Essais & Simulations n°108

Mesures et méthodes de

Mesures et méthodes de mesures En pratique Mesure de l’humidité relative (HR) dans les chambres d’essai Sélectionner des appareils de mesure de l’HR destinés à être utilisés dans des chambres nécessite une évaluation minutieuse. En raison de l’étendue des conditions que les utilisateurs et les fabricants de chambres doivent créer, il n’existe pas pour les mesures d’approche unique répondant à tous les besoins. Outre les aspects évidents liés aux plages de température et d’humidité, des facteurs plus subtils doivent aussi être pris en compte. Humidité élevée en continu Les environnements opérant à saturation ou quasi-saturation sont difficiles pour la plupart des capteurs d’humidité électriques. Les mesures de température au thermomètre mouillé peuvent être précises dans des environnements saturés, mais les thermomètres mouillés nécessitent une maintenance constante et seront moins efficaces si la chambre est également utilisée dans des conditions de faible HR ou à des températures extrêmes. Vaisala a mis au point des instruments à « sonde chauffée » spécialement conçus pour les mesures d’HR élevée. Les sondes chauffées sont automatiquement maintenues à une température supérieure de plusieurs degrés à la température environnante. Ceci empêche la formation de condensation sur le capteur et maintient les mesures « en ligne » en cas de condensation. Les sondes chauffées peuvent aussi fonctionner à des températures et humidités dans lesquelles les mesures au thermomètre mouillé ne sont pas possibles. Gaz agressifs Les capteurs d’HR doivent entrer en contact avec le gaz qu’ils mesurent. Leur fabrication fait appel à de nombreux matériaux et si les éléments fonctionnels d’un capteur altèrent leurs caractéristiques à la suite d’un contact avec des gaz incompatibles, ceci se traduira par une dérive du capteur et une perte de la précision des mesures. Vaisala a mis au point une fonction de « purge du capteur » protégeant l’élément fonctionnel le plus important du capteur. Durant la purge, le capteur d’HR est momentanément porté à plus de 100 °C, ce qui force un dégazage des molécules susceptibles d’occasionner des mesures inexactes. La purge du capteur peut être programmée selon un planning fixé par l’utilisateur. Environnement extrêmement sec Certains essais environnementaux nécessitent un taux d’humidité très faible, 3 % d’HR, voire moins. La plupart des instruments conçus pour être utilisés dans une HR de 0 à 100 % ne fonctionnent pas de manière satisfaisante aux niveaux proches de 0 ; en fait, le paramètre de mesure désiré n’est souvent plus l’HR mais la température du point de rosée ou les parties par million en volume (ppmv). Les instruments Drycap de Vaisala sont capables de mesurer de façon fiable des niveaux de vapeur d’eau à des points de rosée allant jusqu’à -80 °C. Les mesures peuvent être consignées dans les rapports sous forme de point de rosée, de ppmv ou de nombreux paramètres différents. Vérification d’une HR élevée Il est parfois nécessaire de vérifier le bon fonctionnement des chambres à humidité élevée. Ceci est difficile si la chambre est utilisée dans des conditions caractérisées par une température du point de rosée supérieure à la température ambiante. Lorsque les sondes de mesure sont à température ambiante et qu’elles sont introduites dans la chambre, elles se couvriront de condensation et les mesures seront erronées. Vaisala résout ce problème à l’aide de capteurs d’HR incorporant une fonction de « préchauffage du capteur ». Avant l’introduction dans l’environnement à HR élevée, le préchauffage est activé dans le but d’amener la température du capteur à un niveau largement supérieur à la température du point de rosée de la chambre. L’utilisateur introduira alors la sonde dans la chambre, la sonde se refroidira à la température de la chambre et des mesures précises de l’HR et de la température seront obtenues en quelques minutes. Pression, HR et température Si l’on souhaite suivre la pression ainsi les valeurs T et HR, Vaisala est à même de fournir un seul et même instrument permettant de mesurer ces trois paramètres simultanément. Ceci est particulièrement utile lorsque le paramètre d’humidité objet de l’intérêt est sensible à la pression (par exemple, les ppmv). Ces paramètres sensibles à la pression sont calculés et affichés en temps réel, en utilisant les mesures intégrées de la pression. Essais et étalonnage Les utilisateurs de chambres ont souvent besoin d’un outil pour vérifier les conditions dans la chambre ou étalonner les capteurs utilisés à l’intérieur de cette dernière. Vaisala fabrique des instruments portatifs d’essai conçus pour ces tâches. Le système de mesure MI70 offre une interface utilisateur graphique simple et une famille de sondes permettant de mesurer la température, l’HR (élevée et faible), les faibles points de rosée et la concentration de dioxyde de carbone. Les sondes peuvent être équipées de préchauffage et de purge du capteur (voir cidessus). Pour toutes les mesures, les données peuvent être visionnées sous forme graphique, stockées sur le MI70, ou transférées vers un PC. Dans de nombreux cas, le MI70 peut être directement connecté à d’autres capteurs Vaisala, en offrant une interface d’étalonnage rapide et simple ● Société Vaisala France www.vaisala.fr E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● O C TO B R E , N OVEMBRE, D É C E M B R E 2 0 1 1 ● PAG E 3 1

