Humidity Sensor Capteur d'humidité

Présentation des capteurs d'humidité

Les capteurs d'humidité (également appelés « hygromètres ») sont fabriqués suivant diverses conceptions utilisant différentes technologies, mais partagent tous la capacité de mesurer la quantité d'humidité dans une atmosphère.

Les capteurs d'humidité mesurent en fait les altérations induites par l'humidité atmosphérique dans un matériau sensible à la teneur en eau. Comme l'humidité est corrélée à la température (plus la température de l'air est élevée, plus il peut contenir d'humidité sous forme de gouttelettes suspendues), la plupart des capteurs d'humidité détectent « l'humidité relative », c'est-à-dire la proportion de vapeur d'eau réellement présente dans l'atmosphère par rapport à la saturation maximale possible, en vapeur d'eau, de cette atmosphère à une température donnée, exprimée sous forme de pourcentage.

La plupart des dispositifs modernes mesurent en fait les variations de capacité électrique, de résistance électrique ou de masse d'un matériau à mesure qu'il absorbe de l'eau de l'atmosphère. Certains dispositifs électriques mesurent la température exacte à laquelle la condensation se produit (le point de rosée).

Il existe deux grandes catégories de capteurs d'humidité : ceux qui mesurent l'humidité relative (capteurs RH) et ceux qui mesurent l'humidité absolue (capteurs AH ou de teneur en eau). L'humidité absolue désigne la masse totale de vapeur d'eau dans une unité de volume d'un mélange d'air et de vapeur d'eau. L'air atmosphérique à 30 °C atteint la saturation totale pour 30 g de vapeur d'eau par mètre cube d'air.

 

Historique

Le premier capteur d'humidité de l'histoire de l’humanité a probablement été créé en 1450, lorsqu'un philosophe et astronome allemand a construit un hygromètre à l'aide d'un cheveu, une conception ensuite illustrée par Leonard de Vinci en 1480. Ferdinand de Medicis II, le grand-duc de Toscane obsédé par les sciences et les techniques, a construit le premier hygromètre à condensation en 1657. C'est en 1853 que le physicien français Auguste Bravais a inventé un capteur d'humidité qu'il a nommé « le psychromètre tournant » constitué d'un thermomètre à ampoule humide et d'un thermomètre à ampoule sèche, tous deux montés sur un bras. Le dernier peut tourner dans l'air sur un axe servant de poignée et permet ainsi de détecter l'humidité. La teneur en eau de l'atmosphère est calculée par une formule basée sur une lecture différentielle des valeurs indiquées par les deux thermomètres.

La société finlandaise Vaisala a développé et breveté en 1973 le capteur d'humidité « Humicap », une fine couche de polymère sensible à la vapeur d'eau dont la capacité électrique change en réponse aux fluctuations d'humidité atmosphérique. Dès  lors, des avancées technologiques ont produit de nombreuses formes de capteurs d'humidité, parmi lesquelles :
 

• des capteurs au chlorure de lithium saturé (dans lequel le sel joue le rôle de milieu sensible à l'humidité) ;
• des capteurs électrolytiques au pentoxyde de phosphore (le pentoxyde de phosphore, un absorbeur d'humidité, convertit un processus électrolytique en mesure de teneur en vapeur d'eau lorsqu'une tension est appliquée) ;
• des capteurs à changement de couleur (dans lesquels un matériau tel que le chlorure de cobalt change de couleur en fonction de la teneur en eau de l'atmosphère);
• des capteurs spectroscopiques (qui utilisent l'absorbance dans l'infrarouge des gouttelettes d'eau dans l'atmosphère) ;
• des capteurs à expansion adiabatique (qui détectent le point de rosée lorsque l'air se refroidit pendant l'expansion et produit de la brume) ;
• des capteurs acoustiques (qui détectent des variations de transmission du son dans l'air en fonction de variations d'humidité).

 

Aspects techniques

Les capteurs d'humidité électroniques sont généralement calibrés (ou « caractérisés ») sur une échelle à neuf points à une température atmosphérique maintenue à la valeur constante de 25 °C. L'atmosphère est soumise en tout à neuf niveaux montants puis descendants d'humidité (0 %, 25 %, 53,2 %, 75,3 %, 93,8 % puis 75,3 %, 53,2 %, 25 % et 0 %) et la sortie C.C. du composant est relevée à chaque point pour tracer ensuite une Droite de Meilleur Ajustement (DMA) et une courbe non linéaire d’ordre deux.

Chaque capteur a sa propre courbe de calibrage. La précision d'un capteur, qui est calculée en utilisant la DMA et la courbe non linéaire d'ordre deux, est généralement exprimée sous forme de pourcentage (par exemple « plus ou moins 2 % »).

Tous les capteurs subissent des essais de fatigue afin d'obtenir une mesure de leur fiabilité. Dans le cadre de ces essais, si un capteur dérive à tel point que les mesures sont en dehors de sa gamme d'humidité relative spécifiée, on considère qu'il est « défectueux ». Pour chaque capteur d'humidité, les tests produisent des valeurs connues sous les noms de « score FIT » (le nombre de défaillances par milliard d'heures de fonctionnement) et « intervalle MTTF » (le temps moyen avant la première défaillance).

Tous les capteurs d'humidité sont soumis à des essais en air à faible vitesse (un écoulement d'air d'une vitesse inférieure à 5 m/s) afin de déterminer leurs temps de réponse. Le temps de réponse désigne généralement le temps que met le capteur pour descendre à 37 % ou monter à 63 % de sa valeur finale lorsqu'il est soumis à une chute ou une augmentation soudaine de l'humidité atmosphérique.

La tension de sortie d'un capteur d'humidité dépend de la température quel que soit le niveau d'humidité relative, ce qui signifie que beaucoup de ces capteurs sont conçus pour prendre en compte la chaleur dans le calcul du niveau d'humidité (ce procédé est connu sous le nom de « compensation de la température »).

 

Domaines d'utilisation des capteurs d'humidité dans la production

De nombreux procédés industriels peuvent être affectés par le niveau d'humidité, tout comme le confort et le bien-être humain. Les capteurs d'humidité sont fréquemment utilisés dans les applications médicales, dont le bon déroulement peut être perturbé par une humidité excessive ou insuffisante ; on peut citer les incubateurs, l'équipement respiratoire et les stérilisateurs. Ces capteurs sont aussi utilisés pour surveiller les niveaux d'humidité dans la préparation de divers produits pharmaceutiques et pour réguler l'humidité pendant la purification de gaz chimiques.

Ces capteurs sont aussi utilisés pour réguler l'humidité dans la production de papier et de textiles, la transformation alimentaire et les procédés de dessiccation de films. Ils ont en outre de nombreuses applications dans l'agriculture telles que la prévention de la rosée sur les cultures sensibles ou la surveillance de la teneur en humidité du sol. La régulation de l'humidité atmosphérique est essentielle au cours de la fabrication de semi-conducteurs et les capteurs d'humidité jouent un rôle crucial dans le traitement des galettes de silicium dans cette industrie.

Dans le cadre domestique, ces capteurs sont largement utilisés pour réguler l'humidité atmosphérique dans les bâtiments et sont un composant clé dans la commande de la cuisson des fours à micro-ondes.

 

Différence entre le capteur d'humidité et les autres capteurs

Les capteurs d'humidité sont conçus spécifiquement pour mesurer la teneur en vapeur d'eau dans les atmosphères ambiantes, par opposition aux niveaux d'illumination, aux mouvements, aux températures ou aux contraintes.