La mesure de conductivité de l'eau n?est pas une mesure sélective sur un plan chimique mais elle est très prisée dans toutes les utilisations de l'eau, de l'extrême pureté jusqu'à l'eau de mer et aux rejets. Sa valeur absolue est un critère de qualité pour les eaux ultrapures et sert aussi à discriminer des liquides de procédé. Sa variation subite indiquera une perturbation et la pollution d'une ressource en eau. Une grandeur aisément mesurable et essentielle.
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La mesure de conductivité de l’eau n’est pas une mesure sélective sur un plan chimique mais elle est très prisée dans toutes les utilisations de l’eau, de l’extrême pureté jusqu’à l’eau de mer et aux rejets. Sa valeur absolue est un critère de qualité pour les eaux ultrapures et sert aussi à discriminer des liquides de procédé. Sa variation subite indiquera une perturbation et la pollution d’une ressource en eau. Une grandeur aisément mesurable et essentielle.
Dans l’industrie microélectronique, dans les chaudières industrielles haute pression, l’une des mesures ultimes de la pureté de l’eau est la mesure de sa résistivité. Les eaux les plus pures ont des valeurs de l’ordre de 20 MΩ·cm, indiquant par là même qu’il n’y a quasiment plus d’ions autres que ceux issus de la molécule d’eau. Dans une usine agroalimentaire, une mesure de conductivité servira à vérifier la phase de nettoyage en place en mesurant la conductivité, reliée à la solution utilisée (acide ou base). Dans une station d’alerte sur un fleuve ou un lac, la sonde conductimétrique figure dans la panoplie des capteurs : tant que la valeur est constante, pas d’inquiétude sur la qualité de la ressource. Ces trois exemples montrent la variété d’applications de la mesure de résistivité, ou son inverse, la…
Conductivité, ions, sondes
L’eau est un solvant qui dissout bon nombre de solides et liquides qui se dissocient en ions ou des molécules organiques polaires qui se solvatent (s’entourent de molécules d’eau). L’eau liquide pure est très peu conductrice de l’électricité car l’essentiel des molécules d’eau H₂O existe sous cette forme ; mais une petite fraction de ces molécules se dissocie tout de même (c’est une sorte d’autodissolution) pour former les espèces ioniques H₃O⁺ et OH⁻ qui lui donnent une faible conductivité électrique : l’eau ultrapure a une conductivité résiduelle. L’apport de substances dans l’eau modifie cette conductivité électrique. Celles qui perturbent le plus la conductivité sont celles qui se dissocient en ions : acides, bases et sels qui produisent des ions positifs et négatifs qui s’entourent plus ou moins de molécules d’eau (solvatation). Selon la charge et la taille de l’ion, son degré de solvatation, la concentration totale en espèces dissoutes (force ionique) et la température, l’ion sera plus ou moins mobile au sein du liquide, participant ainsi à la conductance de la solution. La conductivité est la somme des conductivités des ions positifs (cations) et négatifs (anions). La mesure effectuée est le produit de la conductance de la solution (en Siemens, l’inverse de l’ohm) par la constante géométrique de la cellule (homogène à l’inverse d’une longueur, exprimée en cm⁻¹).
Une sonde de conductivité électrique est constituée de deux électrodes se faisant face : le volume ainsi défini (surfaces d’électrodes et espace entre elles) est assimilable à un conducteur de courant ; lorsqu’on applique une tension, ce conducteur présente une résistance au courant électrique (loi d’Ohm) que l’on mesure et qui est exprimée soit en résistivité (pour les eaux très pures, unité ohm·m et ses multiples) soit en conductivité (unité Siemens par unité de longueur /m et ses sous-multiples). En pratique il existe aussi des sondes à quatre électrodes pour des raisons électriques et de précision. Tout courant a des effets d’induction électrique, laquelle est influencée par le milieu entourant le courant. Il est donc possible d’exploiter cet effet pour mesurer la conductivité. Le capteur est constitué d’une bobine émettrice soumise à un courant électrique qui induit un courant dans une seconde bobine réceptrice : c’est le principe du transformateur. Le liquide assure la continuité de la boucle magnétique ; ses caractéristiques électriques influencent donc le courant induit que l’on mesure. Les deux bobines baignent dans la solution. L’avantage de ce type de mesure est la possibilité d’enrober les bobines dans une matière résistante à l’action chimique de la solution. Les bobines ne sont pas en contact avec la solution et sont donc protégées, à la différence des électrodes de mesure par .
