Mesure, enregistrement et centralisation des paramètres physico-chimiques

par ,Ingénieur CNAM - IAEDirecteur Technique ATELIERS PEKLY

1. - INTRODUCTION :

Au cours des dix prochaines années les investissements en matière d’instruments de mesure, d’enregistrement et de contrôle vont s’accroître considérablement. Outre les facteurs actuels de croissance :

• — augmentation de la consommation d’énergie,
• — développement de l’industrie chimique,
• — application des techniques modernisées de contrôle à toutes les activités industrielles,

il est évident que d’autres facteurs interviendront :

• — exploitation des ressources d’énergie européenne,
• — économie d’énergie,
• — tentatives pour recycler les matières premières pour des raisons d’économie et de protection écologiques.

C’est ce dernier point et plus particulièrement le contrôle de la pollution des eaux qui feront l’objet de cet article. Nous examinerons ce contrôle suivant trois aspects correspondant à des objectifs différents :

• — la mesure actuelle des différents paramètres sur le site ;
• — l’enregistrement de ces mêmes paramètres soit sur le site, soit dans des conditions précaires d’installation ;
• — la centralisation des informations recueillies par les différents capteurs à des fins d’analyses statistiques ou bilantielles.

Avant d’aborder ces trois aspects, nous rappellerons brièvement le fonctionnement des différents capteurs employés pour effectuer ces mesures.

Enfin, pour conclure, nous présenterons quelles sont, selon nous, les évolutions possibles du matériel.

2. - LES CAPTEURS

2.1. - Le contrôle de la pollution des eaux s’effectue généralement en mesurant les paramètres suivants :

• — pH,
• — conductivité,
• — oxygène dissous ;
• — turbidité,
• — température.

D’autres mesures peuvent également être mises en œuvre suivant le type de pollution rencontré ; nous citerons : demande chimique en oxygène, mesure du carbone total ou du carbone organique, mesure de la concentration en ions spécifiques, etc.

Nous nous limiterons dans nos descriptions aux cinq paramètres précédemment cités qui constituent à notre avis une approche suffisante au contrôle de la pollution dans la majorité des cas.

2.2. - Capteur de pH :

La mesure du pH s’effectue avec deux électrodes (figure n° 1) :

— Une électrode de référence constituée d'un élément interne (généralement au calomel) trempant dans une solution de chlorure de potassium (KCl). Le contact électrique entre cette solution et le milieu à mesurer est assuré par une jonction (trou, joint en céramique ou en platine, etc.).

— Une électrode de mesure constituée d'un élément interne trempant dans une solution tampon (solution dont la valeur de pH est stable et connue). Le contact électrique entre cette solution et le milieu à mesurer est assuré par une membrane de verre perméable aux ions hydrogène.

L'ensemble constitué par ces deux électrodes et le milieu à mesurer forme une pile de résistance interne très élevée et dont la force électromotrice obéit à la loi suivante :

E : k (pHx, θ) + A;

avec  
E : f.e.m. en millivolts ;  
k : constante ;  
pHx : valeur du pH de la solution à mesurer ;  
θ : température de la solution ;  
A : potentiel d’asymétrie.

L’emploi de ce capteur en milieu industriel est courant et n’offre aucune difficulté majeure ; cependant dans le cas d'une immersion prolongée dans une rivière, un risque d’encrassement du fond et de la membrane de verre est possible. Il est donc nécessaire de prévoir un entretien préventif.

2.3. - Capteur de conductivité :

La mesure de la conductivité revient à déterminer une grandeur inversement proportionnelle à la résistance électrique de la solution. Elle s’effectue à l'aide de deux électrodes généralement en platine (figure n° 2).

Le capteur ainsi constitué, également appelé sonde de conductivité, se caractérise par son coefficient l/S. La valeur de ce coefficient intervient pour déterminer la valeur de la conductivité. Si G est la conductance de la solution exprimée en microsiemens (µS) la conductivité γ (exprimée en µS/cm) est obtenue en multipliant G par son coefficient l/S exprimé en cm/cm². Comme la mesure du pH, la mesure de conductivité en milieu industriel offre peu de difficultés. Il est également préférable de prévoir un entretien préventif pour éviter une dérive de la mesure.

