Termes et lois physiques

La composition de l'air

Les composants suivants sont présents dans l'air pur et sec :
78,10% d'azote en volume.
20,93 % vol d'oxygène
0,93 vol-% d'argon
0,03 vol-% de dioxyde de carbone
0,01 vol-% d'hydrogène
ainsi que de plus petites quantités de néon, d'hélium, de krypton et de xénon. En plus de ces composants, un certain nombre de substances gazeuses et solides sont présentes dans notre air intérieur et extérieur, ainsi qu'une certaine quantité d'humidité sous forme de vapeur d'eau. L'air est donc un mélange homogène de différents gaz et peut être considéré comme un "gaz idéal". Le rayonnement solaire et les vents assurent un mélange uniforme des types de gaz concernés, de sorte qu'aucune stratification ne se produit malgré des poids spécifiques différents.

La loi de Dalton P = P1 + P2 + ...

La pression totale d'un mélange gazeux est constituée de la somme des pressions partielles et de ses composants. En termes simples, l'air est donc constitué d'air sec et de vapeur d'eau,

P = P_w + P_dry

où (P_w) est la pression partielle générée par la vapeur d'eau et (P_dry) est la somme des pressions partielles de tous les autres gaz.

Pression de saturation de la vapeur d'eau

L'air est capable d'absorber et de stocker une certaine quantité de vapeur d'eau en fonction de sa température. Avec l'augmentation de la température, la quantité de vapeur d'eau absorbée augmente. La pression de vapeur d'eau qui en résulte ne peut s'élever jusqu'à la limite de saturation qu'à une certaine température et est appelée pression de saturation de la vapeur d'eau (PS). La pression ambiante ou la présence d'autres gaz ou d'impuretés n'ont aucune influence sur le comportement indiqué.

Point de rosée

La température du point de rosée (Td) est la température à laquelle l'air est saturé de vapeur d'eau et la condensation se produit à la suite d'un apport supplémentaire de vapeur d'eau ou d'un refroidissement de la température de l'air. L'excès de vapeur d'eau se condense sous forme de pluie, de brouillard ou de condensation. L'état de saturation demeure. La température du point de rosée est égale à la température de saturation de la vapeur d'eau et peut être au maximum de 100 °C à la pression normale.

Variables mesurées

Deux mesurandes sont disponibles pour indiquer la teneur en humidité de l'air. On distingue l'humidité relative et l'humidité absolue.

Rapport de mélange ou teneur en eau (x)

Cela représente le rapport entre la masse de vapeur d'eau et la masse de gaz sec. Les unités utilisées sont principalement le g/kgt _{d'air sec} et le %.

Il indique donc combien de grammes de vapeur d'eau sont contenus dans un kilogramme d'air sec. Dans le génie des procédés, la détermination de la teneur en eau joue un rôle important, car elle fournit des données beaucoup plus significatives que l'humidité relative.

Les dimensions de l'humidité absolue et relative sont dans une relation fixe l'une par rapport à l'autre. Les unités d'humidité absolue peuvent être choisies en fonction des exigences particulières.

Les unités les plus courantes sont :

Point de rosée (température) - °C
Rapport de mélange - g/kg _{d'air sec}
Humidité absolue - g/m3

Relation entre la température, le taux d'humidité et l'humidité relative.

Les relations correspondantes sont indiquées dans le diagramme i-x (diagramme de Mollier).

Exemple d'utilisation du diagramme :

(a) Détermination de la teneur en eau X et de la pression de vapeur d'eau e.

Mesuré :

• Température de l'air 28 °C
• Humidité de l'air 60 % rH

Trouvez les valeurs mesurées dans le diagramme et déterminez le point d'intersection A. Coupez une ligne verticale au point d'intersection et tracez-la en haut et en bas du diagramme. Le point d'intersection au bord supérieur donne la pression de vapeur d'eau e = 17 mm QS, celui au bord inférieur donne la teneur en eau X = 14 g/kg.

b) Détermination de la température du point de rosée

Mesuré :

• Température de l'air 28 °C
• humidité de l'air 60 % rH

Comme sous a) Déterminer le point d'intersection A. A partir du point d'intersection A, allez verticalement jusqu'à l'humidité maximale de 100 % et à partir de ce point, tracez une ligne sur l'axe (à gauche) avec la division de la température. Le nouveau point d'intersection donne la température du point de rosée de 19,4 °C que nous recherchons.

