MESURER L HUMIDITE RELATIVE A MIEUX QUE ± 1 % H.R. EST CE POSSIBLE?

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1 MESURER L HUMIDITE RELATIVE A MIEUX QUE ± 1 % H.R. EST CE POSSIBLE? Bernard CRETINON CETIAT B.P VILLEURBANNE Cedex Résumé De nombreux utilisateurs d hygromètres rencontrent des problèmes concernant les performances métrologiques exigées sur les mesures de température et humidité relative en environnement climatique (enceinte climatique, salle climatisée, etc.) par rapport aux exigences des normes sectorielles, directives, recommandations ou cahiers des charges (par exemple : Erreurs Maximales Tolérées de ± 1 C et ± % H.R. à 5 C et 50 % H.R.). A priori, la mesure de l humidité relative paraît simple, et une erreur de justesse de l ordre de ± 1 % H.R, souvent annoncée par les constructeurs (à 3 C), semble aisée à obtenir avec les instruments disponibles actuellement sur le marché. En réalité, ce n est pas le cas. Afin de pouvoir répondre à des E.M.T. de l ordre de ± à ± 4 % H.R., il est nécessaire d obtenir des incertitudes de mesure inférieures à ± 1 % H.R. Cela signifie qu avec les différents types d hygromètres utilisés pour les mesures d environnement (hygromètre à variation d impédance, psychromètre, hygromètre à condensation), un étalonnage individuel avec une incertitude d étalonnage faible est nécessaire, étalonnage qui doit être réalisé à la température d utilisation et sur une plage d humidité relative englobant la zone d utilisation. Abstract A lot of hygrometer users need good accuracy in temperature and relative humidity measurements to determine the corresponding values in an air volume ( climatic chamber, climatised room,, ), in respect to specific standards, recommendation, directives, (for exemple : Maximal Permissible Errors ± 1 C and ± %.R.H. at 5 C, 50 % R.H.). A priori, measuring relative humidity with a bias of ± 1 % H.R announced by the manufactures, generaly at 3 C, seams easy to obtain with the different kind of hygrometers on the market, but in reality it s not true. In fact, for the different kind of hygrometers (Impedance variation hygrometer, psychrometer, condensation hygrometer) used in environmental measurements, to obtain an uncertainty better than +/- 1 % R.H., to be in adequation with the M.P.E., it is necessary to calibrate individualy each apparatus, with a small uncertainty at the temperature and relative humidity range of use. 1. INTRODUCTION Dans de nombreuses applications industrielles, la mesure de l humidité relative est importante, et il n est pas toujours facile de faire le bon choix des instruments à utiliser sur la base des différentes caractéristiques techniques annoncées par les constructeurs d hygromètres. L évolution de l électronique, avec des microprocesseurs de plus en plus performants, permet aux constructeurs d hygromètres de déterminer aisément la plupart des paramètres d humidité. Par contre, ils ne sont pas toujours capables de garantir ces paramètres avec une qualité métrologique (erreur de justesse) suffisante, sur tout le domaine de mesure en température et humidité, pour répondre aux besoins des industriels ou laboratoires. En effet, les erreurs de justesse (souvent appelées précision) annoncées par les constructeurs sur le paramètre humidité relative sont de : - ± 1 % à ± % H.R. autour de 3 C, pour les hygromètre à variation d impédance mesurant directement l humidité relative, et ± %. à ± 4 % H.R au delà, - ± 1 % à ± % H.R., sur toute la plage de mesure, pour les hygromètres à condensation et les psychromètres calculant l humidité relative. En réalité, les incertitudes calculées sur le paramètre humidité relative, pour ces types d hygromètres, varient en fonction du domaine de température et d humidité relative (voir tableau ). Elles peuvent