Guide d`achat : transmeteurs et capteurs d`humidité

G uide d’achat
MES U R E S P H Y S I Q U E S
L’humidité est une grand eur délicate à mesurer

De par sa complexité, comparée aux autres grandeurs physiques, la mesure de la
quantité d’eau, à savoir de l’humidité, requiert une attention toute particulière,
assez souvent négligée par manque de connaissance. La mesure d’humidité se
distingue par la cohabitation de plusieurs technologies sur le marché, par une forte
dépendance aux conditions de l’environnement en température et en pression,
par une multiplication des valeurs et unités employées, par la diversité des applications et donc des besoins des industriels, etc. Pour tenter d’éclairer sur le choix
de telle ou telle solution, il faut revenir aux fondamentaux et se poser les bonnes
questions : quelle est l’étendue de mesure ? De quel niveau de précision ai-je
besoin ? Mon application se distingue-t-elle par un environnement particulier ?
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teur commercial de la filiale française de
l’autrichien E+E Elektronik.
Un autre aspect, propre à la mesure d’humidité, vient compliquer la tâche des différents
acteurs. « L’embêtant, si l’on peut dire, en hygrométrie est le grand écart qui existe entre les teneurs
les plus élevées que l’on peut mesurer (proche de la
saturation, ou 100 % d’humidité relative) et les
traces d’eau dans des gaz purs (ppb voire ppt) »,
constate Jean-Luc Tiphagne, responsable instrumentation chez Elcowa, distributeur de
l’américain Buck Research Instruments, du tchèque Comet, de l’américain General Eastern/GE
Sensing & Inspection Technologies… pour la
France. « Comme il y a rarement un chevaucheDelta Ohm
S
ur le marché de la mesure d’humidité, on trouve aussi bien des
capteurs à variation d’impédance
fournissant une valeur d’humidité
relative et des générateurs d’humidité que
des transmetteurs Atex reposant sur un élément sensible à oxyde d’aluminium et délivrant des mesures de point de rosée, sans
compter les systèmes muraux pour la climatisation, les hygromètres à miroir refroidi,
les versions OEM pour l’automobile, etc. Ce
n’est donc pas pour rien que l’humidité est
considérée comme
l’une des grandeurs
L’essentiel
physiques les plus dé L’humidité est une grandeur
licates à appréhender
physique difficile à appréhenet à mesurer. « Il s’agit
der et à maîtriser.
d’un paramètre assez par Il existe un large éventail
ticulier, très difficile à
de technologies de mesure,
maîtriser et nécessitant
dominé toutefois par
notamment des investisseles hygromètres à variation
ments importants en étad’impédance et une myriade
lonnage
pour atteindre un
de fournisseurs.
certain niveau de qualité et
 L’humidité étant influencée
de précision. Une grande
par la température et
connaissance est nécessaire
la pression, le choix
et on ne s’improvise pas
d’une solution de mesure
fabricant de capteurs
doit être mûrement réfléchi
d’humidité du jour au lenpour éviter de mauvaises
demain », rappelle
surprises.
Bertram Walter, direc-
ment entre deux technologies de mesure, nous devons
couvrir toute la plage allant des extrêmement faibles
aux très fortes teneurs d’humidité », ajoute Eric
Gruter, gérant de Gruter & Marchand qui distribue en France le britannique Alpha Moisture
Systems (AMS), l’allemand DKS, le britannique Shaw et l’américain Tiger Optics.
A l’image des distributeurs, les fabricants
d’hygromètres cherchent eux aussi à proposer une offre la plus globale possible,
en termes de technologies de capteur, de
types de produits (fixe, portable, modules
pour OEM), etc. Pour y parvenir, ils privilégient ces dernières années les croissances externes. Citons entre autres les
rachats de Panametrics et de General Eastern
par GE Sensing & Inspection Technologies, ceux
de l’activité humidité (anciennement
Coreci) de l’italien Gefran et de l’américain
Rense Instruments par le britannique Michell
Instruments, l’acquisition du canadien Veriteq
Instruments par le finlandais Vaisala. « Le rachat de l’activité d’Endress+Hauser il y a une
dizaine d’années avait également permis à GE
Sensing & Inspection Technologies d’étendre
sa gamme avec des produits à vocation industrielle.
De nos jours, les fabricants se tournent vers l’approvisionnement d’éléments sensibles au niveau du
L’un des
débouchés
à forte croissance
des hygromètres
concerne
les applications
de confort
(climatisation,
ventilation
de bureaux...)
pour lesquelles
le faible coût
est le critère
essentiel,
et unique.
