Brevet FR2716975A1 — publié le 19950908

La présente invention concerne un procédé pour l'autocalibration d'appareils de mesure d'humidité d'un milieu gazeux, telle que notamment l'humidité de l'air. Cette invention a aussi pour objet un dispositif mettant en oeuvre le procédé en question. On connaît des appareils utilisant un capteur mesurant directement l'humidité relative d'un milieu gazeux, par exemple un capteur d'humidité de type capacitif, tel que décrit dans la demande de brevet français FR-A-2687834 (au nom du Demandeur) ou dans le document WO-90/07708. En l'état actuel de la technique, les appareils de ce genre doivent être calibrés lors de leur fabrication, puis périodiquement contrôlés et recalibrés au cours de leur utilisation. En règle générale, on calibre un tel appareil en ajustant de manière indépendante ou non deux paramètres propres à l'appareil, qui sont respectivement le décalage et le gain. La réalisation de calibrations d'appareils de mesure d'humidité implique, habituellement, l'utilisation de solutions de référence en humidité. Ces solutions sont, généralement, soit des solutions salines saturées ou diluées, soit des mélanges de gaz sec et d'eau produits au moyen de dispositifs complexes à dilution ou à barbotage ou à saturation entre autres. L'utilisation de ces solutions est délicate et est source de nombreuses erreurs de calibration. Il n'existe pas de systèmes automatiques simples permettant la recalibration d'appareils de mesure d'humidité relative. Par ailleurs, il est rappelé que l'humidité relative ne définit pas de façon complète un état physique. L'humidité relative se déduit de deux grandeurs physiques qui sont la température ambiante et la température de rosée (température à laquelle apparaît une buée de petites gouttelettes de condensation sur une paroi froide). Les fonctions qui relient ces trois paramètres sont parfaitement connues et se trouvent publiées, par exemple, dans les Tables de l'air humide en unités S.I. du CETIAT, Editions LAVOISIER TEC ET DOC, Mai 1975. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des méthodes actuelles de calibration des appareils de mesure d'humidité, en fournissant un procédé et un dispositif permettant une calibration simple, fiable, précise et automatique de ces appareils, sans faire appel à des solutions salines ou similaires, mais en mettant à profit la relation existant entre humidité relative, température ambiante et température de rosée. A cet effet, l'invention a pour premier objet un procédé pour l'autocalibration d'appareils de mesure d'humidité d'un milieu gazeux, le procédé consistant à imposer au capteur d'humidité relative de l'appareil à calibrer une variation de température ou de pression, tout en mesurant la température ou la pression de ce capteur d'humidité, et à acquérir à des instants successifs des couples de valeurs correspondantes d'humidité relative et de température ou de pression a partir desquels sont déterminées les corrections à appliquer au transmetteur de l'appareil de mesure d'humidité à calibrer, plus particulièrement le décalage et le gain. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, la variation de température du capteur d'humidité relative est obtenue par utilisation de l'effet Peltier. On peut ainsi imposer, de manière simple et rapide, une variation de température au capteur d'humidité relative, en le refroidissant ou en le réchauffant, tout en restant dans un milieu dont le point de rosée ne varie pas, ou varie de manière connue. Plus particulièrement, la valeur de décalage à appliquer au transmetteur de l'appareil de mesure est déterminée en effectuant les acquisitions d'au moins deux couples de valeurs correspondantes d'humidité relative et de température, une variation de température étant imposée au capteur d'humidité relative entre deux acquisitions de ces couples de valeurs. Par exemple, on peut procéder en réalisant l'acquisition du premier couple de valeurs à la température ambiante, puis imposer au capteur une variation de température correspondant à une variation positive ou négative de l'humidité relative, et après une durée de stabilisation effectuer l'acquisition d'un second couple de valeurs. A partir de ces deux couples de valeurs, on peut calculer des valeurs de température de rosée puis, en appliquant des équations ayant pour base les formules que l'on trouve dans les Tables de l'air humide, calculer la valeur de décalage à appliquer au signal issu de l'appareil de mesure de l'humidité. Quant à la détermination du gain à appliquer au transmetteur de l'appareil de mesure d'humidité, celle-ci peut notamment être effectuée en portant le capteur d'humidité à une température telle que l'on provoque une condensation à sa surface, puis en maintenant le capteur à cette température, et en acquérant alors une valeur d'humidité relative. On atteint de ce fait le point de 100 % d'humidité relative, et l'on peut, par application d'une formule appropriée, calculer la valeur de gain à appliquer au signal issu de l'appareil de mesure d'humidité. