La mesure et le contrôle de l'humidité relative

Dans l’air, l’humidité est toujours présente sous la forme de vapeur d’eau dont la quantité peut varier.

Qu’est-ce que l’humidité absolue ?

Appelée aussi taux de vapeur d’eau, elle correspond au poids de vapeur d’eau contenue dans un volume donné d’air et de vapeur.

Dans 1 m³ de vapeur et d’air, la masse d’air va varier en fonction de la pression et de la température. C’est pourquoi il est fréquent de calculer l’humidité absolue en la rapportant à 1 kg d’air sec. Il s’agit du rapport de mélange (RM).

L’humidité relative, HR : définition

L’humidité relative correspond à la quantité de vapeur d’eau présente dans l’air par rapport à la quantité maximale que cet air peut contenir à une température donnée. L’HR indique ainsi le pourcentage de saturation de l’air en vapeur d’eau.

Pour être plus précis, l’HR est le rapport entre la pression de vapeur d’eau (PV) dans un volume d’air et de vapeur et de la pression de vapeur saturante (PVS) à la température de l’air (TS).

Lorsque PV = PVS, alors HR = 100 %, la température à ce stade est appelée température de rosée.

Si on mesure l’humidité relative dans un système fermé, comme une chambre d’essai, on s’aperçoit qu’elle varie en fonction de :

• La température de l’air
  • Plus elle augmente, plus l’air devient sec et l’humidité relative est basse
  • Plus la température diminue, plus l’air devient humide et l’HR est haute.
• La pression du système
  • Lorsqu’elle augmente, l’air est plus humide et l’humidité relative élevée.
  • Lorsque la pression diminue, l’air ambiant s’assèche et l’humidité relative baisse.

Humidité absolue et humidité relative : quelle différence ?

Si ces notions sont différentes, elles sont intrinsèquement liées. En effet, la mesure de l’humidité absolue est nécessaire pour calculer le taux d’humidité relative.

Précisons aussi que l’humidité absolue est davantage étudiée en météorologie alors que le champ d’application de la mesure de l’humidité relative est très vaste.

Dans ces environnements, l’impact de l’humidité relative peut être très néfaste, en particulier dans des zones de séchage ou de stockage. Une surveillance continue et un bon réglage de l’HR sont donc indispensables pour préserver la qualité des produits.

• Dans l’industrie chimique et pharmaceutique ainsi qu’en salle blanche :

Les variations d’HR peuvent modifier les caractéristiques chimiques des produits utilisés. Par exemple, dans le secteur de la pharmacie, les comprimés ou poudres sont extrêmement sensibles à l’humidité.

• En agroalimentaire :

L’HR peut engendrer des dégradations importantes. Par exemple, pour conserver du chocolat, si l’humidité relative est trop élevée, les cristaux de sucre sont dissous et l’aliment perd de sa couleur.

• Dans le secteur du BTP :

Les matériaux de construction sont très sensibles au taux d’humidité qui peut les dégrader considérablement. C’est le cas de matériaux minéraux (ciment, brique, marbre…), des bois ou du papier.

• L’industrie automobile ou l’industrie électrique :

Dans tous les secteurs d’activité utilisant des applications automatisées, la mesure de l’humidité relative est indispensable.

Le taux d’HR a, en effet, une influence sur l’efficacité des systèmes électroniques.

• Dans le secteur tertiaire ou résidentiel :

La mesure d’humidité relative est utilisée pour toutes les technologies d’aération et de climatisation. Un bon réglage de l’HR permet de réduire la consommation énergétique.

Précisons aussi qu’un taux d’humidité trop élevé peut entraîner une prolifération des bactéries et l’apparition de moisissures.

Enfin, l’HR a une influence importante sur le ressenti de la température et donc sur le bien-être des occupants. En effet, à température égale, un taux d’humidité relative élevé est beaucoup plus difficile à supporter. Il peut même avoir des incidences négatives sur la santé. Le taux d’HR recommandé est compris entre 30 et 70 %.

Ils permettent de contrôler l’HR à partir de relevés de température.

Le psychromètre mécanique

Cet outil se compose de deux thermomètres en verre :

• Le premier relève la température de l’air ambiant.
• Le second la température de l’air lorsqu’il est saturé d'humidité.

La différence psychrométrique entre les deux températures relevées donne le taux d’hygrométrie. C’est le psychromètre à aspiration d’Assmann qui est le plus utilisé à travers le monde. Cet instrument se compose d’un thermomètre humide entouré d’un tissu imbibé d’eau. Un système à ressort permet le déclenchement d’une ventilation constante de 3 m/s. Cette vitesse permet à l’eau de s’évaporer. Lorsque l’air s’assèche, la température diminue. Dans le même temps, la température dite “sèche” de l’air ambiant est mesurée avec le second thermomètre. La différence entre les deux résultats obtenus permet de mesurer le taux d’HR après application d’une formule mathématique. Précisons que des tables et nomogrammes permettent d’obtenir l’HR sans effectuer de calcul.

Résistant et peu volumineux, le psychromètre mécanique ne nécessite aucune alimentation électrique. Il s’agit d’un des appareils les plus précis pour mesurer l’humidité relative (jusqu’à 100 %). Sa fiabilité permet de l’utiliser en guise d’étalon.

Précisons toutefois qu’il est dépendant de la pression atmosphérique et que son utilisation est limitée : il ne peut pas être utilisé lorsque les températures sont négatives ou si l’humidité est trop basse.

