Mesures d`humidité : le point de rosée d`accord mais à condition de

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MES UR E S P H Y SI QU ES
Mesures d’humidité : le point
à condition de savoir ce que

La température de rosée (ou si l’on préfère le point de rosée) est avec l’humidité
relative le paramètre le plus utilisé pour quantifier l’humidité d’un gaz. Une question se pose alors : pour une application donnée, lequel des deux est le plus pertinent ? Si c’est le point de rosée qui s’impose, d’autres questions se posent alors.
Comment réaliser la mesure ? Directement ou indirectement ? Ou encore, quelle
est la meilleure façon d’installer un transmetteur de point de rosée ? Vaisala, spécialiste en hygrométrie, donne ici quelques éléments de réponse.
I
l existe un grand nombre d’applications dans lesquelles la mesure du
point de rosée est nécessaire, souvent
très différentes. Par exemple, on peut
vouloir s’assurer de l’humidité de l’air fourni
en sortie d’un sécheur. Dans un registre différent, la mesure du point de rosée se révèle
indispensable pour contrôler la qualité de
produits en cours ou en sortie de production. Autre exemple encore, radicalement
différent, celui d’un système à air comprimé : ici, la mesure du point de rosée permet d’éviter des problèmes liés à la corrosion
ou au givre.
Mais pourquoi privilégier le point de rosée ?
On le sait, il existe de
nombreuses autres
L’essentiel
unités pour quantifier
l’humidité : teneur en
 Pour la mesure des faibles
humidités, avec une bonne
eau ou humidité absoprécision et pas de dépenlue, humidité relative,
dance avec la température,
rapport des mélanges,
le point de rosée est l’unité
enthalpie, température
de choix.
humide,… Pour l’ana Deux approches sont
lyse de la quantité de
possibles pour mesurer le
vapeur d’eau contenue
point de rosée : directement
dans un gaz ou l’air,
par un capteur de point de
l’humidité relative
rosée ou indirectement via
(HR) et le point de
une mesure d’humidité
rosée (Td) sont les
relative.
plus communément
 Mais plus la valeur de point
utilisées.
de rosée est basse, plus la
L’humidité relative se
mesure avec un instrument
rapporte au pourcend’humidité relative induira
tage de vapeur d’eau
une erreur importante sur le
point de rosée.
(à une température
donnée) contenu dans
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l’air par rapport à la quantité maximum que
peut contenir cet air avant condensation.
Ainsi, une humidité relative de 70 % nous
indique que l’air contient 70 % du maximum de vapeur d’eau qu’il peut absorber à
cette température. Les capteurs d’humidité
relative utilisent pour la plupart un principe
capacitif. L’élément sensible est comparable
à un condensateur dont la capacité varie
selon la quantité de molécules d’eau contenues dans l’air ambiant.
L’humidité relative est quantifiée sur une
échelle de 0 à 100 % HR. C’est une grandeur
très répandue, notamment pour le contrôle
de l’air ambiant. La mesure est aisée à réaliser, les capteurs sont fiables et ont fait leurs
preuves.
Cependant, la mesure de l’humidité relative
a aussi ses limites. Avec une incertitude au
mieux de ± 1 %, lorsque l’on arrive à des
valeurs frôlant justement 1 % HR, la valeur
mesurée n’a plus beaucoup de sens. Autant
dire que lorsque l’on recherche de la précision, on devra abandonner ce principe en
dessous de 10 % HR. Autre inconvénient, la
grandeur “humidité relative” est dépendante
de la température. Il faut donc préciser la
température à laquelle elle a été mesurée.
Pour ces raisons, on préférera la grandeur
“point de rosée”. Il s’agit de la température
à laquelle il faut refroidir l’air humide pour
atteindre la saturation et donc obtenir un
début de condensation (d’où le nom de
“rosée”). Lorsque cette température de rosée
Td est atteinte, la pression partielle de la vapeur d’eau est égale à la pression de saturation et on a un taux d’humidité relative de
Le point de rosée, c’est la température à laquelle l’eau présente
dans l’air ou le gaz se condense sur une surface.
100 %. Pour des températures de rosée inférieures à 0 °C, on parle plutôt de température de gelée car la vapeur saturée est alors
en équilibre avec de la glace.
