Analyse des avantages et des inconvénients des différentes méthodes de mesure du point de rosée.

principe de test

Les hygromètres se divisent en plusieurs catégories : à miroir froid, à électrolyse à absorption totale, à capacité Al₂O₃, à capacité à couche mince, à résistance, à bille sèche et à capteur mécanique. Parmi eux, les hygromètres à micro-absorption électrolytique et à point de rosée capacitif Al₂O₃ sont généralement utilisés pour mesurer les faibles taux d'humidité, tandis que les hygromètres à résistance, à bille sèche et à capteur mécanique mesurent uniquement l'humidité relative. Les hygromètres à miroir froid et à capacité à couche mince (brevet Vaisala) peuvent être utilisés pour mesurer non seulement les faibles taux d'humidité, mais aussi les taux d'humidité moyens et élevés, c'est-à-dire l'humidité relative. Chaque instrument présente ses propres avantages et inconvénients. L'hygromètre à point de rosée à miroir froid est le plus précis, le plus fiable et le plus répandu. Il est couramment utilisé dans les transmissions normalisées, mais son prix est relativement élevé et il nécessite une expertise pour son utilisation et sa maintenance.

1.1

hygromètre à miroir froid

1.1.1

Principe de mesure

Lorsque l'humidité mesurée pénètre dans la chambre de mesure du point de rosée, elle balaie la surface froide du miroir. Lorsque la température de cette surface dépasse le point de rosée de l'humidité, le miroir est à l'état sec. À ce moment, la lumière émise par la source lumineuse du dispositif d'exposition photoélectrique est presque entièrement réfléchie par le miroir. Le capteur photoélectrique détecte et génère un signal photoélectrique, que le circuit de commande compare, amplifie et active pour refroidir la surface du miroir. Lorsque la température de la surface du miroir atteint le point de rosée de l'humidité, de la condensation (givre) commence à se former. La lumière se réfléchit alors de manière diffuse sur le miroir, le signal de réflexion induit par le capteur photoélectrique s'affaiblit, la variation est comparée et amplifiée par la boucle de régulation, et la puissance de refroidissement de la pompe thermoélectrique est ajustée en conséquence. Finalement, la température de la surface du miroir est maintenue au point de rosée du gaz échantillonné. La température du miroir est mesurée par un capteur de température à résistance de platine situé près de la partie inférieure de la surface froide du miroir et affichée sur l'écran.

À l'heure actuelle, les entreprises mondiales qui produisent des hygromètres à miroir froid, telles que GE, Edgetech, le suisse MBW, etc., adoptent toutes ce principe. Le Britannique MICHELL adopte un système de détection à double voie optique, c'est-à-dire que la lumière réfléchie et la lumière diffusée sont détectées simultanément. Le Finlandais Vaisala utilise les ondes acoustiques comme système de détection.

Lors de la mesure, la vapeur d'eau contenue dans le gaz mesuré se rapproche de la saturation avec la diminution de la température. Sous l'effet de la gravité, les molécules d'eau s'adsorbent sur la surface du miroir pour former un mince film d'eau. C'est la première étape de la formation de la rosée. Lorsque la température du miroir continue de baisser, l'épaisseur du film d'eau augmente progressivement : c'est la deuxième étape de la formation de la rosée. Durant cette phase, le rapport entre la force gravitationnelle des molécules d'eau et la tension superficielle du film d'eau évolue, et cette dernière devient progressivement prépondérante. À ce moment-là, tout facteur d'instabilité sur la surface de refroidissement, comme une minuscule imperfection sur le miroir, provoque la condensation du film d'eau en gouttelettes. Avec la poursuite de la baisse de température du miroir, les gouttes de rosée commencent à apparaître. Au microscope, on observe la croissance isolée et la distribution irrégulière des gouttes de rosée, puis la diffusion très rapide de la couche de rosée à la surface. On peut alors supposer que l'équilibre liquide-vapeur s'établit, c'est-à-dire que le point de rosée est atteint.

1.1.2

Structure

1.1.2.1

Miroir

Le miroir doit être hydrophobe, présenter une bonne conductivité thermique, une résistance à l'usure et à la corrosion, ainsi que de bonnes performances optiques. Autrefois, on utilisait l'or pour la fabrication des miroirs ; aujourd'hui, c'est le rhodium qui est employé.