2.4. - Capteur d’oxygène dissous :

La mesure de l’oxygène dissous s’effectue avec un capteur constitué :

— d'un système de détection comprenant deux électrodes, l'anode ou électrode de transmission entourant la cathode. Une mince couche d’électrolyte les recouvre ;

— d'une membrane perméable aux gaz.

Moyennant des conditions opératoires définies (polarisation convenable des électrodes suivant leur nature et suivant la composition de l’électrolyte), l’oxygène qui a diffusé à travers la membrane et la couche d’électrolyte est réduit au niveau de la cathode (figure n° 3). Il en résulte un courant qui a pour expression :

i : k (pO₂, θ)

avec  
pO₂ : pression partielle d’oxygène,  
θ : température.

L’emploi de ce capteur pour une mesure en rivière est assez délicat car il est nécessaire de s'assurer qu'il ne se crée pas autour de la membrane une zone stationnaire dont la teneur en oxygène ne serait pas significative. Comme pour les autres, les mêmes remarques sont à faire pour les opérations préventives.

2.5. - Température :

C’est certainement le paramètre le plus facile à mesurer. On choisit généralement pour des raisons de précision et de fiabilité un capteur réalisé avec une résistance de platine dont la loi k = f (θ) est suffisamment linéaire sans nécessiter pour les mesures courantes un dispositif de linéarisation.

3. - MESURE DES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES :

3.1. - La mesure des paramètres physico-chimiques dans le cadre du contrôle de la pollution des rivières nécessite des appareils portables dont le maniement est aisé et la fiabilité excellente. Les perfectionnements de l’électronique permettent l’emploi de circuits intégrés dont les performances (caractéristiques, tension d’alimentation) facilitent la réalisation d’appareils de mesure répondant à ces conditions.

Nous ne détaillerons pas dans ce paragraphe le fonctionnement de chaque appareil, nous nous limiterons à la mesure du pH ; les autres mesures s'effectuant sur le même principe.

3.2. - Appareil de mesure du pH : (voir photo fig. n° 5).

Un tel appareil doit avoir les performances suivantes : — pH : intervalles de mesure 2-12/0-8/6-14 — mV : − 500 + 500 / − 450 + 50 / − 50 + 450 — précision relative : ± 0,1 pH ou ± 10 mV — reproductibilité : ± 0,05 pH ou ± 5 mV — dispositif de réglage :  • correcteur d’asymétrie,  • correcteur ou compensateur de température. — alimentation par piles.

Le schéma de principe du pH-mètre est donné à la fig. n° 6, il permet de réaliser les conditions suivantes :

Ex = ε + (R + RΘ) iS (2)

Vs = Gε (3)

   Vs  
iS = ——— (4)  
  R + RΘ

En continuant ces trois relations, on trouve :

   Vs  
Ex = — + (R + RΘ) iS  
   G

ou Ex = (R + RΘ) iS  
    G

ou mieux encore :

     [ 1 ]  
Ex = iS (R + RΘ) — + — (5)  
       G

Si le gain de l’amplificateur est grand, on a :

Ex ≃ iS (R + RΘ) (6)

Ce qui signifie que le courant iS est proportionnel à la tension Ex à mesurer, donc à la valeur du pH.

La compensation de température s'effectue par la résistance RΘ qui peut être réalisée avec un potentiomètre ou avec un capteur de température (pour une compensation automatique). La correction du potentiel d'asymétrie s’effectue avec une source de tension auxiliaire Eo.

4. - ENREGISTREMENT DES PARAMÈTRES PHYSICO-CHIMIQUES

4.1. - Pour effectuer des analyses plus approfondies, il peut être nécessaire d’enregistrer les variations des différents paramètres physico-chimiques :

— S'il s’agit de suivre l'évolution en fonction du temps ou d'établir des corrélations entre divers paramètres ou facteurs accidentels, l’enregistrement graphique est suffisant. — Par contre, si l’on désire effectuer des bilans, il est parfois nécessaire d’employer un enregistreur magnétique.

4.2. - Enregistreur graphique des paramètres :

4.2.1. - L'enregistrement des paramètres peut se réaliser avec un enregistreur à action directe (mouvement galvanométrique) ou à action indirecte (avec dispositif d’asservissement potentiométrique).

Il semble préférable d'utiliser l'enregistreur à action directe compte tenu de son autonomie et de sa faible consommation pour permettre des conditions d’emploi sur le terrain plus aisées ; suivant la nature des contrôles demandés, il sera possible d'utiliser un enregistreur monovoie ou à quatre voies.