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
marché mondial pour viser les marchés des appareils
portables, de la climatisation… », explique
M. Tiphagne (Elcowa).
Intérêt grandissant pour
les marchés à fort volume
« Il s’agit d’une évolution “dans le bon sens” : le
marché de la mesure d’humidité croît ! affirme
M. Walter (E+E Elektronik France). La forte demande dans les domaines du confort (climatisation,
ventilation) et de l’automobile (via des versions
OEM) attire de plus en plus de monde, notamment
des entreprises fabriquant déjà des transmetteurs
pour d’autres grandeurs physiques et utilisant des
éléments sensibles du marché ». D’où l’apparition
d’une myriade de sociétés allemandes, américaines, brésiliennes, etc. qui se positionnent plus sur les secteurs du tertiaire avec des
produits d’entrée de gamme. Qui dit entrée
de gamme, dit forcément des capteurs avec
une précision moindre (élément sensible
résistif), intégrés dans un simple boîtier et à
des prix “imbattables”. « Un transmetteur d’humidité relative coûte quelques centaines d’euros et
un hygromètre pour la mesure d’humidité absolue,
plusieurs dizaines de milliers d’euros. Cette différence de prix reflète évidemment des exigences très
différentes », indique David Tronchin, responsable des ventes pour la région Europe du
Sud au sein de la division EPC/Downstream
de GE Sensing & Inspection Technologies.
Avant de présenter les technologies de mesure et d’aborder les questions à se poser
avant le choix d’un hygromètre, il est préférable de faire un point sur la terminologie
pour éviter toute confusion. Il existe de
nombreuses manières pour exprimer une
mesure d’humidité (grandeurs et unités),
qui n’est finalement qu’une quantité de vapeur d’eau contenue dans un gaz. « Comme
l’humidité n’est pas une valeur conservatrice – elle
dépend de la température et de la pression –, les gens
ont vite fait de se prendre les pieds dans le tapis. Il
suffit pourtant juste de connaître les formules perMESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
E+E Elektronik
L’humidité n’est pas la grandeur physique la plus répandue dans les procédés et autres applications industrielles, mais pour la mesurer,
il existe une multitude de technologies, de types d’appareils, d’unités, etc.
mettant de passer d’une expression à l’autre pour
démystifier des concepts qui ne sont pas si complexes que cela », affirme Eric Georgin, chargé
d’études à la division métrologie du Centre
technique des industries aérauliques et thermiques
(Cetiat).
Une multitude de grandeurs
et d’unités
La grandeur la plus communément rencontrée est l’humidité relative (U), exprimée en
pourcentage (% HR) et qui est le rapport
entre la pression partielle de vapeur d’eau
dans le gaz et la pression de vapeur d’eau
saturante. « L’écriture même de l’humidité relative
peut prêter à confusion. Lorsque l’on parle de ±1 %
HR, il s’agit bien d’une erreur absolue et non d’une
erreur relative : ±1 % HR représente 20 % d’erreur
sur 5 % HR, par exemple ! », rappelle David
Reignier, responsable commercial à la division instruments de Vaisala France. On trouve
également la fraction molaire de la vapeur
d’eau d’un échantillon d’air humide (xv), le
rapport de mélange (r exprimé en kg/kg),
la pression partielle de vapeur d’eau (e’),
l’humidité spécifique (q en kg/kg), l’humidité absolue (θv en kg/m3), la pression de
vapeur saturante en phase pure (ew, ei en
Pascal), la pression de vapeur saturante dans
l’air humide ou facteur d’augmentation (fw,
fi), la masse volumique de l’air humide (ρah
en kg/m3), le volume spécifique de l’air ➜
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Guide d’achat
Guide d’achat
,
, ou du
Aperçu des fabricants en mesure d’humidité
Fabricant (Distributeur)
Mesure du point de rosée
Miroir refroidi Capacitif
Alpha Moisture Systems
(Gruter & Marchand)
Ametek
Mesure d’humidité Autres technologies
relative (capacitif)
Oui
Observations
Oui
Quartz oscillant, TDL
et électrolytique
Psychromètre, fibre optique
Oui
Chauvin Arnoux (Testoon)
Oui
Comet (Dimelco, Elcowa, Elex)
Oui
Comark (Citec, Distrame, VWR)
Oui
Delta Ohm
(Citec, Degré 5, Dimelco)
Oui
Oui
Diaxys
Oui
Oui
Applications air comprimé chez Dimelco, appareils portables,
transmetteurs et version Atex chez TH Industrie
Sortie 4-20 mA, 0-10 V et RS-485 Modbus RTU
DKS (Gruter & Marchand)
Electrolytique
De 0 à 2 000 ppmv
Domosystem
Résistivité
Capacité
Mesure du bois rond ou fendu, des plaquettes forestières,
copeaux, granulés…
Driesen Kern
(TH Industrie)
Edgetech (Gruter & Marchand)
Oui
Version avec ou sans affichage, montage mural ou avec gaine
et sonde déportée, de -40 à 120 °C et jusqu’à 100 % HR
Oui
De -90 °C à +95 °C
Elpro (CMI*)
E+E Elektronik
Oui
Oui
Dataloggers Ecolog TH1, Hamster EHT1 et Ecolog Net LH2 (réseau)
Oui
Fabricant de cellules (capteur capacitif à polymère hygroscopique)
Fluke (Distrame, Testoon)
Oui
Française d’instrumentation
Oui
Galltec+Mela (Dimelco)
Oui
Gann
Agrément Atex
Oui
Oui
Résistivité
Oui
Oui
Résistivité
GE Sensing/Protimeter
(Domosystem, Testoon)
Oui
Oui
Radiofréquence
Résistivité
Calculs psychrométriques automatiques (Psyclone).