1.1.2.2

Refroidissement par miroir

Par le passé, on a utilisé l'évaporation d'éther d'éthylène, la réfrigération mécanique, la réfrigération par gaz liquéfié ou glace carbonique, et la réfrigération par air comprimé. La méthode la plus courante est la réfrigération thermoélectrique, seule ou combinée à la réfrigération mécanique (point de rosée inférieur à -60 °C). Cet article se concentre sur la réfrigération thermoélectrique.

La réfrigération thermoélectrique, également appelée réfrigération à semi-conducteurs, est basée sur l'effet Peltier. Son principe repose sur le transfert de chaleur d'un métal à l'autre lorsqu'un courant continu traverse un élément Peltier composé de deux métaux différents. Ce processus est inverse à la mesure de température par thermocouple. Ainsi, en connectant l'extrémité froide de l'élément Peltier à un miroir et en utilisant l'autre extrémité comme dissipateur thermique, on peut refroidir ce miroir. Pour obtenir différentes températures basses, on peut recourir à une méthode de superposition à plusieurs niveaux. Selon les données de GE (États-Unis), à une température ambiante de 25 °C, la différence de température entre les extrémités froide et froide peut atteindre 55 °C, 75 °C, 105 °C et 120 °C pour un cinquième niveau de réfrigération. La capacité de refroidissement peut légèrement varier d'un fabricant à l'autre. Plus la température est élevée à l'extrémité chaude, plus l'efficacité du refroidissement est importante et plus l'écart de température à cette extrémité est grand. Afin de réduire la température à l'extrémité froide, on utilise généralement le refroidissement par air, par eau ou par réfrigération mécanique. Cependant, une réduction illimitée de la température est impossible. Il est important de noter que la capacité frigorifique d'un hygromètre à point de rosée ne correspond pas à sa plage de mesure. Cette plage de mesure correspond à la zone où la température de la surface du miroir peut être mesurée, et ce, même lorsque la couche de rosée ou de givre atteint une certaine épaisseur. Par conséquent, dans des conditions normales de rosée ou de givre, la plage de mesure d'un hygromètre à point de rosée est généralement supérieure de 5 °C à sa capacité de refroidissement, et de 10 à 12 °C en cas de faible point de givre. Par exemple, le thermomètre à point de rosée DP19, fabriqué par la société suisse MBW, a une plage de mesure minimale de -60 °C à 10 °C de température ambiante, de -55 °C à 20 °C et de -45 °C à 35 °C. En raison de la conductivité thermique élevée de l'hydrogène et de l'hélium, la plage de mesure est réduite de plusieurs degrés. De même, la plage de mesure se réduit lorsque la pression du gaz mesuré augmente. Pour l'air et l'azote, à une pression supérieure à la pression normale, chaque pression atmosphérique supplémentaire entraîne une réduction d'environ 0,67 °C de la plage de mesure.

1.1.2.3

appareil de mesure de température

Actuellement, la plupart des capteurs de température à quatre fils de platine sont utilisés pour mesurer la température. La valeur de résistance et la température de ces capteurs présentent une relation quasi linéaire sur une large plage de températures, une précision élevée, une bonne stabilité, un signal de sortie puissant et un affichage numérique aisé.

1.1.2.4

Système de détection

Actuellement, à l'exception du photomètre à point de rosée à miroir froid récemment mis au point par la société finlandaise Vaisala, qui utilise le principe des ondes sonores pour la mesure, tous les autres appareils utilisent un détecteur photoélectrique. Cette technologie, éprouvée depuis plusieurs décennies, présente toutefois l'inconvénient de ne pas permettre de distinguer l'eau surfondue du givre.

1.1.3

Précautions d'emploi

1.1.3.1

Eau surfondue et gel

Entre 0 et 20 °C, de l'eau surfondue se forme facilement à la surface du miroir. La pression de vapeur saturante étant différente à la surface de la glace et à la surface de l'eau, la présence d'eau surfondue entraîne une valeur mesurée inférieure au point de givrage, et donc une température différente. Par exemple, pour un point de givrage de -10 °C, la température de l'eau surfondue correspondante est de -11,23 °C. Il convient donc d'être très vigilant à cette température. Si l'instrument est équipé d'un endoscope, il est possible d'observer et de distinguer ce phénomène. La plupart des instruments disposent actuellement d'une fonction de test permettant de vérifier leur capacité de refroidissement minimale. Cette fonction permet de maintenir la température du miroir en dessous de -20 °C, de s'assurer de la présence de givre, puis d'effectuer une mesure précise.

