Publié avec la permission de Vaisala

La mesure et le contrôle de l'humidité sont exigés dans une grande variété d'applications industrielles. Chaque application dispose d'une série d'exigences relatives aux instruments d'humidité, telles que la gamme de mesure souhaitée, la tolérance à des conditions de température et de pression extrêmes, la capacité à récupérer suite à la condensation, la capacité à fonctionner dans des environnements dangereux, et les options pour l'installation et l'étalonnage. Il n'y a pas un seul appareil qui convienne à tous les besoins. En fait, la gamme d'équipements disponibles est très variée, tant au niveau des prix que de la qualité.

Cet article traite des sujets suivants afin de vous aider à choisir le bon instrument :

• les différents paramètres d'humidité

• les conditions environnementales qui influencent le choix de l'instrument d'humidité

L'humidité est simplement de l'eau dans sa phase gazeuse, proprement dite la vapeur d'eau. Parce que la vapeur d'eau est un gaz, la plupart des lois sur les gaz s'appliquent, y compris la loi des pressions partielles de Dalton. La loi de Dalton dit que la pression totale d'un gaz est égale à la somme des pressions partielles de chacun de ses composants :

P_totale = P₁ + P₂ + P₃…

Si l'on considère l'air, l'équation signifie que la pression atmosphérique totale de 1 013 bar (14,7 psia) est la somme des pressions partielles de l'azote, l'oxygène, la vapeur d'eau, l'argon, le dioxyde de carbone, et divers autres gaz à l'état de traces.

La pression de vapeur d'eau (Pw) est la pression exercée par la vapeur d'eau présente dans l'air ou dans un gaz. La température détermine la pression partielle de vapeur d'eau maximale. Cette pression maximale est désignée comme étant la pression de vapeur saturante (P_ws). Plus la température est élevée, plus la pression de vapeur saturante monte et plus l'air peut contenir de la vapeur d'eau. Ainsi, l'air chaud a une plus grande capacité pour la vapeur d'eau que l'air froid.

Si la pression de vapeur saturante est atteinte dans l'air ou dans un mélange de gaz, l'introduction de vapeur d'eau supplémentaire exige qu'une quantité égale se condense sous forme liquide ou solide. Un tableau psychométrique montre la relation entre la pression de vapeur d'eau et la température. Des tableaux de pression de vapeur peuvent aussi être utilisés pour afficher la pression de vapeur saturante à une température quelconque. Finalement, il existe aussi bon nombre de programmes de calcul informatisés disponibles.

La loi de Dalton indique qu'un changement dans la pression totale d'un gaz doit avoir un effet sur les pressions partielles de tous les composants gazeux, y compris la vapeur d'eau. Si, par exemple, la pression totale est doublée, les pressions partielles de tous les composants gazeux sont doublés aussi. Dans les compresseurs d'air, une augmentation de la pression « écrase » l'eau de l'air qui est comprimé.

Cela se produit parce que la pression partielle de la vapeur d'eau (P_w) augmente alors que la pression de vapeur saturante est encore seulement fonction de la température. Alors que la pression monte dans le réservoir de récupération et que la valeur P_w atteint la valeur P_ws, l'eau se condense en liquide et doit être évacuée du réservoir.

Quand l'on considère la vapeur d'eau comme un gaz, il est facile de définir l'humidité relative. L'humidité relative (HR) peut se définir comme étant le rapport entre la pression de vapeur d'eau partielle (P_w) et la pression de vapeur d'eau saturante (P_ws) à une température donnée :

L'humidité relative est fortement liée à la température étant donné que le dénominateur dans la définition (P_ws) est fonction de la température. Par exemple, dans une pièce dont l'humidité relative est de 50 % et la température de 20 °C, une augmentation de la température de la pièce à 25 ° C fera chuter l'humidité relative à environ 37 %, même si la pression partielle de la vapeur d'eau reste la même.

La pression aussi affecte l'humidité relative. Par exemple, l'humidité relative d'un procédé maintenu à température constante augmentera d'un facteur de 2 si la pression du procédé est doublée.

Si un gaz est refroidi et qu'une vapeur d'eau gazeuse commence à se condenser sous forme liquide, la température à laquelle la condensation se produit est définie comme étant la température du point de rosée (Td). À 100 % d'humidité relative, la température ambiante est égale à la température du point de rosée. Plus le point de rosée s'éloigne de la température ambiante, plus le risque de condensation diminue et plus l'air devient sec.

Le point de rosée est directement proportionnel à la pression de vapeur saturante (P_ws). La pression partielle de vapeur d'eau associée à un point de rosée se calcule facilement. Contrairement à la valeur de RH, le point de rosée n'est pas dépendant de la température, mais il est affecté par la pression. Les applications typiques exigeant une mesure du point de rosée comprennent divers procédés de séchage, les systèmes d'air sec et le séchage à l'air comprimé.