Mesure dans les matériaux de construction et le bois d’œuvre
Hanna Instruments
Oui
Oui
Résistivité
Hygromètres portables, enregistreurs d’humidité, humidimètres
portables à pointe (résistivité) pour les matériaux
GE Sensing & Inspection
Technologies (Elcowa)
Oui
Mesure du bois avec de nombreux distributeurs spécialisés
Kimo Instruments
Oui
Magdetech (Dimelco)
Oui
Enregistreurs
Mesa Laboratories (CMI*)
Oui
Sondes autonomes Datatrace RF et Datatrace Micropack IIII
Michell Instruments
Oui
Michell Instruments (CMI*)
Oui
MIS* France
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Novus (Degré 5, Dimelco)
Oui
Oui
Rotronic
Oui
Oui
Shaw (Gruter & Marchand)
Oui
Vaisala
Oui
Oui
Wimesure*
Oui
Oui
Witt Gastechnik
Oui
Xentaur (Arelco)
Oui
Observations
Psychromètre
Technologie HTF, capteur déporté avec cable blindé, transmetteur
avec afficheur ou sans afficheur et sortie 4-20 mA Hart
➜ humide (Vs en m3/kg) et l’enthalpie spécifique (i en kJ/kg).
Il est par ailleurs possible d’exprimer l’humidité au travers d’une température, comme
c’est le cas avec la température humide (Tw
en Kelvin ou θw en degré Celsius), les températures de rosée (Td ou θd) et de gelée (Tf
ou θf). Ces deux dernières grandeurs, également appelées points de rosée et de gelée,
sont fréquemment utilisées par les industriels, mais pas pour les mêmes applications.
La limite couramment acceptée pour le
changement d’unité, entre humidité exprimée en % HR et température de rosée, est
10 % HR ou 5 % HR selon les constructeurs.
La raison est simple : à une humidité de 5 %
HR, la précision vaut ±1 % HR ou ±2 °C.
Lorsque l’on descend en dessous de 5 % HR,
la précision en température devient plus favorable.
Dans la pratique, le choix de l’unité est parfois dicté par l’application proprement dite
et non pas par la précision recherchée et/ou
l’habitude de l’utilisateur. « Dans l’exemple du
suivi du stockage de tôles, le point de rosée est la
valeur la plus appropriée pour exprimer la limite de
condensation. L’identification de la limite de condensation, donc de l’apparition d’eau et de rouille,
est bien plus évidente via une température qu’un
pourcentage », explique Bernard Sounie, ingénieur commercial à la division instruments
de Vaisala France. Pour illustrer le caractère
“relatif” de l’humidité, « prenons un point de
rosée de +12,01 °C, soit 50 % HR à +23 °C de
température sèche. Si celle-ci augmente à +30 °C
et que la pression reste constante, le point de rosée
vaut alors +18,43 °C, toujours pour une humidité
relative de 50 % ! », explique M. Georgin
(Cetiat).
Des polymères pour
toutes les applications
Pour ceux qui penseraient désormais bien
connaître le sujet, ils ne sont pas encore au
bout de leur peine. Après la multitude des
grandeurs et unités associées à l’humidité,
la situation est, dans une certaine mesure,
similaire dans le domaine des technologies
mises en œuvre dans les hygromètres. Nous
nous intéresserons ici aux mesures d’humidité dans l’air et les gaz uniquement, sachant qu’il existe par ailleurs des méthodes
pour mesurer la teneur en eau dans l’huile
(voir Mesures n° 821) et dans des matériaux
(bois, béton, biomasse…). On trouve sur le
marché des humidimètres à pointe (méthode capacitive, résistive ou par radiofréquence), des hygromètres avec sonde
hygrométrique, etc., également proposés
par les fabricants et distributeurs d’hygromètres.
Pour les appareils destinés à la mesure de
l’humidité dans l’air et les gaz, la technologie
de variation d’impédance domine de la tête
et des épaules le marché. « On désigne par
hygromètre à variation d’impédance les instruments
équipés d’un élément sensible constitué d’une substance hygroscopique dont on mesure les variations
de propriété électrique (résistance ou capacité) en
fonction de l’humidité ambiante », explique
M. Georgin (Cetiat). Une substance hygroscopique (polymère) a la propriété de voir ➜
Quartz vibrant
Electrolytique, résistivité
Mesure d’humidité relative de -100 à +200 °C et point de rosé
de -40 à +20 °C
De -120 °C à +20 °C
Schischek
Oui
Testo
Oui
Tiger Optics (Gruter & Marchand)
60
Mesure d’humidité Autres technologies
relative (capacitif)
Hygromètres à miroir refroidi Optidew Vision
Novasina (Dimelco, Precisa France)
UPSI
Mesure du point de rosée
* Cleanroom Management International (CMI), Mesure instrument & système (MIS) France,Wimesure est le nouveau nom de la société Ahlborn.