1.1.3.2

effet Kelvin

La pression de vapeur d'eau saturée à la surface est différente de celle à l'intérieur du plan. Au contact d'une surface métallique, la pression de vapeur d'eau à l'équilibre, c'est-à-dire la pression de vapeur d'eau saturée à la surface courbe de l'eau, augmente sous l'effet de la tension superficielle, phénomène connu sous le nom d'effet Kelvin. De ce fait, la température de point de rosée obtenue est inférieure à celle du gaz mesuré.

1.1.3.2

Effet Raoul

Cela signifie que la pression de vapeur d'eau à l'équilibre du système est inférieure à la pression de vapeur saturante de l'eau pure en présence d'une substance hydrosoluble sur le miroir. Ces substances peuvent être intrinsèques au miroir ou contenues dans le gaz mesuré. Selon la loi de Raoul, la diminution de la pression de vapeur d'eau à l'équilibre est proportionnelle à la concentration de la solution, ce qui explique la condensation précoce avant que le point de rosée du gaz mesuré ne soit atteint.

L'effet Kelvin est l'inverse de l'effet Raoul et s'en compense donc partiellement. Cependant, lors de la mesure du point de rosée, l'effet Raoul prédomine. En effet, des substances hydrosolubles sont inévitablement présentes, en quantités variables, dans le miroir et le gaz mesuré. De plus, les impuretés présentes dans le gaz peuvent réagir chimiquement ou photochimiquement avec les substances insolubles dans l'eau présentes sur le miroir, les transformant ainsi en substances solubles. Ce phénomène est particulièrement marqué lors de la mesure de l'humidité des gaz de procédés industriels. Il est donc nécessaire d'éliminer les particules solides présentes dans le gaz à l'aide d'un système de filtration adapté, puis de retirer les substances solubles restantes sur la surface du miroir par des cycles répétés de condensation et de déshumidification. Cette méthode est largement utilisée.

En pratique, on constate souvent que la surface du miroir n'est pas uniforme lors de son exposition. Une couche se forme systématiquement dans certaines zones, généralement à cause de rayures. Dans ces zones défectueuses, d'une part, les résidus sont difficiles à éliminer, et d'autre part, les défauts d'angle agissent comme des « noyaux exposés », accélérant ainsi le processus d'exposition. Par conséquent, lors de l'utilisation d'un hygromètre, et notamment lors du nettoyage du miroir, il est essentiel de veiller à éviter tout dommage mécanique.

1.1.3.3

Contamination du miroir

L'un des phénomènes est l'effet Raoul, l'autre la modification du niveau de diffusion spéculaire du fond. L'effet Raoul est principalement dû aux substances hydrosolubles. Si la substance présente dans le gaz mesuré (généralement des sels solubles), le miroir se couvre de condensation prématurément, ce qui entraîne une déviation positive des résultats de mesure. Si les polluants sont des particules insolubles dans l'eau, comme la poussière, le niveau de diffusion du fond augmente, ce qui provoque une dérive du zéro du photomètre à point de rosée.

1.1.3.4

Canal d'échantillonnage

En raison de la forte teneur en humidité de l'atmosphère et de la polarité des molécules d'eau, l'eau s'adsorbe facilement sur la paroi interne des canalisations ou s'y infiltre. Par conséquent, le système de circulation des gaz doit être parfaitement étanche lors des mesures, avec une épaisseur de paroi minimale de 1 mm, afin d'empêcher toute infiltration d'eau extérieure. En cas de variation importante de la température ambiante, l'étanchéité de la canalisation doit être vérifiée.

Si le gaz mesuré est rejeté directement dans l'atmosphère, il convient de tenir compte du problème de la diffusion d'eau dans le système de mesure. La méthode la plus courante consiste à raccorder un tuyau de longueur appropriée à l'orifice d'échappement. La longueur et le diamètre de ce tuyau sont déterminés de manière à ne pas perturber la pression dans la chambre de mesure.

La conduite d'échantillonnage doit être aussi courte que possible, le nombre de raccords doit être réduit et les « zones mortes » doivent être évitées afin de réduire les interférences de l'eau ambiante.