Mesure directe ou indirecte
Il existe une manière directe de mesurer le
point de rosée, avec des capteurs dédiés : elle
est mise en œuvre sur les hygromètres à
condensation (miroir refroidi) et les hygromètres à oxyde métallique.
Sur les hygromètres à condensation, un gaz
contenant de la vapeur d’eau est envoyé sur
une surface (le plus souvent un miroir) dont
la température est précisément contrôlée.
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de rosée, d’accord,
l’on fait…
utilisant non pas un oxyde métallique mais
un polymère. La réponse de ce polymère est
alors corrélée non plus à l’humidité relative
mais bien au point de rosée. Ces polymères
descendent moins bas qu’un oxyde métallique, environ jusqu’à -70 °C, mais ils supportent par contre beaucoup mieux les ambiances à plus forte humidité. Ces capteurs
insensibles aux pics d’humidité ont un
temps de réponse court et l’intervalle de réétalonnage recommandé est de deux ans.
Dans la majorité des process industriels, une
incertitude de ± 2 °C peut être garantie sur
l’ensemble de la gamme de mesure.
Pour mesurer le point de rosée, il existe une
troisième possibilité, qui consiste à faire une
mesure indirecte et de partir d’une mesure
d’humidité relative. Il suffit de connaître (en
plus) pour cela la température et de faire un
petit calcul. La plupart des transmetteurs intègrent aujourd’hui un petit composant
électronique qui convertit la mesure d’humidité relative en unité de point de rosée.
Alors, connaissant les contraintes de chaque
capteur, que faut-il choisir ? Une mesure directe avec un capteur de point de rosée ? Ou
indirecte avec un capteur d’humidité relative ? Avant de choisir, il est nécessaire de
connaître le niveau d’humidité et les conditions de mesure.
A température ambiante par exemple, un
transmetteur d’humidité relative peut être
utilisé tant que la valeur HR est supérieure à
10 % HR ou que le point de rosée est supérieur à -10 °C. Le “point de rosée” peut être
calculé directement par le transmetteur à
partir de l’humidité relative et de la température, avec une précision tout à fait acceptable. En dessous de ces valeurs, un transmetteur mesurant directement le point de rosée
est conseillé. Plus la valeur du point de rosée
est basse, plus la mesure avec un instrument
d’humidité précis induit une erreur im- ➜
Un four dans la métallurgie, une production de bouteilles en plastique, la vérification d’un sécheur… trois situations industrielles où il
est utile de mesurer le point de rosée.
Cette surface est refroidie jusqu’à apparition
de condensation. La température à laquelle
la condensation apparaît correspond donc
au point de rosée. Les capteurs à miroir refroidi sont plus généralement réservés aux
applications de laboratoire.
Dans les applications industrielles, un bon
nombre de constructeurs font appel aux capteurs à oxyde métallique pour mesurer le
point de rosée. Leur fonctionnement repose
sur un principe capacitif, tout comme les
capteurs d’humidité relative, mais avec un
élément sensible spécialement étudié pour
mesurer la température de rosée. Le principal
atout de ces capteurs est leur capacité à me-
surer des points de rosée extrêmement bas,
en dessous de -100 °C pour les plus performants. Ils sont donc souvent utilisés pour des
applications sur de l’air ou des gaz relativement secs. En revanche, ces capteurs peuvent
rapidement dériver, et ils nécessitent donc
des étalonnages à intervalles relativement
courts. Ils peuvent également être endommagés lors d’une exposition à une humidité
élevée ou mettre plusieurs heures avant de
pouvoir fournir à nouveau une mesure valide. Il est donc difficile de les stocker ou de
les utiliser dans une ambiance à fort taux
d’humidité. Pour palier ces inconvénients,
des fournisseurs ont développé des capteurs
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Température de rosée
et pression de vapeur
Température de rosée (°C)
Pression partielle
de vapeur d’eau (mbar)
20
23,5 mbar
0
6,1 mbar
-10
2,9 mbar
-20
1,3 mbar
-40
0,2 mbar
En connaissant la température de rosée, la pression de vapeur saturante
correspondante peut être déduite. Le tableau présente quelques valeurs de
correspondance entre la température et la pression de vapeur saturante ainsi que
pour la température de rosée et la pression partielle de vapeur d’eau.
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Fixes, portables… Des produits pour
toutes les applications.