La mesure de conductivité ne permet pas de déterminer la nature chimique des ions. Par contre, si la nature de la solution est connue (ou si sa composition moyenne est constante), il est possible de corréler la conductivité à la concentration. On peut ainsi utiliser la valeur de conductivité pour indiquer la salinité de l’eau de mer en %. Mais la relation entre concentration totale et conductivité n’est pas linéaire, surtout lorsque les concentrations deviennent importantes (les ions se gênent, c’est le concept de force ionique). Les courbes d’étalonnage à l’aide de solutions connues sont donc indispensables pour les mesures de .
« La mesure de la conductivité, surtout l’utilisation d’un conductimètre, est toujours appréciée par les utilisateurs » explique-t-on chez Izitec. « Pourquoi ? Pour deux raisons : la première c’est que la conductivité est une valeur facile à mesurer, qui représente une donnée concrète pour la plupart des utilisateurs et qui s’interprète facilement. La deuxième est que la sonde de conductivité est facile d’entretien, robuste et de longue durée de vie (par rapport aux sondes pH et Oxygène dissous). » Izitec propose donc une très large gamme de conductimètres pour l’utilisation sur le terrain ou pour un contrôle en continu. Pour la mesure sur le terrain, deux appareils principaux sont proposés : le Mi805 qui permet de mesurer la conductivité, la température, la salinité et le TDS (sels dissous totaux), et l’Aquameter, un appareil multiparamètre qui, en plus des paramètres cités ci-dessus, permet de mesurer la turbidité, le pH, le Redox et la position GPS de l’endroit de la mesure effectuée. Pour des mesures en ligne, le conductimètre 500 est un appareil pour fixation murale (extérieur et intérieur) bien adapté.
Des domaines d’applications très variés
La conductivité, exprimée en S/m (Siemens par mètre et ses multiples ou sous-multiples), ou son inverse, la résistivité exprimée en ohm·m, reflète la présence d’ions dissous dans l’eau. Cette mesure n’est donc pas sélective sur un plan chimique, mais sa valeur donne une idée de la quantité d’espèces ioniques dissoutes. Si la conductivité est suivie en continu, toute variation brusque sera le signe d’une modification inopinée du milieu. Ces remarques balisent les domaines d’application. En milieu industriel, l’eau ultrapure est utilisée en microélectronique.
Une amélioration a été apportée avec les cellules à quatre électrodes qui s’accommodent d’une large gamme de mesure, depuis le µS/cm jusqu’à 2 S/cm (cellule Tetracon de WTW).
Un nouveau transmetteur de conductivité
Le transmetteur neutrino Bürkert Type 8222 est conçu pour la mesure de conductivité des fluides liquides. Le capteur est constitué d’une sonde à deux électrodes et d’une sonde de température moulées dans une armature. Le capteur, non démontable, est assemblé au boîtier avec couvercle contenant le module électronique et l’afficheur amovible.
Le capteur de conductivité est décliné en trois versions ayant une constante de cellule différente. Les cellules de constante C = 0,01 ou 0,1 sont pourvues d’électrodes en acier inoxydable ; la cellule de constante C = 1,0 est équipée d’électrodes en graphite.
L’électronique du Type 8222 convertit le signal mesuré et fournit le signal de sortie sur une embase mâle M12 orientable ou sur un bornier via un presse-étoupe. Appareil deux fils avec une sortie courant 4-20 mA, disponible avec deux types de raccordements à la canalisation : soit avec un écrou G1¼" pour un montage avec adaptateur à raccordement capteur fileté G1¼", soit avec un filetage G¾" à visser dans un adaptateur ayant un raccordement capteur taraudé G¾".
