Introduction

L'hygrométrie est la mesure de l'humidité. L’humidité est la présence d'eau dans les gaz ou matériaux (liquides ou solides), sous sa forme gazeuse (vapeur). Elle intervient dans de nombreux processus biologiques et physico-chimiques et il est nécessaire de mesurer cette grandeur : 

• pour l’étude ou la prévision de phénomènes naturels (météorologie, environnement) ; 
• pour le contrôle de procédés dans de nombreux secteurs industriels (chimie, pharmacie, santé, aéronautique, électricité, électronique, télécommunications, bâtiment etc.) ; 
• pour le confort dans les bâtiments, etc.

Dans de nombreux cas, faute de pouvoir mesurer directement l’humidité « au coeur » des matériaux, c’est l’humidité de l’air environnant qui est déterminée. 

La mesure de l’humidité de l’air concerne uniquement la vapeur d’eau : brouillard et nuages ne sont pas concernés puisqu’ils sont constitués d’eau condensée en suspension dans l’air.

La vapeur d’eau est un gaz inodore et invisible, présent en quantité très variable (la concentration dans l’air varie de plusieurs décades) alors que les autres gaz sont en quantité quasi-constante.

Pour l'humidité dans un liquide ou dans un solide, seule l'eau libre sous forme gazeuse est considérée (et non l'eau liée).

Il existe plusieurs paramètres descriptifs de l'humidité de l'air : température de rosée, température humide, humidité relative, concentration, rapport de mélange, humidité spécifique, etc. Chacun de ces paramètres est plus ou moins pertinent (et facile) à mesurer ou utiliser, en fonction de l’application. 

Par exemple, 

• pour maîtriser le confort ou la conservation des produits, le paramètre d’intérêt est l’humidité relative ;
• pour quantifier de l’énergie (évaporation), le paramètre d'intérêt est souvent la température humide ;
• pour éviter la condensation de l'eau gazeuse en eau liquide (buée) ou solide (givre), le paramètre d’intérêt est la température de rosée.

Pour bien comprendre les paramètres descriptifs de l'air humide, il faut d'abord appréhender la notion de pression de vapeur saturante.

Considérons une boite fermée, totalement étanche, ne contenant que de l'eau (il n'y a pas d'air). La phase "condensée" peut être sous forme liquide ou solide, en fonction de la température. Elle est surmontée d'une phase "gazeuse". A l’interface entre les deux phases, il y a un échange permanent de molécules : il règne un équilibre dynamique entre la phase gazeuse et la phase condensée (liquide ou solide). 

La pression exercée par la vapeur d’eau dans cette boite est la « pression de vapeur saturante » . En l'absence de toute autre molécule dans la boite, cette pression ne dépend que de la température. Historiquement, cette pression est notée "e" et a été déterminée sur la base de l'équation de Clapeyron et sur des données expérimentales. Il existe plusieurs formules mathématiques pour décrire cette relation, dont la formule de Wexler est la plus souvent utilisée dans les laboratoires de référence (e est exprimée en Pa) : 

• Pour un équilibre au-dessus de l’eau liquide (indice w pour « water »), pour une température exprimée en K, comprise entre 173,15 K et 373,15 K : 

• Pour un équilibre au-dessus de la glace  (indice i pour « ice »), , pour une température exprimée en K, comprise entre 173,15 K et 273,16 K : 

Ces deux relations sont valables uniquement dans un système ne contenant que des molécules d'eau. Si on ajoute un gaz neutre, comme de l'azote, ou si on ajoute un mélange correspondant à de l'air "sec", essentiellement composé d'azote et d'oxygène, on observe que la relation entre la pression exercée par la vapeur d'eau "seule" et la température n'évolue que très peu, tant que la pression totale du mélange reste modérée (jusqu'à la pression atmosphérique). Au-delà de la pression atmosphérique, une correction est à apporter à la formule. Cette correction prend la forme d'un facteur d'augmentation, que l'on note f (avec un indice w pour l'eau et i pour la glace). 

La pression de vapeur corrigée du facteur d'augmentation est notée e' : 

•  pour un équilibre au-dessus de l’eau liquide : 

• pour un équilibre au-dessus de la glace :

La pression de vapeur d'eau tend à s'équilibrer en permanence, c'est ce qui génère le déplacement de la vapeur d'eau dans un gaz, dans un liquide ou dans un solide. C'est la pression exercée par la vapeur d'eau qui est le  paramètre le plus représentatif de la présence de vapeur d'eau, en particulier parce qu'il est indépendant de la température (sauf à saturation) et de la nature du support (gaz, liquide ou solide). Il en est de même dans les gaz et dans certains matériaux liquides ou solides, dits hygroscopiques, qui se comportent comme des matériaux poreux devant les molécules d'eau (le déplacement de vapeur d'eau dans ces matériaux est identique à ce qui se passe dans un gaz, avec un effet de « freinage » dépendant de la porosité du matériau). 

Bien que la pression exercée par la vapeur d'eau (« pression partielle de vapeur d'eau ») soit le paramètre le plus intéressant à déterminer, il n'est pas possible de le mesurer directement par une mesure de pression. En effet, dans l'air humide, la pression de vapeur d'eau s'ajoute à la pression exercée par les autres gaz : une mesure de pression donnera accès à la pression "totale" mais ne permettra pas de différencier la pression exercée par la vapeur d'eau de la pression exercée par les autres constituants du mélange.

D'autres paramètres sont mesurables et permettent, plus ou moins directement, de calculer la pression de vapeur d'eau. Le paramètre le plus directement représentatif de la pression de vapeur d'est est la température de rosée. 

La température de rosée, notée θd, est la température à laquelle la phase gazeuse et la phase condensée sont en équilibre : la pression de vapeur d’eau dans l’air est alors égale à la pression saturante de vapeur d’eau à la température de l’air. 

θd est donc la température telle que la pression de vapeur d'eau (ew) soit égale à la pression de vapeur saturante à la même température et à la même pression : 

Note : l’air humide saturé (ou tout autre gaz) est, par définition, un mélange de gaz dont la quantité de vapeur d’eau est telle que tout apport d’eau supplémentaire ne peut apparaître que sous forme liquide ou solide. Sa température est donc égale à la température de rosée.

Références bibliographiques :

1. La mesure de l'humidité dans les gaz, B. Blanquart, B. Crétinon, J. Mérigoux. Edition BNM, 2000 (épuisé). Il existe une édition revue et augmentée dans la Collection Les Guides techniques du Collège Français de Métrologie.
2. Water vapor measurement, Methods and instrumentation, Pieter R. Wiederhold, Ed. Dekker, 1997
3. Air humide, Notions de base et mesures, Article BE8025 des Techniques de l’Ingénieur, B. Crétinon, B. Blanquart
4. Tables de l’air humide, CETIAT, réédition 2005, B. Crétinon, B. Blanquart