capteur d'humidite

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capteur d'humidite

  1. 1. UniversitéLibanaiseFaculté De GenieBranche III CAPTEUR D’HUMIDITÉ Réalisé par: MHAMMAD BADRAN 3213 GHASSAN ABI KHALIL 3132 Superviseur: Dr. M. GHANDOUR
  2. 2. Plan de cette présentation:1)Préambule2)Les définitions de lhumidité atmosphérique3)Influence de T et P4)Table psychrométrique5)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 demploi : la condensation6)Capteur intelligent dhumidité7)L’humidité dans le sol a)Pour comprendre les niveaux dhumidité du sol et la réaction de la culture : definitions b)Instruments pour mesurer les niveaux dhumidité dans le sol 1)Tensiomètre (p. ex. Irrometer) 2)Pédohygromètre 3)Réflectomètres temporels (TDR)
  3. 3. 1-PréambuleIl est souvent nécessaire, dans de nombreux domaines industriels, de connaître et de réguler letaux dhumidité de lair. En tant que premier élément dune chaîne de régulation, un "bon"capteur dhumidité aurait donc de nombreuses applications.Par exemple, dans le domaine agricole, lhumidité de lair est évidemment un paramètreprimordial pour le développement des cultures et la prévision des risques dapparition demaladies cryptogamiques, et lors des moissons cest un paramètre indispensable à connaîtrepour 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 lindustrie pharmaceutique Dans lindustrie gazière
  4. 4. 2-Les définitions de lhumiditéatmosphériqueLair de la troposphère contient toujours une certaine quantité deau à létat gazeux. Cette vapeur deauprovient soit de lévaporation 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 lon exprime en grammes de vapeur deau par mètre cube dair. On peut, en refroidissant suffisamment lair, condenser cette vapeur deau et en déterminer la quantité.Capacité hygrométrique maximale (CHM):Lair ne peut contenir une quantité infinie de vapeur deau ; à partir dun certain seuil appelé capacité hygrométrique maximale (CHM), leau peut se condenser et repasser à létat liquide, lair 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 dair : Plus lair est chaud, plus il peut contenir de vapeur deau.Humidité relative (HR):C’est le rapport entre la quantité de vapeur deau réellement contenue dans une masse dair à une température déterminée (humidité absolue) et la quantité maximale de vapeur deau que la masse dair pourrait contenir à la même température (capacité hygrométrique maximale). Ce rapport exprimé en % détermine lhumidité relative (HR) de la masse dair.A la saturation, lhumidité relative vaut 100%.
  5. 5. 3-Influence de T et PCependant linfluence de la pression pour une application en milieu extérieur reste minime, du fait de la faibleamplitude des variations barométriques. Ainsi les mesures à effectuer ne prendront en compte dans unpremier temps que la température comme grandeur dinfluence.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 laide dun exemple, ce diagramme va permettre de préciser la notion de température de Rosée (ou Point deRosée).Supposons quà une température de 25°C on ait une humidité relative de 80% (point A sur le diagramme). Si lon abaisse la température jusquà 20°C, le taux dhumidité relative va augmenter et atteindre la limite desaturation, cest à dire 100% dhumidité. (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: lhumidité relative reste à 100% et cest lhumidité absolue qui alors diminue. (Variation de B vers C)
  6. 6. 4-Table psychrométriqueCette table permet de connaître lhumiditérelative (exprimée en %) à partir de la lecture des températures indiquées par le thermomètre sec et le thermomètre humide disposés côte à côte.
  7. 7. 5-Capteur d’humidité a-PsychromètreUn psychromètre est un instrument de mesure destiné à connaître des caractéristiques énergétiques de lair humideIl est constitué de deux thermomètres mesurant au même moment et au même endroit la température de lair (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 dune mèche imbibéedeau liquide et que lair humide en contact avec ce thermomètre sécoule autour de celui-ci avec une vitesse suffisante.Ainsi, en régime permanent, le séchage de la mèche humide provoque une baisse de température isenthalpique jusquà saturation de lair en contact immédiat avec le thermomètre.La différence entre ces deux températures données par le psychromètre permet daccéder à lensemble desdonnées énergétiques de lair humide et en particulier son humidité relative. Lutilisation dun abaque ou dune"table psychrométrique vu precèdemment permet de connaître lhumidité relative. La différence detempérature peut atteindre plusieurs degrés Celsius.
