UniversitéLibanaise Faculté De Genie Branche III CAPTEUR D’HUMIDITÉ Réalisé par: MHAMMAD BADRAN 3213 GHASSAN ABI KHALIL 3132 Superviseur: Dr. M. GHANDOUR Plan de cette présentation: 1)Préambule 2)Les définitions de l'humidité atmosphérique 3)Influence de T et P 4)Table psychrométrique 5)Capteur d’humidité a)Psychromètre b)Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu ii.Hygromètre à condensation a.hygromètre à point de rosée b.Hygromètre résistif c.Hygromètre capacitif iii.Difficulté d'emploi : la condensation 6)Capteur intelligent d'humidité 7)L’humidité dans le sol a)Pour comprendre les niveaux d'humidité du sol et la réaction de la culture : definitions b)Instruments pour mesurer les niveaux d'humidité dans le sol 1)Tensiomètre (p. ex. Irrometer) 2)Pédohygromètre 3)Réflectomètres temporels (TDR) 1-Préambule Il est souvent nécessaire, dans de nombreux domaines industriels, de connaître et de réguler le taux d'humidité de l'air. En tant que premier élément d'une chaîne de régulation, un "bon" capteur d'humidité aurait donc de nombreuses applications. Par exemple, dans le domaine agricole, l'humidité de l'air est évidemment un paramètre primordial pour le développement des cultures et la prévision des risques d'apparition de maladies cryptogamiques, et lors des moissons c'est un paramètre indispensable à connaître pour garantir le bon fonctionnement des machines agricoles. Et d’autres exemples dont la connaissance de l’humidité est important comme Dans le stockage et le transport de substances granuleuses ou farineuses Dans l'industrie pharmaceutique Dans l'industrie gazière 2-Les définitions de l'humidité atmosphérique L'air de la troposphère contient toujours une certaine quantité d'eau à l'état gazeux. Cette vapeur d'eau provient soit de l'évaporation des eaux de surface (océans, mers, lacs,...), soit de la transpiration des végétaux, des animaux ou encore des activités humaines (industries). Humidité absolue (HA): Que l'on exprime en grammes de vapeur d'eau par mètre cube d'air. On peut, en refroidissant suffisamment l'air, condenser cette vapeur d'eau et en déterminer la quantité. Capacité hygrométrique maximale (CHM):L'air ne peut contenir une quantité infinie de vapeur d'eau ; à partir d'un certain seuil appelé capacité hygrométrique maximale (CHM), l'eau peut se condenser et repasser à l'état liquide, l'air a atteint alors la saturation(et la temperature detectée est appelée ‘température de rosée’). Cette capacité hygrométrique maximale est fonction de la température de la masse d'air : Plus l'air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d'eau. Humidité relative (HR):C’est le rapport entre la quantité de vapeur d'eau réellement contenue dans une masse d'air à une température déterminée (humidité absolue) et la quantité maximale de vapeur d'eau que la masse d'air pourrait contenir à la même température (capacité hygrométrique maximale). Ce rapport exprimé en % détermine l'humidité relative (HR) de la masse d'air. A la saturation, l'humidité relative vaut 100%. 3-Influence de T et P Cependant l'influence de la pression pour une application en milieu extérieur reste minime, du fait de la faible amplitude des variations barométriques. Ainsi les mesures à effectuer ne prendront en compte dans un premier temps que la température comme grandeur d'influence. Les travaux de MOLLIER ont permis de mettre en évidence la relation entre température et humidité relative. Le diagramme directement issu de ses recherches montre cette relation. A l'aide d'un exemple, ce diagramme va permettre de préciser la notion de température de Rosée (ou Point de Rosée). Supposons qu'à une température de 25°C on ait une humidité relative de 80% (point A sur le diagramme). Si l'on abaisse la température jusqu'à 20°C, le taux d'humidité relative va augmenter et atteindre la limite de saturation, c'est à dire 100% d'humidité. (POINT B dit point de rosée) Notons qu’entre A et B seule l’humidité relative varie, l’humidité