Les mesures d`humidité dans l`air et les gaz

G uide d’achat
MESURES PHYSIQUES
Les mesures d’humidité
dans l’air et les gaz
▼
Là où s’arrêtent les premiers commencent les seconds. Les capteurs “capacitif - humidité relative” couvrent les applications
“hautes teneurs”, tandis que les capteurs “capacitif - point de rosée” mesurent plutôt les traces d’eau. Ils se partagent à eux
seuls l’essentiel du marché de l’hygrométrie industrielle et, pour cela, se transforment en multiples versions : transmetteurs
industriels, portables, data logger… Et puis il y a quand même d’autres technologies qui peuvent répondre à des applications
plus spécifiques, notamment les hygromètres à miroir refroidi qui sont la référence métrologique dans les laboratoires mais
vont aussi sur le terrain pour des mesures de process.
U
n tout petit monde très vaste.
A interroger les fournisseurs,
le marché de l’hygrométrie
industrielle ne dépasserait pas
les 5 ou 6 millions d’euros. Un marché tout
petit, donc, mais qui a des ramifications un
peu partout. En pleine nature pour les météorologues, dans les espaces plus confinés des
bâtiments publics, hôpitaux, musées… dans
l’air saturé au-dessus des piscines ou dans
les serres mais aussi dans les salles blanches
propres de l’industrie pharmaceutique ou
microélectronique. Tous les secteurs sont
concernés, avec leurs spécificités. L’agroalimentaire de la serre jusqu’à la distribution
est un marché important, qui cherche à
Suivez le guide
tirer les prix vers le
Les tendances du marché :
bas. La pharmacie est
les capteurs HR représentent
en France le plus
près de 80 % du marché
important marché
Les solutions d’étalonnaindustriel avec des
ge : le miroir refroidi sur
exigences métrolotoute la ligne
giques imposées par
Le guide de techniques :
les réglementations.
présentation des grands
Les hygromètres doiprincipes et autres technologies
vent répondre à une
très large étendue de
Le guide des produits :
chaque fournisseur prémesure de l’humidité
sente le produit de son
à l’état de trace en
choix
ppm, voire ppb ou
58
ppt, jusqu’à la saturation. Ils doivent aussi
répondre aux contraintes des applications
difficiles dans des milieux corrosifs, à forte
pression dans des fours ou des incinérateurs… Il y a des applications qui nécessitent des centaines de capteurs, d’autres 3 ou
4 seulement. « Parfois là où on n’y aurait jamais
pensé », note David Reignier, responsable comGE General Eastern
Vaisala
mercial de Vaisala.Comme dans la chambre à
air d’une voiture de Formule 1. Partout où il
y a de l’air ou du gaz…, un marché complètement éclaté qui demande, aux fournisseurs, un certain don d’ubiquité.
Pour couvrir l’ensemble de ces applications,
deux grandes technologies principales se partagent le travail. Et encore… L’une d’entre
Panametrics
Rotronic
Portrait de familles :capteur capacitif HR,capteur capacitif point de rosée,miroir refroidi,les trois principales technologies se déclinent en
multiples versions pour répondre à toutes les applications.
MESURES 765 - MAI 2004
Guide d’achat
elles, couvre la majeure partie des applications, 80 %, peut être plus. Ce sont les capteurs
“capacitif-d’humidité relative”. Il en existe à
partir de 150 euros et c’est le même élément
sensible qu’on retrouve dans un hygromètre
portable, un data logger, un transmetteur
industriel, en version murale, gaine…
Les capteurs capacitifs,
la part du lion
Car les fournisseurs, avec le même élément
sensible, déclinent les versions pour s’adapter à toutes les applications. Bien obligés…
Facile à mettre en œuvre, le capteur est placé directement dans l’air ou le gaz ambiant
à mesurer. Son niveau de précision (de
l’ordre de ± 2 %) est largement suffisant (à
15 % HR près, les individus ne ressentent
pas de changements significatifs, c’est la raison pour laquelle, entre autres, il existe encore sur le marché des hygromètres mécaniques ou des hygromètres à cheveu avec des
niveaux de précision au-delà des 5 % HR).
Ces capteurs mesurent sur toute la gamme
de 0 à 100 % d’HR. Plongés dans l’eau, ils
afficheront bien 100 % d’humidité. Mais
l’incertitude aux extrémités est dégradée. A
97 % et avec une incertitude au mieux de
±3 %, la valeur vraie se situe entre 100 et
94 % HR. Pas très précise.
Parmi les évolutions de ces dernières années,
on retiendra, chez certains fournisseurs, la
numérisation du signal entre le capteur (élément sensible) et le transmetteur avec en
conséquence la possibilité de déporter le capteur sans risque de perdre en qualité du
signal. « Ceci a permis d’amener ce type de capteur
dans des ambiances plus difficiles et supporter des températures des séchoirs ou des enceintes climatiques jusqu’à plus
de 200 °C », précise Thomas Ryan, directeur
commercial chez Rotronic
Autre évolution, voire révolution : le capteur
interchangeable. Les capteurs se salissent,
dérivent, c’est bien connu. Les capteurs
“capacitif - humidité relative” sont particulièrement sujets à ce manque de stabilité. Ce
qui oblige à les réétalonner assez souvent.
Pour des raisons de coûts (un étalonnage
peut valoir plus cher que le capteur luimême), les fournisseurs en sont venus à proposer des capteurs interchangeables. On ne
réétalonne plus, on change le capteur avec
l’électronique associée. Cette solution facilite énormément la maintenance mais elle
complique la traçabilité des mesures (qui
peut être obligatoire dans certains domaines).
« Les industriels sont un peu perdus, remarque Patrick
Desaphy, directeur commercial de PB Mesures.
D’un côté, on leur dit, il faut étalonner les capteurs. De
l’autre,on leur dit qu’il suffit de les changer ».
MESURES 765 - MAI 2004
Il faudrait au minimum s’assurer que le capteur interchangeable ait bien été étalonné en
sortie d’usine et réaliser un étalonnage des
autres éléments de la chaîne de mesure
(notamment l’étalonnage du transmetteur par
un simulateur de signaux électriques). Au
moins pour les applications où un suivi et une
estimation des incertitudes sont nécessaires.