  8. 8. b-Principaux modèles d’hygromètrei.Hygromètre à cheveuLhygromètre le plus simple est lhygromètre à cheveu, qui utilise la propriété du crin de cheval ou du cheveu humain de sallonger ou se raccourcir lorsque lhygrométrie varie. Lallongement du cheveu est de lordre de 2% lorsque lhumidité (relative) varie de 0 à 100%.De manière anecdotique, les cheveux blonds sont plus sensiblesaux variations dhumidité que les cheveux bruns.Lhygromètre à cheveux est peu fiable étant donné quil est aussi fortement sensible à latempérature.
  9. 9. ii.Hygromètre à condensation a.hygromètre à point de roséePour mesurer l’humidité relative on peut aussi en pratique procéder à la mesure de latempérature de rosée avec un hygromètre dit à point de rosée dont le schémade principe est figuré ci-dessous. Il s’agit en fait de prélever un échantillon de l’air à mesurer et de l’amenerau 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 lumineuxn’est plus réfléchi par le miroir, la mesure de la températureà l’instant d’interruption du faisceau permet de connaître la température de rosée etpar suite l’humidité relative de l’air.
  10. 10. b.Hygromètre résistifEx: le capteur type H104C de Toshiba Par mesure de la résistance, on peut connaître le taux dhumidité de lobjet étudié et mesurer ainsi lhumidité decéramique ZrCrO4  matériaux de construction (plâtre, béton etc.)matériau poreux à base de vanadium  papierR = 300KW à 30%RH  cuirR = 4KW à 90%RH  tabacSi cette solution donne théoriquement des temps  cotonde réponse courts, la courbe de réponse dun tel  houbloncapteur montre un hystérésis important et une  boisnette tendance à dériver en température.  CéréalesLe domaine de mesure pour ce type de capteursétend généralement de 5% à 95% dhumiditépour des températures comprises entre quantitéet substance Sur un support de faible dimension, on dépose une -10°C de 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.lordre de 10s pour une précision de 5% environ.
  11. 11. c.Hygromètre capacitifOn mesure la capacité dun condensateur dont le diélectrique est hydrophile.Le principe de ce type de capteur est basé sur la variation de la capacité dun condensateur par lintermédiaire de sa constante diélectrique. Le diélectrique, dune épaisseur deci-dessus représente un molécules La figure quelques microns, absorbe les deau de lair ambiant jusquà léquilibre. Sa capacité est alors donnée par la formule: capteur capacitif développé au LETI (Grenoble) et commercialisé par la compagnie CORECI à Lyon. Il s’agit d’un S = Surface en regard des plaques du capteur principe à base d’électrode active en d = Distance entre les plaques chrome et de polymère craquelés ce qui Ea = Constante diélectrique de leau lui confère une très grande surface E0 = Constante diélectrique du matériau sec d’échange et donc une bonne sensibilité P = Pourcentage dhumidité du matériau. ainsi qu’une certaine immunité à la pollution.
  12. 12. iii.Difficulté demploi : la condensationLe principal intérêt des hygromètres à variation dimpédance, quils soient résistifs oucapacitifs, réside dans le fait que leur mise en oeuvre peut se faire à partir dune électroniquesimple (pont de Wheastone ou oscillateur). Mais ils possèdent cependant quelquesinconvénients: Il est souvent difficile dobtenir des caractéristiques parfaitement reproductibles. Si lon veutavoir une bonne précision, il est nécessaire détalonner individuellement chaque capteur. Les caractéristiques du matériau hygroscopique évoluent avec le temps. leur utilisation en milieu pollué provoque rapidement un encrassement ducapteur, impliquant non seulement une augmentation du temps de réponse mais aussi parfoisdes mesures totalement erronées. Enfin, sil est relativement facile de passer dun taux dhumidité faible à un tauxélevé, linverse nest pas toujours vrai. Le capteur doit en effet évacuer lexcédent dhumiditéquil a emmagasiné. Selon les cas, le "temps de purge" peut varier de quelques minutes àquelques heures!!!
  13. 13. 6)Capteur intelligent dhumiditéa) problématiqueCe capteur est le résultat dune étude menée au LCIA (Insa-Rouen) en 1990. Il est susceptible de répondre enparticulier à deux problèmes majeurs liés à la mesure de lhumidité: le temps de réponse le fonctionnement en atmosphère saturéeb) Cahier des charges du capteur intelligent dhumiditéLe capteur autour duquel va être implantée larchitectureélectronique a été conçu pour apporter les améliorationssuivantes: Fonctionnement de 0 à 100% dhumidité Réduction du temps de purge du capteur Réduction de la sensibilité à la température Compromis entre dimensions et sensibilité.Lélectronique et le traitement des données devront permettre: de donner avec précision la température qui correspond à linstant auquel on détermine le taux dhumidité de résoudre le problème dû à la non linéarité déviter la condensation sur le capteur lui-même.