4.2.2. - Enregistrement d’un paramètre.

Un tel enregistreur est représenté à la fig. n° 7. Il permet l’enregistrement d’un quelconque paramètre phy-

Physico-chimique, moyennant le changement de l'unité embrochable située à l'arrière de l'enregistreur. La technologie de l'enregistreur à action directe et de l'électronique associée permettent à l'appareil d'être particulièrement adapté à la mesure et à l'enregistrement « en site » du paramètre choisi.

4.2.3. - Enregistrement de plusieurs paramètres.

Un tel enregistreur est représenté à la fig. n° 8. Il permet, en employant des unités embrochables spécialisées (pH, conductivité, température, oxygène dissous), d'enregistrer simultanément plusieurs paramètres au choix.

4.3. - Enregistrement magnétique des paramètres.

L'enregistrement digital des différents paramètres est aisé en employant un enregistreur magnétique à cassette, dont la réalisation peut être faite avec pour objectif une faible consommation (on réalise des enregistreurs dont la consommation en période d'enregistrement est inférieure au watt) et l'emploi dans des conditions d'environnement sévères.

L'emploi de tels enregistreurs exige une conversion analogique-numérique du signal de sortie des unités embrochables spécialisées ; il est donc nécessaire, avant une telle acquisition, d'effectuer une étude complète du système constitué par les capteurs, les transmetteurs (unités embrochables), les convertisseurs analogiques-numériques et l'enregistreur magnétique.

5. - DISPOSITIF DE CENTRALISATION DES DONNÉES

5.1. - Pour permettre une exploitation statistique des informations recueillies par les capteurs, il est parfois nécessaire de centraliser les informations.

L'enregistreur magnétique est une solution ; la centrale de mesures permet d'approcher différemment ce problème.

5.2. - Généralement, le principe d'une centrale de mesure est le suivant :

A. - Chaque capteur est connecté en permanence à une unité d'adaptation (fig. n° 9) spécialisée, qui permet de conserver la précision propre au capteur et de banaliser le signal de sortie.

Généralement, les unités d'adaptation sont regroupées dans des racks normalisés, afin de construire la centrale selon le problème particulier qui se pose.

B. - Une unité de multiplexage permet la commutation de chaque unité d'adaptation vers les dispositifs de traitement de mesure. La fréquence d'exploration peut s'effectuer de 1 mesure toutes les 10 secondes jusqu'à 10 000 par seconde.

L’exploration peut se faire suivant trois modes :

• — répétitif : chaque voie est explorée successivement et on recommence indéfiniment le cycle.
• — monocycle : le fonctionnement est identique au mode précédent, mais le déclenchement se fait manuellement ou par une impulsion extérieure, l’exploration s’arrête lorsque l’on est arrivé à la dernière voie.
• — manuel : c’est l’opérateur qui choisit les voies qu’il désire traiter.

C. – Des dispositifs de traitement de la mesure qui peuvent être :

• — un voltmètre numérique qui assure la conversion analogique/numérique et la visualisation de la mesure ou un module de conversion analogique numérique, ou
• — un module imprimant qui permet l’impression des mesures avec indication de l’heure de l’enregistrement si la centrale de mesure est prévue avec une horloge interne.

À noter que si la scrutation s’effectue rapidement, il est nécessaire de disposer d’une mémoire tampon pour stocker l’information avant la transcription.

D. – Enfin des dispositifs accessoires qui permettent d’exploiter au maximum les informations recueillies : restitution des voies pour enregistreur graphique, commande d’imprimante périphérique, commande d’enregistreur magnétique, etc.

6. – CONCLUSION

Nous avons présenté dans cet article un aperçu des moyens de mesure, d’enregistrement et de centralisation des informations recueillies par les capteurs physico-chimiques couramment employés dans le contrôle de la pollution des eaux.

Lorsque ces moyens seront généralisés, nous pensons qu’il devrait en résulter une meilleure connaissance des sources et des mécanismes de pollution ; il sera alors possible d’envisager, par une collaboration de toutes les parties intéressées, une régression notable du phénomène.

