Capteurs conductifs à deux ou quatre électrodes ou capteurs inductifs, comment bien choisir son capteur et sur quels critères?? Petit panorama des capteurs de conductivité disponibles sur le marché.
Que ce soit pour l’alimentation ou les process industriels, il faut sans cesse s’assurer de la qualité de l’eau et donc mesurer sa conductivité.
De nombreux fabricants proposent une large gamme de capteurs. Parmi eux, on trouve Acta Mesures, Bürkert, Endress+Hauser, Cometec, Swan, Krohne, Datalink, S::can, Hach, Walchem (distribué en France par TMR) ou encore AMS Alliance, Jumo ou Yokogawa. Les exploitants du secteur de l’eau ou les industriels en sont tous équipés, la plupart du temps pour s’assurer de la stabilité de la qualité de leur eau, que celle-ci est bien adaptée à l’application, pour diminuer sa teneur en minéraux, mais aussi parfois pour la renforcer. « En montagne, l’eau est généralement captée avant d’avoir eu le temps de se minéraliser, explique Damien Jacquier, responsable de la division eau chez Krohne. On la fait passer à travers des coquilles de calcaire pour qu’elle se charge en calcium et en magnésium jusqu’à ce qu’elle soit suffisamment minéralisée, c’est-à-dire jusqu’à ce que sa conductivité soit satisfaisante ».
Les instruments proposés par Kobold sont fixes ou portatifs. L’appareil de mesure portatif HND-C a un capteur connecté en permanence qui peut lire de manière fiable la conductivité et la température du milieu. Différentes versions de ces appareils peuvent déterminer simultanément la conductivité et la température des liquides, et disposent de fonctions supplémentaires pour renseigner la résistance et la salinité du liquide en quelques étapes.
Véritable produit IoT sans fil et autonome en énergie, la sonde solution multi-paramètres Multi-Probe+ d’EFS (Étude Fabrication Service) peut transférer à distance directement sur serveur ftp toutes les données mesurées localement telles que la conductivité, le redox, la turbidité, la conductivité, le pH, le débit, la pression, la température et la vitesse d’écoulement.
De leur côté, les sondes Seametrics CT2X d’AnHydre mesurent température/conductivité/salinité. Dotées d'une électronique numérique embarquée, elles délivrent des sorties ModBus RTU et SDI-12 pour une intégration facile avec une gestion centralisée, une transmission à distance. Avec leur enregistreur intégré et un compartiment pour piles, les CT2X peuvent aussi être déployées sur de nombreuses applications, par exemple la surveillance des nappes phréatiques soumises aux entrées d'eau salée. Une mesure de niveau peut également être intégrée pour le suivi du marnage des forages.
Avec deux ou quatre électrodes ?
Les électrodes sont en platine, en inox, en titane ou en graphite selon les fabricants et la nature de l’eau à analyser. En pratique, le conductivimètre applique une tension alternative à une fréquence adaptée afin de réduire les effets de polarisation des électrodes, c’est-à-dire l’attraction préférentielle des ions vers l’une ou l’autre des deux électrodes. Les sondes de type CAA2690 et CAA2790 de Syclope sont des capteurs de mesure de conductivité avec des électrodes en graphite. Elles fournissent un signal analogique 4-20 mA permettant le raccordement sur de longues distances et disposent d’une sonde de température intégrée permettant la transmission d’un signal compensé en fonction de la température de l’eau. Elles conviennent particulièrement aux applications de mesures de la conductivité dans les eaux peu minéralisées dans les tours aéro-réfrigérantes.
Pour éviter l'effet de polarisation, certains fabricants ont conçu des capteurs à quatre électrodes, comme les TetraCon 700 IQ (SW) de Xylem Analytics, les C4E de Ponsel (Aqualabo), le SE 600 de Knick ou les Shurecon P de Swan, dans lesquels un courant est imposé aux deux électrodes externes de façon à créer une différence de potentiel constante entre les électrodes internes. Comme le potentiel est mesuré en présence d’un courant négligeable, les deux électrodes internes ne sont pas polarisées. « Elles sont moins sensibles à l’encrassement et permettent une plage de mesure plus large », appuie Mathilde Leroy, responsable produits gamme process chez Aqualabo, qui a abandonné ses sondes 2 électrodes C2E au profit de ses C4E. « De plus, une sonde à 4 électrodes comme le Shurecon P permet de lancer une alarme quand la sonde est encrassée, ce qui indique le moment idéal de maintenance et réduit les frais », abonde Guillaume Schneider, responsable des ventes chez Swan.
La mesure ne donne pas directement la conductivité d’une solution, mais sa conductance ou plus précisément son inverse, la résistance électrique. Pour calculer la conductivité, il faut multiplier cette conductance par un paramètre lié à la géométrie du capteur, la constante de cellule. Elle est proportionnelle à la surface des électrodes et inversement proportionnelle à la distance entre les 2 électrodes. Les fabricants en proposent à diverses valeurs. Pour les eaux pures ou ultrapures, la constante de cellule devra être de 0,01 à 0,1 cm-1, de 0,4 à 1 cm-1 pour les eaux potables ou industrielles et jusqu’à 10 cm-1 pour les eaux très chargées. « La constante de cellule d’un capteur est déterminée en banc de test avec 2 ou 3 chiffres après la virgule et indiquée sur l’appareil », explique Olivier Bertrand, responsable du marché eau chez Bürkert.