La conduite d'échantillonnage et la paroi de la cavité de mesure sont propres et lisses, et un matériau hydrophobe a été sélectionné. La figure 2-2 présente la courbe de désorption en fonction du temps de différents matériaux soumis à un gaz sec à l'état d'adsorption saturé. Les résultats expérimentaux permettent de déterminer l'ordre de préférence des matériaux suivant : acier inoxydable, PTFE, cuivre, polyéthylène, et, en dernier recours, nylon et caoutchouc, à éviter pour les mesures à bas point de gel. Par ailleurs, le diamètre extérieur du tube est de 6 mm (1/4 de pouce), bien que l'intérieur du tube soit en acier inoxydable poli pour ces mesures.

Lors de la mesure du point de rosée élevé, il faut veiller à ce que ce point de rosée soit inférieur à la température ambiante de 3 °C afin d'éviter la condensation de la vapeur d'eau dans la canalisation.

Lors de la mesure de l'humidité par un hygromètre à point de rosée, le débit est compris entre 0,25 L/min et 1 L/min. Dans cette plage, les variations de débit n'ont aucune incidence sur les résultats de mesure.

L'échantillonnage peut être de deux types : l'échantillonnage sous pression et l'échantillonnage à pression atmosphérique. Le premier, l'échantillonnage sous pression, se divise, selon la méthode d'échantillonnage, en deux catégories : la mesure sous pression et la mesure à pression atmosphérique (voir figures 2-3 et 2-4 respectivement). Le second type d'échantillonnage consiste à prélever l'échantillon à pression atmosphérique à l'aide d'une pompe. Dans ce cas, des surpressions et des sous-pressions artificielles peuvent apparaître en raison des différentes méthodes d'échantillonnage. Si l'échantillonnage est effectué selon la méthode illustrée à la figure 2-5, la mesure du point de rosée est réalisée sous pression, ce qui induit une erreur positive sur les résultats. À l'inverse, si la pompe et le débitmètre sont inversés, le point de rosée est alors soumis à une dépression, ce qui induit une erreur négative sur la mesure. La méthode d'échantillonnage correcte est illustrée à la figure 2-6.

1.1.4

Application

La plage de mesure de l'hygromètre à point de rosée est étendue. Actuellement, la plage de mesure d'une série d'hygromètres à point de rosée développés par la société suisse MBW atteint -95 °C à 70 °C, ce qui répond à la plupart des besoins de mesure.

1.1.5

Avantages et inconvénients

Avantages : Il s’agit d’une mesure de base et précise, et l’instrument est stable et sans dérive. L’instrument le plus précis peut atteindre ±0,1 °C.

Inconvénients : Prix élevé, exigences importantes pour les opérateurs et maintenance requise. Sensible aux polluants. Présence possible d’eau surfondue entre -20 °C et 0 °C ; il convient donc d’être particulièrement vigilant afin de la distinguer du gel.

1.2

Un micromètre d'eau pour l'électrolyse par absorption complète

1.2.1

Principe de mesure

Par échantillonnage continu, l'échantillon de gaz traverse une cellule électrolytique de structure particulière. L'humidité est absorbée par la couche de pentoxyde de phosphore, agissant comme agent hygroscopique, puis libérée par électrolyse en hydrogène et en oxygène, régénérant ainsi le pentoxyde de phosphore. Le processus réactionnel peut être décrit comme suit :

P2O5+H2O=2HPO3 

2HPO3=H2+1/2O2+P2O5 

La combinaison de (1) et (2) donne :

2H2O=2H2+O2 

Lorsque l'absorption et l'électrolyse s'équilibrent, l'eau entrant dans la cellule d'électrolyse est absorbée par la couche de pentoxyde de phosphore et électrolysée. Si la température ambiante, la pression ambiante et le débit de gaz sont connus, la relation entre le courant électrolytique de l'eau et sa teneur en eau dans l'échantillon de gaz peut être déduite à partir de la loi de Faraday sur l'électrolyse et de la loi des gaz parfaits.