Le segment de la mesure d’humidité se compose d’un côté d’un marché de niche, avec des fabricants et quelques distributeurs spécialisés, et de l’autre côté d’un marché bien plus important
en volume, mais “atomisé” en termes d’acteurs. Ce tableau, recensant les fabricants présents en France en direct ou via des distributeurs (présents que sur le secteur du process, du bâtiment, bois...
ou seulement sur une zone géographique donnée) ne se veut en aucun cas exhaustif.
Oui
CS Instruments
(Dimelco, TH Industrie)
Fabricant (Distributeur)
Miroir refroidi Capacitif
De -120 °C à +20 °C
Bartec
Buck Research Instruments (Elcowa)
Aperçu des fabricants en mesure d’humidité (suite)
Agrément Atex
Résistivité
Spectroscopie CRDS
Mesures de concentration en ppm, ppb et ppt
Oui
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
61
Kimo Instruments
Mic
hell
Inst
rum
ent
s
Test
o
n
Ker
esen
Dri
Rotronic
Vaisala
Guide d’achat
Schischek
Guide d’achat
Comme l’humidité n’est pas une valeur
conservatrice, les hygromètres sont en fait
des appareils de mesure multiparamètres
intégrant des sondes pour contrôler
la température et/ou la pression
de l’environnement dans lequel la mesure
d’humidité est faite.
Dans le segment de marché des transmetteurs d’humidité, les fabricants proposent un large éventail de modèles afin de répondre notamment aux contraintes importantes d’installation liées
à l’environnement dans lequel fonctionne le transmetteur et d’éviter d’éventuelles mauvaises surprises (effet “radiateur”, condensation venant saturer le capteur...).
➜ sa teneur en eau varier en fonction de
l’humidité relative de l’air avec lequel elle est
en équilibre.
Dans le cas d’un hygromètre dit “capacitif”,
l’élément sensible est un condensateur dont
le diélectrique est constitué d’un polymère
actif, entre deux électrodes (l’ensemble étant
implanté sur un substrat), de quelques micromètres d’épaisseur. La capacité du condensateur varie selon l’équilibre atteint avec
la vapeur d’eau contenue dans l’air humide.
Un hygromètre “résistif” fonctionne sur le
même principe : lorsqu’une substance
hygroscopique placée entre deux électrodes
en platine situées sur une plaquette de quartz
est en équilibre avec la vapeur d’eau contenue dans l’air ambiant, la valeur correspondant à sa teneur en eau, donc à son impédance, est une fonction directe de l’humidité
de l’air. La température peut avoir une influence plus ou moins importante sur ce
type de capteur, selon le mode de fabrication
(conduction électrique de masse ou de surface), d’où assez souvent la présence d’une
compensation en température. Les capteurs
basés sur une conduction dans la masse sont
Ne pas sous-estimer l’étalonnage
Si un utilisateur prend comme référence l’étalonnage en température pour avoir une
idée précise de celui d’un hygromètre, il risque d’aller au devant de mauvaises surprises.
En plus d’être plus long à faire, l’étalonnage d’un hygromètre est en effet relativement
plus cher que celui d’une sonde de température. « La différence de prix peut aller jusqu’à
un rapport de 1,5 à 2, ce qui freine de nombreux utilisateurs. Sauf ceux travaillant dans
le domaine pharmaceutique qui eux n’ont en effet pas le choix.Tout dépend cependant
du niveau d’incertitude que l’industriel souhaite pour le certificat d’étalonnage : “Cetiat”,
Cofrac ou aucun », explique Bertram Walter, directeur commercial de la filiale française
de l’autrichien E+E Elektronik. Signalons que nombre de fabricants fournissent avec
leurs capteurs et transmetteurs – les modèles haut de gamme le plus souvent –,
un certificat d’étalonnage rattaché à un organisme de référence. « Il faut savoir
que les moyens d’étalonnage représentent des investissements très importants pour
les fabricants et pour les laboratoires d’étalonnage », ajoute Eric Georgin, chargé d’études
à la division métrologie du Centre technique des industries aérauliques et thermiques
(Cetiat). Et les ressources nécessaires peuvent être encore plus importantes si
les fabricants doivent réaliser des étalonnages à des températures de rosée très basses.
« Le Cetiat propose (pour l’instant) des étalonnages jusqu’à des températures de -60 °C,
mais, pour couvrir certains de leurs produits qui peuvent travailler bien en deçà,
l’un de nos partenaires est capable de descendre jusqu’à -85 °C avec un laboratoire rattaché
au NPL britannique », explique Eric Gruter, gérant de Gruter & Marchand. Comme
n’importe quel appareil de mesure, les transmetteurs d’humidité à poste fixe et
les hygromètres portables peuvent très bien être vérifiés et étalonnés par les utilisateurs
eux-mêmes. Ces étalons de transfert sont des générateurs d’humidité reposant sur
différentes méthodes (solution saline, chambre à double pression, flux à modulation
temporelle…) et la majorité des fabricants proposent en complément de leur offre
de capteurs et de transmetteurs un ou des générateurs d’humidité. « La tendance
est actuellement de générer à la fois une humidité et différentes températures dans le but
de réaliser un pilotage selon ces deux grandeurs physiques », constate Jean-Luc Tiphagne,
responsable instrumentation chez le distributeur Elcowa.
