MESURER L`HUMIDITE RELATIVE A MIEUX QUE ± 1 % H.R. EST

MESURER L’HUMIDITE RELATIVE A MIEUX QUE
± 1 % H.R. EST CE POSSIBLE ?
Bernard CRETINON
CETIAT – B.P. 2042 – 69603 – VILLEURBANNE Cedex
Résumé
De
nombreux
utilisateurs
d’hygromètres
rencontrent des problèmes concernant les
performances métrologiques exigées sur les mesures
de température et humidité relative en
environnement climatique (enceinte climatique,
salle climatisée, etc.) par rapport aux exigences des
normes sectorielles, directives, recommandations ou
cahiers des charges (par exemple : Erreurs
Maximales Tolérées de ± 1 °C et ± 2 % H.R. à 25 °C
et 50 % H.R.).
A priori, la mesure de l’humidité relative paraît
simple, et une erreur de justesse de l’ordre de
± 1 % H.R, souvent annoncée par les constructeurs
(à 23 °C), semble aisée à obtenir avec les
instruments disponibles actuellement sur le marché.
En réalité, ce n’est pas le cas. Afin de pouvoir
répondre à des E.M.T. de l’ordre de ± 2 à
± 4 % H.R., il est nécessaire d’obtenir des
incertitudes de mesure inférieures à ± 1 % H.R.
Cela signifie qu’avec les différents types
d’hygromètres
utilisés
pour
les
mesures
d’environnement
(hygromètre
à
variation
d’impédance,
psychromètre,
hygromètre
à
condensation), un étalonnage individuel avec une
incertitude d’étalonnage faible est nécessaire,
étalonnage qui doit être réalisé à la température
d’utilisation et sur une plage d’humidité relative
englobant la zone d’utilisation.
Abstract
A lot of hygrometer users need good accuracy in
temperature and relative humidity measurements to
determine the corresponding values in an air volume
( climatic chamber, climatised room, ,…), in respect
to
specific
standards,
recommendation,
directives ,…(for exemple : Maximal Permissible
Errors ± 1 °C and ± 2 %.R.H. at 25 °C, 50 % R.H.).
A priori, measuring relative humidity with a bias of
± 1 % H.R announced by the manufactures, generaly
at 23 °C, seams easy to obtain with the different kind
of hygrometers on the market, but in reality it’s not
true.
In fact, for the different kind of hygrometers
(Impedance variation hygrometer, psychrometer,
condensation hygrometer) used in environmental
measurements, to obtain an uncertainty better than
+/- 1 % R.H., to be in adequation with the M.P.E., it
is necessary to calibrate individualy each apparatus,
with a small uncertainty at the temperature and
relative humidity range of use.
1. INTRODUCTION
Dans de nombreuses applications industrielles, la
mesure de l’humidité relative est importante, et il
n’est pas toujours facile de faire le bon choix des
instruments à utiliser sur la base des différentes
caractéristiques techniques annoncées par les
constructeurs d’hygromètres.
L’évolution
de
l’électronique,
avec
des
microprocesseurs de plus en plus performants, permet
aux constructeurs d’hygromètres de déterminer
aisément la plupart des paramètres d’humidité. Par
contre, ils ne sont pas toujours capables de garantir ces
paramètres avec une qualité métrologique (erreur de
justesse) suffisante, sur tout le domaine de mesure en
température et humidité, pour répondre aux besoins des
industriels ou laboratoires.
En effet, les erreurs de justesse (souvent appelées
précision) annoncées par les constructeurs sur le
paramètre humidité relative sont de :
± 1 % à ± 2 % H.R. autour de 23 °C, pour les
hygromètre à variation d’impédance mesurant
directement l’humidité relative, et ± 2 %. à ± 4 % H.R
au delà,
± 1 % à ± 2 % H.R., sur toute la plage de
mesure, pour les hygromètres à condensation et les
psychromètres calculant l’humidité relative.
En réalité, les incertitudes calculées sur le paramètre
humidité relative, pour ces types d’hygromètres,
varient en fonction du domaine de température et
d’humidité relative (voir tableau 2). Elles peuvent être,
selon le domaine, supérieures à ± 3 % H.R..
