Un instrument largement utilisé pour mesurer l'humidité de l'air (et d'autres gaz) est un hygromètre à condensation. Son principe de fonctionnement est de mesurer la température, appelée point de rosée, à laquelle commence la condensation de l'humidité de l'air.
Qu'est-ce que l'humidité de l'air
Un hygromètre mesure la teneur en humidité de l'air, qui peut être représentée sous forme de valeur absolue ou relative. Le premier d'entre eux donne simplement la masse de vapeur d'eau dans 1 mètre cube. m d'air à une température donnée. Mais la seconde montre à quel point la vapeur d'eau dans l'air est proche d'un état de saturation, c'est-à-dire d'un équilibre dynamique avec sa phase liquide - lorsqu'il n'y a ni évaporation ni condensation. Elle est égale au rapport de l'humidité absolue mesurée de l'air à son humidité absolue à l'état de saturation. Lorsque la vapeur d'eau dans l'air est saturée (là encore, à une température donnée), l'humidité relative de cet air est de 100 %. Dans l'air avec de la vapeur d'eau insaturée, elle est donc inférieure.
Comment fonctionne un hygromètre à condensation
Le principe de fonctionnement de tout appareil permettant de déterminer l'humidité de l'air consiste généralement à mesurer une autre quantité, telle que la température, la pression, la masse ou les modifications mécaniques et électriques d'une substance qui absorbe l'humidité.. Par un étalonnage et un calcul appropriés, ces valeurs mesurées peuvent conduire à la détermination de l'humidité absolue ou relative. Un rôle très important dans ce processus est joué par la température à laquelle se produit la saturation de vapeur, appelée point de rosée. En règle générale, les appareils électroniques modernes de détermination de l'humidité de l'air mesurent cette température ou les modifications de la capacité électrique ou de la résistance de diverses substances absorbantes, qui sont ensuite converties (automatiquement) en indicateurs d'humidité.
Appareil hygromètre à condensation
Ses travaux reposent précisément sur la mesure de la vapeur d'eau dans l'air par la méthode du point de rosée. Cette méthode consiste à refroidir une surface, généralement un miroir métallique, à une température à laquelle l'eau à la surface du miroir est en équilibre avec la pression de vapeur de l'eau dans l'échantillon de gaz au-dessus de la surface. A cette température, la masse d'eau à la surface du miroir n'augmente pas (si la surface est trop froide) ni ne diminue (si la surface est trop chaude), c'est-à-dire que la vapeur au-dessus du miroir est en équilibre dynamique avec le condensat d'eau sur le miroir (la vapeur est saturée).
Ce miroir est fait d'un matériau avec une bonne conductivité thermique (comme l'argent ou le cuivre) etplaqué avec un métal inerte tel que l'iridium, le rubidium, le nickel ou l'or pour empêcher le ternissement et l'oxydation. Le miroir est refroidi par un refroidisseur thermoélectrique (effet Peltier) jusqu'à la formation de condensat. Un faisceau de lumière, généralement provenant d'une diode électroluminescente à large bande à semi-conducteurs, est dirigé vers une surface de miroir, et un photodétecteur surveille la lumière réfléchie, dont le flux est maximal lorsqu'il n'y a pas de condensation sur le miroir.
Méthode de fonctionnement de l'hygromètre à miroir pour enfant
Lorsque des gouttes de rosée se forment sur la surface du miroir, la lumière réfléchie est diffusée. Dans ce cas, son flux entrant dans le photodétecteur diminue, ce qui entraîne une modification du signal de sortie de ce dernier. Ceci, à son tour, est contrôlé par un système de contrôle de refroidisseur thermoélectrique analogique ou numérique qui maintient une température stable du miroir au point de rosée. Avec un système bien conçu, le miroir est maintenu à une température où le taux de condensation est exactement égal au taux d'évaporation de la couche de rosée. Un thermomètre miniature à résistance de platine (PRT) précis monté dans le miroir mesure sa température à ce point, qui est automatiquement convertie en une lecture d'humidité.