Le second type de capteurs “capacitif – point
de rosée” fait appel au même principe de
mesure, à savoir une variation d’impédance
et mesure aussi une capacité électrique.Alors
que les premiers utilisent comme diélectrique un polymère, qui absorbe ou dégage
de l’eau proportionnellement à l’humidité
relative ambiante et qui modifie ainsi la capacité du condensateur, les seconds utilisent
une couche d’oxyde métallique (le plus souvent de l’oxyde d’aluminium Al2O3) et
mesurent un point de rosée. La mise en
œuvre de ces capteurs “capacitif point de
rosée” est plus complexe. Même si certains
capteurs peuvent être placés directement dans
l’espace de travail, beaucoup d’applications
nécessitent une ligne de prélèvement (chauffée pour éviter toute condensation), des
purges, des filtres…
Les faibles teneurs pour
les oxydes métalliques
En revanche, la technologie est plus précise (de l’ordre de ± 0,2 °C). Elle offre une
bonne stabilité et moins de souci de dérive. « Un oxyde métallique s’améliore en vieillissant.
L’absorption et la désorption de l’eau dans les micropores
arrivent alors à leur maximum d’efficacité.Nous avons
des capteurs de 10, voire quinze ans qui fonctionnent
encore très bien », souligne Thomas Nègre, responsable “analyse de gaz” chez Panametrics.
Pas question, là, d’interchangeabilité. Le
capteur “capacitif – point de rosée” domine le marché des mesures basses teneurs.
C’est le capteur de choix pour les mesures
de trace plus particulièrement sur des gaz
secs jusqu’à – 110 °C en point de rosée.
En revanche, au-dessus de 50 à 60 °C, il
La pharmacie, de plus en plus besoin de précision
Liée à la réglementation américaine FDA, les
besoins de précision et de traçabilité des
mesures tire l’hygrométrie vers le haut et
incitent les fournisseurs à proposer des solutions “haut de gamme”. Cependant, l’un
d’entre eux regrette un marché à deux
vitesses ou plus exactement à deux niveaux
de précision. Le premier, le plus important,
correspond aux systèmes de régulation des
salles blanches. Celui-ci est tenu par les fournisseurs de systèmes eux mêmes comme Siemens, Honeywell ou Johnson Controls…
Ceux-ci intègrent dans leurs solutions glo-
bales leurs propres transmetteurs labellisés
avec des incertitudes des ±3 ou 4 %. Les spécialistes de l’hygrométrie sont appelés,
quant à eux, seulement pour le second marché, celui qui consiste à surveiller ces mêmes
systèmes de régulation. Là, les pharmaciens
demandent des incertitudes de ±2 %, voire
±1,5 %. Situation un peu paradoxale, car si
on mettait des transmetteurs plus fiables au
départ, on n’aurait moins besoin de la surveiller. La situation perdurera tant que les
utilisateurs finaux ne demanderont pas de
transmetteurs plus précis.
Les capteurs “composants”
Le monde industriel ne peut pas ignorer
complètement l’autre monde, là ou les capteurs se vendent par dizaines de milliers, à
quelques euros pièce. Certaint fournisseurs
proposent d’ailleurs des éléments sensibles
pour ces marchés qui sont ceux de la climatisation, la domotique, l’électroménager, l’automobile…
Le marché industriel doit-il les craindre ?
L’arrivée de ces capteurs composants n’est
pas à exclure. « Aujourd’hui un capteur à
10 euros peut avoir les mêmes compétences
techniques qu’un capteur à 200 euros », précise Francis Héraut, directeur de TH Industrie.
« Ces capteurs signifient qu’il faut une carte
électronique, souligne David Régnier (Vaisala). Les industriels ne sont pas prêts. Ils préfèrent encore installer des capteurs ». « Une
crainte non, précise enfin Thomas Ryan
(Rotronic), mais une motivation pour aller
encore plus loin dans la qualité de nos
produits ».
59
Guide d’achat
Un aperçu de l’offre des fournisseurs
Mesures du point de rosée
Mesures de l’humidité
relative
Fournisseurs
(marques)
Hygromètres à condensation
miroir refroidi
Hygromètres à variation
d’impédance mesure capacitive
oxyde métallique
Ahlborn
Hygromètres à variation
d’impédance mesure
capacitive polymère
●
Ametek
Arelco (Xantaur)
●
Bartec
Bourdon Haenni
Chauvin Arnoux
●
Dimelco
●
E+E Electronik
●
Elcowa
(GE General Eastern,
Comet, Rense)
●
●
Gefran Coreci
●
GE Panametrics
Gruter et Marchand
(DKS, Edgetech,
Schaw)
Hanna Instruments
Jules Richard
Instruments
Kimo
Michell Instruments
Newport
Electronique Omega
PB Mesures
(Rotronic*, MBW)
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
Rotronic
●
Testo
●
TH-industrie
(Testo, Sensirion)
●
Vaisala**
●
●
Autres technologies et observations
psychromètres, mesure point de rosée (capteur
sur puce), portables et transmetteurs fixes
quartz oscillant (lignes laboratoire et industrielle
Atex), méthode électrolytique
versions transmetteur, murale,
encastrable, portable, OEM
psychromètres (portable, process), mesure d’O2
différentielle, hygromètre à fibre optique
hygromètres à cheveu avec enregistreur électronique
équipements portables (calcul du
point de rosée), cartouches de sels
data logger (T° + %HR), enregistreurs miniatures
numériques, enregistreurs papier à tambour
de 0 à 100 % HR ou étalonné en point de rosée
de – 60 à 60 °C, montage mural, gaine,
capteurs déportés (Ex), systèmes d’étalonnage
miroir refroidi de référence (± 0,15 °C), reprise
des gammes Protimeter (miroir refroidi) et
Endress + Hauser (oxyde métallique) par GE
gamme industrielle, gamme HVAC, capteur
capacitif couche mince
oxyde métallique pour gaz très purs,
gamme de – 110 à 50 °C (point de rosée)
miroir refroidi de référence : -75 à 100 °C
(± 0,1 °C), ligne portable et transmetteur,
autre technologie : électrolytique, calibrateurs
instruments portables
versions portables, enregistreurs papier à
diagramme sans alimentation
versions portable, murale, transmetteur
oxyde métallique : transmetteurs, portables
miroir refroidi de référence : -100 à 90 °C
(±0,1 °C), -45 à 130 °C (±0,2 °C)
microserveur Ethernet Internet
équipement d’étalonnage
laboratoire d’étalonnage Cofrac
réparation d’hygromètres
gammes portable, climatique, transmetteurs industriels,
data logger, solutions salines + chambre de mesure
équipements portables ou fixes pour
applications spécifiques (ex : air comprimé)
transmetteurs capacitifs poste fixe, technologie
sur puce (Cmos)
HR : versions HVAC, portable, industrielle,
murale. Point de rosée : portable, fixe, OEM
solutions salines
Liste non exhaustive
* PB Mesures distribue Rotronic sur la région sud de la France - ** Vaisala, le miroir refroidi est remplacé par la technologie SAW. L’oxyde métallique est remplacé par un polymère.