Dans de nombreuses applications en environnement
climatique, les E.M.T. (Erreurs Maximales Tolérées)
exigées par des normes sectorielles, recommandations,
directives, sont souvent du même ordre de grandeur
que les performances métrologiques des hygromètres.
2. PRINCIPAUX TYPES
D’HYGROMETRES UTILISES EN
MESURES D’ENVIRONNEMENT
La principale grandeur de l'
air humide, mesurée ou
calculée, dans les différentes applications liées aux
mesures d’environnement, est l'
humidité relative. Elle
est obtenue à partir des mesures réalisées avec des
hygromètres mesurant la température de rosée (θd, θf),
la température humide (θw), l'
humidité relative (Uw), et
des instruments mesurant les paramètres associés tels
que la pression (p) et la température (θ). L’humidité
relative peut alors être calculée à partir des formules
définies dans la norme NF X 15-110 [1].
Lorsqu’on veut caractériser une enceinte climatique,
par exemple, plusieurs sondes de température sont
placées dans l’espace de travail (espace où sont
positionnés les produits à tester), ainsi qu’ un
hygromètre permettant de déterminer l’humidité
relative en ces mêmes points.
L’hygromètre utilisé peut être :
- un hygromètre à condensation,
- un psychromètre,
- un hygromètre à variation d’impédance.
L’hygromètre à condensation et le psychromètre
mesurent respectivement la température de rosée et la
température humide en un point de l’enceinte, ainsi que
la pression pour certains psychromètres. L’incertitude
sur l’humidité relative est calculée à partir des formules
présentées au chapitre 3.2 en prenant en compte la
que l’incertitude d’étalonnage de l’instrument. Des
étalonnages successifs, effectués à intervalle régulier,
permettent de connaître la dérive dans le temps de
l’hygromètre.
L’étalonnage peut être réalisé, soit :
- à la température correspondant à des conditions
normales d’essai, pour les modèles courants
(utilisation standard),
- à la température d’utilisation, pour les modèles
industriels avec un capteur fonctionnant à haute
ou basse température et introduit directement dans
l’ambiance du milieu à analyser (utilisation
spécifique).
Tableau 1 – Caractéristiques métrologiques annoncées par les constructeurs sur les paramètres
mesurés pour quelques modèles d’hygromètres
θ
θ
θ
θ
"#
!
$
±
&
±
/
0
.
/
.
56 +- )
.
. 0
12
.
0
3
4
81
.
3
2
3
6
θ6
()
&
56
θ
θ6
)
(
θ
θ9
'±
(
) '± *)
+,
-,. .
"#
&
%
' &*
$
%
±
) '± 7) +,
-,
"#
$
±
&
'±
%
(
± '() +,
-,
+,
-,. .
température mesurée en chaque point de l’espace de
travail représenté par une sonde de température.
L’hygromètre à variation d’impédance mesure
directement l’humidité relative, mais la mesure est
ponctuelle et nécessite alors soit un déplacement, soit
l’utilisation de plusieurs sondes, pour caractériser
l’ensemble de l’espace de travail.
Les caractéristiques métrologiques des instruments
(erreur de justesse) annoncées par les constructeurs
sont présentées dans le tableau 1.
3. ETALONNAGE DES
HYGROMÈTRES
L’étalonnage des hygromètres est basé sur une
méthode de comparaison à un instrument de référence
raccordé aux étalons nationaux.
Cette opération établit la correction à apporter aux
valeurs indiquées par l’hygromètre à étalonner, ainsi
3.1. Incertitude de mesure de l’hygromètre
L’hygromètre utilisé pour les mesures doit être
étalonné auprès d’un laboratoire de la chaîne nationale
d’étalonnage et l’estimation de l’incertitude est
déterminée conformément à la norme NF ENV 13005 :
classée X 07 020 [2].
La détermination de l’incertitude de mesure des
hygromètres nécessite de prendre en compte les
éléments suivants :
- incertitude d’étalonnage (donnée par le certificat
d’étalonnage avec un coefficient d’élargissement
k = 2),
- incertitude liée à la méthode d’exploitation,
- dérive,
- répétabilité,
- résolution,
- hystérésis,
- incertitude liée aux facteurs d’influence,
- ….