Mesures et méthodes de mesures Pyrométrie Propriétés thermo-optiques des solides et liquides aux hautes températures Le rayonnement émis par les matériaux aux hautes températures n’est pas en général connu avec précision car la mesure de la température est elle-même un problème difficile qui ne peut se faire que par pyrométrie. Les méthodes pyrométriques dépendent de la connaissance de l’émissivité du matériau qui dépend elle-même de la température sauf à une longeur d’onde appelée point X. L’émissivité dépend de l’indice complexe et à partir des spectres d’indice on trouve la fréquence de relaxation, la fréquence plasma et la masse optique et on peut alors calculer les conductivités thermiques et électriques. Nous présentons l’appareillage expérimental qui nous a permis d’obtenir la température à 0,5% près puis les propriétés thermo-optiques. Pour des matériaux métalliques comme le molybdéne, nous retrouvons à 2% près les valeurs de résistivité électrique obtenues par les moyens classiques de mesure de résistance. Enfin, d’un point de vue fondamental cette étude a permis de mieux comprendre l’origine du point X, qui est due à deux points X sur les composantes réelles et imaginaires de l’indice. Introduction La théorie électromagnétique de MAXWELL a introduit l’indice complexe nr- jχ relié à la permittivité diélectrique par les relations de FRESNEL [1] . L’émission de rayonnement des matériaux (5) dépend de la température mais aussi de l’émissivité, ou facteur d’émission qui est comprise entre 0 et 1. Déterminer l’émissivité [2] nécessite de connaître la température de surface du matériau et inversement. Pour les matériaux qui sont de bons conducteurs thermiques, on peut jusqu’à 1800°C utiliser des thermocouples. Dans le cas des diéléctriques, par exemple les céramiques, la faible conductivité thermique impose, dès que la température dépasse 100°C, une mesure sans contact. Nous utiliserons la pyromètrie monochromatique à la plus petite longueur d’onde possible (par exemple dans l’ultraviolet [3] ) afin de minimiser l’influence de l’émissivité sur la température apparente. Dans le cas des matériaux lisses nous déterminerons aussi l’indice complexe du matériau pour obtenir la valeur de l’émissivité et donc de la température. 2. Rappels des propriétés optiques Les grandeurs observables directement sont les facteurs de réflexion ρ, d’émission ε, et de transmission τ. La théorie de Drude permet d’introduire des paramètres plus fondamentaux : la pulsation plasma, la pulsation ωp et celle de relaxation ωτ. Dans cette théorie phénoménologique, on considère que la matière est constituée d’un ensemble d’oscillateurs vibrant à ω et s’amortissant suivant ωτ comme le montrent les formules (1) (2) (3). Pour déterminer ω p , ω τ et la masse optique, il est nécessaire de connaître les spectres n r (λ) et χ(λ). A partir de ces trois paramètres, il existe alors des relations les reliant à d’autres grandeurs telles que la conductivité thermique K et la résistivité électrique ρ, cf (11) et (12). Enfin l’émissivité à la normale de la surface est reliée à l’indice complexe par la relation : 3. Mesure de la température La luminance L, grandeur mesurée, dépend de la température mais aussi de l’émissivité ε du matériau [2] . Avec : C 1 = 1,101 10 -16 W.m 2 C 2 = 1,439 10 -2 m.K E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● O C TO B R E , N OV E M B R E , D É C E M B R E 2 0 1 1 ● PAG E 3 2