Si la température du point de rosée se trouve en dessous de zéro - ce qui est le cas dans les applications de gaz sec - le terme « point de gelée » (Tf) est parfois utilisé pour indiquer explicitement que la phase de condensation est sous forme de glace. Puisque la pression de vapeur d'eau saturante de la glace est différente de celle de l'eau, le point de gelée est toujours légèrement supérieur à celui du point de rosée en dessous de 0 °C. Les gens utilisent aussi souvent le terme point de rosée pour désigner des valeurs inférieures à zéro, alors qu'ils devraient employer le terme point de gelée. Demandez des précisions si vous n'êtes pas certain.

L'unité parties par million (ppm) est parfois utilisée dans les cas où le taux d'humidité est faible. C'est le rapport entre la vapeur d'eau et le gaz sec ou le gaz total (humide) et est exprimé soit en volume/volume (ppm_vol) ou en masse/poids (ppm_w). Les parties par million (ppm_vol) peuvent être exprimées quantitativement comme suit :

L'unité ppm est généralement utilisée pour déterminer la teneur en vapeur d'eau de gaz purs secs et pressurisés.

Le rapport de mélange (x) est le rapport entre la masse de vapeur d'eau et la masse de gaz sec. Il est sans dimension mais souvent exprimé en grammes par kilogramme d'air sec. Le rapport de mélange est principalement utilisé dans les procédés de séchage et applications HVAC pour le calcul de la teneur en eau lorsque le débit de masse d'air est connu.

Généralement, la température adiabatique du thermomètre mouillé (T_w) est la température indiquée par un thermomètre enveloppé dans une gaine de coton humide. Le températures ambiantes et adiabatiques du thermomètre mouillé peuvent être utilisées ensemble pour calculer l'humidité relative ou le point de rosée. Par exemple, la température adiabatique du thermomètre mouillé est utilisée dans des applications de climatisation d'air où elle est comparée à la température de thermomètre sec pour déterminer la capacité de refroidissement des refroidisseurs à évaporation.

L'humidité absolue (a) désigne la masse d'eau dans une unité de volume de l'air humide à une température et une pression données. Elle est généralement exprimée en grammes par mètre cube d'air. L'humidité absolue est un paramètre typique aux contrôles de procédé et aux applications de séchage.

L'activité de l'eau (aw) est similaire à l'humidité relative d'équilibre et utilise une échelle de 0 à 1, plutôt que 0 % à 100 %.

L'enthalpie est la quantité d'énergie nécessaire pour amener un gaz à son état actuel à partir de l'état d'un gaz sec à 0 °C. Elle est utilisée dans les calculs de climatisation.

Les conditions environnementales peuvent avoir un effet significatif sur les mesures d'humidité et de point de rosée. Prenez en considération les facteurs environnementaux suivants pour obtenir le meilleur résultat de mesure :

Toujours choisir un point de mesure qui est représentatif de l'environnement mesuré, en évitant les points chauds ou froids. Un émetteur monté près d'une porte, d'un humidificateur, d'une source de chaleur, ou d'une entrée de climatisation d'air sera sujet à des changements d'humidité rapides et pourrait donner l'impression d'être instable.

Comme l'humidité relative est fortement dépendante de la température, il est très important que le capteur d'humidité soit à la même température que l'air ou le gaz mesuré. Lorsque l'on compare les relevés d'humidité de deux instruments différents, l'équilibre thermique entre les unités / sondes et le gaz mesuré est particulièrement crucial.

Contrairement à l'humidité relative, la mesure du point de rosée est indépendante de la température. Cependant, lors de la mesure du point de rosée, les conditions de pression doivent être prises en compte.

Lors du montage d'une sonde d'humidité dans un procédé, éviter toute baisse de température le long du corps de la sonde. Lorsqu'il y a une grande différence de température entre la sonde et l'environnement extérieur, l'ensemble de la sonde doit être monté à l'intérieur du procédé et le point d'entrée du câble doit être isolé.

Lorsqu'il y a risque de condensation, la sonde doit être montée horizontalement pour éviter la formation de gouttes d'eau le long de la sonde ou du câble susceptibles de saturer le filtre (voir figure 1).

S'assurer que l'air puisse circuler à travers le capteur. La circulation libre de l'air assure un équilibre entre le capteur et la température du procédé. À 20 °C et 50 % HR, une différence de 1 °C entre le capteur et la zone de mesure engendrera une erreur de 3 % HR. À 100 % HR, l'erreur sera de 6 % HR (voir la figure 2).

Les environnements dont l'humidité est supérieure à 90 % HR sont définis ici comme des environnements très humides. A 90 % d'humidité relative, une différence de 2 °C peut provoquer la formation de condensation sur le capteur, qui dans un espace non ventilé peut prendre des heures pour sécher. Les capteurs d'humidité Vaisala sont capables de récupérer suite à une condensation. Cependant, si l'eau condensée est contaminée, la précision de l'appareil pourrait être affectée dû à l'accumulation de dépôts sur le capteurs, particulièrement s'il s'agit de dépôts de sel. La durée de vie du capteur peut également être raccourcie. Dans les applications à forte humidité et sujettes à la condensation, un capteur chauffé comme l'émetteur d'humidité et de température Vaisala HUMICAP ® HMT337 doit être utilisé.