La même démarche doit être utilisée pour déterminer
l’incertitude de mesure des thermomètres et des autres
instruments utilisés (par exemple, la pression pour le
psychromètre).
humidité relative, en respectant la démarche présentée
au chapitre 3.1. Elle se situe généralement entre :
± 1 % H.R. et ± 2,5 % H.R. selon la valeur de la
température et de l’humidité relative.
3.2. Evaluation de l’incertitude sur
l’humidité relative calculée
Tableau 2- Incertitude associée à l'humidité relative
calculée à partir d’une mesure de température de
rosée et à partir d’une mesure de température
humide pour des températures comprises entre
+ 15 °C et + 80 °C (selon NF X 15 140 [8]).
Lorsque l’incertitude globale de chaque instrument est
évaluée, il est possible de calculer l’incertitude
associée à l’humidité relative calculée.
Les exemples suivants présentent une comparaison
entre trois méthodes de détermination de l’humidité
relative, à partir de l’utilisation d’un hygromètre à
condensation, d’un psychromètre et enfin d’un
hygromètre à variation d’impédance. Pour illustrer
l’évaluation de l’incertitude associée à l’humidité
relative Uw à différentes températures θ, une valeur
type d’incertitude a été choisie pour chaque type
d’hygromètre, ainsi que pour le thermomètre associé :
hygromètre à condensation (mesure de θd) :
incertitude de mesure sur θd : ± 0,2 °C (facteur
d’élargissement k = 2),
psychromètre (mesure θw ) : incertitude de mesure
sur θw : ± 0,2 °C (facteur d’élargissement k = 2),
thermomètre : (mesure de θ) : incertitude de
mesure sur θ : ± 0,2 °C (facteur d’élargissement
k = 2).
•
•
•
La détermination de l’incertitude associée à l’humidité
relative, obtenue à partir de la méthode
psychrométrique, est déterminée en tenant compte de la
pression mesurée avec un instrument étalonné et dont
l’incertitude est connue ; dans l’exemple, l’incertitude
de mesure de la pression est égale à ± 200 Pa (facteur
d’élargissement k = 2).
Le tableau 2 donne quelques valeurs de l’incertitude
élargie associée à l’humidité relative (avec un facteur
d’élargissement k = 2), calculée à partir des relations
suivantes :
•
Pour l’hygromètre à condensation :
∂U
w
u 2 (U ) =
w
∂θ
d
•
u 2(U
2
. u 2 (θ ) +
d
∂U
2
w
∂θ
. u 2 (θ )
Pour le psychromètre :
w
)=
+
∂U
∂θ
∂U
w
2
w
w
∂θ
2
⋅ u 2 (θ
w
)
⋅ u 2 (θ ) +
∂U
w
∂p
2
⋅ u 2 ( p)
•
Pour l’hygromètre à variation d’impédance,
l’incertitude de mesure est déterminée directement en
θ/Uw
15 °C
25 °C
60 °C
80 °C
θ/Uw
15 °C
25 °C
60 °C
80 °C
Hygromètre à condensation
20 %
40 %
60 %
90 %
1,1
1,7
0,4
0,7
1,0
1,5
0,3
0,6
0,8
1,2
0,3
0,5
0,7
1,1
20 %
1,2
0,5
0,3
Psychromètre
40 %
60 %
2,4
1,5
1,7
0,7
0,9
0,6
0,8
90 %
2,8
2,2
1,3
1,1
Remarque : dans le cas du psychromètre, si la
pression n’est pas prise en compte dans le calcul de Uw,
l’erreur commise dépend directement de l’écart entre la
valeur réelle de la pression et celle utilisée dans la
formule du psychromètre (généralement 1000 h Pa ou
1013,25 hPa) (voir NF X 15-118 [3], tableau 2 page
12). Par exemple, à 25 °C et 50 % d’humidité relative,
si la pression réelle est de 900 h Pa, l’erreur sur
l’humidité relative calculée est de l’ordre de 2 % de
Uw. Cette erreur doit être ajoutée aux autres
composantes de l’incertitude.