Krohne pousse la précision à 6 chiffres. Mais l’exploitant la vérifiera avec un étalon dont la conductivité est connue, comme la solution de chlorure de potassium KCl 0,01M, vendue par Hach et dont la conductivité à 25 °C est de 1.413 µS/cm ±0,5 %. « Pour les basses valeurs, cela ne sert à rien, avertit cependant Guillaume Schneider, car dès que la solution est en contact avec l’air, sa conductivité augmente et peut même doubler de valeur ».
Mais cette constante de cellule change dans le temps, comme l’écrit IGZ Instruments dans ses documents. « Certaines modifications apparaissent à la suite d’une contamination ou à cause de modifications physico-chimiques dans le cas des cellules platinées. Il est donc recommandé d’étalonner la cellule au moins une fois par semaine ». Mais avant tout, de nettoyer les capteurs, toutes les semaines pour les eaux usées et toutes les deux semaines en eau claire, des graisses et dépôts de toutes sortes qui faussent la mesure.
L’induction : pour les eaux chargées
Mais il faut tenir compte de la nature de l’eau à mesurer puisque les capteurs inductifs ne sont pas adaptés aux eaux pures dont la conductivité est inférieure à 500 µs/cm. « Nous en vendons essentiellement pour les applications en eau de mer dont la conductivité avoisine les 50 mS/cm, annonce Mathilde Leroy. L’élevage des saumons en Norvège en est friand ». Le grand avantage de cette méthode inductive est l’absence d’encrassement. La maintenance se limite à une vérification de la calibration une fois par an. Mais le coût est important. À peu près égal à celui des capteurs de 4 électrodes, il varie de 1,5 à 2 fois plus que celui des capteurs à 2 électrodes.
Qu’ils soient conductifs ou inductifs, tous les capteurs sont équipés de sondes de température, en général des Pt1000, parfois des Pt100, NTC ou PTC. En effet, la conductivité varie fortement selon la température du milieu, car elle est proportionnelle au temps de relaxation entre deux collisions d’électrons. Or, plus la température augmente, plus le temps de relaxation est court, donc plus la conductivité diminue. « La conductivité peut varier jusqu’à 6 % par degré Celsius. Tout dépend de la nature du produit chimique contrôlé et de sa concentration », explique François Charrier, PDG de TMR, revendeur des capteurs Walchem, filiale d’Iwaki US et spécialisé dans l’équipement pour procédés industriels, notamment des tours aéroréfrigérantes par des capteurs inductifs « pour éviter la maintenance ».
Des innovations relativement rares
Les fabricants vendent ainsi leurs capteurs avec des transmetteurs adaptés comme le Liquiline M CM42 pour le capteur CLS21D d’Endress+Hauser. La technologie Memosens permet le plug & play avec des capteurs Memosens préétalonnés. Le système de maintenance prédictive détecte lorsqu’un capteur nécessite un nettoyage, un étalonnage ou un remplacement.
De son côté, Aqualabo a intégré depuis 6 ans de l’intelligence dans ses capteurs C4E et CTZN. Ils gardent en mémoire les derniers coefficients de calibration et peuvent donc donner un état sur la qualité de leur mesure même si, comme les autres, la dérive oblige à les recalibrer deux fois par an.
Présent dans les industries agroalimentaire et pharmaceutique, Baumer propose une série de capteurs de conductivité CombiLyz développé pour l›analyse et la différenciation précise de fluides compatibles avec le traitement de l’eau. Outre le compact AFI4, l’AFI5 avec détecteur déporté comprend deux composants différents : le détecteur inductif CombiLyz et le transmetteur intégrant l´afficheur CombiView qui permet de contrôlerles processus grâce aux histogrammes de mesures via IO-Link.
Krohne, qui n’est présent sur ce marché que depuis 2013, a intégré son convertisseur-transmetteur dans ses sondes SmartPat Cond. Les données sont ainsi envoyées directement à l’automate qui gère les process industriels.
« Swan a uniformisé les cartes pour tous les paramètres, ce qui permet de les fiabiliser, comme l’explique Guillaume Schneider. Il n’y a que le logiciel qui change ». Celui-ci permet de compenser en température et selon la nature des ions présents dans la solution, données qu’utilisent presque tous les exploitants. « L’eau des circuits de chaudières est un bon exemple des données intégrées, poursuit Guillaume Schneider. Comme les mesures sont affectées par les produits de conditionnement comme les phosphates ou l’ammoniaque, nous fournissons des abaques idoines ». En revanche, l’industrie pharmaceutique veut une fiabilité absolue de ses sondes de conductivité. Connaissant parfaitement les produits qu’elle utilise, elle se sert d’abaques maison selon les ions que les laboratoires détectent dans l’eau. On est toujours mieux servi par soi-même.