Pour les rinçages des tranches de silicium en cours de fabrication ainsi que dans les chaudières à haute pression pour éviter tout encrassement : surveillance de l'eau d'alimentation mais aussi des retours de condensats pour détecter une corrosion. Dans ces applications, on parle plutôt de résistivité exprimée en ohm·m car la quasi-absence d'ions dissous rend l'eau très résistive.
Lorsque l'eau est utilisée directement dans un procédé comme ingrédient, la mesure de résistivité est faite en continu, avant utilisation (surveillance de la ressource en eau) et aussi dans la chaîne de traitement de purification à certaines étapes pour suivre le procédé. Une chaîne de purification comprend en série des filtres, des membranes de différents types, des échangeurs d’ions ; pour éviter que le dysfonctionnement d'un étage perturbe le suivant, il est préférable de mesurer à chaque étape la conductivité pour réagir au plus vite.
Dans l'industrie pharmaceutique, la mesure de conductivité est réalisée pour suivre la pureté des solutions utilisées pour fabriquer les médicaments liquides et les solutions injectables. Dans ce cas, l'accent est mis sur la traçabilité des mesures, définie dans les bonnes pratiques de laboratoire (BPL) : toute mesure doit s’accompagner de la connaissance de la date, de l'heure, du numéro de lot ou d’échantillon, voire du nom de la personne qui a réalisé ou validé la mesure.
« Dans l'industrie agroalimentaire, la mesure de conductivité est réalisée sur l'eau utilisée dans la préparation de certains aliments, mais également au niveau des processus de nettoyage en place pour discriminer les solutions utilisées (acide, base, eau de rinçage) » explique Ludovic Vallée, ingénieur commercial Process chez Hach-Lange. Cette discrimination entre types de solutions permet des économies sensibles de réactifs.
Lorsque les solutions contiennent des quantités notables d'ions, on parle de conductivité et les résultats sont exprimés en S/m. Dans toutes ces applications industrielles, cette mesure est faite en continu.
Dans le domaine de l'eau potable, la conductivité est utilisée pour la surveillance de la ressource (rivière, lacs, puits) et dans les grosses unités pour le suivi en continu de qualité de l'eau potable produite. Il existe aussi des mesures ponctuelles avec des appareils portables. Concernant l’eau de mer, dans la mesure où sa composition peut être considérée globalement constante, certains conductimètres fournissent un résultat directement en salinité exprimé en pour mille ou en g/kg. Idem sur une autre donnée globale, le TDS (total dissolved solids) utilisé par certains organismes, le résultat est alors fourni en mg/l grâce à une relation empirique reliant la conductivité mesurée à la teneur en sels. Une mesure utilisée par exemple pour les élevages de poissons en pleine mer ; la sonde et le transmetteur sont alors soumis à des conditions de vie très rudes.
Des principes de mesure bien connus
La mesure de conductivité est réalisée depuis longtemps : le principe de mesure date du 19ᵉ siècle inventé par Kohlrausch. Il s'agit d'une mesure de courant à tension donnée (loi d’Ohm) entre deux électrodes bien définies. Toute la précision et la fiabilité de la mesure viendront des capacités à mesurer précisément tension et courant et à réaliser des électrodes résistantes et sans dérive. L'électronique actuelle et la maîtrise des matériaux répondent à ces besoins. Une amélioration a été apportée avec les cellules à quatre électrodes qui s’accommodent d'une large gamme de mesure, depuis le µS/cm jusqu’à 2 S/cm. Ce sont typiquement les cellules Tetracon chez WTW, Shurecon chez Swan, les sondes Intellical HDQ chez Hach-Lange, le C4E chez Ponsel, la sonde InPro7100 chez
Mettler Toledo et bien d'autres. Certains constructeurs restent sur une conception à deux électrodes parfois avec une géométrie concentrique des électrodes comme Krohne avec son Optisens CAS 1000 ou Endress+Hauser avec Condumax CLS15.