La pression de vapeur d’eau
L’eau possède la propriété d’exister sous trois
états : liquide, solide ou gazeux. Pour comprendre
le comportement de la vapeur d’eau, il est d’abord
important de connaître le comportement général
des gaz. Dans tout mélange de gaz, la pression
totale du gaz est la somme des pressions partielles
de ses constituants. C’est la loi de Dalton, qui est
transcrite sous la forme mathématique :
Ptot = P1 + P2 + P3
Les composants principaux de l’air sont l’azote,
l’oxygène et la vapeur d’eau. La pression atmosphérique totale est la combinaison des pressions
partielles de ces trois gaz. Alors que l’azote et l’oxygène sont présents dans des concentrations
stables, la quantité de vapeur d’eau peut varier de
manière importante et doit être mesurée pour être
connue.
➜ portante sur le point de rosée (voir la
démonstration dans l’encadré “Comparatif
entre le point de rosée et % HR”).
Comparatif entre le point de rosée et % HR
Le calcul du point de rosée à partir d’une
mesure réalisée avec un capteur
d’humidité relative est entâché d’une
incertitude. Plus la valeur du point de
rosée est basse, plus l’erreur est importante. Prenons un exemple avec un
transmetteur d’humidité relative d’une
précision de ± 2 % HR. Cela signifie que si
la valeur à mesurer est de 5 % HR,
l’instrument pourrait indiquer une valeur
Fourchette basse
(-2%)
comprise entre 3 % HR et 7 % HR. A 20 °C,
cela correspond à un point de rosée
calculé de respectivement -24 °C (pour
3 % HR) et -15 °C (pour 7 % HR). Ainsi,
dans cet exemple, une différence de
4 % HR correspond à un écart de 9 °C
sur le point de rosée calculé.
En revanche, avec un instrument de
mesure de point de rosée d’une précision
de ± 2 °C, l’écart est limité à 4 °C.
Mesure moyenne
Fourchette haute
(+2%)
Mesure indirecte du point de rosée, calcul à partir d›une mesure effectuée avec un capteur HR (précision ± 2 %)
Mesure de l’humidité
relative (HR)
3 % HR
5 % HR
7 % HR
Point de rosée calculé
-24 °C
-19 °C
-15 °C
Mesure directe du point de rosée avec un capteur de point de rosée (précision ± 2 %)
Point de rosée
-21 °C
-19 °C
Point de rosée (°C)
Humidité relative (%R)
-15 °C
Ce graphe donne une autre illustration de la non linéarité de
la correspondance entre humidité relative (HR) et point de
rosée (Td). Pour une très basse
valeur de Td, une variation de
± 2 °C de Td entraine une variation de ± 0,01 % de HR. A une
valeur (relativement) élevée de
Td, cette même variation de
± 2 °C de Td entraine une variation de ± 1,5 % de HR, soit 150
fois supérieure.
Point de rosée sous pression
Autres petites choses à savoir pour faire un
bon usage de cette grandeur. Quelle est la
différence entre “le point de rosée” et “le
point de rosée sous pression” ? L’expression
“point de rosée sous pression” est utilisée
lorsque l’on mesure le point de rosée à une
pression supérieure à la pression atmosphérique. C’est important car la température de
rosée d’un gaz dépend de la pression.
En effet, l’augmentation de la pression d’un
gaz augmente sa température de rosée.
Prenons par exemple de l’air à pression atmosphérique (1 013,3 mbar) avec une température de rosée de -10 °C, soit (selon les
tables de correspondances) une pression
partielle de vapeur d’eau est de 2,9 mbar. Si
cet air est comprimé et que la pression totale
est doublée à 2 026,6 mbar, alors (selon la
loi de Dalton) la pression partielle de vapeur
d’eau est également doublée, à 5,8 mbar. La
température de rosée correspondante à
5,8 mbar est d’environ -0,7 °C.
L’augmentation de la pression a donc entraîné l’augmentation de la température de
rosée de l’air. Par une compensation en pression intégrée au transmetteur, le point de
rosée sous pression ou le point de rosée ramené à pression atmosphérique sera facilement disponible.