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour l'autocalibration d'appareils de mesure d'humidité, ce dispositif mettant en oeuvre le procédé défini précédemment et comprenant essentiellement, à cet effet, des moyens de chauffage et/ou de refroidissement du capteur d'humidité relative de l'appareil à calibrer, et des moyens de mesure de la température de ce capteur d'humidité relative, en association avec des moyens de commande du chauffage et/ou du refroidissement dudit capteur et avec des moyens de traitement des résultats des mesures en vue de la détermination des corrections, telles que le décalage et le gain, à appliquer au transmetteur de l'appareil de mesure à calibrer. Dans une forme de réalisation préférée du dispositif objet de l'invention, les moyens de chauffage et/ou de refroidissement du capteur d'humidité relative sont constitués par un module à effet Peltier, sur lequel le capteur d'humidité relative est rapporté. Quant aux moyens de mesure de la température de ce capteur d'humidité relative, ceux-ci sont avantageusement réalisés sous la forme d'une sonde de température résistive, située à proximité du capteur d'humidité relative de préférence sur le même support et notamment sur le module à effet Peltier. Les avantages du procédé selon l'invention, et du dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, sont les suivants La calibration est réalisée sans utilisation de références en humidité relative, donc sans consommation de fluide gazeux, ni apport de matière telle qu'une solution saline. La calibration peut donc être facilement répétée autant de fois qu'on le désire, dans n'importe quel lieu, de manière automatique et/ou à la demande. La calibration repose uniquement sur des mesures de valeurs de température ; on met ainsi en oeuvre un type de mesures ayant une classe de précision supérieure à celles usuellement pratiquées dans le domaine de la détermination de l'humidité. La calibration étant automatique, on peut modéliser l'évolution dans le temps du capteur d'humidité, et de ce fait réaliser une maintenance préventive. L'ensemble constitué par le capteur d'humidité, la sonde de mesure de température et le module à effet Peltier est autonome ; cet ensemble est ainsi interchangeable et il n'est plus nécessaire de retourner l'appareil de mesure complet en usine en cas de changement du capteur. Lors d'une mesure d'humidité relative dans un procédé classique de calibration, le passage à une humidité de 100 % correspond à une condensation d'eau liquide, laquelle condensation peut perturber le capteur d'humidité qui est conçu pour réaliser des mesures en phase gazeuse. Au contraire, dans le cas de la présente invention, la présence d'un module à effet Peltier permet de chauffer le capteur d'humidité et d'éviter ainsi la condensation en fonctionnement. On obtient ainsi une mesure d'humidité relative plus fiable, de façon immédiate dès que l'on revient à des conditions d'humidité relative inférieures à 100 % (le fait de provoquer une condensation de manière occasionnelle sur le capteur, pour effectuer l'autocalibration, n'étant pas gênant). En se basant sur le même principe, grâce aux moyens de chauffage et/ou de refroidissement tels que notamment module à effet Peltier, on peut imposer au capteur d'humidité relative une zone privilégiée et choisie de fonctionnement, du point de vue de l'humidité relative, en faisant varier sa température. Ainsi, on peut minimiser les effets de dérive du capteur à haute humidité relative, entre autres. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif selon cette invention pour l'autocalibration d'appareils de mesure d'humidité. La figure unique du dessin est un schéma de principe d'un appareil de mesure d'humidité équipé de ce dispositif d'autocalibration. Sur cette figure, le repère 1 désigne un capteur d'humidité relative, tel qu'un capteur d'humidité de type capacitif. Le capteur d'humidité 1 est monté sur un module à effet Peltier 2, lequel est raccordé à un bloc 3 de régulation et de programmation de ce module à effet Peltier 2. Sur le module à effet Peltier 2 est aussi montée une sonde de température résistive 4, telle qu'une sonde de platine de 100 ohm. Le capteur d'humidité relative 1 et la sonde de température 4 sont reliés à un transmetteur 5, qui fournit à sa sortie les valeurs de l'humidité relative HR et de la température T mesurées. Un microprocesseur 6 effectue, à partir de valeurs correspondantes de l'humidité relative HR et de la température T mesurées lors d'un cycle particulier (détaillé ci-après), le calcul du décalage D et du gain G à appliquer au transmetteur 5 de l'appareil. Le microprocesseur 6 commande, en fonction du résultat de ce calcul, les corrections à apporter à la sortie du transmetteur 5 délivrant les valeurs de l'humidité relative HR et de la température T. Le microprocesseur 6 possède aussi une sortie 7 pour la commande du module à effet Peltier 2 par l'intermédiaire du bloc 3. Dans la réalisation industrielle, le bloc 3 de régulation et de programmation du module à effet Peltier 2, le transmetteur 5 et le microprocesseur 6 sont incorporés dans un même boîtier, l'ensemble constituant ce qu'on appelle un transmetteur numérique. L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du module à effet Peltier 2 peut être fournie par le biais de ce transmetteur, ou par une alimentation externe, non représentée. Grâce au module à effet Peltier 2, convenablement alimenté, il est possible d'imposer au capteur d'humidité relative 1 une variation de température rapide, dans le sens d'un chauffage ou d'un refroidissement, tout en mesurant la température T de ce capteur 1 au moyen de la sonde 4, ce qui est à la base du procédé de l'invention. Plus particulièrement, la détermination du décalage D et du gain G, à appliquer au transmetteur 5, peuvent s'effectuer par le cycle de calibration suivant Pour la détermination du décalage D, nécessitant l'acquisition de deux couples de valeurs correspondantes d'humidité relative HR et de température T, l'acquisition du premier couple de valeurs HR1, T1 peut être réalisée à la température ambiante. Ensuite, on impose au capteur d'humidité relative 1 une humidité relative de plus ou moins 20 % environ par rapport au premier point de mesure, à l'aide du module à effet Peltier 2, et l'on obtient après une durée de stabilisation, qui peut être de l'ordre de 80 secondes, le deuxième couple de valeurs HR2, T2. Cela signifie qu'il est nécessaire que la température de rosée soit la plus stable possible pendant cette durée de 80 secondes. A partir des deux couples de valeurs correspondantes d'humidité relative et de température ainsi acquis, soit respectivement HR1, T1 et HR2, T2, la valeur du décalage D à appliquer au transmetteur 5 est calculée par la formule HR2 x e(p2) - HRl x e(pl) e(pl) - e(p2) dans laquelle pi désigne une pression partielle de vapeur d'eau donnée par pi = [(17,638Ti) / (239,78+Ti)] + 6,4147 Ti étant une température mesurée en degrés Celsius, et e étant la fonction "exponentielle". Dès la fin de la période d'acquisition du deuxième couple de valeurs HR2, T2, et du calcul du décalage D, on refroidit le capteur d'humidité relative 1 à l'aide du module à effet Peltier 2, d'une manière progressive soit typiquement de moins 10 C par minute, jusqu'à atteindre une température basse T3, typiquement - lO0C, qui permet d'obtenir une condensation de la vapeur d'eau sur le capteur 1. On maintient ensuite cette température T3 pendant une durée par exemple d'au moins 30 secondes et d'au plus 60 secondes, en réalisant ainsi un palier de température. On acquiert alors la valeur d'humidité relative HR3 correspondant à la température basse T3, à laquelle on ajoute la valeur du décalage D précédemment calculée, et on la compare à une valeur A. La valeur A est proche de 100 et est propre au type de capteur d'humidité relative 1 utilisé. Cette valeur A est expérimentalement observée après une courte période de condensation sur un capteur capacitif. De cette manière, on peut calculer la valeur de gain G à appliquer au transmetteur 5 par la formule A G - HR3 + D L'appareil de mesure d'humidité relative peut être calibré, comme il vient d'être décrit, à tout instant sans qu'il soit nécessaire de préconditionner le capteur