60
MESURES 765 - MAI 2004
Guide d’achat
perd de sa fiabilité et cède la place aux capteurs “capacitifs - humidité relative”.
Ainsi, les deux types de capteurs coexistent,
sans trop se marcher sur les pieds.
Et sans être trop inquiétés par des technologies rivales. Il en existe pourtant bien d’autres
(nous en citons quelques-unes dans le “guide des techniques”) mais elles restent marginales ou sur des niches de marché. Certaines comme les pschromètres sont en
déclin, d’autres doivent encore faire leurs
preuves. La seule dont la notoriété n’est plus
à faire est celle de l’hygromètre à condensation (à miroir refroidi). Celui-ci couvre à la
fois l’étendue de mesure des capteurs “capacitif - humidité relative” et des capteurs
“capacitif – point de rosée” C’est aussi la
technologie la plus précise et la plus chère.
Pour une bonne part de ces applications, elle
sert de méthode de référence. L’hygromètre
à miroir refroidi, c’est l’hygromètre de référence utilisé au laboratoire du Cetiat et dans
tous les laboratoires d’étalonnage. Un instrument de métrologie, oui, mais pas seulement. « Il faut casser cette image, souligne JeanLuc Tiphagne, ingénieur commercial chez
Elcowa. Près de 50 % des applications sont aujourd’hui
MESURES 765 - MAI 2004
des applications industrielles ». Ainsi, les miroirs
refroidis vont aussi sur le terrain, dans des
applications difficiles de traitement thermique en métallurgie, dans les fours de
l’agroalimentaire, le séchage de poudre en
pharmacie; sur des gaz de plus de 300 °C
(même si la mise en œuvre est lourde : ligne
de prélèvement chauffé…).
Mais aussi le miroir refroidi
Selon les fournisseurs, il existe donc une tendance de marché qui voit apparaître de plus
en plus de miroir refroidi en process sur les
hautes teneurs.Quand il y a besoin de précision
ou quand les conditions sont trop difficiles
pour les capteurs “capacitif – humidité relative”. Ainsi, le miroir trouve des applications
dans la pharmacie, dans l’électronique…
« Même les intégrateurs dans le domaine de la climatisation
commencent à s’intéresser à cette technologie pour une régulation plus précise », remarque M. Gruter, directeur général de Gruter et Marchand. Restent les
inconvénients du miroir refroidi : onéreux et
sujet à la pollution.« Un miroir refroidi à sonde intrusive ne peut fonctionner que s’il est associé à une bonne électronique de mesure et des précautions de décontamination »,
précise M.Tiphagne. Mais les miroirs évoluent
aussi. Il existe aujourd’hui des compensations
électroniques de l’encrassement du miroir.« Un
miroir refroidi dans une gaine de climatisation peut rester
plusieurs semaines,voire plusieurs mois,sans avoir besoin de
nettoyage », soutient M. Gruter. Michell Instruments
vient de développer un capteur de process allant
jusqu’à 130 °C (aussi bien en mesure de point
de rosée qu’en température de fonctionnement) et supportant les agressions chimiques,
même les lavages à la soude.
L’autre contrainte, le prix, est liée à la nécessité de refroidir. Plus il faut refroidir (pour
descendre à des faibles teneurs), plus c’est
cher. Pour une mesure à l’ambiance (environ 30 % HR), un étage d’élément Peltier
suffit. « Mais pour 1 % HR,il faut déjà deux étages.
Et à chaque étage, on multiplie le prix quasiment par
deux », précise M.Tiphagne.
Marie-Pierre Vivarat-Perrin
Sources pour certains éléments techniques. « La mesure de
l’humidité dans les gaz :Bernard Crétinon et Jacques Merigoux;
édité par le BNM - 1,rue Gaston Boissier - 75015 Paris
Notre guide d’achat se limite aux mesures d’humidité électronique. Nous n’abordons pas les hygromètres mécaniques,
de moins en moins utilisés.Nous avons exclu aussi les équipements dédiés à la météorologie, encore un autre monde,
notamment en terme de mise en œuvre des équipements et
de protocole de communication.
61
Guide d’achat
Les solutions d’étalonnage
▼
L’hygromètre à condensation à miroir refroidi suit pratiquement toute la chaîne métrologique pour le raccordement des hygromètres. L’exigence de la traçabilité des mesures dans des domaines comme celui de la pharmacie
apporte une conscience métrologique et développe un besoin en terme de solutions et de prestation.
T
out en haut, dans la pyramide du raccordement métrologique des équipements de mesure d’humidité, il y a un miroir
refroidi.Associé à un générateur d’air humide de haute stabilité, il représente la référence nationale. Ce banc d’étalonnage se trouve
à Villeurbanne dans les locaux du Cetiat, laboratoire associé au Bureau National de Métrologie.
Il couvre la plage de – 60 à 80 °C en point de
rosée avec une incertitude de ±0,06 °C ou
±0,09 °C. Air Liquide, avec la collaboration du
BNM a développé un banc spécifique qui
complète les installations du Cetiat dans le
domaine des températures de gelée jusqu’à
-100 °C.
Juste en dessous, les laboratoires d’étalonnage raccordés à la référence nationale utilisent
eux aussi les miroirs refroidis.Actuellement,
12 accréditations Cofrac sont accordées à des
laboratoires, dont six en humidité relative
(Météo France,LNE,PB Mesures CEPr,Cetiat,Aérométrologie) et six en point de rosée (Aérométrologie,
CEPr,Cetiat,EDF-DTG,LNE,PB Mesures).
