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Mesure de l'humidité de l'air

 

Les sondes utilisées

Au sein du réseau Pameseb, plusieurs types de sondes ont été utilisées. Voici les trois principales.

Depuis le premier semestre 2013, la sonde Vaisala HMP155, sonde capacitive, équipe 12 stations Pameseb. L'écran antiradiation destiné à accueillir la sonde Vaisala a été développé et fabriqué au sein de l'asbl Pameseb. La plupart des autres stations sont équipées d'une sonde Skye, sonde capacitive. Le troisième modèle présenté est un psychromètre, et n'équipe plus que deux anciennes stations.

Sonde Vaisala HMP155 avec écran antiradiation


    Caractéristiques :
    Sonde capacitive
    Gamme de mesure : 0 à 100%
    Précision : 1.7%



Sonde RHT+ Skye avec écran antiradiation


Caractéristiques
:
Sonde capacitive
Gamme de mesure : 0 à 100%
Précision : 1.5%

 

Psychromètre GERU (UCL) (plus utilisé actuellement)

 


Caractéristiques
:
Psychromètre
Gamme de mesure : 0 à 100%
Représenté ici sans son écran antiradiation

 

 

 

 

Principes de la mesure

L'humidité est toujours présente dans l'air, sous forme de vapeur. Lors des mesures, l'humidité de l'air est exprimée en humidité absolue ou en humidité relative.

1. Humidité absolue

En météorologie et en physique, l'humidité absolue d'un mélange gazeux est la quantité de vapeur d'eau (en kg) qui est contenue dans une unité de volume d'un mélange gazeux. L'humidité absolue est exprimée comme le rapport de la masse de vapeur d'eau (en kg) sur le volume d'air humide (en m³) à la pression et à la température considérées.

L'humidité absolue de l'air a une signification limitée en pratique, puisque le facteur d'influence important qu'est la température n'est pas pris en compte. Le rapport de la masse de vapeur d'eau sur la masse d'air sec est, quant à lui, appelé rapport de mélange, ou teneur en eau :

En génie des procédés, l'humidité absolue est définie pour l'air humide comme la masse de vapeur d'eau en kg par kg d'air sec.

2. Humidité relative

Si on considère de l'air humide caractérisé par une tension de vapeur ea et une température Ta, et si l'on appelle e(Ta) la tension de vapeur saturante à la température Ta, on définit l'humidité relative Hr comme ceci (en %) :

L'humidité relative est souvent appelée degré d'hygrométrie. Une fois atteint la saturation (100% d'humidité relative), des goutelettes d'eau apparaissent dans l'air et l'humidité relative ne varie plus.

La tension de vapeur saturante est une fonction croissante de la température. Ainsi, pour une même quantité d'eau dans l'air, un air chaud aura une humidité relative plus basse qu'un air froid. Il est très important pour des mesures correctes de l'humidité relative que le capteur et le milieu mesuré soient absolument à la même température.

 

Un exemple de mesure : le psychromètre

1. Fonctionnement

La mesure de l'humidité relative est la propriété atmosphérique la plus difficilement mesurable de manière précise. Différentes techniques de mesures ont été mises au point mais l'obtention d'enregistrements fiables dans des conditions difficiles pose toujours problème.

Un des appareils les plus utilisés pour déterminer l'humidité de l'air est le psychromètre. Il est constitué par deux thermomètres. Un des thermomètres mesure la température de l'air et est appelé "thermomètre sec". Le second est entouré par une mousseline qui plonge dans un réservoir d'eau, de manière à être constamment humidifié par capillarité. Ce second thermomètre est appelé "thermomètre humide". L'évaporation de l'eau à partir de la mousseline consomme une certaine quantité de chaleur, ce qui se traduit par une température d'équilibre du thermomètre humide, plus basse que celle de l'air et cela d'autant plus que l'évaporation est plus intense, c'est-à-dire que l'air est plus sec.

2. Equation

L'équation du psychromètre s'écrit :

ea = e(Th) - . (Ta - Th)

avec :

  • ea = tension de vapeur d'eau dans l'air
  • e(Th) = tension de vapeur saturante à la température du thermomètre humide
  • Th = température du thermomètre humide
  • Ta = température de l'air (thermomètre sec)
  • = coefficient psychrométrique (Pa.K-1)

En réalité, l'équation du psychromètre telle qu'elle est établie n'est pas rigoureuse et le coefficient varie avec le taux de ventilation, la température et l'humidité de l'air ainsi que la forme du psychromètre. Le tableau suivant donne un exemple de variation du coefficient psychrométrique en fonction de la vitesse de ventilation :

Coefficient psychrométrique (Pa.K-1) 130 90 78 71 67
Vitesse de ventilation (m.s-1) 0.12 0.50 1.00 2.00 4.00

 

3. Différents types des pychromètres

Il existe de très nombreux modèles de psychromètres que l'on peut classer en trois grandes catégories en fonction de leur type de ventilation :

  • les psychromètres à ventilation naturelle qui sont destinés aux mesures sous abri. Les tables psychrométriques qui sont établies pour ce type d'appareils se basent, le plus souvent sur vitesse du vent de 1.5 m/s
  • les psychromètres frondes
  • les psychromètres à aspiration

4. Précision des mesures

En plus de la vitesse de ventilation, il existe deux autres principales causes d'erreurs. Ce sont les erreurs sur l'estimation de l'écart psychrométrique (différence de température), et celles qui apparaissent aux températures négatives, avec la surfusion de l'eau ou la formation d'un revêtement de glace.