Dans la formule :

Courant électrolytique de l'eau, μA ;

Teneur en eau de l'échantillon de gaz, μL/L (c.-à-d. rapport volumique)

Débit de gaz, ml/min

Pression environnementale, Pa;

Température absolue de l'environnement, k ;

Comme le montre la formule ci-dessus, l'intensité du courant électrolytique est proportionnelle à la teneur en eau de l'échantillon gazeux. On peut donc mesurer cette teneur en mesurant le courant électrolytique de l'eau. Dans des conditions de pression atmosphérique normale et à 20 °C, un gaz parfait circule dans la cellule électrolytique à un débit de 100 ml/min. Lorsque la teneur en eau de l'échantillon gazeux est de 1 μL/L (ppmv), le courant électrolytique, calculé à partir de la formule, est de 13,4 μA. Ce type d'instrument utilise généralement le ppmv comme unité de mesure et permet de lire directement la valeur en ppmv de la teneur en humidité de l'échantillon gazeux.

En raison de l'effet catalytique de l'électrode de platine, l'électrolyse de l'eau est réversible. Ainsi, lorsque l'échantillon gazeux mesuré est composé d'hydrogène, d'oxygène ou d'un mélange des deux, l'équilibre se déplace vers la gauche. L'hydrogène et l'oxygène produits par électrolyse se combinent pour former de l'eau, et une seconde électrolyse a lieu. Il en résulte une augmentation du courant d'électrolyse total, appelée « effet hydrogène » et « effet oxygène », ou encore « effet composite ». L'expérience montre que la mesure de la concentration en eau de ce type de gaz est supérieure de quelques ppmv à dix ppmv lorsque l'instrument est utilisé. Cependant, cet écart de concentration est négligeable par rapport à la valeur de fond et peut donc être soustrait.

1.2.2 

Structure

L'instrument est composé de deux parties : un système de circulation des gaz et un circuit. Le système de circulation des gaz comprend principalement une cellule électrolytique et une partie de contrôle de la circulation des gaz.

1.2.2.1

Batterie

Dans le tube de verre, deux électrodes en platine sont enroulées en double spirale, et un film de pentoxyde de phosphore est uniformément déposé entre les électrodes, servant d'agent hygroscopique. Dans les conditions de mesure spécifiées, la structure interne de l'enroulement assure l'absorption et l'électrolyse de toute l'eau entrant dans le bassin. La paroi en verre du bassin favorise un revêtement uniforme de pentoxyde de phosphore. Le platine ayant la capacité de générer de l'hydrogène et de l'oxygène, notamment un gaz riche en hydrogène, qui réagit pour former de l'eau, certaines entreprises utilisent le rhodium à la place du platine.

Pour le revêtement sec de pentoxyde de phosphore, lorsqu'un échantillon de gaz « absolument sec » est introduit et qu'une tension continue appropriée est appliquée à l'électrode, un faible courant de fond est généré dans le circuit. La valeur de ce courant de fond dépend uniquement de la structure de la cellule, de l'état du revêtement, de la température et du type d'échantillon, et non de sa teneur en eau. Comme ce courant de fond peut toujours s'ajouter au courant électrolytique dû à l'humidité contenue dans l'échantillon de gaz, la teneur réelle en humidité du milieu doit être soustraite de la mesure effectuée par l'instrument.

1.2.2.2

système de commande pneumatique

Le système pneumatique est composé d'une vanne de régulation, d'une cellule électrolytique, d'un régulateur de débit, d'un débitmètre et d'un sécheur. La vanne de régulation assure le contrôle du flux d'air.

1.2.3 

Précautions d'emploi

D'après la formule, l'humidité du gaz (en μL/L ou ppmv) est calculée en fonction du débit de gaz et du courant électrolytique. Le débit de gaz doit donc être contrôlé et mesuré avec précision. Ce type d'instrument utilise généralement un débitmètre à flotteur et, à 20 °C et 1 atm, l'air est utilisé pour l'étalonnage. Si les conditions d'utilisation ne sont pas standard (par exemple, à une température ou une pression différente, ou si le gaz mesuré n'est pas de l'air), un nouvel étalonnage ou une correction à l'aide d'un facteur de correction est nécessaire.

1.2.4 

Application

La plage de mesure s'étend de quelques μL/L (ppmV) à 2000 μL/L (ppmV), avec une précision de 5 % de la valeur mesurée ou de 1 % de la pleine échelle. L'invention peut être utilisée pour une grande variété de gaz inertes, ainsi que pour certains gaz organiques et inorganiques ne réagissant pas avec le P₂O₅. Citons par exemple l'air, l'azote, l'hydrogène, l'oxygène, l'argon, l'hélium, le néon, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l'hexafluorure de soufre, le méthane, l'éthane, le propane, le butane, le gaz naturel et certains fréons. Elle ne peut en revanche pas être utilisée pour certains gaz corrosifs ni pour les gaz réactifs au P₂O₅, tels que l'éthanol, certains gaz acides et les hydrocarbures insaturés.