absolue, c’est à dire la quantité massique de vapeur d’eau dans l’air, ne change pas. Si la température diminue encore, le phénomène de condensation apparaît: l'humidité relative reste à 100% et c'est l'humidité absolue qui alors diminue. (Variation de B vers C) 4-Table psychrométrique Cette table permet de connaître l'humidité relative (exprimée en %) à partir de la lecture des températures indiquées par le thermomètre sec et le thermomètre humide disposés côte à côte. 5-Capteur d’humidité a-Psychromètre Un psychromètre est un instrument de mesure destiné à connaître des caractéristiques énergétiques de l'air humide Il est constitué de deux thermomètres mesurant au même moment et au même endroit la température de l'air (dite température sèche) et sa température humide. Pour mesurer la température humide (ou température du thermomètre mouillé), il faut techniquement que le deuxième thermomètre soit entouré d'une mèche imbibée d'eau liquide et que l'air humide en contact avec ce thermomètre s'écoule autour de celui-ci avec une vitesse suffisante. Ainsi, en régime permanent, le séchage de la mèche humide provoque une baisse de température isenthalpique jusqu'à saturation de l'air en contact immédiat avec le thermomètre. La différence entre ces deux températures données par le psychromètre permet d'accéder à l'ensemble des données énergétiques de l'air humide et en particulier son humidité relative. L'utilisation d'un abaque ou d'une "table psychrométrique vu precèdemment permet de connaître l'humidité relative. La différence de température peut atteindre plusieurs degrés Celsius. b-Principaux modèles d’hygromètre i.Hygromètre à cheveu L'hygromètre le plus simple est l'hygromètre à cheveu, qui utilise la propriété du crin de cheval ou du cheveu humain de s'allonger ou se raccourcir lorsque l'hygrométrie varie. L'allongement du cheveu est de l'ordre de 2% lorsque l'humidité (relative) varie de 0 à 100%. De manière anecdotique, les cheveux blonds sont plus sensibles aux variations d'humidité que les cheveux bruns. L'hygromètre à cheveux est peu fiable étant donné qu'il est aussi fortement sensible à la température. ii.Hygromètre à condensation a.hygromètre à point de rosée Pour mesurer l’humidité relative on peut aussi en pratique procéder à la mesure de la température de rosée avec un hygromètre dit à point de rosée dont le schéma de principe est figuré ci-dessous. Il s’agit en fait de prélever un échantillon de l’air à mesurer et de l’amener au contact d’un miroir que l’on refroidit et dont on mesure la température. Lorsque celle-ci atteint le point de rosée l’eau se condense et le faisceau lumineux n’est plus réfléchi par le miroir, la mesure de la températureà l’instant d’interruption du faisceau permet de connaître la température de rosée et par suite l’humidité relative de l’air. b.Hygromètre résistif Ex: le capteur type H104C de Toshiba Par mesure de la résistance, on peut connaître le taux d'humidité de l'objet étudié et mesurer ainsi l'humidité de céramique ZrCrO4 matériaux de construction (plâtre, béton etc.) matériau poreux à base de vanadium papier R= 300KW à 30%RH cuir R= 4KW tabac à 90%RH Si cette solution donne théoriquement des temps coton de réponse houblon courts, la courbe de réponse d'un tel bois montre un hystérésis important et une capteur Céréales nette tendance à dériver en température. Le domaine de mesure pour ce type de capteur s'étend généralement de 5% à 95% d'humidité Sur un support de faible dimension, on dépose une quantité de substance pour des températures comprises entre -10°C et hygroscopique suivant un motif constituant une résistance. 