L'hygromètre pour mesurer l'humidité de l'air de la conception considérée comprend également une pompe à vide pour pomper la partie analysée du gaz et des éléments de filtration supplémentaires dans des conditions sales.
Avantages des hygromètres considérés
De tels instruments, basés sur un principe de fonctionnement simple, avec une large plage de mesure, une grande précision et des lectures stables, sont largement utilisés dans l'industrie et la recherche scientifique. Un hygromètre à point de rosée typique, contrairement à de nombreux autres capteurs d'humidité, peut être rendu très stable, pratiquement résistant à l'usure, minimisant ainsi le besoin de recalibrage. L'hygromètre à point de rosée est capable de mesurer le point de rosée dans la plage de température de 100 °C à un minimum de -70 °C. Dans ce cas, la précision de la mesure est de dixièmes de degré.
De nombreux hygromètres de la conception considérée sont équipés d'un contrôle par microprocesseur et, en combinaison avec un capteur de température résistif, sont capables de calculer et d'afficher sur un indicateur externe tous les paramètres d'humidité souhaités en plus ou à la place du point de rosée. De plus, ces appareils permettent le transfert des résultats à l'aide de la technologie sans fil. Naturellement, ces dispositifs sont largement utilisés dans le cadre de divers systèmes industriels pour la collecte automatisée de données et le contrôle des processus techniques pertinents.
Combien coûterait un hygromètre comme celui-ci ? Son prix, bien sûr, est principalement déterminé par l'ensemble des fonctions mises en œuvre, en fonction de la disponibilité et de la complexité du système de contrôle électronique de l'appareil. Ainsi, un hygromètre à condensation stationnaire qui ressemble à un oscilloscope numérique coûte au moins 4 000 $. Les modèles particulièrement "avancés" peuvent coûter plus de 10 000 $. Sur le marchéVous pouvez également trouver un hygromètre portable entièrement fonctionnel. Son prix est de 1 à 2 mille dollars.
Inconvénients des hygromètres à condensation
Alors que le système d'hygromètres considéré est considéré comme le plus efficace dans le processus de mesure, son inconvénient est la contamination inévitable des parties du chemin de mesure pendant le fonctionnement.
Les hygromètres équipés de miroirs refroidis ont tendance à augmenter les imprécisions de mesure dues à la présence de contaminants solubles et insolubles déposés sur le miroir. Les particules insolubles affectent les caractéristiques optiques du miroir. Une poussière modérée ou l'apparition de particules insolubles sur le miroir fournit des centres de concentration sur lesquels de la rosée ou du givre peuvent se former, augmentant ainsi le temps de réponse de l'appareil. Les impuretés solubles affectent la quantité de pression de vapeur de l'humidité condensée sur le miroir, ce qui déplace le point de rosée. Les hygromètres de mesure modernes (du moins leurs modèles les plus sophistiqués) incluent des fonctions « d'auto-test » qui permettent à l'appareil de détecter et de répondre à la contamination en apportant les ajustements appropriés aux algorithmes de calcul de l'humidité.
Indépendamment de ces capacités, pratiquement tous les hygromètres en question doivent être vérifiés et nettoyés périodiquement.
Maintenance des hygromètres à miroir refroidi
Qu'est-ce que le manuel d'instructions recommande à l'utilisateur de l'appareil dans ce sens. Un hygromètre sensible à la saleté doit êtreêtre nettoyé périodiquement pour assurer la stabilité des résultats de mesure, bien que cela puisse augmenter le coût de son entretien. L'inspection du miroir de l'instrument est généralement effectuée à l'aide du microscope intégré et sa maintenance est effectuée manuellement après l'ouverture du compartiment de mesure.
Si le nettoyage de la surface du miroir est effectué à la fréquence requise dans les instructions pour son fonctionnement, il est alors possible de maintenir la précision des mesures. Un accès pratique à la surface du miroir pour le nettoyage est généralement fourni par une charnière entre les composants optiques et le miroir. Vous pouvez maintenant trouver sur le marché n'importe quel hygromètre à condensation dont le consommateur a besoin. La photo ci-dessous montre un exemple de son exécution.