C’est toujours lui, le miroir refroidi, que l’on
retrouve, à un échelon inférieur, dans les
laboratoires industriels. Les grands utilisateurs de capteurs d’humidité comme le
domaine de la pharmacie, là ou un suivi
Le système d’étalonnage de Michell Instruments intègre un hygromètre de référence à miroir refroidi et un générateur d’humidité.Il
permet des étalonnages à différentes températures (entre 10 et
50 °C) pour se placer dans les conditions les plus proches possibles
de celles d’utilisation des capteurs.
métrologique est imposé, sont tous équipés
de ce type d’étalon de transfert (toujours
associé à un générateur d’humidité). Il y a
quelques années, la société General Eastern
(reprise depuis par General Electric) a ainsi en
grande partie “inondé” le marché. Aujourd’hui, d’autres fournisseurs se positionnent,
comme Michell Instruments ou Edgetech par
exemple. La tendance du marché est l’intégration, “dans une même boîte”, du générateur et de l’hygromètre. Parce que de toute façon, il faut toujours les deux. Ce type
d’équipement est donc un banc d’étalonnage à lui tout seul, automatisé, pouvant étalonner plusieurs capteurs en même temps et
avec tout le traitement informatique ad hoc
pour programmer les procédures d’étalon-
Les solutions salines, l’étalonnage
des moins riches
Les solutions salines permettent de générer un air à
humidité connue. C’est donc un outil de génération
d’humidité et non de mesure. Néanmoins, celles-ci sont
parfois utilisées pour étalonner un capteur sans comparer ses mesures à un capteur étalon. C’est la plus mauvaise solution, même si ces solutions salines sont délivrées avec certificat parce qu’il n’y a aucun moyen de
s’assurer que la solution saline délivre la valeur d’humidité prédite. La norme NF X 15-119 (juillet 1999) relative
aux générateurs d’air humide à solutions salines pour
l’étalonnage des hygromètres préconise donc l’utilisation des solutions salines toujours en association avec un capteur étalon. Reste
que cette solution est moins fiable qu’un générateur à aspiration classique*
mais elle est beaucoup moins chère. Elle peut être aussi transportable sur site.
* Un générateur à aspiration aspire l’air ambiant, le sèche, puis en sature une fraction plus ou moins importante selon le taux
d’humidité recherché.
62
nage, les exécuter puis exploiter les données.
Mais il ne s’agit pas forcément du dernier
niveau de la pyramide. Pour ceux qui ont un
parc très important de capteurs ou qui ne
souhaitent pas les immobiliser trop longtemps, il existe l’étalon de terrain, autrement
dit un hygromètre portable étalon (souvent
de la même technologie que les capteurs à
étalonner mais avec de meilleures caractéristiques et dûment étalonné). Cet hygromètre haut de gamme leur permet d’étalonner ou du moins de contrôler les capteurs
sur site (généralement au point du process).
Normalisation
De 1985 à 1992 au sein de Bureau de
Normalisation de l’Aéronautique et de
l’Espace (BNAE) puis de l’Afnor, plusieurs
recommandations et normes françaises
relatives à la mesure de l’humidité ont
été élaborées :
NF X 15-110 - juillet 1994 - paramètres
hygrométriques
NF X 15-111 - Décembre 1993 - Mesure de l’humidité de l’air - Généralités
sur les instruments de mesures
NF X 15-112 - Décembre 1994 Hygromètres à condensation
NF X 15-113 - Décembre 1997 Hygromètres à variation d’impédance
NF X 15-117 - Juillet 1999 Hygromètres mécaniques
NF X 15-118 - Décembre 1996 Psychromètres
NF X 15-119 - Juillet 1999 - Générateurs d’air humide à solutions salines
pour l’étalonnage des hygromètres
Ces normes sont regroupées dans un
recueil “La mesure d’humidité” (Edition
2000 - Afnor) complétées par des
normes générales sur la métrologie.
MESURES 765 - MAI 2004
Guide d’achat
Le guide des techniques
▼
Le marché donne une très large place à la mesure d’humidité relative par variation d’impédance. Pour les traces, on retrouve
très majoritairement la mesure du point de rosée par les oxydes métalliques. Pour les mesures de référence, le miroir refroidi
paraît sans rival. Nous présentons ici leurs principes. Mais il existe bien d’autres technologies moins répandues, souvent destinées à des niches de marchés. Nous en citons quelques-unes, sûrs que nous en avons oubliées tant on peut mesurer l’humidité de différentes façons. Pour mémoire, Léonard de Vinci pesait une pelote de laine.
L’hygromètre à condensation
(miroir refroidi), la référence
Système optique
Miroir
Régulation
optoélectronique
L’hygromètre capacitif
à polymère, le plus répandu
Le miroir surveillé
Amplification optiquement est
monté sur un élément
Peltier en cascade.Un
circuit de régulation
régule le courant de
Echantillon fonctionnement du
refroidisseur de façon
à établir un condensat défini.La tempéAlimentation
rature de rosée est
thermo-élément
mesurée directement
Peltier
dans le capteur.
Sonde de température
L’hygromètre à condensation mesure un
point de rosée. Il implique trois opérations.
1- il faut refroidir la surface mise en contact
avec l’air ou le gaz à mesurer pour que la
vapeur d’eau puisse se condenser. Ce refroidissement est assuré par des modules à effet
Peltier en cascade. Plus on met de modules,
plus on peut refroidir, plus on peut détecter
des points de rosée bas.
2- Il faut mesurer la température à laquelle
cette condensation se produit. Un thermocouple ou une sonde Pt 100 est intégré
dans le capteur au plus près du miroir.
3- il faut détecter l’apparition de cette condensation. Classiquement, il s’agit d’une détection
optique. Un faisceau lumineux est envoyé sur
le miroir. La présence d’eau sur le miroir atténue l’intensité du faisceau qui est réfléchi.
● Avantages
- couvre toute la gamme des mesures d’humidité de -110 à 100 °C
- bonne précision (jusqu’à ± 0,1 °C)
- hygromètres de référence
● Inconvénients
- nécessité de refroidir, grande consommation d’énergie
- mise en œuvre lourde (prélèvement
d’échantillon)
- risque d’encrassement du miroir
● Gammes de prix
- Appareils de référence : 30 à 15 000 euros
- Appareils industriels : 3 000 à 8 000 euros
Ils mesurent une
humidité relative
toujours définie
Electrode supérieure
pour une température.