Les environnements dont l'humidité est inférieure à 10 % HR sont définis ici comme des environnements peu humides. Lorsque l'humidité est faible, la précision d'étalonnage des instruments de mesure d'humidité relative peut ne pas être adéquate. Dans ces cas, il est préférable de mesurer le point de rosée. Les produits Vaisala DRYCAP® ont d'ailleurs été conçus à cette fin.

Lorsqu'un séchoir fait défaut dans un système d'air comprimé, une condensation d'eau peut se produire et l'instrument devra récupérer. De nombreux capteurs de point de rosée sont endommagés ou détruits dans de telles situations alors que les capteurs de point de rosée Vaisala ® DRYCAP résistent à de fortes humidités.

Une exposition continue à des températures extrêmes peut affecter les matériaux de capteurs et de sondes au fil du temps. Il est donc très important de choisir un produit adapté pour les environnements exigeants. À des températures supérieures à 60 °C, les composantes électroniques de l'émetteur doivent être installées à l'extérieur du procédé et que des sondes adaptées à de hautes températures doivent être utilisées dans de tels environnements. Il est également fortement recommandé d'utiliser une compensation de température intégrée pour minimiser les erreurs causées par les fortes fluctuations de température ou le fonctionnement à des températures extrêmes.

Dans le cas de mesure d'humidité dans des procédés fonctionnant à une pression ambiante, une petite fuite peut être tolérée et peut être réduite en étanchéisant la sonde ou le câble. Toutefois, lorsque le procédé doit être isolé ou quand il y a une grande différence de pression entre le procédé et l'environnement externe, une tête de sonde scellée avec montage approprié doit être utilisée. Les fuites de pression au niveau du point d'entrée modifient l'humidité locale et entraînent des lectures erronées.

Dans de nombreuses applications, il est conseillé d'isoler la sonde du procédé avec une vanne à boisseau sphérique pour permettre le retrait de la sonde à des fins d'entretien sans arrêter le procédé (voir figure 3).

Autant que possible, la sonde doit être montée dans le procédé afin d'obtenir les mesures les plus précises ainsi qu'un temps de réponse rapide. Or, les installations directes ne sont pas toujours possibles. Dans de telles situations, les cellules d'échantillonnage installées en ligne fournissent un point d'entrée pour une sonde de mesure appropriée.

Notez que les systèmes d'échantillonnage externes ne devraient pas être utilisés pour mesurer l'humidité relative, car le changement de température affectera la mesure. Les systèmes d'échantillonnage peuvent plutôt être utilisés avec des sondes de mesure de point de rosée. Lors de la mesure du point de rosée, les systèmes d'échantillonnage sont généralement utilisés pour abaisser la température du gaz du procédé, pour protéger la sonde contre la contamination par des particules ou pour permettre le branchement et le débranchement de l'appareil sans arrêter le procédé.

L'installation de système d'échantillonnage de point de rosée le plus simple consiste en un émetteur de point de rosée relié à une cellule d'échantillonnage. Vaisala propose plusieurs modèles adaptés aux applications et aux besoins d'échantillonnage les plus courants. Par exemple, la cellule d'échantillonnage DSC74 facile à installer est conçue pour les conditions de débit et de pression que l'on retrouve dans les applications d'air comprimé.

Dans ces contextes exigeants, les systèmes d'échantillonnage doivent être conçus avec soin. Comme le point de rosée dépend de la pression, plusieurs articles peuvent être nécessaires dont les suivants : un débitmètre, un manomètre, un tube non poreux spécial, des filtres et une pompe. À titre d'exemple, un tableau de débit illustrant le système d'échantillonnage portable Vaisala DRYCAP ® DSS70A pour DM70 est montré à la figure 4.

Dans un système pressurisé, une pompe d'échantillonnage n'est pas nécessaire puisque la pression du procédé génère un débit suffisant pour la cellule d'échantillonnage.

Lors de la mesure du point de rosée d'un système d'échantillonnage, un chauffage minime doit être appliqué lorsque la température ambiante autour du serpentin de refroidissement ou du tube de raccordement est à l'intérieur d'une plage de 10 °C de la température du point de rosée. Cela permet d'éviter la condensation dans le tuyau qui relie l'appareil de mesure du point de rosée au procédé.

Seuls les produits disposant d'une homologation appropriée peuvent être utilisés dans les zones à risque explosif. Par exemple, en Europe, les produits doivent se conformer à la directive ATEX100a, qui est obligatoire depuis 2003. Les produits à sécurité intrinsèque sont conçus de façon à ce que, même en cas de panne, ils ne génèrent pas une énergie suffisante pour allumer certaines classes de gaz. Le câblage des produits à sécurité intrinsèque à la zone de sécurité doit être isolé par une barrière de sécurité. Par exemple, la série d'émetteurs d'humidité à sécurité intrinsèque Vaisala HMT360 est spécialement conçue pour une utilisation dans les environnements dangereux.

Lorsque la sonde sera soumise à des chocs ou des vibrations excessifs, le choix de la sonde, de la méthode de montage et de l'emplacement de l'installation nécessite un examen approfondi.