Méthodes de mesure de l'humidité et leurs domaines d'application

Différentes méthodes de mesure peuvent être utilisées pour déterminer l'humidité de l'air. Le choix de la méthode de mesure la plus appropriée est généralement effectué par l'utilisateur en fonction de l'objet à mesurer. Il est souvent possible d'obtenir une plus grande précision de mesure ou de répondre aux exigences souhaitées en utilisant un appareil de mesure de l'humidité simple mais correctement disposé. Pour une assistance générale, certaines des méthodes de mesure de l'humidité les plus connues et les plus fréquemment utilisées et leurs domaines d'application sont décrits ci-dessous.

Méthode de mesure psychrométrique

La méthode de mesure psychrométrique est utilisée pour déterminer directement l'humidité relative. La méthode de mesure est basée sur le principe de l'échange de chaleur.

Le psychromètre se compose essentiellement de deux capteurs de température indépendants, dont l'un est utilisé comme capteur de température d'humidité et l'autre comme capteur de température d'humidité sèche. Le capteur d'humidité-température est entouré d'un tissu absorbant imprégné d'eau. En fonction de la température ou de la teneur en humidité de l'air en circulation, une certaine quantité de vapeur d'eau est libérée dans l'air par évaporation. La surface du thermomètre humide se refroidit alors sensiblement (température du thermomètre humide). En même temps, la température de l'air ambiant (température du bulbe sec) est mesurée avec le deuxième capteur de température. La différence de température psychrométrique ainsi déterminée est une mesure de l'humidité relative présente dans l'air.

Avec une manipulation soigneuse, le psychromètre peut être utilisé pour faire des déterminations précises de l'humidité. Par exemple, les psychromètres à aspiration selon Assmann sont utilisés comme des appareils de référence et de contrôle reconnus au niveau international. Un ventilateur intégré à ressort assure une vitesse moyenne constante d'environ 3 m/s, qui circule autour des thermomètres. La différence de température est lue sur deux thermomètres de verre calibrés.

L'évaluation se fait manuellement au moyen d'un tableau ou d'un graphique psychrométrique. Pour une évaluation plus précise, on peut également utiliser les cartes du psychromètre d'apiration du service météorologique allemand, qui sont divisées en dixièmes de degré.

En plus du psychromètre à aspiration, il existe une variété de modèles différents. Le champ d'application de la plupart des psychromètres mécaniques avec thermomètres en verre est limité à la plage climatique pour les mesures à ≤ 60 °C. L'avantage de ces modèles est qu'ils ne nécessitent pas d'alimentation électrique. L'avantage de ces modèles est qu'ils ne nécessitent pas d'alimentation électrique.

Les psychromètres électriques permettent un champ d'application étendu. Ici, la température du bulbe humide et du bulbe sec sont mesurées par des thermomètres à résistance Pt 100. Ainsi, l'humidité relative déterminée selon la formule de Sprung peut être directement affichée ou traitée dans des dispositifs d'affichage, de commande et d'enregistrement commandés par microprocesseur avec les circuits d'entrée correspondants. La plage de température s'étend de près de 0 à 100 °C.
Das psychrometrische Messverfahren erlaubt durch den unempfindlichen Aufbau gegenüber anderen Feuchtemessverfahren weitgehend Messungen in verschmutzten, lösungsmittelhaltigen und aggressiven Gasen. So werden z. B. elektrische Psychrometer für Dauermessungen in der Fleischerei— und Käsereibranche eingesetzt.