L’élément sensible
Polymère actif
de l’hygromètre capacitif est un
condensateur dont
Electrode inférieure
le diélectrique est
constitué d’une
substance hygroscopique (un polySubstrat de verre
mère) de quelques
micromètres
d’épaisseur qui absorbe les molécules
d’eau contenues dans l’air ambiant jusqu’à atteindre l’équilibre. Cela provoque une variation de la capacité du
condensateur.
● Avantages :
- Très facile à mettre en œuvre et à utiliser
- Faible coût de l’élément sensible (celui-ci peut être changé facilement)
- Demande peu d’entretien
● Inconvénients
- Risque de dérive surtout aux faibles valeurs
(< 2 % HR) et fortes valeurs (>90 %HR)
- Précision de l’ordre de ± 1 à ± 2 % HR
● Gamme de prix : 150 à 1500 euros
L’hygromètre à oxyde métallique,
un capacitif qui donne le point de rosée
Ces hygromètres sont de la même famille
que les hygromètres à variation d’impédance mesurant l’humidité relative, mais ils ont
été spécialement étudiés pour mesurer la
température de rosée. La plupart est constituée d’une mince couche poreuse d’oxyde
d’aluminium déposée sur une plaque
d’aluminium anodisé. Une très fine couche
d’or déposée sur cette surface et la base en
MESURES 765 - MAI 2004
aluminium forment les deux électrodes
d’un condensateur dont le diélectrique est
la couche d’oxyde d’aluminium.
● Avantages
- Adapté pour mesurer les points de rosée
négatifs (gaz secs et très secs) jusqu’à
-110 °C.
- Peu sensible à la température ambiante
(compensation toutefois souhaitable)
- Peut être utilisé à des pressions allant du
vide jusqu’à plusieurs centaines de bars et à
des fortes vitesses d’air
● Inconvénients
- Sensibilité aux agressions chimiques (nécessité de filtres)
- Limité aux fortes concentrations
- Incertitude de l’ordre de ± 1 à 2 °C
● Gamme de prix : 1 000 à 3 000 euros
63
Guide d’achat
D’un paramètre à l’autre
Point rosée °C
-100
-76
-54
-35
-20
0
10
20
0,1
1
5
26
52
100
23
220
1 000
6 000
12 300
13 600
Humidité relative
(% HR)
Concentration ppm(u)
0,014
1
Valeurs arrondies pour une température ambiante de 20 °C et à pression atmosphérique
Il n’existe pas une unité de mesure unique pour quantifier une mesure d’humidité. Selon
la gamme de mesure, selon l’application, selon la technique de mesure employée, selon
les habitudes, on choisira plutôt de mesurer l’un ou l’autre des paramètres : humidité absolue, enthalpie, rapport de mélange, pression de vapeur saturante sans oublier, bien sûr,
les deux paramètres les plus usités : point de rosée et humidité relative. Les électroniques
actuelles savent de toute façon passer aisément de l’une à l’autre. Et un grand nombre de
sites Internet de fournisseurs est doté d’un petit logiciel téléchargeable qui vous permet
de convertir en quelques clics des points de rosée en rapports de mélange, ou des humidités relatives en humidités absolues. Sachez néanmoins, pour en revenir aux équipements, que les incertitudes données sur les fiches techniques correspondent généralement aux paramètres mesurés. Il est beaucoup plus difficile de connaître les incertitudes
des paramètres calculés.
Quelques grandeurs d’humidité
➞ Rapport de mélange : rapport de la masse de vapeur d’eau à la masse totale d’air sec
(ou de gaz avec lequel la vapeur d’eau est associée)
➞ Humidité absolue : rapport de la masse de vapeur d’eau au volume total d’air (ou de gaz)
➞ Pression de vapeur saturante : valeur maximale que peut atteindre la pression partielle de la vapeur d’eau à une température. Au-delà, il y a condensation.
➞ Humidité relative : rapport de la pression partielle de vapeur d’eau à la pression de
vapeur saturante. Autrement dit, l’humidité relative indique le pourcentage d’air saturé
en vapeur d’eau. La valeur de l’humidité relative est donnée pour une température.
➞ Point de rosée : température à laquelle l’humidité relative vaut 100 %. Si la température ambiante est inférieure au point de rosée, il y a condensation.
➞ Enthalpie : indique la quantité de chaleur emmagasinée dans l’air humide. Ce paramètre est important dans le calcul des puissances de refroidissement et de chauffe
Autres technologies
L’onde acoustique de surface. Il s’agit d’un
hygromètre à condensation qui implique
une surface mise en
contact avec le milieu
à mesurer et qui est
refroidie pour obtenir
la condensation de
l’eau. Exactement comme un hygromètre à
miroir refroidi. La différence se situe au
64
niveau du matériau utilisé et de la détection. On a ici un substrat piézoélectrique
(au lieu d’un miroir) et la détection de
l’humidité est basée sur la mesure d’une
onde acoustique (alors que pour un hygromètre à un miroir, on a un faisceau
optique). Concrètement, une onde acoustique est générée à la surface du substrat
piézoélectrique. En présence d’eau, cette
onde est perturbée (en fréquence et amplitude). L’analyse de l’onde permet donc de
savoir qu’il y a apparition de gouttelettes. Le
traitement du signal permet de distinguer
le point de rosée et le point de givre. Il doit
aussi parvenir à filtrer les perturbations liées
à la présence de poussières ou autres polluants. Deux sociétés (Vaisala et Microconversion
Technologies,distribuée par Agemip ) proposent
depuis deux ans ce type d’équipements sur
une gamme de mesure de – 75 à 60 °C
(point de rosée) et une incertitude de
0,2 °C. Vaisala ne cache pas son ambition
d’utiliser cette technologie pour aller sur le
marché des miroirs refroidis.
Le miroir refroidi associé à une caméra.
General Eastern tente lui aussi de pallier les
limites du miroir refroidi, à savoir son incapacité à déterminer si l’eau est sous forme
liquide (point de rosée) ou de glace (point
de givre). Pour cela, le constructeur américain prévoit d’intégrer dans son hygromètre à condensation (Optica) une caméra
CCD. Celle-ci sera capable de visualiser tout
ce qui se passe sur le miroir et donner l’information : présence de particules, de
poussières, de traces d’huiles, d’eau, de
glace. Comme le font aujourd’hui les
métrologues qui vont voir à l’œil nu.
