La précision de l'humidité démystifiée : Ce qu'il faut savoir pour des mesures précises

Maîtriser la mesure de l'humidité : Les clés d'une meilleure précision

La comparaison des performances à long terme des instruments de mesure de l'humidité relative va bien au-delà de la simple comparaison des spécifications de précision indiquées. Si les spécifications de précision constituent un bon point de départ, elles ne disent pas tout sur les performances globales d'un instrument, en particulier dans des conditions réelles au fil du temps. Dans ce blog, nous irons au-delà des spécifications de précision pour découvrir quatre facteurs critiques que vous devez prendre en compte lors de la sélection d'un instrument de mesure de l'humidité relative.

1. Définitions et différenciation

L'exactitude n'est pas la même chose que l'incertitude, mais elle peut être utilisée dans le cadre d'une spécification technique. La précision est un terme qualitatif, mais elle peut être définie à l'aide d'une expression de l'incertitude d'une mesure.

Par exemple, un étalonnage avant livraison peut « déclarer » la spécification ou la précision d'un instrument.

La précision, telle qu'elle est indiquée dans la spécification technique de Rotronic, se réfère à la différence maximale entre une valeur mesurée par un instrument de référence et celle donnée par un IUT (Instrument Under Test), qui est connue sous le nom d'erreur de mesure.

L'incertitude de mesure d'un étalonnage est définie comme la plage dans laquelle la « vraie valeur » est censée se situer. Par exemple, un IUT (Instrument Under Test) à une valeur de référence de 35,0 % HR peut lire 34,8 % HR avec une incertitude de ± 0,4 % HR. Cela signifie que la valeur réelle devrait se situer entre 34,4 % HR et 35,2 % HR.

Tolérance est utilisée dans la spécification technique de Rotronic comme limite de l'erreur de mesure maximale admissible et n'est pas la même chose que l'incertitude de mesure. Par conséquent, l'incertitude d'une mesure est nécessaire pour permettre de décider si une spécification d'application est respectée.

Spécifications n'est pas la même chose que l'incertitude. Une spécification permet au client de savoir quel type de performance peut être raisonnablement attendu d'un produit donné dans chaque plage de fonctionnement. L'erreur de mesure maximale admissible et l'incertitude de mesure doivent être prises en compte.

2. Classification des erreurs dans la mesure de l'humidité capacitive

Dépendance à l'égard de la température et de la pression

L'humidité relative dépend de la température et de la pression.

Les sondes Rotronic HygroClip compensent automatiquement la dépendance physique de la température. L'électronique avancée comprend des tables de pression de vapeur saturante similaires basées sur les normes de l'OMM pour permettre des corrections précises.

La pression totale du gaz n'est généralement pas prise en compte dans les mesures courantes de l'humidité relative. Une exception est faite lorsqu'il y a une grande différence de pression, par exemple de plusieurs bars. Par exemple, les mesures de l'humidité relative à la sortie d'une chambre à pression ou à vide donneront des résultats différents de l'humidité relative réelle à l'intérieur de la chambre en raison de l'impact des variations de pression.

Les sondes Rotronic HygroClip peuvent être programmées avec différentes pressions pour permettre une meilleure compensation, en particulier lors de la sortie de valeurs calculées comme le point de rosée.

Erreurs de température
La température peut avoir un effet majeur sur plusieurs aspects de la mesure de l'humidité. Les composants de tous les appareils électroniques peuvent être affectés par les changements de température. En outre, le capteur d'humidité capacitif a des propriétés hygroscopiques qui varient avec la température. De plus, la précision du capteur de température lui-même, qui est également utilisé pour compenser, a un impact sur la précision de la mesure de l'humidité.