4. EXEMPLES D’APPLICATION
Comme nous l’avons précisé au chapitre 1, l’humidité,
et plus particulièrement l’humidité relative, est un
paramètre d’environnement à maîtriser dans de
nombreuses applications industrielles concernant le
traitement ou le conditionnement de certains produits
(médicaments, papier, carton, matériel électrique,
électronique, etc.). De nombreuses normes sectorielles,
recommandations, directives ou cahiers des charges,
conduisent à utiliser des moyens (enceintes
climatiques, salles climatisées,…) permettant de fixer
et de maîtriser les paramètres d’environnement et de
prouver qu’ils se situent à l’intérieur d’erreurs
maximales tolérées (E.M.T.).
Exemples d’E.M.T. demandées dans des
normes ou recommandations :
Cas 1 : papier/ carton : ISO 187 [4]
θ = 25 °C, E.M.T. = ± 1 °C,
Uw = 50 %, E.M.T. = ± 2 % H.R.
Cas 2 : Industrie textile : ISO 139 [5]
θ = 23 °C, E.M.T. = ± 1 °C,
Uw = 65 %, E.M.T. = ± 2 % H.R.
Cas 3 : Industrie Pharmaceutique : I.C.H. [6]
θ = 40 °C, E.M.T. = ± 2 °C,
Uw = 75 %, E.M.T. = ± 5 % H.R.
Cas 4 : Industrie électrique : C.E.I. 68-2-38 [7]
θ = 60 °C, E.M.T. = ± 2 °C,
Uw = 93 %, E.M.T. = ± 3 % H.R.
Pour cela, les utilisateurs ne se limitent pas à lire
l’affichage ou l’enregistrement des valeurs fournies par
les instruments pilotant la régulation des systèmes où
sont testés les produits ; ils réalisent ou font réaliser des
mesures de température et d’humidité relative
permettant de caractériser l’environnement autour des
produits en respectant des procédures de mesure de ces
paramètres (normes NF X15-140 [8], programme
d’accréditation 122.2 du COFRAC [9]).
Pendant de nombreuses années, les documents
normatifs sur la qualité des mesures ont recommandé
que les incertitudes des instruments de mesure utilisés
(thermomètres et hygromètres, dans ce cas) soient dans
un rapport de quatre ou trois (voire deux pour
l’humidité) avec les E.M.T., selon la difficulté du
paramètre à mesurer (par exemple : ± 0,25 °C, ± 0,7 %
H.R. pour les cas 1 et 2 et ± 0,50 °C, ± 1,7 % H.R. et
± 1 % H.R. pour les cas 3 et 4). Toutefois, les valeurs
des incertitudes de mesure n’étaient pas prises en
compte lors de la vérification de la conformité d’une
installation.
en dehors de la
spécification
majeure partie des normes), de l’incertitude élargie U à
chacune des limites, (1zone de conformité, 2 zones de
non conformité, doute entre les deux zones : ± U) [11].
Lors d’un jugement, cela réduit la zone de conformité
par rapport à la zone de spécification (figure 1) ; mais
par contre, cette règle n’impose pas de rapport maximal
entre l’incertitude et l’intervalle de tolérance.
Actuellement, le programme 122.2 du COFRAC,
s’appuyant sur les préconisations de la norme NFX 15140, utilise cette méthode et n’admet que les résultats
compris strictement dans la zone de conformité.
Dans les exemples présentés ci dessous, les incertitudes
calculées sur l’humidité relative, à partir des
incertitudes respectives de chaque type d’instrument
présentés dans le paragraphe 3.2, sont les suivantes :
• cas 1 :
Pour une température de 25 °C et une humidité relative
de 50 % avec une E.M.T de ± 2 % H.R ., on obtient les
incertitudes suivantes sur le calcul de l’humidité
relative :
Intervalle de tolérance (IT)
Zone de spécification
-
Mesure avec un hygromètre à condensation :
U(Uw) = ± 0,9 % H.R.,
Mesure avec un psychromètre : U(Uw)= ± 1,6 %
H.R. (la pression étant mesurée avec une
incertitude de 200 Pa),
Mesure avec un hygromètre à variation
d’impédance : U(Uw) = ± 1,5 % à ± 2 % H.R..
en dehors de la
spécification
Conception
Incertitude
croissante
Contrôle
Zone de nonconformité
Zone de conformité
Zone de nonconformité
Figure 1 : Norme ISO 14253-1, zone de spécification et zone de conformité
On voit bien, dans ces exemples que les « erreurs de
justesse » annoncées par les constructeurs sont, dans la
plupart des cas, insuffisantes.