La conductivité est mesurable par un autre type de sonde basé sur l'induction : une bobine électrique parcourue par un courant alternatif émet un champ capté par une bobine voisine. Ces deux bobines sont plongées dans la solution dont la conductivité va influencer le courant produit dans la bobine réceptrice. L’avantage essentiel de ce principe est le non-contact des bobines avec le milieu mesuré, donc sans risque d’encrassement direct du circuit de mesure. Selon le liquide mesuré, on utilisera différents matériaux pour résister au caractère plus ou moins corrosif des solutions, aux températures rencontrées. On rencontre très souvent des polymères comme le polyamide, le PEEK qui, de plus, sont agréés pour le contact alimentaire. Dans les deux types de principe, les constructeurs ont développé des sondes très résistantes et fiables. Il n’y a pas eu d’amélioration essentielle ces dernières années sur ce point.
Le numérique omniprésent
Le progrès le plus notable, mais il n’est pas réservé aux sondes de mesure de conductivité, est le passage au numérique. Chez Endress+Hauser, la technologie Memosens couvre désormais la conductivité parmi bien d'autres mesures de grandeurs physico-chimiques. Chaque électrode dispose en interne de sa “carte d'identité” et d’informations de fonctionnement (date de mise en service, étalonnage, etc.). Dans le même temps, les transmetteurs ont aussi évolué vers le numérique : ils sont à même de reconnaître chaque électrode (type de mesure), de les identifier, et même de conserver leur historique. Lors d’une mesure, les procédures d’étalonnage, la correction en fonction de la température sont réalisées automatiquement. Ceci est bien pratique pour la traçabilité des résultats. « Sur les appareils HQD l’électrode demandera s’il le faut un étalonnage, l’appareil indiquera à l’opérateur la procédure à réaliser. En outre, grâce au numérique, il n’y a pas de problème lors d’un changement d’appareil, les données sont conservées dans la sonde et la mesure peut avoir lieu immédiatement », explique Frédéric Soumet de Hach-Lange. Précurseur dans la mesure d’oxygène dissous par principe optique (sonde LDO) la société a de
… fait été amenée à développer la mesure de conductivité. En effet, le principe LDO est sensible à la salinité : la mesure de conductivité était donc indispensable pour compenser la LDO ; mais comme la conductivité est dépendante de la température, il faut aussi mesurer la température. Une telle sonde dispose donc de plusieurs capteurs intégrés. À minima, chez tous les constructeurs, la mesure de température est intégrée.
Utiliser une même sonde dans différents milieux
Un point important souligné par Philippe Ribouat de WTW est la constante de cellule. Ce constructeur et d'autres comme Heito, Dti, Aquacontrol ou Aqualyse proposent des sondes avec des valeurs différentes de la constante. Ceci est nécessaire si l'on veut pouvoir utiliser une même sonde dans différents milieux. Cette constante de cellule est en quelque sorte le facteur de proportionnalité entre la grandeur mesurée et le résultat de conductivité.
Selon la concentration en espèces ioniques dissoutes, il sera préférable de travailler avec une constante plutôt qu'une autre. Krohne, pour ses Optisens CAS1000, propose des valeurs de 0,05 cm⁻¹, 0,2 cm⁻¹ et 1,0 cm⁻¹. Bürkert, pour ses modèles 8221 (applications industrielles hygiéniques), propose deux valeurs de constante : 0,147 cm⁻¹ en version à insertion et 0,360 cm⁻¹ en version affleurante. La position de la cellule a une certaine importance. Selon la géométrie et les principes de construction et de mesure, on constate des effets de bords vis-à-vis de la surface libre pour …
Les mesures en laboratoire ou sur site (le problème ne se pose pas dans une canalisation) et vis-à-vis des parois dans le cas des mesures inductives (perturbation des lignes de champ). Même si cette mesure est simple, elle ne doit pas être réalisée n’importe comment.
Autre point à remarquer, la compensation en température : selon les appareils, la compensation est automatique ou déconnectable. La loi de compensation peut être linéaire ou non linéaire, mais avec une loi qui fait l’objet d’une norme (comme ISO 7888 ou DIN EN 27888), dont les paramètres sont généralement intégrés dans la mémoire des appareils (WTW). Si l’on travaille sur des données absolues de conductivité, il faut alors indiquer absolument la température retenue, généralement 20 ou 25 °C.