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moins sensibles aux phénomènes de surface,
mais également moins rapides.
L’un des principaux inconvénients des
hygromètres “capacitifs” était leur dérive
importante. « Les fabricants ont alors développé
des capteurs interchangeables pour faciliter un remplacement fréquent, jusqu’à l’introduction des dernières générations de capteurs caractérisés par une
stabilité plus grande », constate M. Tiphagne
(Elcowa). Ces éléments sensibles ont en effet
bénéficié des évolutions réalisées au niveau
des polymères qui se sont grandement démocratisés. « Il existe maintenant toutes sortes de
polymères pour répondre aux exigences du plus grand
nombre d’applications : résistance chimique, précision, temps de réponse court grâce à un équilibre
instantané avec l’air, etc. La qualité de l’élément
sensible diffère souvent d’un fabricant à l’autre »,
ajoute M. Reignier (Vaisala). Les constructeurs ont également développé des fonctionnalités annexes au polymère lui-même,
comme par exemple des systèmes de purge
via une chauffe cyclique pour améliorer la
stabilité. « Les hygromètres utilisant un polymère
répondent désormais à 95 % des applications, notamment dans l’industrie et le tertiaire (climatisation, ventilation), via la déclinaison de produits selon
la tenue en température (inox ou plastique haute
température jusqu’à +200 °C), le type de montage
(format CMS pour les gros volumes) », explique
M. Walter (E+E Elektronik France).
che mince poreuse d’oxyde d’aluminium (le
diélectrique). Un dépôt d’or poreux est déposé sur cette surface, formant ainsi avec la
base en aluminium les deux électrodes d’un
condensateur. « Les capteurs à oxyde d’aluminium sont plus performants en environnements très
secs, sont disponibles en version Atex, mais supportent mal l’humidité qui les fait dériver. Il faut éviter de les stocker n’importe où et faire attention à
d’éventuels changements de process », fait remarquer M. Sounie (Vaisala France).
Que ce soit pour les capteurs à oxyde métallique ou pour les capteurs de type polymère,
les évolutions de ces dernières années portent principalement sur l’électronique.
« Comparé à l’amélioration de la sensibilité et de la
stabilité, l’ajout de fonctions annexes comme un
enregistreur, un écran VGA couleur est une tendance
plus marquée », constate M. Tiphagne (Elcowa).
Les fabricants ont également porté leur attention sur l’aspect communication des
transmetteurs d’humidité : sortie analogique
4-20 mA ou 0-10 V, sorties numériques RS232/485 Modbus, Ethernet, communications sans fil… « Non seulement les sorties sont
plus variées et plus performantes, mais les capacités
de stockage et la miniaturisation des composants,
facilitent grandement la vie », poursuit Eric
Delannay, directeur commercial du distributeur Dimelco.
Pour les utilisateurs qui veulent aller encore
plus loin en termes de précision et qui ont
le budget nécessaire – on entre dans une ➜
La précision a un coût…
tout relatif
Pour atteindre des niveaux de précision plus
élevés, en fait pour travailler en température
de rosée à des concentrations de l’ordre du
ppm (réseaux d’air comprimé, gaz de laboratoire…), les principaux acteurs du marché
ont développé les hygromètres à oxyde métallique ou de silicium pour une meilleure
tenue en température. Un hygromètre à
oxyde d’aluminium (Al2O3) reste un capteur
“capacitif”, constitué cette fois d’une plaque
d’aluminium anodisé recouvert d’une couMESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
63
Guide d’achat
Guide d’achat
Edgetech
E+E Elektronik
Michell Instruments
... on trouve toute une offre
de capteurs économiques pour être
intégrés dans des boîtiers
de climatisation ou de capteurs
plus performants pour le process.
Les capteurs de process peuvent être
interchangeables, supporter des
températures ambiantes très élevées,
des environnements un peu agressifs, etc.
Tiger Optics
Pour la mesure des (très)
faibles teneurs en eau,
l’utilisateur a également
un choix d’hygromètres
à miroir refroidi pour
les contraintes d’utilisation
sur site ou de laboratoire...
... et même des hygromètres reposant
sur des techniques spectrométriques
pour rechercher la présence de la plus petite
trace d’eau dans des gaz, par exemple.
64
➜ toute autre catégorie de prix –, les hygromètres à condensation sont faits pour eux.
« Les hygromètres à miroir refroidi sont principalement destinés à la métrologie, aux applications de
bancs d’étalonnage ou d’essais, de traitement
thermique, etc. », précise M. Tronchin (GE
Sensing & Inspection Technologies). « Avec la démocratisation de cette technologie et le glissement général des prix, l’accès à des mesures d’humidité de
très haut niveau de précision est désormais plus aisé.