In situ ou pas
Suivant la pression et les conditions d’environnement, la sonde peut être installée di-
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Un cas concret, l’air comprimé
L’importance de la mesure du point de
rosée dans l’air comprimé dépend de
l’utilisation de cet air comprimé. Dans de
nombreux cas, le point de rosée n’est pas
critique ; c’est le cas par exemple pour les
compresseurs portables ou les systèmes
de gonflage. Pour d’autres applications,
la mesure du point de rosée est capitale ;
c’est le cas des conduits transportant l’air,
exposés à des températures négatives et
ou un givrage peut entraîner une
détérioration des installations.
Dans les applications d’air comprimé, la
gamme de température de rosée s’étend
en général de 20 °C à -80 °C. Les
compresseurs sans dispositifs de
séchage produisent un air proche de la
saturation à température ambiante. Les
systèmes avec dispositifs de séchage par
refroidissement font passer l’air au
travers d’échangeurs de chaleur, ce qui a
pour effet de faire condenser la vapeur
d’eau en dehors du flux d’air et de fournir
un air avec un point de rosée aux
alentours de 5 °C. Les systèmes de
rectement dans le process ou via une cellule
d’échantillonnage. Il faut bien évidemment
placer le capteur dans une zone représentative du process. Il est donc recommandé
d’éviter les coudes, et toutes les zones “mortes” où la circulation du gaz ne se fait pas de
manière optimale. Il est préférable que toutes
les connexions soient en acier inoxydable.
Les matériaux non métalliques peuvent absorber ou désorber la vapeur d’eau, provoquant une perturbation de la mesure. Si
l’utilisation d’acier inox n’est pas possible, il
est envisageable d’utiliser du PTFE ou tout
autre matériau n’absorbant pas l’eau. Il faut
éviter l’utilisation de tubes plastique ou silicone. En cas de températures élevées, supérieures à 350 °C, le recours à une cellule
d’échantillonnage et à un système de prélèvement permet de diminuer la température
du gaz, sans affecter la valeur de point de
rosée.
Toutefois, si ce montage modifie la pression
du gaz, il faut en tenir compte lors de l’exploitation des données. Pour éviter tout risque de condensation, il faut également
veiller à ce que la température de la ligne de
prélèvement soit toujours supérieure à la
température de rosée. Enfin, l’utilisation
d’une cellule d’échantillonnage permet
d’isoler le capteur et de pouvoir l’installer et
séchage par dessiccation absorbent la
vapeur d’eau du flux d’air et produisent
un air avec un point de rosée proche de
-40 °C, et même plus bas si nécessaire.
La norme internationale ISO 8573.1
spécifie les directives sur la qualité de l’air
comprimé. Les standards définissent les
limites sur trois paramètres (taille
maximale des particules contenues dans
l’air, quantité maximale d’huile,
température de rosée maximale) et trois
niveaux de qualité d’air. Pour chaque
catégorie, un chiffre entre 1 et 6 est
affecté. Par exemple, un système
conforme à la norme ISO 8573.1 et classé
en 1.1.1 fournira un air avec un point de
rosée inférieur à -70 °C, les particules ne
dépasseront pas une taille de 0,1 µm et la
quantité résiduelle d’huile sera inférieure
à 0,01 mg/m3. Il y a également d’autres
normes pour la qualité de l’air, par
exemple la ANSI/ISA-7.0.01-1996 qui
concerne l’air instrument. Là encore,
6 niveaux de qualité sont décrits avec
des points de rosée entre -70 à 10 °C.
le retirer plus aisément sans interrompre le
process.
Derniers conseils
Pour obtenir une mesure fiable du point de
rosée, quel que soit le fabricant du capteur :
- sélectionner un instrument avec une
gamme de mesure compatible avec l’application : certains instruments conviennent
bien pour des mesures de point de rosée
élevées, mais ils sont mal adaptés pour des
mesures de point de rosée faibles, et inversement.
- vérifier les caractéristiques de tenue en
pression des instruments : certains appareils
ne sont pas utilisables pour une mesure directe sous pression. Ils peuvent être uniquement utilisés pour mesurer le point de rosée
de l’air comprimé une fois détendu. Dans ce
cas, la valeur mesurée devra être corrigée (si
c’est le point de rosée sous pression qui est
le paramètre pertinent).
- installer correctement le transmetteur : suivre toutes les instructions fournies par le
fabricant. Ne pas installer les capteurs sur une
partie du conduit qui ne serait pas correctement balayée par le flux de gaz. Ça y est, il
n’y a plus qu’à…
David Reignier - Responsable commercial
Division instruments - Vaisala
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