être, selon le domaine, supérieures à ± 3 % H.R.. Dans de nombreuses applications en environnement climatique, les E.M.T. (Erreurs Maximales Tolérées) exigées par des normes sectorielles, recommandations, directives, sont souvent du même ordre de grandeur que les performances métrologiques des hygromètres.. PRINCIPAUX TYPES D HYGROMETRES UTILISES EN MESURES D ENVIRONNEMENT La principale grandeur de l'air humide, mesurée ou calculée, dans les différentes applications liées aux mesures d environnement, est l'humidité relative. Elle est obtenue à partir des mesures réalisées avec des hygromètres mesurant la température de rosée (θ d, θ f ), la température humide (θ w ), l'humidité relative (U w ), et des instruments mesurant les paramètres associés tels que la pression (p) et la température (θ). L humidité

2 relative peut alors être calculée à partir des formules définies dans la norme NF X [1]. Lorsqu on veut caractériser une enceinte climatique, par exemple, plusieurs sondes de température sont placées dans l espace de travail (espace où sont positionnés les produits à tester), ainsi qu un hygromètre permettant de déterminer l humidité relative en ces mêmes points. L hygromètre utilisé peut être : - un hygromètre à condensation, - un psychromètre, - un hygromètre à variation d impédance. L hygromètre à condensation et le psychromètre mesurent respectivement la température de rosée et la température humide en un point de l enceinte, ainsi que la pression pour certains psychromètres. L incertitude sur l humidité relative est calculée à partir des formules présentées au chapitre 3. en prenant en compte la que l incertitude d étalonnage de l instrument. Des étalonnages successifs, effectués à intervalle régulier, permettent de connaître la dérive dans le temps de l hygromètre. L étalonnage peut être réalisé, soit : - à la température correspondant à des conditions normales d essai, pour les modèles courants (utilisation standard), - à la température d utilisation, pour les modèles industriels avec un capteur fonctionnant à haute ou basse température et introduit directement dans l ambiance du milieu à analyser (utilisation spécifique). Tableau 1 Caractéristiques métrologiques annoncées par les constructeurs sur les paramètres mesurés pour quelques modèles d hygromètres θ θ θ θ! "#$% ±&'±( ±)'±*) +,-,.. / 0. / ) ()5 6) &θ (θ& "#$ '&*% ±)'±7)+,-, θ 6 θ 6 θ9 "#$% ±&'±( ±'()+,-, +,-,.. température mesurée en chaque point de l espace de travail représenté par une sonde de température. L hygromètre à variation d impédance mesure directement l humidité relative, mais la mesure est ponctuelle et nécessite alors soit un déplacement, soit l utilisation de plusieurs sondes, pour caractériser l ensemble de l espace de travail. Les caractéristiques métrologiques des instruments (erreur de justesse) annoncées par les constructeurs sont présentées dans le tableau ETALONNAGE DES HYGROMÈTRES L étalonnage des hygromètres est basé sur une méthode de comparaison à un instrument de référence raccordé aux étalons nationaux. Cette opération établit la correction à apporter aux valeurs indiquées par l hygromètre à étalonner, ainsi 3.1. Incertitude de mesure de l hygromètre L hygromètre utilisé pour les mesures doit être étalonné auprès d un laboratoire de la chaîne nationale d étalonnage et l estimation de l incertitude est déterminée conformément à la norme NF ENV : classée X []. La détermination de l incertitude de mesure des hygromètres nécessite de prendre en compte les éléments suivants : - incertitude d étalonnage (donnée par le certificat d étalonnage avec un coefficient d élargissement k = ), - incertitude liée à la méthode d exploitation, - dérive, - répétabilité, - résolution, - hystérésis, - incertitude liée aux facteurs d influence, -.