Les hygromètres à miroir refroidi se retrouvent de
plus en plus dans les procédés industriels », ajoute
Frédéric Sasia, directeur commercial de
Michell Instruments France. Les industriels recherchent en effet la précision et la garantie
des mesures qu’apportent les hygromètres à
condensation.
Ces derniers, ou hygromètres à miroir refroidi, utilisent le refroidissement graduel
(via un élément à effet Peltier à un ou plusieurs étages ou via des fluides réfrigérants)
d’un miroir jusqu’à la formation d’un dépôt
de rosée (ou de gelée, selon la température)
à sa surface. On stabilise ensuite le refroidissement de façon à maintenir un état d’équilibre entre la vapeur contenue dans l’air et le
dépôt de rosée (ou de gelée). Une fois
l’équilibre atteint, la température de ce dépôt
est par définition la température de rosée
(ou de gelée) de l’air.
Le système de détection du condensat et de
régulation de sa température comprend en
général des Del éclairant le miroir et un récepteur optoélectronique pour capter les
variations de l’intensité lumineuse du faisceau réfléchi par le miroir, variations provoquées par la condensation de la vapeur d’eau.
Le récepteur sert également à la régulation
du refroidissement (ou du réchauffement).
Comme il n’est pas possible de mesurer directement la température du dépôt, on utilise une résistance de platine intégrée dans
le miroir ou en contact avec la surface. Il
existe d’autres solutions de détection, à l’instar de l’absorption du rayonnement infrarouge, de la variation de conductivité ou de
capacité apportée par l’eau liquide entre
deux électrodes. Vaisala avait introduit il y a
quelques années un hygromètre à miroir
refroidi avec un système de détection utilisant les ondes acoustiques de surface (surface acoustic wave ou SAW) en lieu et place
du laser, mais cette solution a depuis été
abandonnée.
Hormis leur prix, les hygromètres à condensation ont toutefois quelques limitations. « Il
s’agit de la “petite erreur” autour des températures
négatives, entre -10 et 0 °C, pour lesquelles on n’est
pas sûr d’être en eau ou en glace. Les gaz non purs,
et/ou chargés de particules, peuvent par ailleurs
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
fausser la mesure à cause de l’encrassement du capteur optique. Ce problème ne se posait auparavant
pas lorsque les appareils étaient utilisés uniquement
en laboratoire, avec des gaz purs », souligne
M. Sasia (Michell Instruments France). Les fabricants proposent des miroirs interchangeables pour pallier l’agression par des gaz corrosifs et se tournent également vers d’autres
miroirs que ceux en or. « Les modèles réalisés
par dépôt de surface d’or via électrolyse sont remplacés par des miroirs massifs en rhodium (applications de laboratoire) ou en platine (pour les process et plus chers), qui présentent une fiabilité accrue
et une tenue dans le temps supérieure », ajoute
M. Tiphagne (Elcowa).
De nouvelles technologies
pour les applications de niche
Les technologies de mesure d’humidité ne se
résument toutefois pas aux variations d’impédance et aux miroirs refroidis. Même si ces
dernières répondent à la quasi-totalité des
demandes, il y a des applications pour lesquelles les hygromètres mécaniques (cheveu
humain dégraissé, coton, nylon ou péritoine
de porc se contractant ou s’allongeant en
fonction de l’humidité relative de l’air), généralement associés à un enregistrement sur
papier, les psychromètres, les systèmes à
quartz vibrant ou à diode laser, les hygromètres électrolytiques sont mieux adaptés.
Certes, certaines méthodes sont de moins en
moins employées. « Les hygromètres mécaniques
tendent à disparaître en raison des problèmes de dérèglement pendant le transport, ce qui impose un étalonnage sur site, et ils sont remplacés par des modèles
à variation d’impédance associés à un enregistreur »,
constate M. Georgin (Cetiat).
Autres victimes des hygromètres à variation
d’impédance, excepté dans les ambiances très
humides, les psychromètres. Ces derniers
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
TH Industrie
GE Sensing & Inspection Technologies
La personne qui recherche
une solution de mesure d’humidité
pour une application pourrait
prendre peur au vu de la diversité
des solutions existant sur le marché.
A côté des transmetteurs et
hygromètres portables,...
La technologie à variation d’impédance est la mesure d’humidité la plus couramment utilisée dans les capteurs, que ce soit
pour la mesure d’humidité relative de teneurs en eau importantes ou pour la mesure du point de rosée pour les faibles teneurs.
sont constitués de deux thermomètres convenablement ventilés avec l’air dont on veut
mesurer l’humidité. L’élément sensible de
l’un des deux thermomètres est recouvert
d’une gaze humidifiée avec de l’eau déminéralisée. L’évaporation de l’eau dans l’air provoque un refroidissement jusqu’à une valeur
d’équilibre appelée température humide. Le
second thermomètre mesure, quant à lui, la
température de l’air appelée par opposition
température sèche. « Non seulement les psychromètres coûtent chers et peuvent poser des soucis de
maintenance (il faut deux thermomètres et de
l’eau), mais des abaques sont aussi indispensables
pour retrouver les valeurs d’humidité relative »,
regrette M. Reignier (Vaisala France).
