Théorie de l'Académie de l'humidité 6 - Le capteur capacitif

Le capteur d'humidité capacitif est constitué d'un matériau diélectrique hygroscopique placé entre deux électrodes qui forment un petit condensateur. La plupart des capteurs capacitifs utilisent un plastique ou un polymère comme matériau diélectrique, avec une constante diélectrique typique comprise entre 2 et 15. En l'absence d'humidité dans le capteur, 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 bien supérieure à la constante du matériau diélectrique du capteur. Par conséquent, l'absorption de vapeur d'eau par le capteur entraîne une augmentation de la capacité du capteur. Dans des conditions d'équilibre, la quantité d'humidité présente dans un matériau hygroscopique 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 sur le capteur.

Par définition, l'humidité relative est également fonction de la température ambiante et de la pression de vapeur d'eau. Il existe donc une relation 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 capacitif de mesure de l'humidité.

Dans un instrument capacitif, comme dans pratiquement tous les autres types d'instruments, l'humidité est mesurée par un processus en chaîne et non directement. Les performances de l'instrument sont déterminées par tous les éléments de la chaîne, et non par le capteur seul. Étant donné que le capteur et les composants électroniques associés ne peuvent être considérés séparément, tout facteur susceptible de perturber le processus de mesure en chaîne aura forcément un effet sur les performances de l'instrument.

Capteur d'humidité électronique

Avantages et inconvénients des capteurs d'humidité capacitifs :

Avantages :

• • Large plage de mesure
• • Large plage de températures
• • Excellente stabilité
• • Réponse rapide
• • Récupération complète après condensation
• • Très résistants aux produits chimiques
• • Petits
• • Faible coût
• • Nécessitent très peu d'entretien

Inconvénients :

• •Peut être limité par la distance entre le capteur et les composants électroniques
• •Perte de précision relative inférieure à 5 % HR
• •Nécessite des composants électroniques pour convertir la capacité en humidité relative

Classification des erreurs dans les capteurs d'humidité capacitifs

Les erreurs systématiques sont prévisibles et répétables, tant en amplitude qu'en signe. Les erreurs résultant d'une non-linéarité de l'instrument ou des effets de la température entrent dans cette catégorie. Les erreurs systématiques sont spécifiques à l'instrument.

Les erreurs aléatoires dépendent de facteurs externes à l'instrument, ce qui signifie que si les erreurs systématiques sont prévisibles et reproductibles, les erreurs aléatoires ne le sont pas. Par exemple, les erreurs résultant de l'hystérésis du capteur, que nous définirons ci-dessous, ainsi que celles résultant de la procédure d'étalonnage, sont des erreurs aléatoires. En général, les erreurs aléatoires sont estimées sur la base de données statistiques, de l'expérience et du jugement.

Erreurs de linéarité

La réponse typique d'un capteur d'humidité relative (entre 0 et 100 % HR) n'est pas linéaire. En fonction de l'efficacité de la correction effectuée par les circuits électroniques, l'instrument peut présenter une erreur de linéarité. En supposant que le capteur et les composants électroniques associés ont des caractéristiques reproductibles, l'erreur de linéarité est une erreur systématique.

En général, les valeurs recommandées par le fabricant de l'instrument pour l'étalonnage ont été déterminées dans le but de minimiser l'erreur de linéarité. L'étalonnage à ces valeurs devrait produire une distribution uniforme positive et négative 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. Dans le cas spécifique d'un instrument capacitif de mesure de l'humidité, les effets suivants peuvent produire une erreur de température. Les propriétés hygroscopiques du capteur varient en fonction de la température. Un instrument de mesure de l'humidité relative repose sur l'hypothèse que la relation entre la quantité d'humidité présente dans le matériau hygroscopique du capteur et l'humidité relative est constante. Cependant, dans la plupart des matériaux hygroscopiques, cette relation varie en fonction de la température. De plus, les propriétés diélectriques de la molécule d'eau sont affectées par la température. À 20 °C, le diélectrique de l'eau a une valeur d'environ 80. Cette constante augmente de plus de 8 % à 0 °C et diminue de 30 % à 100 °C. Les propriétés diélectriques du capteur varient également en fonction de la température.

La constante diélectrique de la plupart des matériaux diélectriques diminue lorsque la température augmente. Heureusement, l'effet de la température sur les propriétés diélectriques de la plupart des plastiques est généralement plus limité que dans le cas de l'eau.

Tout câble reliant le capteur aux circuits électroniques, quelle que soit sa longueur, possède sa propre capacité et sa propre résistance. Les circuits électroniques ne peuvent pas faire la distinction entre le capteur et son câble de connexion. Par conséquent, comme la capacité du capteur et du câble peut varier avec la température, les valeurs d'humidité indiquées par les composants électroniques doivent être compensées pour tenir compte des effets de la température. Si cela n'est pas fait, cela peut entraîner des erreurs de mesure importantes, pouvant parfois atteindre 8 % rh ou plus.

Hystérésis

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

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

• • l'amplitude totale du cycle d'humidité utilisé pour mesurer l'hystérésis
• • le temps d'exposition du capteur à chaque condition d'humidité
• • la température pendant les mesures
• • les critères utilisés pour déterminer l'équilibre du capteur
• • et l'historique précédent du capteur

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

Il n'est pertinent d'indiquer les valeurs d'hystérésis d'un capteur qu'en fournissant également des détails sur la manière dont les tests ont été effectués. Dans la pratique, les conditions de mesure sont extrêmement variées et l'hystérésis peut atteindre ou non 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. Cependant, la répétabilité de l'instrument ne doit pas être spécifiée à une valeur inférieure à la valeur totale de l'hystérésis.

