3 T + 4,39553 (2) De l'équation de Ferrel P = Ph - Pm (3) qui peut aussi se mettre sous la forme Pa =Ph -0,000367[1+(Th-32)/1,571]Pb(Ts-Th) (4) On obtient alors l'expression de l'humidité relative: RH = 100[Pa/Ps] = 100[(Ph-Pm)/Ps] (5) Dans ces équations, Tc Température critique de l'eau = 1165,67 °R Pa Pression partielle de vapeur d'eau TsTempérature sèche en °F PbPression barométrique Th Température humide en °F Pc Pression critique de l'eau = 166.818 mmHg KsValeur de K à la température Ts PhPression de saturation de l'eau à Th KhValeur de K à la température Th Pm Pression partielle de vapeur d'eau dûe à la variation de température (Ts- Th) P Pression de vapeur d'eau à une température T en °R Ps Pression de saturation de l'eau à Ts

WEBOGRAPHIE Delapierre G., ’Hygrométre capacitf à base de polymère ‘Mes.Reg. Aut n°11,1981,P.47 Laneres M.,’Mesure de l’humidité de l’air à haute temperature’ Mes.Reg. Aut n°12,1981,P.35