Avec la méthode de mesure psychrométrique, connue depuis plus de cent ans, une méthode simple et économique de mesure de l'humidité a été réalisée. Cependant, des mesures continues fiables nécessitent des critères spécifiques à l'application qui doivent être respectés. Par exemple, une ventilation et une humidification suffisantes ainsi que l'entretien des équipements de mesure. Vous trouverez des détails à ce sujet dans les instructions d'utilisation et de procédure de l'appareil concerné.

Méthode de mesure capacitive

La méthode de mesure capacitive utilise essentiellement le principe de condensation. Le fonctionnement du capteur d'humidité est basé sur les changements de capacité d'un mince film polymère lorsque des molécules d'eau sont absorbées ou libérées.

La quantité de vapeur d'eau absorbée dans le film polymère modifie les propriétés électriques du capteur d'humidité et a pour effet de modifier la capacité. La variation de la capacité est proportionnelle à la variation de l'humidité relative et est évaluée par l'électronique en aval et convertie en un signal de sortie normalisé. L'électronique d'évaluation doit être adaptée à la capacité de base du capteur d'humidité respectif.

Grâce à la conception spéciale et à la faible masse intrinsèque des capteurs d'humidité capacitifs, les temps de réponse sont très rapides. En outre, ils sont largement insensibles à la contamination lumineuse et à la poussière. Pour éviter tout contact avec la surface, les capteurs sont enfermés dans un boîtier en plastique. Des versions résistantes à la rosée sont disponibles pour les applications dans les zones à forte humidité.

Les méthodes de mesure capacitives sont utilisées, par exemple, dans le secteur de la climatisation et dans les processus industriels où il n'y a pas de concentrations élevées de gaz ou de solutions corrosives.

La plage de mesure standard des capteurs d'humidité capacitifs est principalement de 10 ... 90 % rH. Avec les versions de meilleure qualité, des mesures dans la gamme de 0 à 100 % rH sont possibles.

L'un des principaux avantages de la méthode de mesure capacitive est la plage de température réalisable dans laquelle les mesures d'humidité peuvent être effectuées. Par exemple, les transmetteurs d'humidité modernes pour les applications industrielles permettent des mesures entre -40...+180 °C, la température étant enregistrée simultanément et étant également disponible sous forme de signal de sortie normalisé.

Selon la version de l'appareil, des déviations de la plage de fonctionnement affichée sont possibles.

En raison de la mesure purement électrique, la méthode de mesure capacitive offre un avantage supplémentaire. Par exemple, des capteurs d'humidité de haute qualité équipés de la technologie de microprocesseur la plus récente peuvent être fournis avec une variété d'options et de fonctions possibles.

Comme les variations de la pression des gaz et de la vitesse de l'air n'ont pratiquement aucun effet sur le capteur d'humidité capacitif, il existe des versions d'appareils qui permettent des mesures dans des systèmes chargés en pression entre 0...100 bar.

La précision de mesure est comprise entre ±2 et ±5 % rH, selon la version de l'appareil. Dans certaines conditions, des précisions de mesure de ±1 % rH peuvent même être atteintes.

Méthode de mesure hygrométrique

Dans la méthode de mesure hygrométrique, les propriétés particulières des matériaux fibreux hycroscopiques sont utilisées pour déterminer l'humidité de l'air. Si ces matériaux fibreux sont exposés à l'air ambiant, des changements de longueur mesurables se produisent après un temps de compensation en fonction de la teneur en humidité de l'air.

L'état respectif de la matière fibreuse permet maintenant de tirer une conclusion directe sur l'humidité de l'air existante.
Des fils de plastique spécialement préparés et des cheveux humains sont principalement utilisés dans les éléments de mesure hygrométriques.

Élément de couteau à cheveux

Le mode d'action de l'élément de mesure est basé sur le fait que les cheveux utilisés sont capables d'absorber l'humidité. L'absorption d'humidité provoque un effet de gonflement sur les cheveux, qui se manifeste principalement par une modification de la longueur.

Avec l'augmentation de l'humidité, les cheveux s'allongent. La variation de longueur est d'environ 2,5 % par rapport à la longueur des cheveux avec une variation de l'humidité de 0 à 100 %. Cependant, les cheveux ne présentent qu'un allongement relativement faible à forte humidité.

