Sondes de température et HR de l'air : Que faut-il savoir ?

Bien que les capteurs de température et d'humidité relative (HR) de l'air aient l'avantage d'un point de vue économique de collecter des données de mesure pour deux paramètres, il existe des problèmes liés à ces capteurs que vous devez connaître. Dans cet article, je vais vous expliquer au sujet des sondes  de température de l'air/HR, les avantages ou non de passer d'un capteur analogique au numérique, mettre en relief les problèmes liés au matériau du filtre et proposer des conseils pour sélectionner un capteur.

Quelques données de base sur les capteurs de température et d'humidité relative de l'air

Alors que les capteurs de rayonnement solaire, de précipitation et de vitesse de vent sont conçus pour être utilisés dans de nombreuses applications environnementales, il n'en va pas de même pour les capteurs d'humidité relative et de température de l'air. Les éléments de base des capteurs de température /HR de l'air ne sont tout simplement pas conçus spécifiquement pour les applications météorologiques. En effet, les fabricants ont traditionnellement conçu les éléments de HR pour les grandes industries, comme l'automobiles, la climatisation et les chambres environnementales (pour la pharmacie, les salles blanches, etc.)

Chez Campbell Scientific, nous avons été confrontés au défi de fournir des capteurs de température / HR de l'air qui répondent aux besoins environnementaux spécifiques de nos utilisateurs. Le défi a été de rechercher des capteurs proposés par les fabricants, de trouver le capteur avec les meilleures spécifications et les plus compatibles, de tester le capteur en interne et sur le terrain et s'il correspond à notre cahier des charges, d'envisager de l'ajouter à notre catalogue. (Notre plus récent capteur de température / HR de l'air, l'EE181, a subi des essais sur le terrain dans certains endroits extrêmes, y compris les montagnes de la Bolivie, les régions volcaniques et côtières d'Hawaï, les zones côtières de la Nouvelle-Zélande, les glaciers dans les Andes et le littoral oriental de Amérique du Nord.)

En règle générale, nous finissons par revenir vers CHAQUE fabricant de capteurs de température / HR de l'air, avec lesquels nous avons travaillé pour les aider à améliorer leur produit, afin qu'il fonctionne bien dans les applications environnementales. Bien que ces fabricants puissent prétendre que leurs capteurs sont conçus pour des applications environnementales, leurs capteurs n'ont pas été spécifiquement conçus pour être laissés à l'extérieur, exposés aux rigueurs climatiques pendant de longues périodes. Nous trouvons habituellement un ou plusieurs défauts que les fabricants n'ont pas réglés. Cela a été vrai même pour les capteurs haut de gamme.

Nous avons constaté que les capteurs qui offrent une excellente précision et résolution n'ont jamais été conçus pour affronter un séjour prolongé à l'extérieur et nécessitent habituellement une quantité considérable d'énergie pour fonctionner. Notre défi a été de trouver des capteurs de température de l'air/HR qui répondent aux exigences suivantes :

• De fournir les performances sur le terrain dont nous avons besoin
• De consommer peu
• D'être bon marché
• D'avoir une sortie en tension analogique qui répond à la gamme de nos centrales de mesure
  
• Qui ne nécessite pas d'être envoyé pour étalonnage (si possible)
• De ne pas avoir des problèmes de câble endommagé, ou des problèmes de corrosion et de détérioration
  
• De survivre aux différentes conditions climatiques
  

Heureusement, nous avons pu travailler avec les fabricants pour répondre à nos préoccupations et apporter des améliorations aux capteurs dans le temps, comme c'est le cas avec le HMP60. Le HMP60 possédait à l'origine un corps en aluminium chromé. Au fil du temps, le chromage devient vert et s'écaille. Le problème était purement apparent, mais c'était une nuisance. Vaisala a finalement changé son corps en acier inoxydable 316L de qualité marine. Le corps ne devient plus vert ni floconneux, et nos clients sont satisfait.

Le choix de l'analogique ou du numérique

Les capteurs plus anciens, tous analogiques, tels que le HMP35A, n'avaient pas de circuit de conversion analogique-numérique (A/N). Ces capteurs étaient quelque peu difficiles à étalonner, mais ils fonctionnaient très bien et étaient très stables.

Tous les nouveaux capteurs de température de l'air et d'humidité relative utilisent un type de conversion A/N, ce qui complique les choses lorsque vous utilisez ces nouveaux capteurs avec des centrales d'acquisition de données plus anciennes, qui ont besoin d'une sortie de tension analogique. C'est parce que le capteur doit alors effectuer une conversion numérique / analogique supplémentaire (N/A). Ainsi, vous devez compter sur le fabricant pour faire plusieurs choses : une excellente conversion A/N initiale et un excellent travail de conversion N/A, de sorte que l'enregistreur de données peut le lire, ET la performance de tout cela doit être garantie sur la plage de température du capteur lui-même.