HygroClip - Compensation de la température du capteur d'humidité

Tous les capteurs d'humidité relative nécessitent une compensation de l'effet de la température sur le signal de sortie de l'humidité afin de maintenir des mesures précises dans une large gamme de conditions de température. L'AirChip 3000 à l'intérieur de la sonde Rotronic Hycroclip contient en mémoire un ensemble de 31 tables correspondant à des valeurs de température comprises entre -100 °C et +200 ˚C. Chaque tableau contient des données de compensation entre 0 % HR et 100 % HR par pas de 10 % HR. Combiné à une mesure de température de haute précision, à une très faible puissance, et donc à un faible auto-échauffement, ainsi qu'à une électronique de pointe, l'HygroClip de Rotronic permet d'obtenir des mesures d'humidité relative et de température d'une précision exceptionnelle dans une large gamme de températures.

Erreurs de linéarité

Le capteur idéal est totalement linéaire en termes d'humidité par rapport à sa sortie (voir photo 2), mais la réponse typique d'un capteur d'humidité relative (entre 0...100 % HR) n'est pas linéaire. Selon l'efficacité de la correction apportée par les circuits électroniques, l'instrument peut présenter une erreur de linéarité. Si le capteur et les circuits électroniques associés ont des caractéristiques reproductibles, l'erreur de linéarité est une erreur systématique.

La capacité du capteur d'humidité utilisé avec l'AirChip3000 est une fonction non linéaire de l'humidité relative (% HR). L'AirChip3000 transforme les valeurs brutes lues sur le capteur d'humidité en valeurs linéaires et compense ces valeurs pour l'effet de la température sur le capteur d'humidité et les valeurs de compensation uniques pour chaque sonde.

Linéarisation du capteur d'humidité HygroClip

Chaque HygroClip Probe est équipé d'un microcontrôleur appelé AirChip3000, qui garde en mémoire un ensemble de deux tableaux (A1 % et A2 %) comprenant des corrections (linéarisation) à appliquer aux données brutes d'humidité générées par le capteur d'humidité. Chaque tableau contient 101 valeurs (de 0 à 100 % HR, par pas de 1 % HR) pour obtenir une linéarisation très précise du capteur d'humidité. Le tableau A1 % contient les valeurs par défaut. Le tableau A2 % contient les corrections supplémentaires générées lors des réglages effectués par l'utilisateur. La valeur d'humidité linéarisée est obtenue en ajoutant à la valeur d'humidité brute les valeurs correctives correspondantes des deux tableaux. Une interpolation est utilisée pour les valeurs brutes intermédiaires. L'utilisateur peut à tout moment réinitialiser l'AirChip3000 à ses réglages d'usine d'origine.

En général, les valeurs recommandées par le fabricant de l'instrument pour le réglage sont déterminées dans le but de minimiser l'erreur de linéarité. Le réglage à ces valeurs devrait réduire l'erreur de linéarité.

Recommandation Rotronic pour les points de réglage :

Un réglage en 3 points pour les mesures d'humidité et de température garantit la précision des performances du capteur dans différentes conditions environnementales.

1. Premier point de réglage à 23 °C et 35 %HR: Ce point de réglage standard est utilisé pour améliorer la précision de base du capteur dans des conditions ambiantes typiques. Le réglage à ce point permet de garantir des mesures fiables dans des environnements modérés.
2. Deuxième point de réglage à 23 °C et plus, par exemple 50 %HR -80 %HR : Le point de réglage à un niveau d'humidité plus élevé, tel que 80 % d'humidité relative, améliore la capacité du capteur à mesurer avec précision dans des conditions d'humidité plus élevées. Cette étape est cruciale pour valider les performances lorsque les niveaux d'humidité sont élevés, afin de garantir que le capteur reste précis sur toute sa plage de fonctionnement.
3. Troisième point de réglage à 23 °C et en dessous, par exemple 10 %HR -20 %HR : Ce point de réglage à faible humidité améliore les performances du capteur dans des conditions plus sèches. Un réglage à moins de 20 % d'humidité est essentiel pour confirmer que le capteur peut détecter et transmettre des données précises, même dans des environnements avec un minimum d'humidité.

En utilisant ces trois points différents, le réglage permet d'optimiser la précision globale du capteur et de maintenir les niveaux de tolérance sur un large spectre d'humidité.