A contrario, d’autres technologies profitent
des évolutions réalisées ces dernières années pour voir le jour, industriellement
parlant, sous la forme de produits commercialisés ou pour devenir réellement
compétitives. C’est le cas par exemple des
hygromètres électrolytiques pour la mesure de traces de vapeur d’eau dans l’air ou
dans un gaz quelconque. « La technologie électrolytique est très bien adaptée pour les gaz médicaux,
les gaz utilisés dans les traitements thermiques, l’inertage, les réseaux d’air comprimé… », affirme
M. Gruter (Gruter & Marchand).
Le capteur d’un hygromètre électrolytique
est constitué d’un tube à l’intérieur duquel
se trouve un enroulement de deux électrodes, en platine ou en rhodium, entre lesquelles se trouve une couche d’anhydride phosphorique (P2O5). Le gaz à analyser circule
dans le tube de mesure et la vapeur d’eau
qu’il contient est adsorbée par l’anhydride
phosphorique qui se transforme en acide
phosphorique. Une tension continue est appliquée entre les électrodes et provoque une
électrolyse de l’eau avec dégagement d’oxygène et d’hydrogène et une régénération ➜
65
Guide d’achat
Guide d’achat
,
Sociétés françaises en mesure d’humidité*
Société
Mesure du point de rosée
Miroir refroidi
Ametek
Capacitif
Mesure d’humidité Autres
relative (capacitif) technologies
Oui
Arelco (Xentaur)
Quartz vibrant, TDL
et électrolytique
Oui
Bartec
Psychromètre, FO
Chauvin Arnoux
Oui
Citec (Delta Ohm)
1
CMI (Elpro, Mesa Lanoratories,
Michell Instruments)
Oui
Oui
Oui
Oui
Degré 5 (Delta Ohm, Novus)
Oui
Oui
Diaxys
Oui
Oui
Dimelco (Comet, CS Instruments,
Delta Ohm, Galltec+Mela, Magdetech,
Novasina, Novus)
Oui
Oui
Distrame (Française d’instrumentation,
Fluke, Comark)
Oui
Domosystem (Protimeter/GE Sensing)
Elcowa (Buck Research Instruments,
Comet, General Eastern/GE Sensing
& Inspection Technologies...)
Electrolytique,
résisitivité
Oui
Oui
Oui
Radiofréquence,
résisitivité et
capacitif
Oui
Oui
Résistivité
Elex (Comet)
Oui
E+E Elektronik
Oui
Fluke
Oui
Oui
Gruter & Marchand (Alpha Moisture
Systems, DKS, Edgetech, Shaw)
Oui
Hanna Instruments
Oui
Oui
Kimo Instruments
Michell Instruments
Oui
MIS2 France
Oui
Oui
Résistivité
Oui
Oui
Quartz vibrant
Oui
Oui
Precisa France (Novasina)
Rotronic
Spectroscopie CRDS,
électrolytique
Oui
Oui
Oui
Schischek
Oui
Testo
Oui
Résisitivité
Testoon (Amprobe, BK Precision,
Chauvin Arnoux, Extech, Fluke, Kimo
Instruments, Protimeter/GE Sensing
& Inspection Technologies, Standard
Instruments)
Oui
Résisitivité
TH Industrie
(CS Instruments, Driesen Kern)
Oui
UPSI
Oui
Oui
Vaisala
Oui
Oui
Wimesure
Oui
Oui
Witt Gastechnik
Oui
3
* Liste non exhaustive des constructeurs et des distributeurs présents en France
(1) Cleanroom Management International (CMI),
(2) Mesure instrument & système (MIS) France,
(3)Wimesure est le nouveau nom de la société Ahlborn.
66
Psychromètre
➜ de l’anhydride phosphorique. La loi de
Faraday donne ensuite la concentration de
vapeur d’eau contenue dans l’air humide.
Reposant sur une tout autre technologie, les
hygromètres piézoélectriques font intervenir
la variation de fréquence de résonance entre
deux cristaux de quartz identiques revêtus
d’une substance hygroscopique (polymère).
L’un est installé dans une cellule étanche, à
l’atmosphère parfaitement sèche et régulée
en température, l’autre cristal se trouve en
contact soit avec le gaz à mesurer, soit avec
un gaz de référence. L’adsorption de certaines molécules d’eau par le polymère modifie la masse du couple cristal/polymère et
donc la fréquence de résonance. « Notre technologie QCM (“Quartz crystal microbalance”)
permet de proposer des produits à mi-chemin entre
un hygromètre à miroir refroidi et un appareil à
oxyde métallique. La précision est en effet supérieure
au second ; le prix se situe en deçà de celui d’un
modèle à condensation », précise M. Sasia
(Michell Instruments France).
