capteurs d'humidité

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CAPTEURS D'HUMIDITE DE L'AIR

première partie (1/5) : humidité et psychrométrie

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.

Par exemple, pour assurer le stockage et le transport de substances granuleuses ou farineuses, la régulation du taux d'humidité est indispensable. Tout excès provoquant la formation de condensation aurait pour conséquence l'apparition de moisissures ou encore la prise en masse des produits. Et à l'inverse un taux d'humidité trop faible conduit à une situation explosive pour ces matériaux pulvérulents où la moindre étincelle entraine une catastrophe.

Dans l'industrie pharmaceutique, les médicaments présentés sous forme de gellules sont fabriqués à partir de poudres séchées puis pressées. Les tolérances sur l'humidité de ces poudres sont souvent très étroites car celle-ci influence leur comportement pendant le pressage ainsi que la tenue des enrobages.

Dans l'industrie gazière, le transport du gaz naturel pose des problèmes importants liés à l'humidité. En effet, lors de la détente d'un gaz à l'entrée d'une usine par exemple, l'apparition d'hydrates dus à des phénomènes de condensation, peut bloquer les détendeurs et donc interrompre la distribution de gaz, avec des conséquences désastreuses pour les industries ou les villes en aval.

Enfin dans le domaine agricole, l'humidité de l'air est évidemment un paramètre primordial pour le développement des cultures et la prévision des risques d'apparition de maladies cryptogamiques, et lors des moissons c'est un paramètre indispensable à connaître pour garantir le bon fonctionnement des machines agricoles.

Au travers de ces quelques exemples, on réalise donc l'intérêt de la connaissance de l’humidité du fait de la grande diversité des applications qui en découlent. Nous allons maintenant définir de manière précise ce qu'est l'humidité en tant que phénomène physique et thermodynamique.

Le taux d'humidité dans un volume V d'air est généralement exprimé à partir d'un des trois paramètres suivants:

Noté r et exprimé en g/Kg , il exprime le rapport des masses M_v de vapeur d'eau et M_a d'air sec à température constante. Cette grandeur est la référence en humidité. Elle exprime l'humidité absolue. Cependant sa determination est extrêmement délicate du fait des très faibles quantités de vapeur d'eau mises en jeu.

On appelle pression de vapeur saturante P_s(T) , la valeur maximale que peut atteindre la pression partielle P_v de la vapeur d'eau à la température T. Au delà, une partie de cette vapeur se condense (apparition d'eau liquide).

L'humidité relative s'exprime (en pourcentage) par la relation: HR %=100 (P_v / P_s(T))

C'est la température à laquelle il faut refroidir, à pression constante, une masse M d'air humide pour atteindre la saturation. La connaissance de cette température permet de déterminer le taux d'humidité de l'air, ceci, grâce à l'utilisation de tables et de diagrammes.

L'humidité relative ne donne pas directement la quantité de vapeur d'eau dans l'air, mais seulement un rapport entre l'état de l'air considéré et celui de l'air saturé à la même température et à la même pression

fig. diagramme de Mollier

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.

A l'aide d'un exemple, ce diagramme va permettre de préciser la notion de température de Rosée (ou Point de Rosée).

Supposons qu'à une température de 25°C on ait une humidité relative de 80% (point A sur le diagramme). Si l'on abaisse la température jusqu'à 20°C, le taux d'humidité relative va augmenter et atteindre la limite de saturation, c'est à dire 100% d'humidité. (POINT B dit point de rosée) Notons qu’entre A et B seule l’humidité relative varie, l’humidité absolue, c’est à dire la quantité massique de vapeur d’eau dans l’air, ne change pas. Si la température diminue encore, le phénomène de condensation apparaît: l'humidité relative reste à 100% et c'est l'humidité absolue qui alors diminue. (Variation de B vers C)

Il existe actuellement un grand nombre de capteurs d'humidité, reposant sur des principes allant du très complexe (réservé à des applications en laboratoire) comme l'hygromètre à isotopes radioactifs, au plus simple comme l'hygromètre à cheveux (basé sur le principe de l'allongement d'un cheveu avec l'humidité: principe connu depuis les romains, mais présentant un défaut majeur actuellement : en présence de pollution atmosphérique le cheveu se recouvre progressivement d'une pellicule huileuse qui réduit sa sensibilité).

Nous allons présenter tout d’abord quelques capteurs d'utilisation courante et de principes relativement simples pour illustrer les difficultés que l'on peut rencontrer dans la mesure du taux d'humidité, puis nous présenterons quelques réalisations récentes adaptées à certains cas particuliers.

Le psychromètre est le plus ancien des hygromètres, inventé par Regnault, vers 1845, il reste encore très utilisé. Son principe est basé sur la mesure d'une différence de températures.

Il est constitué de deux capteurs de température identiques et ventilés avec l'air dont on veut connaître le taux d'humidité. L'un des thermomètres, appelé thermomètre humide, est maintenu mouillé à l'aide d'un tissu imbibé d'eau distillée. L'autre, appelé thermomètre sec, mesure la température de l'air notée T_s.

Fig. principe du psychromètre

Au contact de l'air, l'eau du tissu s'évapore, ce qui provoque un refroidissement du thermomètre humide jusqu'à une température d'équilibre notée T_h. La connaissance de ces deux températures suffit à déterminer le taux d'humidité relative au moyen d'abaques ou de tableaux de correspondance, dérivés du diagramme de Mollier.

Ce type de capteur d'humidité exploitant des capteurs de type résistance métallique ou thermistance, adjoint à un système à base de microprocesseur, donne de bons résultats tant sur le plan de la précision que de la longévité. Cependant, outre le fait que ce type d'hygromètre ne peut fonctionner qu'à des températures supérieures à 0°C, son temps de réponse reste très important. De plus ce système nécessite une alimentation régulière en eau afin de conserver les propriétés du thermomètre 'humide'. Pour ne pas introduire d'erreur supplémentaire, il faudrait que la température de cette eau soit la plus proche possible de la température que l'on cherche, ce qui est évidemment très délicat à contrôler. Il en est de même de la ventilation de la gaine de mesure dont le pilotage devrait être optimisé en fonction de la température.

Tableau simplifié permettant de calculer l'humidité relative à partir des mesures de t_s et t_h
pour une température sèche comprise entre 14 et 26°C et un écart t_s-t_h variant entre 1 et 10°C

Ainsi si la température sèche t_s (ambiante) est de 20°C et que l'écart t_s-t_h est de 5°C l'humidité relative sera de 56%. En résumé, si cet hygromètre reste utilisé, son domaine d'application reste assez restreint en rapport avec la relative difficulté de sa mise en oeuvre.

préambule : pourquoi connaitre HR%	les applications méconnues
les définitions de l'humidité	absolue, relative, point de rosée
l'influence de T et de P	le diagramme de Mollier
l'exploitation du diagramme de Mollier	le psychromètre
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