50°C. Le temps de réponse est théoriquement de Celle-ci dépendra donc à la fois de la teneur en eau et de la température. l'ordre de 10s pour une précision de 5% environ. c.Hygromètre capacitif On mesure la capacité d'un condensateur dont le diélectrique est hydrophile. Le principe de ce type de capteur est basé sur la variation de la capacité d'un condensateur par l'intermédiaire de sa constante diélectrique. Le diélectrique, d'une épaisseur quelques microns, absorbeun les molécules La figuredeci-dessus représente d'eau de l'air ambiant jusqu'à l'équilibre. Sa capacité est alors donnée par la formule: S = Surface en regard des plaques du capteur d = Distance entre les plaques Ea = Constante diélectrique de l'eau E0 = Constante diélectrique du matériau sec P = Pourcentage d'humidité du matériau. capteur capacitif développé au LETI (Grenoble) et commercialisé par la compagnie CORECI à Lyon. Il s’agit d’un principe à base d’électrode active en chrome et de polymère craquelés ce qui lui confère une très grande surface d’échange et donc une bonne sensibilité ainsi qu’une certaine immunité à la pollution. iii.Difficulté d'emploi : la condensation Le principal intérêt des hygromètres à variation d'impédance, qu'ils soient résistifs ou capacitifs, réside dans le fait que leur mise en oeuvre peut se faire à partir d'une électronique simple (pont de Wheastone ou oscillateur). Mais ils possèdent cependant quelques inconvénients: Il est souvent difficile d'obtenir des caractéristiques parfaitement reproductibles. Si l'on veut avoir une bonne précision, il est nécessaire d'étalonner individuellement chaque capteur. Les caractéristiques du matériau hygroscopique évoluent avec le temps. leur utilisation en milieu pollué provoque rapidement un encrassement du capteur, impliquant non seulement une augmentation du temps de réponse mais aussi parfois des mesures totalement erronées. Enfin, s'il est relativement facile de passer d'un taux d'humidité faible à un taux élevé, l'inverse n'est pas toujours vrai. Le capteur doit en effet évacuer l'excédent d'humidité qu'il a emmagasiné. Selon les cas, le "temps de purge" peut varier de quelques minutes à quelques heures!!! 6)Capteur intelligent d'humidité a) problématique Ce capteur est le résultat d'une étude menée au LCIA (Insa-Rouen) en 1990. Il est susceptible de répondre en particulier à deux problèmes majeurs liés à la mesure de l'humidité: le temps de réponse le fonctionnement en atmosphère saturée b) Cahier des charges du capteur intelligent d'humidité Le capteur autour duquel va être implantée l'architecture électronique a été conçu pour apporter les améliorations suivantes: Fonctionnement de 0 à 100% d'humidité Réduction du temps de purge du capteur Réduction de la sensibilité à la température Compromis entre dimensions et sensibilité. L'électronique et le traitement des données devront permettre: de donner avec précision la température qui correspond à l'instant auquel on détermine le taux d'humidité de résoudre le problème dû à la non linéarité d'éviter la condensation sur le capteur lui-même. c) etalonnages: La méthode utilisée pour obtenir la courbe d'étalonnage du capteur est celle des solutions salines. Ce résultat est inédit et peut s'expliquer de la manière suivante: A très faible taux d'humidité relative, les molécules d'eau sont isolées et la constante diélectrique du mélange vapeur d'eau-air est proche de 1 et varie peu avec l'humidité. Par contre, lorsque l'on avoisine le phénomène de saturation, les molécules de vapeur d'eau se rapprochent pour former des microgouttelettes dont la constante diélectrique n'est plus celle de la vapeur, mais celle de l'eau à l'état liquide qui vaut sensiblement 80. Dans ces conditions le mélange airmicrogoutelettes possède une constante diélectrique sensiblement accrue et sans doute croissante avec la taille de ces microgoutelettes, soit à température constante, croissante avec la masse d'eau en suspension dans l'air. On obtient alors une sensibilité considérable au voisinage de la saturation ce qui va être très profitable au processus de mesurage imaginé. d) Pilotage du capteur La procédure retenue sera la suivante: 1. Mesure de l'humidité par insertion du capteur dans un circuit oscillant (mesure de fréquence) 2. Mesure de la température extérieure 