Stress thermique par indice WBGT
La norme ISO 7243 , mise à jour en 2017, est le document de référence pour l’évaluation du stress thermique par le calcul de l’ indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) . Cette norme comprend, non seulement les procédures nécessaires pour calculer l’indice et les tableaux qui définissent les limites, mais également des détails sur les caractéristiques des capteurs nécessaires pour acquérir les paramètres environnementaux nécessaires à l’exécution des formules :
- Tnw : température de bulbe humide avec ventilation naturelle
- Tg : température du globe noir
- Ta : température de l’air (nécessaire uniquement en présence de rayonnement direct « charge solaire »).
L’instrumentation utilisée pour mesurer ces paramètres et calculer l’indice WBGT doit être conforme aux exigences de la norme ISO7243. Dans cet article, nous évaluerons deux aspects souvent négligés lors du choix de l’instrumentation qui, étant utilisée dans les domaines juridiques, doit au contraire être strictement conforme à la norme.
Un calcul peut-il remplacer efficacement la mesure directe de la température humide par une ventilation naturelle ?
Description du capteur de température humide à ventilation naturelle (Tnw) selon la norme ISO 7243
Dans l’annexe B.1 , la norme fournit une description du capteur utilisé pour mesurer la température de bulbe humide en ventilation naturelle . Ce capteur est constitué d’un élément de température recouvert d’une chaussette en coton à haut pouvoir d’absorption d’eau.
En Annexe D , la norme présente une alternative à la mesure directe par capteur. La norme offre la possibilité d’obtenir cette valeur indirectement par un calcul utilisant les paramètres suivants :
- Ta : température de l’air
- HR : humidité relative
- Tr : température radiante moyenne
- Va : vitesse de l’air
Les considérations suivantes sont également signalées dans la norme :
- L’évaluation indirecte de Tnw par des calculs n’est ni simple ni fiable, surtout lorsque la vitesse de l’air est faible dans des conditions de convection naturelle. Ce n’est pas recommandé;
- Le calcul ne doit être utilisé que lorsqu’une mesure directe de Tnw n’est pas possible ;
- Il est préférable de mesurer directement la température naturelle du bulbe humide conformément à l’annexe B ;
- Il est important de se rappeler que lors du calcul de la température humide naturelle, les mesures environnementales utilisées auront des erreurs de mesure associées. Ceux-ci peuvent s’accumuler dans toute prédiction et, par conséquent, tout calcul doit être considéré avec prudence ;
- Le bulbe humide naturel tel que défini à l’annexe B doit être utilisé comme spécification et méthode la plus précise.
Dans les formules de l’indice WBGT, il est important de noter que le poids de la température de bulbe humide (Tnw) est significatif puisqu’il est multiplié par une valeur de 0,7 . Par conséquent, l’utilisation d’une valeur Tnw avec une incertitude élevée peut entraîner une erreur considérable dans le calcul final par rapport aux autres grandeurs. Concernant la température de l’air (Ta), utilisée uniquement dans la formule WBGT avec charge solaire, le multiplicateur est égal à 0,1 . Au lieu de cela, celle de la température radiante moyenne (Tr), est égale à 0,3 ou 0,2 selon la formule utilisée (avec ou sans charge solaire).
Considération sur les systèmes sans eau
Il existe sur le marché plusieurs systèmes de calcul de l’ indice WBGT défini comme « water-free » qui n’ont pas la mesure directe du Tnw mais sont basés sur un calcul indirect au moyen de la formule précisée dans l’annexe D de la norme, qui nécessite cependant une mesure de la vitesse air. La plupart des systèmes « sans eau » actuellement disponibles sur le marché ne permettent pas la mesure de la vitesse de l’air. Ceci introduit une erreur dans le calcul de l’indice WBGT.
Des solutions LSI LASTEM directes et fiables
Pour ces raisons, LSI LASTEM a choisi de ne pas adopter de systèmes « sans eau ». Au lieu de cela, il a opté pour l’utilisation de systèmes permettant une mesure directe du Tnw à l’aide de capteurs dédiés, suivant ainsi les conseils définis dans la norme.
LSI LASTEM propose différentes solutions de mesure de la température de bulbe humide en ventilation naturelle, pour des acquisitions intérieures et extérieures même sur de longues périodes (Figure).
Lorsque des capteurs de ce type sont utilisés dans des applications extérieures fixes, l’une des limitations les plus importantes est liée à la capacité limitée du réservoir d’eau, qui nécessite son remplissage à une certaine fréquence. Pour pallier cette limitation, LSI LASTEM propose le capteur DMA122 (Figure 3), spécifiquement conçu pour les applications fixes, même en extérieur, grâce au grand réservoir de 1 litre qui permet une fréquence d’appoint en eau plus limitée.
1. ESU121 : capteur de petite taille adapté aux mesures intérieures portables
2. Heat Shield : système compact portable pour le calcul du WBGT avec présence du capteur Tnw
3. DMA122 : capteur de grande taille adapté aux applications extérieures avec réservoir d’eau de 1 litre
Le thermomètre globe de 5 cm peut-il remplacer celui de 15 cm sans introduire d’erreurs ?