3 La même démarche doit être utilisée pour déterminer l incertitude de mesure des thermomètres et des autres instruments utilisés (par exemple, la pression pour le psychromètre). 3.. Evaluation de l incertitude sur l humidité relative calculée Lorsque l incertitude globale de chaque instrument est évaluée, il est possible de calculer l incertitude associée à l humidité relative calculée. Les exemples suivants présentent une comparaison entre trois méthodes de détermination de l humidité relative, à partir de l utilisation d un hygromètre à condensation, d un psychromètre et enfin d un hygromètre à variation d impédance. Pour illustrer l évaluation de l incertitude associée à l humidité relative U w à différentes températures θ, une valeur type d incertitude a été choisie pour chaque type d hygromètre, ainsi que pour le thermomètre associé : hygromètre à condensation (mesure de θ d ) : incertitude de mesure sur θ d : ± 0, C (facteur d élargissement k = ), psychromètre (mesure θ w ) : incertitude de mesure sur θ w : ± 0, C (facteur d élargissement k = ), thermomètre : (mesure de θ) : incertitude de mesure sur θ : ± 0, C (facteur d élargissement k = ). La détermination de l incertitude associée à l humidité relative, obtenue à partir de la méthode psychrométrique, est déterminée en tenant compte de la pression mesurée avec un instrument étalonné et dont l incertitude est connue ; dans l exemple, l incertitude de mesure de la pression est égale à ± 00 Pa (facteur d élargissement k = ). Le tableau donne quelques valeurs de l incertitude élargie associée à l humidité relative (avec un facteur d élargissement k = ), calculée à partir des relations suivantes : Pour l hygromètre à condensation : u ( U ) = w w θ d. u Pour le psychromètre : u (U ) w ( θ ) + w. u ( θ ) d θ = w u ( θ ) θ w w + w u ( θ ) + w u ( p) θ p Pour l hygromètre à variation d impédance, l incertitude de mesure est déterminée directement en humidité relative, en respectant la démarche présentée au chapitre 3.1. Elle se situe généralement entre : ± 1 % H.R. et ±,5 % H.R. selon la valeur de la température et de l humidité relative. Tableau - Incertitude associée à l'humidité relative calculée à partir d une mesure de température de rosée et à partir d une mesure de température humide pour des températures comprises entre + 15 C et + 80 C (selon NF X [8]). Hygromètre à condensation θ/u w 0 % 40 % 60 % 90 % 15 C 1,1 1,7 5 C 0,4 0,7 1,0 1,5 60 C 0,3 0,6 0,8 1, 80 C 0,3 0,5 0,7 1,1 Psychromètre θ/u w 0 % 40 % 60 % 90 % 15 C,4,8 5 C 1, 1,5 1,7, 60 C 0,5 0,7 0,9 1,3 80 C 0,3 0,6 0,8 1,1 Remarque : dans le cas du psychromètre, si la pression n est pas prise en compte dans le calcul de U w, l erreur commise dépend directement de l écart entre la valeur réelle de la pression et celle utilisée dans la formule du psychromètre (généralement 1000 h Pa ou 1013,5 hpa) (voir NF X [3], tableau page 1). Par exemple, à 5 C et 50 % d humidité relative, si la pression réelle est de 900 h Pa, l erreur sur l humidité relative calculée est de l ordre de % de U w. Cette erreur doit être ajoutée aux autres composantes de l incertitude. 4. EXEMPLES D APPLICATION Comme nous l avons précisé au chapitre 1, l humidité, et plus particulièrement l humidité relative, est un paramètre d environnement à maîtriser dans de nombreuses applications industrielles concernant le traitement ou le conditionnement de certains produits (médicaments, papier, carton, matériel électrique, électronique, etc.). De nombreuses normes sectorielles, recommandations, directives ou cahiers des charges, conduisent à utiliser des moyens (enceintes climatiques, salles climatisées, ) permettant de fixer et de maîtriser les paramètres d environnement et de prouver qu ils se situent à l intérieur d erreurs maximales tolérées (E.M.T.). Exemples d E.M.T. demandées dans des normes ou recommandations : Cas 1 : papier/ carton : ISO 187 [4] θ = 5 C, E.M.T. = ± 1 C, U w = 50 %, E.M.T. = ± % H.R.