1.2.5 

Avantages et inconvénients

Avantages : Mesure absolue, stable, sans dérive.

Inconvénient : La durée de vie de la batterie est limitée et nécessite une régénération. Une humidité trop élevée ou trop faible (< 1 ppmv) réduit sa durée de vie. La réponse est lente en cas de faible humidité. Le débit de gaz requis est élevé. L’appareil ne peut pas être utilisé avec certains gaz corrosifs ni avec les gaz réagissant avec le P₂O₅. Contexte : [À compléter]

1.3

hygromètre à capacité d'oxyde d'aluminium

1.3.1

Principe de mesure, structure et domaine d'application

Cet instrument se présente sous différentes formes : portable, alimenté par batterie, avec traitement des données par microprocesseur, affichage multiparamètres, etc. Son principe de fonctionnement repose sur un condensateur. Une fine couche d'alumine poreuse est déposée sur un substrat conducteur, puis recouverte d'une fine couche d'or. Le substrat conducteur et la couche d'or forment l'électrode du condensateur. La vapeur d'eau est absorbée par l'alumine poreuse à travers la couche d'or, et l'impédance du condensateur est proportionnelle au nombre de molécules d'eau, c'est-à-dire à la pression de vapeur d'eau. La pression partielle d'humidité peut être obtenue en mesurant l'impédance ou la capacité du condensateur, et le point de rosée peut en être déduit.

La fine couche d'oxyde d'aluminium située entre les électrodes d'aluminium et d'or est sensible à l'eau sur toute la gamme de pression de vapeur saturante de 10 à 3 Pa (point de rosée d'environ -110 °C). Grâce à sa forte affinité pour l'eau, combinée à la constante diélectrique élevée de cette dernière, ces instruments présentent une sélectivité élevée pour l'eau, mais sont insensibles aux autres gaz courants, ainsi qu'aux gaz et liquides organiques.

La précision est de ±1 à ±2 °C en conditions d'humidité moyenne à élevée, et de ±2 à ±3 °C en conditions de faible humidité, par exemple à -100 °C. Le capteur ne réagit pas aux hydrocarbures, au CO, au CO₂ ni aux gaz contenant des HCFC, mais sa sensibilité varie selon le gaz. Certains gaz corrosifs, comme l'ammoniac, le SO₃ et le chlore, peuvent endommager le capteur et doivent être évités autant que possible.

1.3.2

Précautions d'emploi

La plage de mesure habituelle de ce type d'instrument est de -110 °C à +20 °C. Lorsque le point de rosée est plus élevé, l'instrument présente une dérive plus importante. Il convient également de prêter attention au coefficient de température. En raison de sa sensibilité à la pression partielle de la vapeur d'eau, il est nécessaire de surveiller les variations de la pression totale du gaz lors de la mesure.

Il permet d'éviter la pollution par la poussière et les hydrocarbures, et le débit de gaz est plus important, soit 3 à 5 (L/min) ou même plus.

1.3.3

Avantages et inconvénients

Avantages : L'invention présente une large plage de réponse, de 1 μL/L (ppmv) à 80 % HR, peut être installée à distance, peut être utilisée sur le terrain, présente une stabilité relative, une réponse rapide, un faible coefficient de température, n'a aucune relation avec les variations de débit, présente une sélectivité élevée à l'eau, peut être utilisée dans une large plage de température et de pression, nécessite peu d'entretien quotidien et présente un faible volume.

Inconvénients : Cette méthode de mesure indirecte fonctionne à des températures élevées ou en présence de certains gaz, ce qui peut entraîner une dérive. Elle est également sensible aux gaz corrosifs et nécessite un étalonnage périodique pour compenser le vieillissement, l’hystérésis et la contamination. La réponse étant non linéaire, chaque capteur doit être étalonné et ne peut donc pas être utilisé de manière universelle.

