Telechargé par Adje Eric Jonathan Yao

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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
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