Les éléments de mesure des cheveux sont de préférence utilisés dans des instruments à aiguille pour le secteur climatique. La modification de la longueur des cheveux est transmise à une aiguille ou à un stylet au moyen d'une transmission mécanique de précision spéciale. Pour des raisons de stabilité mécanique, plusieurs cheveux sont combinés pour former un faisceau de cheveux ou une harpe de cheveux.

La méthode de mesure garantit une précision de ±3 % dans la plage de mesure de 0 ... 90 (100) % rH. Des températures ambiantes de -35 ... +50 °C sont possibles. En cas d'utilisation prolongée dans la plage de faible humidité inférieure à 40 % d'humidité relative, l'élément capillaire doit être régénéré. Pour ce faire, exposez l'hygromètre capillaire à de l'air presque saturé (environ 94 ... 98 %) pendant environ 60 minutes. Une éventuelle correction de la position du pointeur peut alors être effectuée à l'aide d'une vis de réglage. Les hygromètres à cheveux sont sensibles à la poussière hygroscopique et doivent donc être protégés ou nettoyés à certains intervalles.

Élément de mesure en plastique

Dans l'élément de mesure en plastique, on utilise des fils en plastique à la place des cheveux humains. Un procédé spécial confère également à ces fibres des propriétés hygroscopiques. Les variations de l'humidité relative entraînent une modification proportionnelle de la longueur de l'élément de mesure. L'allongement est également transmis par une transmission mécanique fine.

L'élément en plastique présente l'avantage de pouvoir être utilisé à des températures plus élevées (jusqu'à 110 °C) et aussi pendant de plus longues périodes à faible humidité relative. Une régénération connue à partir des éléments de mesure des cheveux n'est pas nécessaire ici.

L'élément de mesure en plastique est résistant à l'eau et insensible à la saleté sèche, à la poussière, aux peluches et autres contaminants similaires. La plage de mesure et de fonctionnement est de (0)30 ... 100 % rH, mais dépend de la température ambiante. La précision de la mesure est de ±2 à 3 %.

Les transducteurs hygrométriques à élément plastique sont utilisés pour des mesures en continu dans l'ingénierie des processus industriels et dans le domaine climatique en raison de leur insensibilité étendue et de leur compatibilité avec les températures élevées. En fonction de l'application concernée, une grande variété de versions d'appareils est disponible.

Il s'agit notamment de:

Emetteur hygroscopique

La variation de longueur de l'élément en plastique est échantillonnée avec ces dispositifs par un système approprié et généralement convertie en un signal de résistance linéaire. Des versions avec un émetteur à deux fils intégré sont également disponibles, dans lesquelles des signaux normalisés de courant et de tension sont disponibles à la sortie. Les appareils dotés d'une plage de mesure de température supplémentaire sont appelés transducteurs hygrothermiques.

Hygrostate

Dans cette variante, la modification de la longueur de l'élément de mesure est utilisée pour confirmer un contact de commutation. Les hygrostats sont utilisés pour contrôler les systèmes d'humidification et de déshumidification.

Hygrographe

L'hygrographe est un enregistreur d'humidité avec des éléments de mesure hygrométriques en cheveux ou en plastique. Un enregistrement supplémentaire de la température est également possible (hygrothermographe). Les domaines d'application sont, par exemple, les stations météorologiques.

Avec la méthode de mesure hygrométrique, les mesures d'humidité sont généralement possibles dans un air sans pression et non agressif. Les mesures dans des milieux contenant des solvants et agressifs doivent être évitées, car elles peuvent entraîner des mesures erronées ou la destruction de l'élément de mesure, selon le type et la concentration.

Remarques finales

La section sur les méthodes de mesure de l'humidité et leurs domaines d'application traite des principes de base. Les conceptions et les spécifications techniques des dispositifs décrits peuvent donc présenter des écarts par rapport au fabricant. Pour des informations plus détaillées, veuillez vous référer aux modes d'emploi ou aux fiches techniques des différents appareils.