Depuis le début de l’année 2000, la norme ISO
14253-1 [10] préconise de réduire l’intervalle de
tolérance I.T.( égal à deux fois l’E.M.T. dans la
Dans cet exemple, l’E.M.T. est de ± 2 % H.R. ; il est
recommandé d’utiliser un hygromètre à condensation
et un thermomètre avec une incertitude de mesure
meilleure que ± 0,20 °C, pour répondre aux exigences
de la norme.
• cas 2 :
Pour une température de 23 °C et une humidité relative
de 65 % avec une E.M.T de ± 2 % H.R., on obtient les
incertitudes suivantes sur le calcul de l’humidité
relative :
-
.
condensation ou un psychromètre associés à un
thermomètre avec une incertitude de mesure
meilleure que ± 0,20 °C, pour répondre aux
exigences de la norme.
5. CONCLUSION
Mesure avec un hygromètre à condensation :
U(Uw) = ± 1,2 % H.R.,
Mesure avec un psychromètre : U(Uw)= ± 1,9 %
H.R. (la pression étant mesurée avec une
incertitude de ± 200 Pa),
Mesure avec un hygromètre à variation
d’impédance : U(Uw) = ± 1 ,5 % à ± 2 % H.R..
Pour déterminer l’humidité relative lors d’essais
d’environnement, avec des exigences normatives,
recommandations ou des directives nécessitant des
E.M.T. comprises entre ± 2 % et ± 5 % H.R., et pour
des valeurs spécifiques de température et d’humidité
relative, il est nécessaire de s’assurer de l’adéquation
des moyens de mesures aux E.M.T.
Dans cet exemple, l’E.M.T. est de ± 2 % H.R.; il est
recommandé d’utiliser un hygromètre à condensation
et un thermomètre avec une incertitude de mesure
l’ordre de ± 0,15 °C, pour répondre aux exigences de
la norme.
Dans tous les cas, pour déterminer la correction
d’étalonnage et l’incertitude de mesure, que l’on ne
peut justifier uniquement à partir des données des
constructeurs, les hygromètres doivent être étalonnés,
dans des conditions correspondant à la température et à
l’humidité relative d’utilisation, auprès d’un laboratoire
d’étalonnage accrédité de la chaîne nationale. En outre,
pour
certaines
applications,
les
incertitudes
d’étalonnage doivent être faibles ( < ± 0,6 % H.R. ou <
± 0,1 °C pour les températures de rosée et les
températures), afin que les incertitudes de mesure des
hygromètres utilisés en environnement climatique,
soient adaptées aux exigences de certaines normes.
-
• cas 3 :
Pour un essai réalisé à une température de 40 °C et une
humidité relative de 75 %, avec une E.M.T de ± 5 %
H.R, on obtient les incertitudes suivantes sur le calcul
de l’humidité relative :
-
Mesure avec un hygromètre à condensation :
U(Uw) = ± 1,2 % H.R.,
Mesure avec un psychromètre : U(Uw) = ± 1,6 %
H.R. (la pression étant mesurée avec une
incertitude de 200 Pa),
Mesure avec un hygromètre à variation
d’impédance : U(Uw) = ± 1,5 % à ± 2 % H.R.,
selon l’incertitude de mesure de l’hygromètre
(étalonné à la température de mesure ).
Dans cet exemple, où l’EMT est de ± 5 % H.R., il est
possible d’utiliser indifféremment un hygromètre à
condensation, un psychromètre ou un hygromètre à
variation d’impédance, étalonnés .
• cas 4 :
Pour un essai réalisé à une température de 60 °C et une
humidité relative de 93 %, avec une E.M.T de ± 3 %
H.R, on obtient les incertitudes suivantes sur le calcul
de l’humidité relative :
-
Mesure avec un hygromètre à condensation :
U(Uw) = ± 1,2 % H.R.,
Mesure avec un psychromètre : U(Uw) = ± 1,3 %
H.R. (la pression étant mesurée avec une
incertitude de 200 Pa),
Mesure avec un hygromètre à variation
d’impédance : U(Uw) = ± 2 % à ± 2,5 %H.R.,
selon l’incertitude de mesure de l’hygromètre
(étalonné à la température de mesure ).