d'humidité relative 1. Toutefois, avant de réaliser le cycle de calibration décrit ci-dessus, on peut effectuer une mise en condition du capteur d'humidité relative 1. Pour cela, on peut utiliser le module à effet Peltier 2 pour faire parcourir au capteur d'humidité relative 1 la plage d'humidité comprise entre 30 % et 100 %, et simuler ainsi un fonctionnement sur une large plage de travail. Une bonne stabilisation est obtenue avec une durée de 5 minutes pour la réalisation de cette phase de mise en condition du capteur d'humidité relative 1. Une fois le cycle de calibration effectué, il est possible de vérifier la validité de la calibration. A cet effet, une possibilité consiste à répéter la même procédure de calibration. Pour cela, il est nécessaire d'attendre environ 15 minutes au moins, de manière à être certain que le capteur d'humidité relative 1 ait parfaitement retrouvé son équilibre thermodynamique. On peut aussi contrôler l'appareil aux alentours de la condensation - soit en réalisant une montée "douce" en humidité relative, de manière à reproduire le mieux possible le comportement théorique du capteur d'humidité relative 1 (diagramme de Mollier) - soit en réalisant un refroidissement brutal de ce capteur 1, par exemple à -100C, de manière à obtenir une condensation certaine, suivi d'un réchauffement brutal par exemple à +200C. On observe dans ce cas un point d'inflexion caractéristique du passage de la condensation à la non-condensation. Le cycle de calibration, et les procédures de vérification, peuvent être répétés autant de fois qu'on le désire, de manière automatique et/ou à la demande. La commande des séquences de calcul, selon les formules données plus haut, peut elle aussi être ou ne pas être automatisée, ce qui ne modifie en aucun cas le principe du procédé de calibration. Dans le cas d'une calibration automatique, ou "autocalibration", le procédé et le dispositif décrits permettent de modéliser l'évolution dans le temps du capteur d'humidité relative 1 et, à partir d'un critère prédéfini de dérive maximum autorisée, de réaliser une maintenance préventive. L'ensemble formé par le capteur d'humidité relative 1, par le module à effet Peltier 2 et par la sonde de température 4 est prévu autonome et interchangeable, ce qui facilite la maintenance. Enfin, la présence du module à effet Peltier 2 dans l'appareil de mesure permet de chauffer le capteur d'humidité relative 1 pour le maintenir à une température légèrement supérieure à la température ambiante, au cours de son utilisation normale (hors des cycles de calibration), lorsque la valeur de l'humidité relative HR est proche de 100 % ; ceci évite la condensation, et permet un retour rapide à des conditions de fonctionnement normales dès que la valeur de l'humidité relative redevient inférieure à 100 %. Bien entendu, les valeurs de température et autres, indiquées ci-dessus, ne le sont qu'à titre d'exemple indicatif et peuvent varier selon les conditions d'utilisation de l'appareil. D'une façon plus générale, au lieu d'imposer au capteur d'humidité relative des variations de température, il peut être procédé de façon analogue en imposant à ce capteur une variation de pression. REVENDICATION8 1. Procédé pour l'autocalibration d'appareils de mesure d'humidité d'un milieu gazeux, telle que l'humidité de l'air, caractérisé en ce qu'il consiste à imposer au capteur d'humidité relative (1) de l'appareil à calibrer une variation de température (T) ou de pression, tout en mesurant la température (T) ou la pression de ce capteur d'humidité, et à acquérir à des instants successifs des couples de valeurs correspondantes d'humidité relative (HR) et de température (T) ou de pression à partir desquels sont déterminées les corrections à appliquer au transmetteur (5) de l'appareil de mesure d'humidité à calibrer, plus particulièrement les valeurs de décalage (D) et de gain (G). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de température est imposée au capteur d'humidité relative (1) par utilisation de l'effet Peltier (en 2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur de décalage (D) à appliquer au transmetteur (5) de l'appareil de mesure est déterminée en effectuant les acquisitions d'au moins deux couples de valeurs correspondantes d'humidité relative (HR) et de température (T), une variation de température rapide étant imposée au capteur d'humidité relative (1) entre deux acquisitions de ces couples de valeurs (HR, T). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'acquisition du premier couple de valeurs (HR1, T1) est réalisée à la température ambiante, en ce que l'on impose ensuite au capteur d'humidité relative (1) une variation de température correspondant à une variation positive ou négative de l'humidité relative (HR), et en ce qu'après une durée de stabilisation l'on effectue l'acquisition d'un second couple de valeurs (HR2, T2). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à partir des deux couples de valeurs correspondantes d'humidité relative et de température acquis (HR1, T1 ; HR2, T2), le décalage (D) à appliquer au transmetteur (5) est calculé par la formule HR2 = HR2 x e(p2) - HRl x e(pl) e(pl) - e(p2) avec pi = [(17,638Ti) / (239,78+Ti)J + 6,4147 Ti étant une température mesurée en OC e = fonction "exponentielle" 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gain (G) à appliquer au transmetteur (5) est déterminé en portant le capteur d'humidité relative (1) à une température (T3) telle que l'on provoque une condensation à sa surface, puis en maintenant le capteur (1) à cette température (T3), et en acquérant alors une valeur d'humidité relative (HR3). 7. Procédé selon l'ensemble des revendications 4 et 6, caractérisé en ce que le capteur d'humidité relative (1) est refroidi de manière progressive, jusqu'à condensation sur sa surface, après acquisition du second couple de valeurs (HR2, T2) et détermination du décalage (D), et en ce que la valeur de gain (G) à appliquer au transmetteur (5) est calculée par la formule A G = HR3 + D dans laquelle A est une valeur propre au type de capteur d'humidité relative utilisé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cycle de calibration, avec variation de température imposée au capteur d'humidité relative (1) de l'appareil à calibrer, est réalisé de manière automatique, de préférence avec répétition périodique. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'avant la réalisation d'un cycle de calibration, on effectue une mise en condition du capteur d'humidité relative (1), en imposant une variation de température (T) simulant un fonctionnement sur une large plage de travail. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ce procédé d'autocalibration est prévu pour modéliser l'évolution dans le temps du capteur d'humidité relative (1) et, à partir d'un critère prédéfini de dérive maximum autorisée, pour permettre une maintenance préventive. 11. Dispositif pour l'autocalibration d'appareils de mesure d'humidité d'un milieu gazeux, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement des moyens de chauffage et/ou de refroidissement (2) du capteur d'humidité relative (1) de l'appareil à calibrer, et des moyens de mesure (4) de la température (T) de ce capteur d'humidité relative (1), en association avec des moyens de commande (3) du chauffage et/ou du refroidissement dudit capteur (1) et avec des moyens de traitement (6) des résultats des mesures en vue de la détermination des corrections, telles que le décalage (D) et gain (G), à appliquer au transmetteur (5) de l'appareil à calibrer. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de chauffage et/ou de refroidissement du capteur d'humidité relative (1) sont constitués par un module à effet Peltier (2), sur lequel le capteur d'humidité relative (1) est rapporté. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la température (T) du capteur d'humidité relative (1) sont réalisés sous la forme d'une sonde de température résistive (4). 14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le module à effet Peltier (2) est prévu aussi pour maintenir le capteur d'humidité relative (1) à une température (T), légèrement supérieure à la température ambiante, au cours de son utilisation normale, lorsque la valeur de l'humidité relative (HR) est proche de 100 %, de manière à éviter la condensation et à permettre un retour rapide à des conditions normales de fonctionnement dès que la valeur de l'humidité relative (HR) redevient inférieure à 100 %. 15. Appareil de mesure d'humidité d'un milieu gazeux équipé d'un dispositif d'autocalibration selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que les moyens de chauffage et/ou de refroidissement (2), tels que notamment module à effet Peltier, sont prévus aussi pour faire fonctionner le capteur d'humidité relative (1) dans une zone privilégiée et choisie d'humidité relative (HR).