  14. 14. c) etalonnages:La méthode utilisée pour obtenir la courbe détalonnage du capteur est celle des solutions salines.Ce résultat est inédit et peut sexpliquer de la manière suivante: A très faible taux dhumidité relative, les molécules deau sont isolées et la constante diélectrique du mélange vapeur deau-air est proche de 1 et varie peu avec lhumidité. Par contre, lorsque lon avoisine le phénomène de saturation, les molécules de vapeur deau se rapprochent pour former des microgouttelettes dont la constante diélectrique nest plus celle de la vapeur, mais celle de leau à létat liquide qui vaut sensiblement 80. Dans ces conditions le mélange air- microgoutelettes possède une constante diélectrique sensiblement accrue et sans doute croissante avec la taille de ces microgoutelettes, soit à température constante, croissante avec la masse deau en suspension dans lair. On obtient alors une sensibilité considérable au voisinage de la saturation ce qui va être très profitable au processus de mesurage imaginé.
  15. 15. d) Pilotage du capteurLa procédure retenue sera la suivante: 1. Mesure de lhumidité 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 linstant dapparition de condensation (à partir de 95% dhumidité) 5. Eventuellement chauffage et micro-régulation de la température par alternance du courant de chauffe et du courant de mesurePour réaliser cet ensemble dopérations on a recourt à une électronique pilotée par microcontrôleur dont lesynoptique général figure ci-après.
  16. 16. 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 dhumidité 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 léquation 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 lexpression de lhumidité relative: RH = 100[Pa/Ps] = 100[(Ph-Pm)/Ps] (5) Dans ces équations,•Tc Température critique de leau = 1165,67 °R•Pa Pression partielle de vapeur deau•TsTempérature sèche en °F•PbPression barométrique•Th Température humide en °F•Pc Pression critique de leau = 166.818 mmHg•KsValeur de K à la température Ts•PhPression de saturation de leau à Th•KhValeur de K à la température Th•Pm Pression partielle de vapeur deau dûe à la variation de température (Ts- Th)•P Pression de vapeur deau à une température T en °R•Ps Pression de saturation de leau à Ts
  17. 17. 7-L’humidité dans le sola) Pour comprendre les niveaux dhumidité du sol et la réaction de la culture : définitionsCapacité de rétention : autant deau que le sol peut en retenir (plus précisément, la quantité deau retenue dans le sol deux ou trois jours après quil ait été saturé par des précipitations. Il y a peu de mouvement descendant, par gravité, de leau dans le sol et très peu de succion capillaire).Point de flétrissement permanent : quantité deau qui reste dans le sol quand le végétal se flétrit dans une atmosphère humide. Leau qui reste dans le sol est fortement retenue par les particules du sol et ne peut être absorbée par les racines.Eau disponible : cest la quantité deau 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 natteigne un niveau de 50 % de leau disponible.Biodisponibilité de leau dans le sol :
  18. 18. b) Instruments pour mesurer les niveaux dhumidité dans le sol1)Tensiomètre (p. ex. Irrometer) Le tensiomètre est constitué dun tube en plastique fermé par une bougie en céramique perméable à une extrémité et un manomètre à lautre. Le tube est rempli deau et fermé hermétiquement. Quand la bougie de céramique vient en équilibre avec le sol environnant, le manomètre enregistre la tension de leau dans le sol.Lecture du manomètre du tensiomètre : Lecture en centibars Interprétation 0 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 % deau épuisée dans les sols à texture grossière, ou 25 % deau épuisée dans les sols à texture fine
  19. 19. 2) Pédohygromètres (dont la sonde dappellation commerciale Watermark)Ce sont des sondes mesurant la tension de leau en centibars, comme les tensiomètres.Watermark est lune des appellations commerciales de ce type de sonde.Le Watermark mesure la résistance électrique du courant passant entredes électrodes enfoncées dans une matière semblable à du sable finentourée dun matériel synthétique poreux.3) Réflectomètres temporels (TDR)La réflectométrie à dimension temporelle est une façon relativement nouvelle de mesurer lhumidité du sol.Des sondes installées dans le sol mesurent la vitesse des ondes électromagnétiques. Ces ondes sont ralentiespar lhumidité dans le sol. Ces mesures sont très précises et ces instruments sont calibrés par le fabricant.
  20. 20. FIN

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