Humidité

CAPTEUR D'HUMIDITÉ

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Qu'est-ce qu'un capteur d'humidité ?

Un capteur d'humidité (ou hygromètre) détecte, mesure et rapporte à la fois l'humidité et la température de l'air. Le rapport de l'humidité dans l'air à la plus grande quantité d'humidité à une température de l'air particulière est appelé humidité relative. L'humidité relative devient un facteur important lors de la recherche de confort.

Les capteurs d'humidité fonctionnent en détectant les changements qui modifient les courants électriques ou la température dans l'air.

Quels sont les types de capteurs d'humidité ?

Capteur d'humidité capacitif

Principe de fonctionnement

Le capteur d'humidité capacitif est un petit condensateur composé d'un matériau diélectrique hygroscopique placé entre une paire d'électrodes. La plupart des capteurs capacitifs utilisent un plastique ou un polymère comme matériau diélectrique, avec une constante diélectrique typique allant de 2 à 15. Cette constante et la géométrie du capteur déterminent la valeur de la capacité .

À température ambiante normale, la constante diélectrique de la vapeur d'eau a une valeur d'environ 80, une valeur beaucoup plus grande que la constante du matériau diélectrique du capteur. Par conséquent, l'absorption d'humidité par le capteur entraîne une augmentation de la capacité du capteur. Dans des conditions d'équilibre, la quantité d'humidité présente dans un matériau dépend à la fois de la température ambiante et de la pression de vapeur d'eau ambiante. Cela vaut également pour le matériau diélectrique hygroscopique utilisé dans le capteur.

Par définition, humidité relative est fonction à la fois de la température ambiante et de la pression de vapeur d'eau. Il existe une relation directe entre l'humidité relative, la quantité d'humidité présente dans le capteur et la capacité du capteur. Cette relation est à la base du fonctionnement d'un instrument d'humidité capacitif.

Nous savons que l'humidité relative est le rapport de la pression de vapeur d'eau réelle par rapport à la pression de vapeur d'eau maximale (pression de vapeur saturante) possible à une température donnée. Le matériau diélectrique varie à un rythme lié à la variation de l'humidité relative.

Chaîne de mesure et performance

Dans un hygromètre utilisant un capteur capacitif, l'humidité est mesurée par un processus en chaîne au lieu d'être détectée directement. La chaîne est composée des composants suivants:

1. Capteur capacitif

2. Sonde

3. Câble

4. Électronique

5. Signal de sortie


Les performances de l'instrument sont déterminées par tous les éléments de la chaîne et non par le capteur seul. Le capteur et l'électronique associée ne peuvent pas être considérés séparément. Tout facteur pouvant perturber le processus de mesure en chaîne est susceptible d'avoir un effet sur les performances de l'instrument.

Erreurs et incertitudes

Classification des erreurs affectant l'incertitude finale d'un hygromètre à capteur capacitif. Les erreurs de mesure peuvent être divisées en deux grandes catégories:

Les erreurs systématiques sont prévisibles et reproductibles. Les erreurs résultant d'une non-linéarité de l'instrument ou d'effets de température entrent dans cette catégorie. Les erreurs systématiques sont spécifiques à l'instrument.

Les erreurs aléatoires ne sont pas entièrement prévisibles car elles dépendent essentiellement de facteurs externes à l'instrument. Erreurs résultant de l'hystérésis du capteur, ainsi que celles résultant de l'étalonnage, sont des erreurs aléatoires. Habituellement, les erreurs aléatoires sont estimées sur la base de données statistiques ou sur la base de l'expérience et du jugement.

Parce qu'elles sont prévisibles, les erreurs systématiques peuvent potentiellement être éliminées. Cependant, les erreurs aléatoire ne peuvent pas être entièrement éliminées.

Erreurs de linéarité. La réponse typique d'un capteur capacitif d'humidité relative (entre 0 et 100% HR) n'est pas linéaire. Selon la correction effectuée par les circuits électroniques, l'instrument peut avoir une erreur de linéarité. En supposant que le capteur et l'électronique associée présentent des caractéristiques reproductibles, l'erreur de linéarité est une erreur systématique.

En règle générale, les points de mesure recommandés par le fabricant de l'instrument pour l'étalonnage sont déterminés afin de minimiser l'erreur de linéarité. L'étalonnage à ces points devrait produire une distribution plus et moins égale de l'erreur de linéarité.

Erreurs de température. La température peut avoir un effet majeur sur plusieurs éléments du processus de mesure en chaîne décrit précédemment. Les propriétés hygroscopiques du capteur varient avec la température. Un instrument d'humidité relative fonctionne correctement sur la base de l'hypothèse que la relation entre la quantité d'humidité présente dans le diélectrique du capteur et l'humidité relative est constante. Cependant, dans la plupart des matériaux hygroscopiques, cette relation varie avec la température.

Propriétés diélectriques

Les propriétés diélectriques de la molécule d'eau sont affectées par la température. A 20 ° C, la constante diélectrique de l'eau a une valeur de environ 80. Cette constante augmente de plus de 8% à 0 ° C et diminue de 30% à 100 ° C. Des effets similaires peuvent être notés en ce qui concerne les autres propriétés physiques de l'eau telles que la conductivité électrique.