A l’image des analyseurs Aurora de GE Sensing
& Inspection Technologies et Halo de Tiger Optics,
l’utilisation de la spectroscopie se fait une
place dans le spectre des technologies pour
la mesure d’humidité. Le système de GE
Sensing & Inspection Technologies s’appuie sur la
spectroscopie par absorption à diode laser
accordable (“tunable diode laser absorption
spectroscopy” ou TDLAS) : une diode laser
émet un faisceau monochromatique, mais
dont la longueur d’onde peut être réglée
et/ou modulée ; on remonte ensuite à la
quantité d’eau via la loi de Beer-Lambert.
« Notre hygromètre est capable de mesurer des traces d’eau dans le gaz naturel, sans risque d’interférences, ni de dérive de la mesure, ni aucune maintenance », affirme M. Tronchin (GE Sensing &
Inspection Technologies).
L’analyseur de Tiger Optics met en œuvre
une autre méthode spectroscopique, à savoir la spectroscopie à cavité résonnante
(“Cavity ring down spectroscopy” ou
CRDS). Une diode laser émet un faisceau
continu qui traverse une chambre de mesure de longueur d’onde fixée. Les renvois
successifs entre les deux miroirs haute réflexion de la chambre font parcourir à ce
faisceau une distance de 100 km à travers
l’échantillon du gaz analysé. Par un jeu de
mesures de temps, l’analyseur détermine
la concentration de la molécule recherchée.
« Le système est certes plus cher qu’un hygromètre
à miroir refroidi, mais il est cent fois plus rapide et
permet d’atteindre avec précision des concentrations
de l’ordre du ppt en volume », avance M. Gruter
(Gruter & Marchand). Les utilisateurs potentiels ne sont donc pas les premiers venus :
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
laboratoires de recherche et de référence
métrologique, l’industrie microélectronique, les fabricants de gaz…
Plus proche de l’analyse de gaz
que de la mesure de température
Au vu de la diversité des technologies, le
choix d’une solution de mesure d’humidité,
quelle soit à poste fixe, portable, associée à
un enregistreur, etc. ne s’improvise pas.
Toutes les personnes interrogées s’accordent
pour citer les critères suivants : « L’étendue de
mesure (proche de la condensation ou au contraire
des traces) et la précision à la température à laquelle
on travaille sont les premiers critères pour sélectionner telle ou telle technologie, sachant que les autres
conditions de l’application ont également un poids
très important (tenue en pression, par exemple) »,
résume Sasia (Michell Instruments France).
Parmi les conditions liées à l’application,
rappelons l’unité dans laquelle sera exprimée l’humidité, le type de signal de sortie,
la répétabilité et l’hystérésis surtout pour les
hygromètres à variation d’impédance, la
stabilité dans le temps (dérive rapide ou
non) du capteur liée aux propriétés physi-
MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com
que et chimique du polymère, l’étalonnage
(voir encadré), etc. « Il faut également se renseigner
sur la tenue du capteur dans le temps vis-à-vis des
gaz corrosifs qui imposent l’utilisation des hygromètres à miroir refroidi industriel, en platine, au
lieu des capteurs capacitifs », ajoute M. Tronchin
(GE Sensing & Inspection Technologies).
« Bien connaître l’environnement de son application
peut sembler trivial, mais le manque de culture de
la part des utilisateurs aboutit à des aberrations. Les
gens ne savent par exemple pas si le point de rosée
de leur procédé se situe aux alentours de +10 °C
ou de -40 °C ; d’autres demandent une plage de
travail de 0-100 % HR mais cela ne veut rien dire.
Il faut donc engager une discussion très technique
en amont de la vente pour définir les besoins exacts
du client, quitte à poser des questions annexes : quel
type de sécheur, de colonne de séchage utilisez-vous ?
Faites-vous des mesures sous pression ? Si oui, doiton ramener les valeurs à la pression atmosphérique ? », souligne M. Typhagne (Elcowa).
Les aspects concernant l’installation du capteur ou du transmetteur sont par ailleurs à
prendre en compte afin d’éviter d’éventuelles mauvaises surprises. Par exemple, les
utilisateurs doivent parfaitement protéger le
capteur des effets “radiateurs”, qui sont liés
à la différence de température entre l’intérieur d’une enceinte et l’extérieur, et veiller
à ne pas monter un capteur en position verticale si de l’eau se formant juste au-dessus
risque de s’écouler et venir perturber la mesure. Un autre cas de figure porte sur les
éventuelles lignes de prélèvement : si des
parties se trouvent à des températures très
différentes de celle du process (à l’extérieur
d’un bâtiment en plein hiver), le basculement du point de rosée au-dessus de la température ambiante provoquera immanquablement des condensations parasites. On se
rapproche alors plus de l’analyse de gaz que
de la mesure de température : prélèvement,
installation en coffret thermostaté, étage de
filtration, pompe, débitmètres, etc.
Cédric Lardière
Pour en savoir plus
• La description de la plupart des technologies
de mesure d’humidité est extraite de l’ouvrage
“La mesure de l’humidité dans les gaz”
rédigé par Bernard Crétinon et Jacques Mérigoux,
publié dans la collection des monographies du BNM.
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