L'écart psychrométrique est déterminé à partir de la lecture des deux thermomètres. Si l'incertitude sur chacune des températures est de +/- 0.1 °C, l'incertitude sur l'écart est de +/- 0.2 °C. Le tableau suivant donne les valeurs absolues des incertitudes sur l'estimation de l'humidité relative, dans le cas d'une erreur sur la température de 0.1 °C. Il montre que les erreurs sont négligeables lorsque la température de l'air est supérieure à 10 °C. En revanche, elles deviennent relativement importantes aux basses températures.

Valeurs absolues des incertitudes sur l'humidité relative dues à une incertitude
de 0.2°C sur l'écart psychrométrique

Humidité relative (%)Température de l'air (°C)
- 1001020
10 6.0 3.2 2.0 1.3
50 6.3 3.5 2.2 1.4
100 6.7 4.0 2.5 1.9

 

Lorsque les températures sont négatives, l'eau qui humidifie la mousseline du thermomètre humide peut être surfondue ou prise en glace. Or, à une même température négative, la tension de vapeur d'eau en équilibre avec la glace est toujours inférieure à celle qui est en équilibre avec l'eau surfondue. Par ailleurs, lorsque le réservoir du thermomètre mouillé est recouvert d'une couche de glace, la constante psychrométrique change.

5. Le capteur du réseau Pameseb

La connaissance simultanée des températures 'sèche' et 'humide' de l'air permet de calculer son humidité relative sur base de formules mathématiques. La mesure de la température 'humide' est effectuée par mesure de la résistance d'une ' CTN' entourée d'un manchon de coton hygrophile imbibé d'eau.

L'évaporation de l'eau contenue dans la trame du coton hygrophile aux conditions de température et de pression de vapeur ambiantes permet de créer entre la 'CTN' et le coton hygrophile une atmosphère humide dont la température est alors mesurée.

 

Principe du psychromètre

La mesure de l'humidité relative est déterminée au moyen de la formule de Sprung (in Houberechts A.,1976), et se fait en deux étapes. Tout d'abord :

e(Th) - ea = * (Ta-Th) = A * P * (Ta-Th)

avec :

  • e(Th) : pression de saturation de l'air à Th (Pa)
  • ea : pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air (Pa)
  • : coefficient psychrométrique (Pa.K-1)
  • P: pression atmosphérique l'air (Pa)
  • A : constante psychrométrique (°C)-1
  • Ta : température sèche (°C)
  • Th: température humide (°C)

Ensuite, calcul de l'humidité relative (exprimée en %) :

Hr = ea / e(Ta) = [ 100 * e(Th) - A * P * (Ta-Th) ] / e(Ta)

avec e(Ta) = pression de saturation de l'air à la température Ta (Pa)

La mise en oeuvre de cette relation exige la connaissance avec une approximation suffisante des pressions de saturation de la vapeur en fonction de la température. Deux équations permettent de calculer la pression de saturation de l'air (e(Ta) ) à la température (Ta):

- soit la régression polynomiale : utilisée dans notre cas avec e(Ta) (Pa) et Ta (°C)

e(Ta) = 610.868 + 44.396 * Ta + 1.43355 * Ta * Ta + 0.0263212 * Ta * Ta * Ta

- soit l'exponentielle : formule de Teller (in Houberechts A. ,1976) avec P (Mbar) et Ta (°C)

e(Ta) = 6.108 * Exp( (17.27 * Ta) / (Ta + 237.3) )

La pression atmosphérique est de 1 atm, ou 1.01325 bar, ou 101325 pa (N/M2) ou encore 760 mmHg.

Ta(°C)e(Ta)(Pa)e(Ta) (Pa)e(Ta)(Mbar)
tableRégressionExponent I
0 610,758 610,868 6,10800
2 705,392 705,605 7,05641
4 812,873 813,074 8,13261
6 934,574 934,538 9,35109
8 1072,063 1071,260 10,72769
10 1227,106 1224,505 12,27963
12 1401,468 1395,535 14,02564
14 1597,405 1585,615 15,98605
16 1816,878 1796,006 18,18287
18 2012,338 2027,973 20,63989
20 2336,925 2282,780 23,38281
22 2641,912 2561,689 26,43931
24 2982,202 2865,963 29,83917
26 3359,758 3196,868 33,61440
28 3778,502 3555,665 37,79930
30 4241,376 3943,618 42,43065


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