Description du capteur thermomètre Globe selon la norme ISO 7243
La norme ISO 7243, en annexe B (section B-2 ), fournit une description du capteur utilisé pour mesurer la température du globe noir (Tg). Un capteur à élément thermosensible positionné au centre d’une sphère creuse est décrit avec les caractéristiques suivantes :
- Diamètre : 15 cm ;
- Coefficient d’émission moyen : 0,95 (émissivité : 95 % du rayonnement est absorbé).
Pour que le coefficient d’émission atteigne cette valeur, la sphère doit être peinte avec une peinture noire mate . Pour assurer le temps de réponse le plus court possible, le matériau de la sphère doit avoir une conductivité thermique élevée . La norme mentionne le « cuivre » comme un matériau capable de fournir un temps de réponse plus court.
De plus, la norme décrit une sphère d’un diamètre de 15 cm , mais prévoit également la possibilité d’utiliser des sphères de différents diamètres. L’annexe C de la norme, intitulée « Globes alternatifs », fournit des instructions sur la façon de corriger les mesures effectuées en utilisant des diamètres autres que 15 cm. Cependant, certaines considérations importantes sont mentionnées dans la norme :
- Le capteur de température à globe tel que spécifié à l’annexe B est la seule spécification de capteur qui satisfait à l’exigence ;
- En guise d’approximation, des globes qui diffèrent de la spécification peuvent être utilisés si une correction valide est apportée pour fournir une estimation de la température ;
- La formule de correction peut être utilisée pour effectuer la correction ;
- Il est important de noter que faire une correction pour la taille du globe implique des mesures de l’environnement (par exemple la température de l’air, la vitesse de l’air) ;
- L’exactitude de toute prévision dépendra donc de l’exactitude des mesures environnementales. Les erreurs de mesure peuvent être importantes, de sorte que toute correction inclura ces inexactitudes ;
- On peut voir que, pour faire une correction de la taille du globe, la vitesse de l’air est nécessaire. Si la vitesse de l’air n’est pas connue, il ne sera pas possible de faire une correction.
Considération sur les systèmes avec de petits globes
Il existe sur le marché des systèmes de calcul du WBGT utilisant des globes noirs de diamètre inférieur à 15 cm . Ceux d’un diamètre de 5 cm sont très courants, choisis pour leur portabilité, pour un temps de réponse plus rapide, pour la plus grande résistance présumée et pour s’adapter aux préférences de certains marchés.
Cependant, bon nombre de ces systèmes n’incluent pas la mesure de la vitesse de l’air et ne corrigent donc pas le diamètre du globe comme l’exige la norme. Par conséquent, ces systèmes ne sont pas conformes à la norme ISO 7243.
Des solutions LSI LASTEM standards et fiables
LSI LASTEM recommande l’utilisation de capteurs globothermométriques d’un diamètre de 15 cm . Les capteurs LSI LASTEM sont en cuivre, recouverts d’une peinture très absorbante, meilleure que celle exigée par la norme (réflectivité <2% donc absorption >= 0,98). Dans les systèmes portables Heat Shield , il existe un modèle avec un globothermomètre de 5 cm , mais dans ce cas il existe une formule de correction spécifique. La correction n’est active que si la vitesse de l’air est mesurée directement avec un capteur anémométrique ESV125A connecté. Alternativement, il est possible d’entrer manuellement la valeur de la vitesse de l’air via le clavier ; cette possibilité est recommandée pour les mesures en intérieur lorsque la vitesse de l’air est définitivement absente.
1. Capteur globothermométrique DMA131A-EST131 de 15 cm de diamètre
2. Modèles Heat Shield ELR605M-ELR615M avec capteur globothermométrique de 15 cm de diamètre
3. Modèles Heat Shield ELR600M-ELR610M avec capteur globothermométrique de 5 cm de diamètre
4. Capteur anémomètre ESV125A pour la mesure de la vitesse de l’air avec Heat Shield. Utile pour corriger la dimension du globothermomètre sur les modèles ELR600M-ELR610M
conclusion
- Bien que la norme ISO 7243 offre une alternative au calcul direct de la température de bulbe humide avec ventilation naturelle à l’aide d’une formule mentionnée dans son annexe D, il est important de noter que la mesure directe reste la méthode la plus précise notamment dans les situations de faibles vitesses d’air, lorsque la formule décrite dans l’annexe D comporte des erreurs importantes.
- Bien que la norme ISO 7243 offre une alternative à l’utilisation de thermomètres à globe d’un diamètre de 15 cm, les systèmes avec différentes tailles de globe , sans mesure de la vitesse de l’air, ne sont pas conformes à la norme .
Pour cette raison, LSI LASTEM a choisi de suivre les recommandations de la norme en préconisant l’utilisation de capteurs thermométriques à globe de diamètre 15 cm, ou de diamètre 5 cm mais, dans ce cas, avec une formule de correction qui utilise la mesure de la vitesse de l’air provenant d’un anémomètre connecté.
Pour la mesure de la température humide, LSI LASTEM ne fournit pas de systèmes “sans eau” qui sont trop sujets aux erreurs, mais fournit uniquement des solutions qui permettent la mesure directe de la température du bulbe humide, offrant fiabilité et précision dans les mesures portables et fixes intérieures et extérieures.
Contactez-nous pour plus d’informations ou offre de prix pour une des solutions LSI