Utilisation des hygromètres en métrologie
Un hygromètre à miroir refroidi correctement conçu et entretenu fournit des mesures d'humidité avec des ordres de grandeur plus précis que les autres humidimètres populaires. Sa précision de mesure inhérente, notamment lorsqu'il est équipé d'un thermomètre à résistance de platine pour la mesure de la température, d'un miroir et d'un microscope de moyenne puissance pour la surveillance du miroir, le rend idéal pour les mesures métrologiques. Les possibilités de transmission d'informations via des canaux de communication numérique sans fil ouvrent de larges possibilités d'utilisation de tels hygromètres dans des systèmes mondiaux de collecte et de traitement d'informations météorologiques.
Utilisation dans les laboratoires d'usine et les environnements contaminés
Ce compteur d'humidité de l'air est idéal pour mesurer sa valeur absolue dans les laboratoires de climat d'usine. Ils sont souvent utilisés comme références pour contrôler la précision d'autres instruments, tels que les capteurs d'humidité relative utilisés pour contrôler les chambres d'essais environnementaux.
La stabilité des matériaux utilisés dans la construction de ces hygromètres, ainsi que la possibilité de les nettoyer à plusieurs reprises, rendent les instruments adaptés à une très longue durée de vie dans des environnements avec la plupart des contaminants sans perte d'étalonnage. Cette stabilité des performances les rend adaptés à une utilisation dans des flux de gaz où des niveaux élevés de contaminants dans les échantillons de gaz sont irréversiblement préjudiciables aux types de capteurs d'humidité moins stables. Par exemple, ce type d'hygromètre est largement utilisé pour contrôler le point de rosée lors du durcissement thermique des surfaces de produits métalliques dans un environnement d'air avec des impuretés spéciales. Dans de tels cas, il est particulièrement souhaitable de fournir un accès facile au miroir pour le nettoyage.
Production sensible à l'humidité
Les processus d'emballage spécialisés requis dans la production de produits pharmaceutiques, de films, de revêtements et d'autres produits sont souvent contrôlés par des hygromètres à miroir refroidi. Encore une fois, leur choix dans ce cas est influencé par la stabilité de la précision de mesure et la longue durée de vie. De plus, étant donné que ces processus ont tendance à être moins sensibles auxdes coûts d'instruments, le coût élevé de ces hygromètres n'est pas un facteur déterminant dans le choix d'un système de surveillance de l'humidité.
Gaz à haute température et leurs points de rosée
Ce type d'hygromètre est souvent choisi pour mesurer des températures de point de rosée supérieures à la température ambiante. Des instruments à miroir refroidi ont été utilisés dès 1966 pour surveiller les piles à combustible à hydrogène des fusées Apollo fonctionnant à 250 ° C et 700 psi. Avec les technologies actuelles de refroidissement des miroirs thermoélectriques, les points de rosée jusqu'à 100 °C (et plus, en supposant des pressions supérieures à la pression atmosphérique) sont facilement mesurés. Dans de tels cas, toutes les surfaces de la chambre de mesure de l'hygromètre qui sont en contact avec l'échantillon de gaz doivent avoir une température supérieure au point de rosée le plus élevé attendu, sinon de la condensation se produira sur ces surfaces et la mesure sera erronée.
Dans les hygromètres conçus pour mesurer le point de rosée des gaz à haute température, il est courant d'utiliser des radiateurs électriques à commande thermostatique pour maintenir les parois de la chambre de mesure au-dessus des points de rosée les plus élevés attendus. Les composants optiques à semi-conducteurs tels que les LED et les détecteurs sont maintenus à leur température de fonctionnement nominale (généralement 85 °C) pour éviter la dégradation et l'endommagement de l'hygromètre. Ceci peut être réalisé en isolant thermiquement ces composants de la chambre de mesure chauffée.