Les propriétés diélectriques du capteur varient également avec la température. La constante diélectrique de la plupart des matériaux diélectriques diminue à mesure que la température augmente. L'effet de la température sur les propriétés diélectriques de la plupart des plastiques et des polymères est généralement plus limité.

Capteur d'humidité thermique

Deux capteurs thermiques conduisent l'électricité en fonction de l'humidité de l'air ambiant. Un capteur est enfermé dans de l'azote sec tandis que l'autre mesure l'air ambiant. La différence entre les deux mesure l'humidité.

Capteur d'humidité résistif

Principe de fonctionnement

Les capteurs d'humidité résistifs mesurent la variation de l'impédance électrique d'un milieu hygroscopique tel qu'un polymère conducteur, du sel ou un substrat traité.

Les capteurs résistifs sont basés sur un enroulement interdigité ou bifilaire. Après dépôt d'un revêtement polymère hydroscopique, leur résistance change inversement avec l'humidité. Le changement d'impédance est généralement une relation exponentielle inverse à l'humidité.

Les capteurs résistifs sont généralement constitués d'électrodes en métal noble déposées sur un substrat par des techniques de photorésist ou d'électrodes bobinées sur un cylindre en plastique ou en verre. Le substrat est recouvert d'un sel ou d'un polymère conducteur. Alternativement, le substrat peut être traité avec des produits chimiques d'activation tels que l'acide.

Le capteur absorbe la vapeur d'eau et les groupes fonctionnels ioniques sont dissociés, ce qui entraîne une augmentation de la conductivité électrique. Le temps de réponse de la plupart des capteurs résistifs varie de 10 à 30 s pour arriver à 63% de la valeur réelle. La plage d'impédance des éléments résistifs typiques varie de 1 000 ohms à 100 000 000 ohms.

La plupart des capteurs résistifs utilisent une tension d'excitation CA symétrique sans polarisation CC pour empêcher la polarisation du capteur. Cette réponse peut être linéarisée par des méthodes analogiques ou numériques. La résistance variable typique s'étend de quelques kilohms à 100 Mohms. La fréquence nominale d'excitation est de 30 Hz à 10 kHz.

Étalonnage et précision du capteur 

Le capteur "résistif" n'est pas purement résistif en ce que les effets capacitifs font de la réponse une mesure d'impédance. Un avantage distinct des capteurs RH résistifs est leur interchangeabilité, généralement à l'intérieur de plus ou moins 2% HR, ce qui permet aux circuits de conditionnement de signaux électroniques d'être calibrés par une résistance à un point RH fixe. Cela élimine le besoin de normes d'étalonnage de l'humidité, de sorte que les capteurs d'humidité résistifs sont généralement remplaçables sur site.

La précision des capteurs d'humidité résistifs individuels peut être confirmée par des tests dans une chambre d'étalonnage RH ou par un système DA informatisé référencé dans un environnement normalisé à humidité contrôlée. La température de fonctionnement nominale des capteurs résistifs varie de -40 degrés C à 100 degrés C.

Durée de vie du capteur

Dans les environnements résidentiels et commerciaux, l'espérance de vie de ces capteurs est de> 5 ans, mais l'exposition à des vapeurs chimiques et à d'autres contaminants tels que le brouillard d'huile peut entraîner une défaillance prématurée. Un autre inconvénient de certains capteurs résistifs est leur tendance à décaler les valeurs lorsqu'ils sont exposés à la condensation si un revêtement soluble dans l'eau est utilisé.

Les capteurs d'humidité résistifs ont des dépendances de température importantes lorsqu'ils sont installés dans un environnement avec de grandes fluctuations de température. La compensation de température simultanée est intégrée pour plus de précision. La petite taille, le faible coût, l'interchangeabilité et la stabilité à long terme rendent ces capteurs résistifs adaptés à une utilisation dans des produits de contrôle et d'affichage pour des applications industrielles, commerciales et résidentielles.

Vérification de fonctionnement au cours du temps

Précision

Chaque capteur doit avoir sa propre courbe d'étalonnage, basée sur un système à 9 points.

Répétabilité

Les mesures d'un capteur doivent être faites pour qu'elles ne s'écartent pas. La répétabilité est la mesure successive de la dérive parmi les mesures d'une seule quantité.

Linéarité

Il indique l'écart de tension par rapport à la valeur BFSL et à la valeur de tension de sortie mesurée, convertis en humidité relative.

Fiabilité

Les mesures provoquent souvent une désynchronisation du capteur. Cependant, pour qu'un capteur soit utile, il doit fournir des mesures fiables.

Temps de réponse

En règle générale, le temps nécessaire à un capteur pour atteindre 66% (temps de montée) ou 33% (temps de descente) de la tension de sortie maximale, est appelé temps de réponse.

Application des capteurs

Les applications des capteurs d'humidité sont très variées. Les personnes atteintes de maladies affectées par l'humidité, la surveillance et les mesures préventives dans les maisons utilisent des capteurs d'humidité. Un capteur d'humidité fait également partie des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (systèmes CVC). Ceux-ci sont également utilisés dans les bureaux, les voitures, les humidificateurs, les musées, les espaces industriels et les serres et sont également utilisés dans les stations de météorologie pour signaler et prévoir le temps.

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