Erreurs d'étalonnage

L'étalonnage consiste à comparer la sortie d'un instrument de mesure à une référence et à rapporter les résultats. Le réglage consiste à modifier la sortie d'un instrument étalonné afin qu'elle corresponde à la sortie de la référence. Dans certains cas, le service appelé « étalonnage » comprend à la fois l'étalonnage et l'ajustement.

Les instruments de référence utilisés pour fournir des valeurs connues d'humidité et de température pour l'étalonnage ont leurs propres valeurs de précision, de répétabilité et d'hystérésis, qui doivent être prises en compte lors de la spécification de l'incertitude finale de l'instrument. De plus, aucun ajustement effectué pendant un service d'étalonnage ne peut reproduire parfaitement la valeur observée par les instruments de référence. Ces erreurs doivent être considérées et traitées comme des erreurs aléatoires dans le calcul de l'incertitude de l'instrument.

Stabilité à long terme

Un facteur crucial est la capacité de l'instrument à renvoyer les mêmes valeurs d'humidité relative pour une condition d'humidité donnée sur une longue période. Cette valeur, généralement appelée répétabilité, mesure la capacité d'un instrument à maintenir son étalonnage malgré les caractéristiques changeantes du capteur et de ses composants électroniques associés sur de longues périodes. En général, on peut diviser le problème de la répétabilité en deux domaines : la capacité du capteur à maintenir sa réponse à une condition d'humidité donnée à une température donnée et la stabilité des composants électroniques au fil du temps.

Résistance chimique

Les capteurs d'humidité capacitifs à polymère sont sensibles à la présence de produits chimiques dans le gaz environnant. L'ampleur de cette influence dépend d'un certain nombre de paramètres :

• • type de produit chimique
• • concentration
• • durée de l'influence
• • quantité d'humidité et température
• • et présence d'autres produits chimiques

Comme il est difficile de prédire l'écart et la durée de vie du capteur, il est préférable de le tester entre les cycles d'étalonnage.

Produits chimiques non critiques

Les tableaux suivants indiquent l'impact de ces gaz sur la gamme de capteurs Rotronic IN-1 :

• • Argon (Ar)
• • Dioxyde de carbone (CO₂)
• • Hélium (H_e)
• • Hydrogène (H₂)
• • Néon (Ne)
• • Azote (N2)
• • Protoxyde d'azote (gaz hilarant, N₂O)
• • Oxygène (O₂)

Les gaz suivants n'ont aucune ou peu d'influence sur le capteur et la mesure de l'humidité :

• • Butane (C₄H₁₀)
• • Éthane (C₂H₆)
• • Méthane (CH₄)
• • Gaz naturel
• • Propane (C₃H₈)

Produits chimiques critiques

Aux concentrations indiquées dans le tableau ci-dessous, les gaz répertoriés n'ont aucune ou peu d'influence sur le capteur ou la mesure de l'humidité. Les données indiquées ne sont que des valeurs indicatives. La résistance du capteur dépend fortement des conditions de température et d'humidité ainsi que de la durée d'exposition au polluant.

Erreur admissible causée par le polluant : +/- 2 %rh

Exemples d'application

A) Mesure de l'humidité dans une chambre de stérilisation (oxyde d'éthylène)

Application client : Stérilisation d'équipements médicaux Capteur : C-94
Concentration Oxyde d'éthylène : 15 % en volume
Dioxyde de carbone : 85 % en volume
Pression : 0,2 à 2,5 bars absolus
Température : env. 40 °C
Humidité : env. 80 % rh
Expérience d'application : Les capteurs ont une durée de vie d'environ 3 mois. La chambre fonctionne en continu.

B) Mesure de l'humidité dans une chambre à ozone

Capteur : HYGROMER HT-1
Concentration en ozone : env. 500 ppm
Température : env. 23 °C
Humidité : env. 50 % rh
Expérience d'application : les capteurs ont une durée de vie d'environ 1 mois à 500 ppm d'ozone.

C) Application spéciale : mesure de l'humidité dans l'huile

La mesure directe de l'humidité dans l'huile est en principe possible, mais la durée de vie des capteurs dépend fortement de l'huile utilisée. Les mesures dans l'huile ne sont possibles qu'avec un capteur spécial, et il faut prévoir des tests.

Pour en savoir plus sur l'humidité, regardez la vidéo suivante : « Explication de la mesure de l'humidité relative »

Voir les articles précédents du blog :
Théorie de l'Académie de l'humidité 1 - Qu'est-ce que l'humidité ?
Théorie de l'Académie de l'humidité 2 - Humidité et lois physiques
Théorie de l'Académie de l'humidité 3 - Humidité et pression de vapeur
Théorie de l'Académie de l'humidité 4 - Définitions de l'humidité : Concentration de vapeur
Théorie de l'Académie de l'humidité 5 - Effet de la température et de la pression sur le % rh
Théorie de l'Académie de l'humidité 6 - Le capteur capacitif
Théorie de l'Académie de l'humidité 7 - La technologie de l'ampoule humide/ampoule sèche (psychromètre)
Théorie de l'Académie de l'humidité 8 - Miroir refroidi et technologie de l'oxyde d'aluminium
Théorie de l'Académie de l'humidité 9 - Choisir la bonne technologie de mesure de l'humidité