3. Calcul du point de rosée correspondant 4. Détermination de l'instant d'apparition de condensation (à partir de 95% d'humidité) 5. Eventuellement chauffage et micro-régulation de la température par alternance du courant de chauffe et du courant de mesure Pour réaliser cet ensemble d'opérations on a recourt à une électronique pilotée par microcontrôleur dont le synoptique général figure ci-après. Annexe: équation de calcul de HR% Il est possible, en partant de la relation (1) de Van Der Waals, de trouver des équations qui permettent de calculer le taux d'humidité relative en utilisant un calculateur. P = Pc 10K(1-Tc/T) (1) où K est un paramètre dépendant de la température par la relation suivante: K = -8,833*10-10 T3 + 3,072*10-6 T2 -3,469*10-3 T + 4,39553 (2) De l'équation de Ferrel P = Ph - Pm (3) qui peut aussi se mettre sous la forme Pa =Ph 0,000367[1+(Th-32)/1,571]Pb(Ts-Th) (4) On obtient alors l'expression de l'humidité relative: RH = 100[Pa/Ps] = 100[(Ph-Pm)/Ps] (5) Dans ces équations, •Tc Température critique de l'eau = 1165,67 °R •Pa Pression partielle de vapeur d'eau •TsTempérature sèche en °F •PbPression barométrique •Th Température humide en °F •Pc Pression critique de l'eau = 166.818 mmHg •KsValeur de K à la température Ts •PhPression de saturation de l'eau à Th •KhValeur de K à la température Th •Pm Pression partielle de vapeur d'eau dûe à la variation de température (Ts- Th) •P Pression de vapeur d'eau à une température T en °R •Ps Pression de saturation de l'eau à Ts 7-L’humidité dans le sol a) Pour comprendre les niveaux d'humidité du sol et la réaction de la culture : définitions Capacité de rétention : autant d'eau que le sol peut en retenir (plus précisément, la quantité d'eau retenue dans le sol deux ou trois jours après qu'il ait été saturé par des précipitations. Il y a peu de mouvement descendant, par gravité, de l'eau dans le sol et très peu de succion capillaire). Point de flétrissement permanent : quantité d'eau qui reste dans le sol quand le végétal se flétrit dans une atmosphère humide. L'eau qui reste dans le sol est fortement retenue par les particules du sol et ne peut être absorbée par les racines. Eau disponible : c'est la quantité d'eau dans le sol qui se situe entre la capacité de rétention et le point de flétrissement permanent. Il faut commencer à irriguer avant que le sol n'atteigne un niveau de 50 % de l'eau disponible. Biodisponibilité de l'eau dans le sol : b) Instruments pour mesurer les niveaux d'humidité dans le sol 1)Tensiomètre (p. ex. Irrometer) Le tensiomètre est constitué d'un tube en plastique fermé par une bougie en céramique perméable à une extrémité et un manomètre à l'autre. Le tube est rempli d'eau et fermé hermétiquement. Quand la bougie de céramique vient en équilibre avec le sol environnant, le manomètre enregistre la tension de l'eau dans le sol. Lecture du manomètre du tensiomètre : Lecture en centibars 0 Interprétation Le sol est saturé 5-10 Capacité de rétention pour des sols à texture grossière 10-15 Capacité de rétention pour des sols à texture fine 75 Limite supérieure au manomètre : 80 % d'eau épuisée dans les sols à texture grossière, ou 25 % d'eau épuisée dans les sols à texture fine 2) Pédohygromètres (dont la sonde d'appellation commerciale Watermark) Ce sont des sondes mesurant la tension de l'eau en centibars, comme les tensiomètres. Watermark est l'une des appellations commerciales de ce type de sonde. Le Watermark mesure la résistance électrique du courant passant entre des électrodes enfoncées dans une matière semblable à du sable fin entourée d'un matériel synthétique poreux. 3) Réflectomètres temporels (TDR) La réflectométrie à dimension temporelle est une façon relativement nouvelle de mesurer l'humidité du sol. Des sondes installées dans le sol mesurent la vitesse des ondes électromagnétiques. Ces ondes sont ralenties par l'humidité dans le sol. Ces mesures sont très précises et ces instruments sont calibrés par le fabricant. FIN