4 Cas : Industrie textile : ISO 139 [5] θ = 3 C, E.M.T. = ± 1 C, U w = 65 %, E.M.T. = ± % H.R. Cas 3 : Industrie Pharmaceutique : I.C.H. [6] θ = 40 C, E.M.T. = ± C, U w = 75 %, E.M.T. = ± 5 % H.R. Cas 4 : Industrie électrique : C.E.I [7] θ = 60 C, E.M.T. = ± C, U w = 93 %, E.M.T. = ± 3 % H.R. Pour cela, les utilisateurs ne se limitent pas à lire l affichage ou l enregistrement des valeurs fournies par les instruments pilotant la régulation des systèmes où sont testés les produits ; ils réalisent ou font réaliser des mesures de température et d humidité relative permettant de caractériser l environnement autour des produits en respectant des procédures de mesure de ces paramètres (normes NF X [8], programme d accréditation 1. du COFRAC [9]). Pendant de nombreuses années, les documents normatifs sur la qualité des mesures ont recommandé que les incertitudes des instruments de mesure utilisés (thermomètres et hygromètres, dans ce cas) soient dans un rapport de quatre ou trois (voire deux pour l humidité) avec les E.M.T., selon la difficulté du paramètre à mesurer (par exemple : ± 0,5 C, ± 0,7 % H.R. pour les cas 1 et et ± 0,50 C, ± 1,7 % H.R. et ± 1 % H.R. pour les cas 3 et 4). Toutefois, les valeurs des incertitudes de mesure n étaient pas prises en compte lors de la vérification de la conformité d une installation. majeure partie des normes), de l incertitude élargie U à chacune des limites, (1zone de conformité, zones de non conformité, doute entre les deux zones : ± U) [11]. Lors d un jugement, cela réduit la zone de conformité par rapport à la zone de spécification (figure 1) ; mais par contre, cette règle n impose pas de rapport maximal entre l incertitude et l intervalle de tolérance. Actuellement, le programme 1. du COFRAC, s appuyant sur les préconisations de la norme NFX , utilise cette méthode et n admet que les résultats compris strictement dans la zone de conformité. Dans les exemples présentés ci dessous, les incertitudes calculées sur l humidité relative, à partir des incertitudes respectives de chaque type d instrument présentés dans le paragraphe 3., sont les suivantes : cas 1 : Pour une température de 5 C et une humidité relative de 50 % avec une E.M.T de ± % H.R., on obtient les incertitudes suivantes sur le calcul de l humidité relative : U(U w ) = ± 0,9 % H.R., - Mesure avec un psychromètre : U(U w )= ± 1,6 % incertitude de 00 Pa), d impédance : U(U w ) = ± 1,5 % à ± % H.R.. en dehors de la spécification Intervalle de tolérance (IT) Zone de spécification en dehors de la spécification Conception Incertitude croissante Zone de nonconformité Zone de conformité Contrôle Zone de nonconformité Figure 1 : Norme ISO , zone de spécification et zone de conformité On voit bien, dans ces exemples que les «erreurs de justesse» annoncées par les constructeurs sont, dans la plupart des cas, insuffisantes. Depuis le début de l année 000, la norme ISO [10] préconise de réduire l intervalle de tolérance I.T.( égal à deux fois l E.M.T. dans la Dans cet exemple, l E.M.T. est de ± % H.R. ; il est recommandé d utiliser un hygromètre à condensation et un thermomètre avec une incertitude de mesure meilleure que ± 0,0 C, pour répondre aux exigences de la norme.

5 cas : Pour une température de 3 C et une humidité relative de 65 % avec une E.M.T de ± % H.R., on obtient les incertitudes suivantes sur le calcul de l humidité relative : U(U w ) = ± 1, % H.R., - Mesure avec un psychromètre : U(U w )= ± 1,9 % incertitude de ± 00 Pa), d impédance : U(U w ) = ± 1,5 % à ± % H.R.. Dans cet exemple, l E.M.T. est de ± % H.R.; il est recommandé d utiliser un hygromètre à condensation et un thermomètre avec une incertitude de mesure l ordre de ± 0,15 C, pour répondre aux exigences de la norme. cas 3 : Pour un essai réalisé à une température de 40 C et une humidité relative de 75 %, avec une E.M.T de ± 5 % H.R, on obtient les incertitudes suivantes sur le calcul de l humidité relative : U(U w ) = ± 1, % H.R., - Mesure avec un psychromètre : U(U w ) = ± 1,6 % incertitude de 00 Pa), d impédance : U(U w ) = ± 1,5 % à ± % H.R., selon l incertitude de mesure de l hygromètre (étalonné à la température de mesure ). Dans cet exemple, où l EMT est de ± 5 % H.R., il est possible d utiliser indifféremment un hygromètre à condensation, un psychromètre ou un hygromètre à variation d impédance, étalonnés. cas 4 : Pour un essai réalisé à une température de 60 C et une humidité relative de 93 %, avec une E.M.T de ± 3 % H.R, on obtient les incertitudes suivantes sur le calcul de l humidité relative : U(U w ) = ± 1, % H.R., - Mesure avec un psychromètre : U(U w ) = ± 1,3 % incertitude de 00 Pa), d impédance : U(U w ) = ± % à ±,5 %H.R., selon l incertitude de mesure de l hygromètre (étalonné à la température de mesure ). Dans cet exemple, où l EMT est de ± 3 % H.R., il est possible d utiliser indifféremment un hygromètre à condensation ou un psychromètre associés à un thermomètre avec une incertitude de mesure meilleure que ± 0,0 C, pour répondre aux exigences de la norme.. 