L’arrivée de la caméra CCD est annoncée
dans les prochains mois.
En utilisant la modification de la fréquence
de résonance d’un quartz qui vibre.
Historiquement, le principe de mesure a été
développé par la société Dupont aux Etats-Unis.
Il est repris aujourd’hui par le groupe Ametek.
Il s’agit d’un cristal de quartz recouvert d’un
film polymère hygroscopique qui absorbe et
désorbe les molécules d’eau lors de l’exposition à un flux de gaz. Le changement de
masse du film crée une variation de la fréquence d’oscillation qui détermine la
concentration en humidité.Ce procédé réversible présente une grande sélectivité aux
molécules d’eau et des performances reproductibles. De plus, il est peu sensible aux polluants. Il est utilisé pour les mesures de traces
(limite de détection de l’ordre de la centaine
de ppt) notamment sur les hydrocarbures
gazeux ou dans des applications de séchage. Il
peut être utilisé aussi comme étalon pour des
capteurs à oxyde métallique.
Par électrolyse de l’eau. L’hygromètre électrolytique permet de mesurer de très faibles
quantités de vapeur d’eau contenues dans
l’air ou un gaz . 2 électrodes sont recouvertes de P2O5 (anhydride phosphorique
très hygroscopique) qui absorbe l’eau de
l’air. Il se forme alors de l’acide phosphorique. La tension entre les deux électrodes
provoque une électrolyse de l’eau et la régénération du P2O5. La concentration de
vapeur d’eau est reliée à la quantité de couMESURES 765 - MAI 2004
Guide d’achat
rant consommée par les électrodes. Cette
technique est imposée par la pharmacopée
européenne et elle est donc utilisée sur tous
les gaz médicaux.
A partir de l’oxygène de l’air. Mesurer
l’oxygène de l’air pour connaître sa teneur
en eau. Le principe s’appuie sur l’hypothèse que si la teneur en oxygène de l’air est en
dessous de 21 %, c’est que le reste est parti
en vapeur d’eau. Le capteur breveté de Bartec
est une sonde d’oxyde de zirconium classique qui effectue une mesure différentielle entre un air de référence et l’air à mesurer. La gamme de mesure s’étend de à 0 à
60 °C en point de rosée. Ce type de capteur
s’adapte à des applications défavorables en
climatisation ou sur des fumées d’incinéra-
tions. Une version pour l’agroalimentaire
peut être intégrée dans des fours pour la
cuisson d’aliments à la vapeur.
Avec un substrat absorbant associé à la
fibre optique. La société Bartec commercialise une technologie qui lui est propre : le
capteur à fibre optique permet la mesure in
situ de la teneur en eau de l’air ou d’un gaz,
à des concentrations de trace.Atteignant des
points de rosée de – 75 °C, il se positionne
sur les mêmes gammes que les capteurs à
oxyde métallique dans des applications
sévères. Ainsi, le capteur peut être exposé à
des forts champs électromagnétiques ou à
des fortes radiations, soumis à la corrosion
et même être immergé dans l’eau. Dans le
capteur, une lumière infrarouge est émise
par une diode et envoyée sur un support en
quartz. Celui-ci est recouvert d’un substrat
en contact avec le milieu (air ou gaz) et dont
le taux d’absorption en eau est en équilibre
avec l’humidité du milieu. Ce taux d’absorption va modifier la composition spectrale du rayonnement qui, une fois réfléchi,
est analysé par un détecteur polychromateur. Le terme de capteur à fibre optique
désigne l’unité fonctionnelle constituée
d’un guide d’onde, d’un transducteur
(quartz + substrat) et d’une optique de
mesure. Le capteur peut être déporté de
l’électronique de plus de 500 mètres. Une
cinquantaine d’hygromètres à fibre optique
est aujourd’hui installée en France.
Le psychromètre. Autrefois, il faisait office
de référence. Il a été supplanté par les hygromètres à miroir refroidi. Il reste cependant
des irréductibles de cette technique. On
peut ainsi le retrouver dans des gammes de
0 à 100 °C en point de rosée pour des applications difficiles quand un hygromètre
capacitif n’est pas assez fiable, ni assez précis. On mesure la différence de température
entre un capteur de température sec et un
capteur de température humide. Ce dernier
est entouré d’une mèche imbibée d’eau. La
température humide qu’il mesure est définie comme la température d’équilibre
d’une masse d’eau s’évaporant dans l’air et
dépend donc de l’humidité de cet air. La
nécessité d’une réserve en eau et de l’entretien de la mèche complique la mise en
œuvre pour des mesures en continu.
Le guide des produits
▼
Nous avons demandé aux fournisseurs interrogés de présenter un produit, une gamme de produits ou encore une activité touchant à la mesure d’humidité.
Une couche mince
d’oxyde métallique
Transmetteur de point
de rosée
■ La gamme
des hygromètres à oxyde d’aluminium Xantaur
HTF (distribuée par Arelco) utilise une
mince couche
poreuse dont la géométrie des pores
est contrôlée à la fabrication. Selon le
fournisseur, cette conception confère
aux capteurs des caractéristiques
métrologiques en termes de dérive,
de stabilité, d’hystérésis et de temps
de réponse (T65 : 2 min 30 s). Ils sont
ainsi adaptés pour des mesures difficiles. Ils couvrent une plage de mesure de – 80 à 20 °C en point de rosée.
Ils existent en version transmetteur (4
ou 2 fils), en version portable ou
encore en OEM. Les capteurs sont
interchangeables.
■ Mesurant une humidité relative,
le transmetteur série EE35 de E+E
Elektronik est étalonné en point de
rosée dans la gamme – 60…+60 °C.
Il offre une précision de ± 2°C. Il a
été adapté pour les process de
séchage et les conduites d’air comprimé. Un dispositif de montage
mécanique sur tuyauterie, par raccord à bague ou par vanne sphérique, autorise une installation jusqu’à 15 bar.
Deux sorties configurables (courant
MESURES 765 - MAI 2004
ou tension) sont disponibles pour la
retransmission du signal de mesure
de la température ambiante et du
point de rosée (ou point de givre).
Un afficheur LCD avec boutons
poussoirs pour la sélection des paramètres et fonction Min/Max et un
relais d’alarme sont également disponibles.