Dans cet exemple, où l’EMT est de ± 3 % H.R., il est
possible d’utiliser indifféremment un hygromètre à
Malgré l’étalonnage, pour les applications exigeant des
E.M.T. faibles, selon les valeurs de température et
d’humidité relative demandées (par exemple 23 °C,
65 % H.R.), les incertitudes de mesure des hygromètres
en humidité relative ne sont pas toujours adaptées aux
E.M.T.. Cela n’est pas dû à la qualité des hygromètres
et des moyens d’étalonnage mis en œuvre, mais aux
exigences de l’environnement climatique de certaines
normes sectorielles qui ne sont pas en adéquation avec
les lois physique de l’air humide.
Par exemple, l’ISO 187 et l’ISO 139 mentionnent une
E.M.T. en température de ± 1 °C et une E.M.T. sur
l’humidité relative de ± 2% H.R. Or, une variation de
1 °C en température entraîne une variation de 3 % H.R.
dans les conditions de l’ISO 187 et de 4 % H.R. dans
les conditions de l’ISO 139. On voit ici que les
exigences en température et humidité relative ne sont
pas cohérentes entre elles. Par ailleurs, cela signifie que
pour respecter l’E.M.T. en humidité relative (± 2%
H.R.), il faudrait des E.M.T. en température de l’ordre
de ± 0,5 °C, ce qui est totalement impossible dans des
salles climatisées avec du personnel à l’intérieur. Pour
ces deux exemples, une révision des normes s’impose
concernant
les
exigences
des
conditions
d’environnement ( la nouvelle version de la norme ISO
139, parue en janvier 2005, préconise dorénavant des
E.M.T de ± 2 °C au lieu de ± 1 °C et ± 4 % H.R au lieu
± 2 % H.R). Il en est de même pour les 2 autres cas
traités dans ce document ou une variation de ± 2 °C de
la température équivaut à ± 7 % H.R. (au lieu de ± 5 %
H.R.) à 40 °C/ 75 % H.R. et ± 8,5 % H.R. (au lieu de ±
3 % H.R.)à 60 °C/ 93 % H.R., pouvant entraîner une
condensation parasite dans l’enceinte climatique (non
recommandé par la norme C.E.I. 68-2-38).
6. REFERENCES
[1] Norme AFNOR NF X 15-110 - 1992 : Mesures de
l’humidité de l’air - paramètres hygrométriques.
[2]
Norme NF ENV 13005 - 1999 : guide pour
l’expression des incertitudes de mesure.
[3] Normes NF X15-118 : Mesures de l’humidité de
l’air – Le psychromètre – Décembre 1996.
[4] ISO 187 - 1993 : Papier, carton et pâtes Atmosphères normales de conditionnement et d’essai
et méthode de surveillance de l’atmosphère et de
conditionnement des échantillons.
[5] ISO 139 -1973 (en révision, prévue en janvier
2005) :
Textile
-Atmosphères
normales
de
conditionnement et d’essai.
[6] Recommandation I.C.H : International Conference
on Harmonisation of technical requirement for the
registration of pharmacicals for human use.
[7] Norme C.E.I. 68-2-38 – 1974 : Essais
fondamentaux climatiques et de robustesse mécanique
– deuxième partie : Essais Z/DA : Essai cyclique
composite de température et d’humidité.
[8] Normes NF X15-140 : Mesures de l’humidité de
l’air – enceintes climatiques et thermostatiques caractérisation et vérification - Octobre 2002.
[9] Programme 122.2 du COFRAC : Vérification des
équipements d’essais – Caractérisation des enceintes
climatiques – Décembre 1997.
[10] Norme ISO 14253-1 : Règles de décision pour
prouver la conformité ou la non conformité à la
spécification.
[11] FD X07- 022 : Métrologie et applications de la
statistique – Utilisation des incertitudes de mesures :
Présentation de quelques cas et pratiques usuelles.