C'est là que nous avons eu le plus de problèmes avec les nouveaux capteurs de température / HR de l'air numérique. Notre expérience a été que le fabricant prétend une chose, et nous voyons autre chose ou le capteur ne tient pas son étalonnage au fil du temps lorsqu'il est placé dans le monde analogique très réel et désordonné. En ajoutant la conversion N/A pour obtenir une sortie de tension analogique, on ajoute une incertitude supplémentaire.

Le bénéfice des capteurs numériques est qu'ils sont généralement très faciles à étalonner. La “magie” se trouve dans l'élément HR propriétaire et l'algorithme de mesure utilisé par le fabricant. La plupart des fabricants font en fait beaucoup de mesures très rapides en arrière-plan et produisent une moyenne dans le temps.

Les centrales d'acquisition de données plus récentes de Campbell Scientific peuvent lire parfaitement les capteurs de type à sortie numérique, mais la programmation peut être délicate, à l'exception de la sortie SDI-12, ce que le capteur de température et d'humidité relative CS215 utilise. L'avantage de lire directement un capteur numérique est qu'il faut une seule étape : le processus de conversion N/A n'existe pas. Nous avons dû intégrer les capteurs à sorti numérique de plusieurs fabricants différents à nos centrales de mesure.

Problèmes de matériaux des filtres

Tout capteur de température / HR de l'air déployé sur le terrain doit utiliser un certain type de matériau pour le filtre autour de la puce HR pour le protéger des poussières, des polluants majeurs et de l'eau. Cela crée un certain nombre de problèmes :

• Le matériau filtrant utilisé par la plupart des fabricants passe très bien la vapeur d'eau, mais il n'en va pas de même pour la température. Si vous avez déjà effectué des mesures très rapides à l'aide d'un capteur de température / HR de l'air, vous remarquerez que l'humidité change beaucoup plus rapidement que la température. Il peut prendre jusqu'à 10 à 20 minutes pour que certains capteurs soient équilibrés. Ce n'est généralement pas le défaut du capteur, mais le filtre. À des vitesses de vent très faibles, le délai peut être encore plus long.

• Si la condensation ou l'eau se dépose sur le matériau du filtre, il faudra du temps pour que le matériau du filtre sèche. Vous ne saurez pas combien de temps ce processus prendra, car le processus dépend fortement de la vitesse du vent et de l'humidité réelle du milieu environnant. Dans l'intervalle, pendant que vous attendez que le matériau du filtre se dessèche, les mesures sont faussées.

• Les filtres sont excellents pour piéger les polluants et les sels ; Cependant, selon le matériau de filtre utilisé, un microclimat peut être créé au fil du temps, ce qui empêche les mesures. Les microclimats peuvent également être créés par un abri à ailettes sale ou un dépôt de saleté sur le filtre autour d'un capteur de température de l'air/HR. Vous pouvez vous attendre à remplacer ou à nettoyer fréquemment les éléments filtrants et les abris météo. Les capteurs devront être inspectés visuellement pour déterminer la fréquence à laquelle cela devra être effectuée.

• La condensation sur l'élément HR va accélérer sa dégradation et sa dérive. Il s'agissait d'un problème avec les capteurs plus anciens. Certains capteurs plus récents avec lesquels nous avons travaillé utilisent un revêtement exclusif sur l'élément HR qui le protège et augmente la durée de vie de l'élément sans dégrader les performances. Un environnement avec une humidité toujours plus élevée, comme les forêts côtières ou tropicales, exigeront que le capteur soit étalonné ou que sa puce HR soit remplacée dans un intervalle plus fréquent. Cela pourra être aussi souvent que tous les six mois à un an.

• De plus en plus de fabricants ont introduit des capteurs thermiques et d'humidité relative chauffants pour contourner les problèmes de condensation. L'idée est qu'une sonde de température séparée mesure la température de l'air tandis que l'élément HR qui a son propre capteur de température est maintenu à une température spécifique au-dessus du point de rosée. Le capteur prend la température d'humidité mesurée à sa température et transforme cette valeur en humidité correcte pour la température de l'air. Ces capteurs nécessitent un peu plus d'énergie pour fonctionner. Campbell Scientific ne propose pas actuellement un modèle de ce type, mais nous avons dû les intégrer.

• Le matériau du capteur HR est sensible à la pollution. Le type de pollution qui dégrade ou détruit l'élément sensible de HR est généralement particulier et unique à un fabricant. En règle générale, l'exposition pétrochimique est mauvaise. Très peu de capteurs temp / HR survivront bien autour d'une raffinerie. Il en va de même pour l'ammoniac (déchets animaux ou humains) et le sulfure d'hydrogène ou le dioxyde de soufre.

Vous pouvez remarquer que la plupart des problèmes énumérés ci-dessus ne s'appliquent pas aux capteurs utilisés dans une application destinée au chauffage, la ventilation et la climatisation ou d'une chambre environnementale. Le déploiement de ces capteurs pendant de longues périodes dans les applications météorologiques, cependant c'est une autre histoire ! C'est pourquoi nous essayons d'être très minutieux dans les tests que nous faisons et nous vérifions les allégations formulées par les fabricants.