Afin de perfectionner encore les moyens d’investigation, il n’est pas douteux que les sociétés d’instrumentation vont mettre au point de nouveaux matériels. Nous pensons que les axes de recherche seront les suivants :

• — mise au point de capteurs spécifiques avec amplificateur incorporé (afin d’éliminer les erreurs qui peuvent s’accumuler par les câbles de liaison capteur-transmetteur) ;
• — mise au point d’armoires d’analyse regroupant un dispositif d’échantillon, les capteurs, les transmetteurs et les ensembles de mesure et d’enregistrement ;
• — amélioration des performances et de la conception des centraliseurs de données par emploi des microprocesseurs.

C. POURCEL.

À BATIMAT 1975 :une placepour l’Eau...

BATIMAT fêtait son dixième anniversaire, la création remontant à 1959. Depuis seize années, ses neuf éditions ont constitué autant d'étapes d'un succès de progression continue absolument spectaculaire.

Cette fois, une atmosphère d'incertitude avait pesé sur sa préparation en plein climat de crise pétrolière assorti des hausses de matières premières et de l'incidence du Plan de Lutte contre l'Inflation.

Car la profession du Bâtiment, avec ses 250 000 entreprises employant plus de 1 250 000 salariés (pour un chiffre d'affaires de l'ordre de 100 milliards de F) était, on le sait, la plus touchée, gravement atteinte par la récession et le chômage.

Le Ministre de l'Equipement, M. Robert GALLEY, inaugure BATIMAT.

Le Plan de Soutien à l'Économie lancé début septembre 1975, dont le Bâtiment devait être un des premiers bénéficiaires, arrivait juste à temps pour retourner la situation. L'optimisme renaissait et c'est avec une juste fierté que le Commissaire général, M. Pierre LE PRINCE, pouvait souligner, lors de l'ouverture, que malgré quelques rares défections, jamais BATIMAT n’avait réuni autant d'exposants : 2 762, présentant leurs activités sur 155 000 mètres carrés et 1 743 stands (dont 1 171 exposants étrangers, soit 15 % d'augmentation)… même il a fallu, en dernière heure, refuser une centaine de demandes, faute d'emplacements.

M. René LAMIGEON, président de la Fédération Nationale du Bâtiment, ne cachait pas lui aussi sa satisfaction, tout en rappelant que rien n’était joué car, en raison d’une répartition très inégale des marchés de travaux, beaucoup d'entreprises ressortissantes connaissent encore le grave problème du sous-emploi.

Le Ministre de l'Equipement, M. Robert Galley, dans son discours inaugural n’a pas manqué de féliciter les organisateurs de cet enthousiasme et d’une telle réussite de participation à une démonstration qui désormais s'élève à un niveau international incontesté.

Trois cent mille visiteurs venaient consacrer pendant dix jours le succès du BATIMAT 75, et dans la prolifération des techniques de l’industrialisation du bâtiment qui leur était offerte, trouvaient une grande place pour l'eau : BATIMAT, c’est un peu la fête des P.M.E. de l’Eau. Certes, les distributeurs d’eau potable amènent l'eau « au compteur », et les spécialistes de l’assainissement prennent l’eau usée « au branchement du collecteur ».

Mais entre ces deux phases, c'est toute la place de tous ces industriels de l’Eau qui aménagent son utilisation.

A BATIMAT 1975 : une place pour l'Eau...

A BATIMAT 1975 : une place pour l’Eau...

A BATIMAT 1975 : une place pour l'Eau...

Utilisation dans le bâtiment individuel ou collectif, sous des formes multiples alliant l'ingéniosité à l'efficacité : plomberie, tuyauterie, robinetterie, équipement d’eau chaude, conditionnement et traitement de l'eau, chaudières, installation de chauffage, appareillages domestiques ou collectifs, filtres, sanitaires, fosses d'aisance, pompes en tous genres, compteurs et accessoires, etc.

Comme dans la fable des membres et de l'estomac, cette mosaïque des petits métiers de l’Eau ne participe-t-elle pas finalement d'une solidarité de toutes les industries de l’Eau ? Jusqu’aux industriels de la piscine, présents eux aussi à BATIMAT pour témoigner que dans le monde moderne, l’eau doit être en plus « l'eau de la détente du corps »...

Et il nous paraissait un devoir dans cette revue de consacrer nos pages suivantes à quelques photos des stands de certains de nos collègues qui ont représenté les industries de l’Eau à BATIMAT 75.