Un transmetteur pour
l’humidité relative
■ Kimo propose un capteur transmetteur d’humidité et de température de 0 à 100 % HR et de – 40 à
+180 °C. Il est équipé d’un afficheur
graphique, d’un boîtier ABS ou aluminium (IP 65) avec des sondes en
montage standard ou déporté de
différentes longueurs. Il est doté de
sorties analogiques (4-20 mA et
0-10 V) et numériques (RS 232 et
RS 485, protocole Modbus). Les
échelles de mesure, les unités, les
voies, les sorties, les alarmes/relais…
sont configurables à partir d’un clavier, d’une télécommande ou d’un
logiciel sur PC.
Les sondes du TH 300 bénéficient du
système Smart Pro qui offre une
reconnaissance et un paramétrage
automatiques. Ceci permet de remplacer les sondes de manière simple
sans retour du capteur à l’usine.
Le TH 300 peut également être ajusté sur site grâce à un appareil portable étalon via une liaison RS 232.
65
Guide d’achat
Plus qu’un transmetteur
■ Gefran présente le transmetteur
T28x Digicor équipé d’une connexion
directe avec un PC. Celle-ci autorise
l’étalonnage sur site en un point à
l’aide d’un calibrateur ou en deux
points à l’aide de deux solutions
salines. Le transmetteur affiche un
menu “diagnostic” qui indique le
nombre de fois que la température
est allée au-delà de l’échelle prédéfinie. Il affiche la date et l’heure du dernier événement. Il indique également
le nombre de fois que le transmetteur est allé en saturation d’humidité.
Le Digicor intègre le module de
mesure interchangeable (mesure
capacitive d’humidité relative par
variation d’impédance) dont le
microcontrôleur numérique permet
de configurer le niveau du signal de
sortie analogique et sa nature (tension ou courant). L’échelle de la sortie température peut, elle aussi, être
configurée sur site. Sur le port
numérique, les 2 signaux (température et humidité relative) sont disponibles en protocole Modbus.
Avec un système
d’étalonnage intégré
Le capteur puce
Tout se passe sur une surface de quelques millimètres carrés.
Deux éléments sensibles mesurent l’un l’humidité relative,
l’autre la température. Les signaux sont alors amplifiés et
convertis en signaux numériques.
Avec le module SHT11, la société Sensirion (distribuée par THIndustrie) présente une nouvelle technologie intégrée sur une
puce qui combine la technologie Cmos et les techniques de
mesures. La mesure d’humidité est basée sur le principe capacitif via un système “micro-usiné” d’électrodes interdigitées,
munies de diverses couches de protection et de vitrage de
polymère. L’amplification du signal à proximité de l’élément
sensoriel permet d’optimiser la couche de polymère sensible, non pas par rapport à l’ampleur du
signal, mais plutôt par rapport à la stabilité à long terme, La conversion analogique-numérique, effectuée “sur place”, rend le signal peu sensible aux perturbations. Le capteur est également protégé des
influences perturbatrices externes. Ainsi, il peut être exposé à la rosée ou même immergé dans les
liquides.
Le capteur (dimensions de 7,5 x 5 x 2,5 mm) fournit un signal numérique étalonné pour l’humidité
relative (± 3,5 % HR, ± 2 % sur demande) et pour la température (± 0,5 °C à 20 °C). le temps de réaction est de 4 secondes et la plage d’utilisation s’étend de -40 °C à 120 °C.
A noter encore, le calcul du point de rosée, les données de calibrage enregistrées sur la puce (qui permettent l’interchangeabilité des capteurs), ainsi que l’interface numérique pour la transmission des
signaux. Parmi les applications, on peut citer les domaines du chauffage, de la ventilation et de la climatisation, du bâtiment, de l’automobile, de l’automatisation et la commande des processus…
nages automatiques sur site (il s’agit
d’un tube à perméation qui “perd“
de l’eau et enrichit de manière
contrôlée un gaz de référence). A
noter encore le réglage automatique
des débits, quels que soient le gaz et
le mode de fonctionnement, et un
système d’échantillonnage (Manifold). Le principe à quartz vibrant se
caractérise par une importante
dynamique de mesure (en milliers
de ppm, ppm, ppb, ppt) et un temps
de réponse court.
Etalonnages à
différentes températures
■ La série 3050 des hygromètres
Ametek utilise la technologie du
quartz vibrant. Elle se présente sous
différentes versions : version de
laboratoire, version industrielle avec
notamment l’agrément Atex pour
une utilisation en zone explosive,
version “faibles teneurs“ pour les
sorties de sécheur (dans les unités
de récupération cryogénique). Les
équipements peuvent être installés
dans un coffret mural ou dans une
enceinte étanche (zone 1). Les appareils sont livrés avec un générateur
d’humidité qui permet des étalon-
66
■ PB Mesures vient d’être accrédité
par le Cofrac en tant que laboratoire
d’étalonnage en mesures d’humidité. L’accréditation porte sur l’étalonnage d’hygromètres à variation
d’impédance pour des taux d’humidité relative compris entre 5 et
95 % HR et pour une température
variable de 10 à 70 °C. Ainsi, l’industriel peut demander un étalonnage
à une température la plus voisine
possible de celle d’utilisation de ses
capteurs. Selon les conditions, les
incertitudes de mesure peuvent aller
de ± 0,3 % HR à ± 1,2 % HR. Si nécessaire, un ajustage des capteurs peut
être également pris en charge par le
laboratoire.
Le haut de gamme
du portable
■ Pour des contrôles ponctuels sur
site ou pour étalonner des sondes
en process, Vaisala propose une
gamme d’hygromètres portables
mesurant l’humidité relative (mesure capacitive sur polymère) sur une
gamme de 0 à 100 % HR et la température. Les différents modèles se différencient par leur gamme de température (de – 40 à 180 °C), la taille
de la sonde et la possibilité d’intercaler un câble de 5 mètres entre la
sonde et l’électronique. Celle-ci peut
accepter deux sondes, dont une
éventuellement pour la mesure de
CO2. L’écran affiche les trois paramètres en simultané. Un graphe permet de suivre l’évolution de ces
paramètres dans le temps et donc
de suivre les tendances du process.
Les données peuvent être transmises sur PC et traitées par un logiciel spécifique.