Erreur d'ajustement

L'étalonnage consiste à comparer la sortie d'un instrument de mesure à une référence et à communiquer les résultats. L'ajustement consiste à modifier la sortie d'un instrument et à l'étalonner pour qu'elle corresponde à la sortie de la référence.

Les instruments de référence utilisés pour fournir des valeurs d'humidité et de température connues pour l'étalonnage ont leur propre incertitude composée de valeurs de précision, de répétabilité, de reproductibilité et d'hystérésis, qui doivent être prises en considération lors de la spécification de l'incertitude finale de l'instrument. En outre, si aucun ajustement n'est effectué au cours d'un service d'étalonnage, l'erreur de mesure doit être prise en compte et incluse dans le calcul du résultat de l'instrument ou ajoutée à la précision en tant qu'erreur non corrigée.

Ajustement avec les étalons d'humidité Rotronic

La température a un impact sur l'humidité d'équilibre des étalons d'humidité Rotronic, la différence entre la valeur d'étalonnage à 23 °C du certificat et la valeur d'humidité de la température réelle du tableau doit être ajoutée manuellement à l'entrée de la valeur de référence d'ajustement.

Hystérésis

L'hystérésis est la différence maximale qui peut être mesurée entre des paires de données correspondantes, obtenues en exécutant une séquence ascendante et descendante de conditions d'humidité. L'hystérésis détermine la reproductibilité d'un instrument de mesure de l'humidité.

Pour un instrument donné, la valeur de l'hystérésis dépend de plusieurs facteurs :

• L'étendue totale du cycle d'humidité utilisé pour mesurer l'hystérésis.
• Temps d'exposition du capteur à chaque condition d'humidité
• Stabilité de la température pendant la mesure
• Critères utilisés pour déterminer l'équilibre du capteur et l'historique du capteur

En général, l'hystérésis du capteur augmente lorsque le capteur est exposé à une humidité et à une température élevées pendant de longues périodes.

L'indication des valeurs d'hystérésis d'un capteur n'a de sens que si elle s'accompagne de détails sur la manière dont les tests ont été effectués. Dans la pratique réelle des mesures, les conditions sont extrêmement diverses et l'hystérésis peut ou non atteindre sa valeur maximale. Il est donc raisonnable de considérer l'hystérésis comme une valeur aléatoire qui ne peut être ni entièrement prédite ni compensée. Lorsque la précision d'un instrument est spécifiée, la moitié de la valeur maximale de l'hystérésis doit être répartie de manière égale entre une erreur positive et une erreur négative. Toutefois, la reproductibilité de l'instrument ne doit pas être spécifiée à une valeur inférieure à la valeur totale de l'hystérésis

3. Comprendre la précision de l'humidité

La précision, lorsqu'elle se réfère aux instruments de mesure, signifie généralement la proximité de la concordance entre une valeur mesurée et une valeur réelle. Cependant, dans la pratique, il est essentiel de se rappeler qu'il n'existe pas de valeur « vraie » - chaque mesure est accompagnée d'un certain degré d'incertitude et d'une erreur de mesure. La spécification de précision figurant sur la fiche technique d'un Rotronic décrit simplement la différence admissible entre les relevés de votre instrument et un dispositif de référence (erreur de mesure).

Dans de nombreux cas, la spécification de la précision ne suffit pas à évaluer la fiabilité à long terme d'un capteur d'humidité, en particulier si vous travaillez dans des environnements où les conditions sont variables. Voici pourquoi :

• La spécification de précision de Rotronic ne comprend pas de facteurs tels que l'hystérésis, la répétabilité, la linéarité, la stabilité à long terme et l'incertitude de mesure.

4. Variations de l'exactitude dans les plages de température

La plupart des spécifications de précision ne sont valables qu'à une température particulière ou dans une plage de température étroite, par exemple ±0,8 % HR à 23 °C ou dans une plage de 20 °C ± 5 °C. Si vous utilisez l'instrument en dehors de ces paramètres, sa précision se dégradera probablement. En effet, les sondes d'humidité relative sont sensibles à la température et leurs performances sont affectées par les variations de la température ambiante.