Pour vérifier qu’il n’y a pas de dérive des caractéristiques d’une cellule, il est indispensable d’étalonner régulièrement en plongeant la sonde dans une solution étalon, généralement du chlorure de potassium en concentration parfaitement connue. Les constructeurs fournissent très souvent des flacons tout prêts, par exemple dans les valisettes d’appareils de terrain.
Une grande variété de sondes et de transmetteurs
Les applications visées, les conditions de mesures (température, pression), l’utilisation qui est faite, instantanée dans une surveillance de procédé industriel ou moins urgente pour de la surveillance de milieu, conduisent à une grande variété de sondes et de transmetteurs. On constate aussi une certaine uniformisation des gammes de mesure et des caractéristiques, accentuée par la numérisation généralisée.
On remarque quelques originalités. Par exemple chez IST (société suisse) qui utilise la photolithographie pour créer les électrodes de mesure en platine déposé en couche mince sur un substrat alumine, usinées par laser pour définir de manière très précise les caractéristiques électriques des électrodes. Une méthode haut de gamme qui permet le développement de capteurs spécifiques et de haute précision. Le platine sert communément dans les thermocouples, la compensation de mesure est intégrée au capteur très naturellement. Selon la géométrie retenue, ces sondes ont une
amplitude de mesure de 5 μS/cm à 20 mS/cm sur une plage de température de 0 à 90 °C. Le platine exposé directement à la solution ne supportera pas certains milieux très agressifs (acide nitrique chaud, cyanures, etc.).
Swan propose l’AMI Solicon 4, un système de surveillance complet pour mesures automatiques et en continu de la conductivité dans les eaux de surface, l’eau potable et les eaux de refroidissement. Testé en usine et prêt à l’emploi, le système regroupe le capteur de conductivité à 4 électrodes Shurecon P avec sonde de température intégrée Pt 1000, une chambre de mesure M-Flow PG avec vanne d’ajustage manuel du débit et débitmètre numérique d’échantillon, et un transmetteur AMI Solicon 4 intégré dans un boîtier en aluminium étanche IP 66. La plage de mesure s’étend de 0,1 μS/cm à 100 mS/cm.
Georg Fischer propose le moniteur 5800CR ProPoint avec son afficheur mixte analogique (une aiguille rouge devant une échelle circulaire à la manière d’un compteur de vitesse) et numérique. Un avantage pour les applications de routine où un simple coup d’œil sur l’aiguille permet de vérifier un bon fonctionnement. L’affichage numérique sert pour obtenir une valeur exacte et lors
Lors de l’étalonnage, pour des mesures complètes (capteur type 8860, idéal pour les applications en traitement d’eau, qui peut recevoir deux sondes d’entrées distinctes et indépendantes qui permettent de mesurer la différence, le taux ou le pourcentage de rejet, et ainsi de déclencher un procédé, dispose de trois sorties analogiques et quatre relais).
Pour les mesures de terrain, les constructeurs ont développé des gammes d’appareils plus résistants aux chocs et étanches, présentés dans une mallette contenant plusieurs solutions pour l’étalonnage : pour des mesures complètes (Sension+ de Hach-Lange, ProfiLine Cond 1970i de WTW), portables comme l’Ami Inspector de Swan ou de poche, plus simples comme le ProfiLine Cond 3110 de WTW, le HI 87314 de Hanna Instruments ou le MI 306 d’Izitec. Avec la numérisation, ils sont souvent polyvalents et conviennent pour d’autres mesures par sonde.
Les appareils de laboratoire sont devenus également très conviviaux avec des kits complets, prêts à l’usage. Tous ces appareils existent la plupart du temps en version Ex pour les zones classées vis-à-vis des risques d’explosion ; les constructeurs proposent aussi des câbles de quelques dizaines de mètres, car la conductivité se mesure aussi en profondeur.
L’afficheur 5900 ProPoint sert à la mesure de salinité ; il est directement gradué en pour mille et dispose de deux indicateurs lumineux d’alarme. Ces appareils bénéficient d’une étanchéité IP 65. Georg Fischer propose également son transmetteur.