Pour l’humidité
dans l’air comprimé
■ Testo met
sur le marché
un transmetteur d’humidité et de
température
qui assure la
température
du point de rosée de – 60 à 60 °C
dans des conditions de pressions
jusqu’à 50 bar. Il a été conçu pour la
surveillance des réseaux d’air comprimé, particulièrement au niveau
des sécheurs (aussi bien ceux utilisant le froid que ceux fonctionnant
par absorption). Un système
d’alarmes et de préalarmes permet
d’intervenir avant que ne surviennent les dégâts dans le système d’air
comprimé. Le transmetteur est doté
d’un signal analogique de 4 à 20 mA.
En option, un affichage avec boutons de commande est proposé.
MESURES 765 - MAI 2004
Guide d’achat
Le miroir refroidi
jusqu’à 130 °C
■ Michell Instruments a développé
un hygromètre à miroir refroidi
capable de mesurer des points de
rosée jusqu’à 130 °C et dans les
mêmes conditions de température.
Ce capteur, qui s’inscrit dans la gamme Optidew du fournisseur anglais,
est donc dédié à des applications de
process sur des gaz ou dans des procédés de séchages. Il a été conçu
pour résister à la corrosion, aux
lavages à la soude ou aux stérilisations en autoclave. Il est doté d’un
indice de protection IP66. Le miroir
et son dispositif optique restent
accessibles pour un nettoyage
périodique. Le miroir est fabriqué en
Inox pour une meilleure résistance
aux agressions chimiques.
L’oxyde métallique
en zone dangereuse
■ Panametrics lance une nouvelle
génération d’hygromètres portables
pouvant travailler en zone dange-
reuse (agrément Atex). Le PM880 est
compatible avec toutes les sondes
d’oxyde métallique du fournisseur et
couvre un domaine de mesure de –
110 à 60 °C en point de rosée. Destiné à des campagnes de maintenance sur le terrain, l’hygromètre
conserve en mémoire 60 courbes
d’étalonnage et peut donc travailler
avec autant de sondes. Un collecteur
de données a une capacité de
100 000 points de mesure. Il est doté
d’un écran graphique LCD rétroéclairé (200x240 pixels) et liaison vers
PC infrarouge. A partir du point de
rosée mesuré, il calcule différents
paramètres d’humidité souhaités
(ppm ; % HR…). Avec ses 1,8 kg, il se
transporte à la main ou dans une
petite sacoche sur l’épaule. Il peut
être associé à un système de prélèvement (portable lui aussi).
Un hygromètre
de référence
■ General Eastern (distribué par Elcowa) a lancé l’année dernière son nouvel hygromètre de référence Optica.
Il mesure directement le point de
rosée (miroir refroidi), la température
et la pression. L’Optica se veut évolutif. Au fil des évolutions, il pourra disposer d’une mesure d’humidité et
9 mesures de température (pour la
caractérisation des enceintes clima-
tiques). Un data logger permet de
conserver des milliers de points de
mesure. Ceux-ci peuvent être récupérés via un port Ethernet et un protocole TCP/IP. L’hygromètre peut être
piloté à partir d’un navigateur Internet. Au choix, l’Optica est doté d’un
affichage 4 lignes de 40 caractères ou
d’un écran couleur VGA. Et bientôt, il
pourra recevoir les futures sondes à
condensation à détection dimensionnelle (CCD).
Le data logger conforme
CFR 21 Part 11
■ Pour l’enregistrement sur de
longues durées
des valeurs de
mesure de l’humidité et de la température, Rotronic
lance une gamme
de data logger
devant répondre aux applications
dans le domaine du transport, de
processus de production, des
centres de stockage, des musées...
Spécialement pour les industries
pharmaceutiques et agroalimentaires, l’HygroLog NT suit les recommandations CFR21/11 de la FDA ainsi que le GAMP4. Les capteurs
d’humidité Hygroclip du fournisseur
apportent une numérisation des
signaux de mesure. Les capteurs
sont interchangeables. Les données
des mesures sont enregistrées sur
des cartes mémoire Flash, offrant
une extension de la capacité d’enregistrement. Les données peuvent
être enregistrées de deux façons : en
mode texte, compatible avec tous
les traitements de texte et Excel, ou
en mode protégé (lisible uniquement par le logiciel HW4).
Psychromètres
■ Bartec propose une gamme de
psychromètres pour les taux d’humidité élevés. La version portable
(modèle 4457) est destinée aux campagnes de mesure pour des
contrôles dans les bâtiments, les
musées… Elle est dotée d’une liaison RS232 et d’un collecteur de données. La version process (modèle
4230) permet une mesure in situ
dans les gaz, les chaudières… Elle a
été conçue pour résister à la corrosion. Une liaison numérique est
assurée par une interface Profibus.
Coordonnées des fournisseurs
Agemip
Tél. : 01 48 71 17 14
[email protected]
Chauvin Arnoux
Tél. : 01 44 85 44 85
[email protected]
Gruter et Marchand
Tél. : 01 47 21 56 81
contact@gruter-et-marchand
PB mesures
Tél. : 04 73 28 64 88
Ahlborn
Tél. : 01 30 47 22 00
[email protected]
Dimelco
Tél. : 03 20 62 06 80
[email protected]
Hanna Instruments
Tél. : 03 88 76 91 88
[email protected]
Rotronic
Tél. : 01 60 95 07 10
[email protected]
Ametek
Tél. : 01 30 68 69 30
[email protected]
E+E Electronik
Tél. : 04 74 72 35 82
[email protected]
Jules Richard Instruments
Tél. : 01 39 96 33 00
[email protected]
TH industrie
Tél. : 01 47 66 81 86
[email protected]
Arelco
Tél. : 01 48 75 82 82
[email protected]
Elcowa
Tél. : 03 89 57 35 73
info@elcowa
Kimo
Tel. : 05 53 80 85 00
[email protected]
Vaisala
Tél. : 01 30 57 73 40
[email protected]
Bartec
Tél. : 01 48 41 11 96
[email protected]
GE Panametrics
Tél. : 01 47 82 42 81
info@panametrics
Michell Instruments
Tél. : 01 42 26 01 24
[email protected]
Testo
Tél. : 03 87 29 29 00
[email protected]
Bourdon Haenni
Tél. : 02 54 73 74 75
[email protected]
Gefran Coreci
Tél. : 04 78 77 03 00
[email protected]
Newport Omega
Tél. : 01 61 37 29 09
[email protected]
MESURES 765 - MAI 2004
[email protected]
67