Conseils pour sélectionner un capteur de température de l'air et d'humidité relative

Mise en garde : Je suis fermement convaincu que "vous devez obtenir un bon rapport qualité/prix".

Voici quelques considérations lorsque vous choisissez un capteur de température / HR de l'air.

Quel est votre budget ?

Les capteurs bon marché n'auront pas la résolution ou la précision des capteurs haut de gamme. Mais généralement, les capteurs à moindre coût fonctionnent bien sur le terrain, ne nécessitent pas d'étalonnage (l'élément sensible HR peut-être remplacé sur le terrain) et satisfait ou dépasse la précision et la résolution requises.

Quelles sont les spécifications de résolution et de performance ?

La vérité est que la mesure de l'humidité relative est difficile. L'eau dans sa phase vapeur est une molécule décalée et complètement non linéaire dans son comportement à travers la température. Le comportement de l'eau change à nouveau lorsque la température est inférieure à son point de congélation. Chaque capteur sur le marché aura un défi difficile, avec une incertitude élevée correspondante, en essayant de mesurer une valeur d'humidité de 90% et supérieure. Un défi plus difficile consiste à mesurer l'humidité relative dans des conditions inférieures à la congélation.

Quelle précision avez-vous vraiment besoin ?

Consulter les spécifications du capteur et vérifiez le temps de réponse avec le filtre. Poser des questions. Gardez à l'esprit que dès que ce capteur est placé à l'intérieur d'un abri météo à ailettes à aspiration naturelle, les spécifications de température peuvent être simplement faussées. À la lumière directe du soleil pendant une journée chaude avec très peu de vent, la température à l'intérieur de l'abri météo pourrait être comprise entre 0,5°C et 1,5°C par rapport à la température ambiante réelle.

Comment voulez-vous gérer la dérive de l'humidité relative ?

Tous les éléments sensibles HR de type capacitif dériveront. Au fil du temps, l'élément HR se dégradera (il se produira un réseau de fissures sur sa surface), et l'humidité relative va dériver et sera hors spécification.

Pouvez-vous interrompre votre collecte de données de mesure pour envoyer votre capteur en étalonnage ? Vous devrez le faire pour les capteurs haut de gamme. Dans certains cas, vous pouvez échanger la tête du capteur avec un élément sensible étalonné sur le terrain.

Souhaitez-vous partir sur le terrain et remplacer la puce HR ? Vous ne pourrez jamais le faire pour les capteurs haut de gamme. Vous ne pouvez pas obtenir des performances haut de gamme sur une puce qui sera remplacée sur le terrain.

Quelle centrale de mesure utilisez-vous ?

Vérifiez toujours la compatibilité de la centrale de mesure, que vous souhaitez utiliser avec le capteur.

Quelles sont les conditions environnementales ?

Par exemple, y a-t-il une humidité élevée à l'emplacement du capteur ? Y a-t-il beaucoup de poussière ? Qu'en est-il du gel de la pluie, du givre ou de la neige horizontale?

Il est important de bien connaître l'environnement où se situera le capteur.

• Les endroits à forte humidité nécessiteront des visites plus fréquentes pour soit échanger le capteur ou remplacer la puce HR, selon le type du capteur.
• Le cumul de poussière apporte son propre ensemble de préoccupations. L'accumulation de poussière sur un abri à ventilation forcée ou un abri météo à ventilation naturelle va entraver la mesure de température pendant des jours lumineux et ensoleillés. La poussière obstrue le filtre.
• Les mesures du capteur seront erronées après qu'un abri météo à multi-ailettes ou à ventilation forcée soit recouvert de glace ou rempli de neige. À ce stade, le capteur mesure l'environnement à l'intérieur du bouclier et PAS l'extérieur.

N'oubliez pas l'abri météo !

Même avec toutes les préoccupations liées à l'utilisation d'un abri météorologique avec le capteur, il faut toujours utiliser un abri météo. Les applications extérieures exigent que le capteur soit placé dans un type d'abri pour protéger le capteur de l'impact thermique du rayonnement solaire direct, de la pluie directe/de la neige et des débris emportés par le vent. Utilisez un abri météo si le capteur est utilisé à l'intérieur dans des environnements extrêmement poussiéreux. L'abri fournira une certaine protection.

Conclusion

Les sondes de température et d'humidité de l'air offrent l'avantage d'obtenir des données de mesure pour deux paramètres à l'aide d'un seul capteur. L'histoire et la nature de ces capteurs, cependant, présentent des problèmes que vous devez connaître pour vous assurer d'obtenir de bonnes données de mesure. Choisir le capteur qui répond le mieux à vos besoins est également critique. J'espère que cet article vous a fourni des informations utiles pour votre application de mesure. Si vous avez des questions ou des commentaires sur les capteurs de température de l'air / HR, veuillez les publier ci-dessous.