1.4

hygromètre capacitif à couche mince

1.4.1

Principe de mesure, structure et domaine d'application

On utilise un film polymère de sel de polyamine ou d'acétate de cellulose déposé sur deux électrodes conductrices. La constante diélectrique entre les deux électrodes peut être modifiée par l'absorption ou la déshydratation du film. Il existe également une technique utilisant des polymères thermodurcissables résistants aux hautes températures, permettant ainsi des mesures en continu à des températures supérieures à 100 °C. J'utilise actuellement des films à haut poids moléculaire comme le Visala.

1. Sa fonction principale est de soutenir les autres parties du capteur.

2. L'une des électrodes est constituée d'un matériau conducteur.

3. Couche mince. Elle constitue le cœur du capteur ; son taux d’absorption d’eau dépend de l’humidité relative ambiante. Son épaisseur est de 1 à 10 µm.

4. L'électrode supérieure joue également un rôle important dans les performances du capteur. Pour obtenir une réponse rapide, une perméabilité à l'eau élevée est nécessaire. Il s'agit par ailleurs d'un matériau conducteur.

5. Une pastille de contact pour l'électrode supérieure. Compte tenu des nombreuses contraintes liées à la conception de l'électrode supérieure, une couche métallique séparée est nécessaire pour assurer un bon contact.

La plage de mesure est étendue, de -50 °C à 100 °C (point de rosée). Ce capteur peut être utilisé dans une large plage de températures, parfois sans compensation thermique. Les résines thermodurcissables haute température permettent des mesures continues de ces capteurs d'humidité capacitifs jusqu'à 185 °C, la température maximale d'utilisation dépendant du matériau d'encapsulation du capteur. Autre avantage des capteurs en résine thermodurcissable : leur faible coefficient de température dans la plage de -50 °C à 100 °C facilite les mesures dans une large plage de températures.

Tous les capteurs d'humidité relative sont sensibles à la température et, s'ils sont étalonnés à une certaine température, ils généreront des erreurs lorsqu'ils seront utilisés à une autre température. L'un des avantages des capteurs polymères réside dans leur moindre dépendance à la température, c'est-à-dire leurs coefficients de température plus faibles. Par conséquent, lorsque la température d'utilisation diffère de la température d'étalonnage, l'erreur est faible. Une compensation électronique de température est nécessaire en cas d'utilisation à la température limite ou lorsque la précision est élevée. Lorsque l'écart de température est inférieur à 50 °C, la compensation est aisée. En revanche, elle devient plus complexe pour des écarts plus importants. Cependant, la précision des capteurs polymères modernes peut atteindre ±1 % HR dans une plage étroite et ±3 % HR dans une large plage de température et d'humidité. Après une période d'utilisation ou en cas de contamination, un réétalonnage est nécessaire.

1.4.2

Avantages et inconvénients

Avantages : Ce système présente les avantages suivants : réponse rapide, large plage de mesure de la température et de l'humidité, bonne linéarité, faible hystérésis, bonne stabilité et répétabilité, faible coefficient de température et faible coût.

Inconvénient : Quasi nul.

1.5

hygromètre à résistance

1.5.1

Principe et structure de mesure

Le matériau sensible utilise une solution polymère de sel d'ammonium quaternaire comme matrice. Le groupe fonctionnel réagit avec le polymère de résine pour produire une résine thermodurcissable tridimensionnelle et présentant une bonne stabilité. Les variations d'humidité relative peuvent entraîner des variations de la résistance entre la cathode et l'anode.

1.5.2

Avantages et inconvénients

Il est exempt d'hystérésis et de vieillissement, possède un faible coefficient de température, un faible coût et une faible consommation d'énergie. Sa plage de température est de -10 °C à 80 °C, sa répétabilité est supérieure à 0,5 % HR et sa précision est élevée, généralement de ±2 % HR, pouvant atteindre ±1 % HR dans une plage très étroite.

Inconvénients : Il s’agit d’un instrument de mesure indirecte nécessitant un étalonnage périodique et inadapté à certains polluants. Son utilisation sur une large plage de températures requiert une compensation thermique. Il est plus sensible aux polluants qu’un capteur capacitif. Il est inadapté aux faibles taux d’humidité et perd en sensibilité lorsque l’humidité relative est inférieure à 15 %. Ses performances restent bonnes jusqu’à une humidité relative proche de 100 %, mais la condensation peut parfois endommager le capteur.

Certains polluants ont une grande influence sur les capteurs de résistance, tandis que d'autres ont une grande influence sur les capteurs de capacité. Par conséquent, le choix du capteur dépend principalement de la nature des polluants.