Domaines d’applications du psychromètre à aspiration :

Comme il ne peut pas mesurer des températures supérieures à 60° C, il est employé essentiellement en météorologie ou pour la surveillance climatique dans des locaux.

Le psychromètre électrique

Ce type d'appareil a un champ d’application beaucoup plus étendu.

• Le RTD, détecteur de température de résistance

Ce capteur de température se compose d’une résistance en platine. Un matériau qui lui permet de supporter une très large plage de températures : de - 200°à 850° C. La sonde mesure l’écart de résistance du milieu.

Les résultats sont transmis à un logiciel interne qui enregistre toutes les données et exécute automatiquement la formule de Sprung pour déterminer le taux d’HR. Il s’agit d’un appareil extrêmement précis et robuste. Le plus utilisé est la sonde PT 100 dont la résistance est de 100 ohms à 0 °C. Avec un PT 1000, la résistance est de 1000 ohms à 0°C.

Domaine d’applications :

• Mesure dans des gaz pollués, des solvants…
• En agroalimentaire, la sonde PT 100 est utilisée pour mesurer le taux d’humidité dans des fromageries ou encore dans des usines de transformation de viande.
• Les thermocouples: Moins précis que les RTD, ces instruments mesurent la quantité de chaleur produite sous tension. Ils peuvent être utilisés à très haute température, jusqu’à plus de 500° C et fournissent les mesures très rapidement. Ce type d’appareil est moins onéreux, environ trois fois moins cher que les sondes RTD. En revanche, les données relevées par les thermocouples restent moins précises et stables qu’avec le capteur RTD. Ajoutons de plus que ce type d’appareil est sensible à l’oxydation.

Domaine d’applications :

Dans des environnements nécessitant le déploiement de plusieurs capteurs d’humidité relative, cette option est très intéressante.

L’hygromètre mécanique

Appelé aussi hygromètre à cheveu, cet instrument à cadran existe depuis 1783. Il utilise un cheveu humain dont la propriété est de se dilater ou de se contracter lorsque l’humidité varie. Ces variations sont transmises à une aiguille qui indique le taux d’HR.

Cet appareil peut être utilisé entre -35 et +50° C. Il est sensible à la poussière et doit être régulièrement nettoyé. Il existe aussi des hygromètres à cheveux synthétiques. S’ils fonctionnent exactement de la même manière, ils ont certains avantages supplémentaires :

• Utilisation sur une plage de température plus importante, pouvant aller jusqu’à 110° C.
• Contraintes d’entretien réduites.

En revanche, on peut leur reprocher une fiabilité limitée à plus ou - 5 % et une prise de mesures un peu lente.

Domaines d’application

• L’hygromètre à cheveu est essentiellement utilisé pour des stations météorologiques.
• Celui à fibre synthétique offre un champ plus large :
  • Capteur d’humidité appelé aussi thermo-hygromètre.
  • Hygrostat sur des installations d’hydratation ou de déshydratation.

L’hygromètre électronique

Ce type de capteurs se présentent sous forme de composants électroniques comme des résistances ou des condensateurs. Ces petits modules fournissent des résultats précis et ont l’avantage de s’intégrer dans de nombreux appareils afin de transmettre les mesures relevées via Bluetooth ou Wifi.

• L’hygromètre résistif

Il mesure la variation électrique dans un polymère conducteur et un substrat.

Le capteur le plus employé se compose d’une cellule constituée d’une couche de fibre de verre imbibée de chlorure de lithium et de deux électrodes. Lorsque le courant les traverse, la solution saline produit de la chaleur. L’eau s’évapore, la résistance du tissu augmente et sa puissance calorifique diminue.

Ce capteur de température électronique, appelé parfois thermistance, est capable de mesurer la température et le point de rosée qui dépendent de la pression et du niveau d’humidité.

Domaine d’applications:

Cet appareil a l’avantage de s’intégrer dans de nombreux appareils. Il nécessite cependant une maintenance régulière pour que le tissu soit constamment imprégné de chlorure de lithium.

Il est particulièrement utilisé dans des stations de météorologie moderne.

• La sonde capacitive

Ce type de sonde fonctionne sur le principe de la condensation. Il se compose d’un film polymère sensible à l’humidité qui est placé entre deux électrodes en métal.

Lorsque la vapeur d’eau de l’air varie, le polymère l’absorbe ce qui modifie la capacité électrique du condensateur. Les électrodes hygroscopiques vont mesurer ces changements et transmettre les données à un appareil afin de les interpréter. Pour cela, les capteurs numériques capacitifs d’humidité sont couplés à une puce.Cette sonde a l’avantage de ne nécessiter presque aucun entretien, y compris lorsque les températures sont négatives. Elle est capable de fonctionner sous pression, mais il faut savoir qu’elle peut s’altérer dans certains milieux agressifs.

Domaine d’applications

• Mesures climatiques dans des stations météo ou dans des avions afin de détecter les conditions de gel.
• Surveillance de milieux industriels dépourvus de gaz corrosifs.
• En agriculture, ce capteur d’humidité est idéal pour surveiller avec précision l’irrigation des sols.

Il existe donc de nombreux procédés et appareils pour mesurer et contrôler l’humidité relative de l’air. Leur choix dépend des applications. Nous vous conseillons de toujours privilégier un système adapté afin d’obtenir les données les plus fiables et de garantir une surveillance sans faille.

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