Ce qu'il faut surveiller :

• Sensibilité à la température : De nombreuses sondes d'humidité relative voient leur précision diminuer lorsque la température s'écarte de la température d'étalonnage. Ceci est particulièrement important dans les industries telles que les chambres environnementales ou les systèmes de contrôle des processus, où les températures varient de manière significative.

5. Incertitude des mesures d'étalonnage : Un facteur critique

Toute mesure, quelle que soit sa précision, comporte une part d'incertitude. Même les mesures des instituts nationaux de métrologie tels que le NIST (National Institute of Standards and Technology) sont assorties d'un chiffre d'incertitude. Incertitude d'étalonnage fait référence à la précision de la procédure d'étalonnage et constitue un élément d'information essentiel pour comprendre la précision totale d'un instrument d'analyse de l'humidité.

6. Dérive à long terme (stabilité) : Le défi caché

Tous les instruments de mesure de l'humidité relative subissent une dérive à long terme, c'est-à-dire une modification des relevés dans le temps due à des facteurs tels que le vieillissement des composants électroniques, l'usure mécanique et l'accumulation de contaminants. Les capteurs d'humidité relative capacitifs sont vulnérables à la dérive car ils sont exposés à l'environnement qu'ils mesurent. Le vieillissement du polymère dans le capteur d'humidité est un comportement normal, il montre typiquement une valeur plus élevée à mesure que l'humidité est plus élevée.

Lorsqu'une dérive de plus de 3 % HR est dépassée, Rotronic recommande de remplacer le capteur, car le capteur dérive alors de plus en plus vite.

• Vieillissement des composants électroniques
• Dégradation mécanique de matériaux
• Contaminants comme la poussière, les particules ou les vapeurs chimiques

La dérive à long terme peut être prévisible ou imprévisible, en fonction de la conception du capteur et de l'environnement. Alors que les capteurs de température peuvent souvent être scellés pour éviter l'exposition aux contaminants, les capteurs d'humidité relative respirent généralement l'air, ce qui les rend plus sensibles aux influences de l'environnement.

7. Manipulation des contaminants : Particules et vapeurs

Les capteurs d'humidité relative sont particulièrement sensibles aux contaminants présents dans l'environnement. Ces contaminants peuvent affecter les relevés de manière temporaire ou permanente, en fonction de leur type et de leur concentration. Les deux types de contaminants les plus courants sont les suivants :

• Les contaminants particulaires, tels que la poussière ou les sels, peuvent s'accumuler sur le capteur et affecter ses lectures. Dans la plupart des cas, les particules ralentissent le temps de réponse ou génèrent des écarts de mesure à une humidité spécifique (en fonction du type de sel), en raison d'un microclimat sur le capteur.
• Contaminants des vapeurs, cette contamination entraîne généralement une baisse de la lecture, car les COV empêchent les molécules d'eau de pénétrer dans le capteur.

Le choix de filtres de protection appropriés et un nettoyage régulier peuvent contribuer à réduire l'impact des contaminants particulaires, mais les contaminants sous forme de vapeur sont beaucoup plus difficiles à filtrer.

Dans les environnements difficiles, le raccourcissement des cycles d'étalonnage et de réglage peut contribuer à maintenir la précision, car on s'attend à une dérive annuelle plus importante.

Conclusion : Au-delà de la spécification de précision

Pour choisir le bon instrument de mesure de l'humidité relative, il ne suffit pas de regarder la spécification de précision sur une fiche technique. Des facteurs tels que la plage de température, l'incertitude de l'étalonnage, la dérive à long terme et les contaminants environnementaux jouent tous un rôle crucial dans la détermination des véritables performances à long terme de votre appareil. Pour éviter les conditions hors tolérance, il convient d'approfondir les données relatives aux produits, de discuter avec les fabricants, d'aligner les spécifications sur votre cas d'utilisation spécifique et de veiller à appliquer les meilleures pratiques en matière d'installation, d'entretien et d'étalonnage de l'instrument.

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