1.6

hygromètre mécanique

1.6.1

Principe et structure de mesure

La longueur des matériaux polymères organiques, tels que les cheveux, les membranes intestinales, le nylon et le polyimide, varie en fonction de l'humidité relative. L'hygromètre mécanique exploite cette propriété pour fabriquer des éléments de détection d'humidité linéaires ou en forme de bande, ou pour enrouler un matériau élastique autour d'un fil conducteur. Grâce à un dispositif d'amplification mécanique, la variation géométrique induite par la variation d'humidité est indiquée par une aiguille ou enregistrée par un stylo enregistreur, permettant ainsi une mesure directe de l'humidité relative. Cette invention est particulièrement adaptée à la mesure de la température et de l'humidité dans les environnements intérieurs tels que les laboratoires, les salles informatiques, les entrepôts et les bâtiments industriels.

1.6.2

Avantages et inconvénients

Avantages : Peu coûteux, peu sensible à la plupart des polluants, sans consommation d’énergie et enregistrement permanent

Inconvénients : dérive, perte de sensibilité en cas d’utilisation prolongée dans une certaine humidité, inutilisable en dessous de 0 °C, réponse lente, les vibrations ou le transport peuvent altérer ses performances.

1.7

hygromètre à bille sèche-humide

1.7.1

Principe

L'hygromètre à bille sèche-humide est composé de deux thermomètres aux spécifications identiques. Le premier, appelé thermomètre à bille sèche, mesure la température ambiante à l'aide d'une bulle d'air immergée dans le gaz à mesurer ; la valeur indiquée est notée Ta. Le second, appelé thermomètre à bille humide, est enveloppé d'une gaze spécialement conçue pour le maintenir humide. Lorsque l'air autour de la bille humide est déssaturé, l'humidité présente sur la gaze s'évapore continuellement. Cette évaporation nécessitant de la chaleur, la température de la bille humide diminue ; sa valeur indiquée est notée Tw. La vitesse d'évaporation de l'humidité de la bille humide est liée à l'humidité relative du gaz environnant. Plus l'humidité du gaz est faible, plus l'évaporation est rapide et plus la température de la bille humide est basse, et inversement. Après avoir mesuré avec précision la température des deux billes, l'humidité relative est calculée à l'aide de l'équation spécifique aux billes humides.

De par leur simplicité et leur faible coût, les hygromètres à bille sèche-humide ont été le type le plus utilisé pendant une période considérable par le passé.

A humidity meter with good design and maintenance, in the temperature range of 5°C~80°C, if the temperature accuracy is ±0.2°C, the relative humidity accuracy is about ±3%RH. The accuracy of this principle is dependent on the accuracy of the thermometer. Platinum resistance thermometers are often used for some precise measurements. In general, the dry-wet ball hygrometer is a basic measurement method. If the calibrated thermometer is used and the operation is correct, such as the Assmann hygrometer, accurate, reliable and repeatable measurement results can be obtained. So in the past, this hygrometer was often used as a standard. However, many operators, especially in the industrial field, do not have enough energy and time, so the results are not accurate and unreliable. At present, the wet and dry spherical hygrometer is gradually replaced by modern instruments.

1.7.2

Avantages et inconvénients

Benefits: When the relative humidity is close to 100%RH, a higher accuracy can be obtained. Although there will be errors if the wet ball thermometer is polluted or used improperly, the maintenance cost is very low because of the simple device. The invention can be used in the situation that the room temperature is higher than 100°C, which is the basic measurement, the stability is good, the stability is simple, the cost is low.

Disadvantage: Some techniques are needed to obtain accurate measurements and calculations are needed to obtain the final results. A large number of gas samples are required, and the gas samples may be humidified by a wet gauze. When the relative humidity of the measured gas is lower than 15%RH, it is very difficult to reduce the temperature of the wet ball. When the temperature of wet ball is lower than 0°C, it is difficult to obtain reliable results. The volume cannot be too small because water is constantly supplied to the wet ball thermometer. Because dust, oil or other pollutants can pollute the gauze, or the water flow is insufficient, the temperature of the wet ball is higher, and the result of relative humidity is higher. In addition, the factors that affect the results are temperature measurement error, wind speed, radiation error and so on. When the temperature difference of dry and wet ball is 0.1°C at 20°C, the relative humidity error is 1%RH.