5. CONCLUSION Pour déterminer l humidité relative lors d essais d environnement, avec des exigences normatives, recommandations ou des directives nécessitant des E.M.T. comprises entre ± % et ± 5 % H.R., et pour des valeurs spécifiques de température et d humidité relative, il est nécessaire de s assurer de l adéquation des moyens de mesures aux E.M.T. Dans tous les cas, pour déterminer la correction d étalonnage et l incertitude de mesure, que l on ne peut justifier uniquement à partir des données des constructeurs, les hygromètres doivent être étalonnés, dans des conditions correspondant à la température et à l humidité relative d utilisation, auprès d un laboratoire d étalonnage accrédité de la chaîne nationale. En outre, pour certaines applications, les incertitudes d étalonnage doivent être faibles ( < ± 0,6 % H.R. ou < ± 0,1 C pour les températures de rosée et les températures), afin que les incertitudes de mesure des hygromètres utilisés en environnement climatique, soient adaptées aux exigences de certaines normes. Malgré l étalonnage, pour les applications exigeant des E.M.T. faibles, selon les valeurs de température et d humidité relative demandées (par exemple 3 C, 65 % H.R.), les incertitudes de mesure des hygromètres en humidité relative ne sont pas toujours adaptées aux E.M.T.. Cela n est pas dû à la qualité des hygromètres et des moyens d étalonnage mis en œuvre, mais aux exigences de l environnement climatique de certaines normes sectorielles qui ne sont pas en adéquation avec les lois physique de l air humide. Par exemple, l ISO 187 et l ISO 139 mentionnent une E.M.T. en température de ± 1 C et une E.M.T. sur l humidité relative de ± % H.R. Or, une variation de 1 C en température entraîne une variation de 3 % H.R. dans les conditions de l ISO 187 et de 4 % H.R. dans les conditions de l ISO 139. On voit ici que les exigences en température et humidité relative ne sont pas cohérentes entre elles. Par ailleurs, cela signifie que pour respecter l E.M.T. en humidité relative (± % H.R.), il faudrait des E.M.T. en température de l ordre de ± 0,5 C, ce qui est totalement impossible dans des salles climatisées avec du personnel à l intérieur. Pour ces deux exemples, une révision des normes s impose concernant les exigences des conditions d environnement ( la nouvelle version de la norme ISO 139, parue en janvier 005, préconise dorénavant des E.M.T de ± C au lieu de ± 1 C et ± 4 % H.R au lieu ± % H.R). Il en est de même pour les autres cas traités dans ce document ou une variation de ± C de la température équivaut à ± 7 % H.R. (au lieu de ± 5 % H.R.) à 40 C/ 75 % H.R. et ± 8,5 % H.R. (au lieu de ± 3 % H.R.)à 60 C/ 93 % H.R., pouvant entraîner une

6 condensation parasite dans l enceinte climatique (non recommandé par la norme C.E.I ). 6. REFERENCES [1] Norme AFNOR NF X : Mesures de l humidité de l air - paramètres hygrométriques. [] Norme NF ENV : guide pour l expression des incertitudes de mesure. [3] Normes NF X : Mesures de l humidité de l air Le psychromètre Décembre [4] ISO : Papier, carton et pâtes - Atmosphères normales de conditionnement et d essai et méthode de surveillance de l atmosphère et de conditionnement des échantillons. [5] ISO (en révision, prévue en janvier 005) : Textile -Atmosphères normales de conditionnement et d essai. [6] Recommandation I.C.H : International Conference on Harmonisation of technical requirement for the registration of pharmacicals for human use. [7] Norme C.E.I : Essais fondamentaux climatiques et de robustesse mécanique deuxième partie : Essais Z/DA : Essai cyclique composite de température et d humidité. [8] Normes NF X : Mesures de l humidité de l air enceintes climatiques et thermostatiques - caractérisation et vérification - Octobre 00. [9] Programme 1. du COFRAC : Vérification des équipements d essais Caractérisation des enceintes climatiques Décembre [10] Norme ISO : Règles de décision pour prouver la conformité ou la non conformité à la spécification. [11] FD X07-0 : Métrologie et applications de la statistique Utilisation des incertitudes de mesures : Présentation de quelques cas et pratiques usuelles.