Les développements actuels des appareils de mesures de l'oxygène dissous et de la conductivité en continu cherchent à augmenter la stabilité et la fiabilité des mesures et à réduire les processus d'entretien et de maintenance des sondes.
Les appareils de mesures de conductivité et d’oxygène dissous sont aujourd’hui indispensables pour le suivi des paramètres physico-chimiques des eaux dans les stations d’assainissement. Cependant, leur emploi nécessite des opérations de maintenance essentiellement liées au problème de l’encrassement des sondes. Dans les bassins d’aération des stations d’épuration, l’oxygène dissous est nécessaire aux bactéries qui consomment les matières organiques lors des traitements des eaux usées. Pour leur fournir suffisamment d’oxygène, les eaux sont oxygénées soit par brassage mécanique, soit par bullage d’air comprimé. L’optimisation du processus passe par le contrôle de la quantité de l’oxygène dissous présente. En effet, si cette quantité est insuffisante, le processus sera lent et en cas extrême, le manque d’oxygène.
pourra entraîner la mort des bactéries. Au contraire, si l’on crée de l’oxygène dissous en excès (plus que les bactéries n’en ont besoin), le processus ne sera pas accéléré, mais cela impliquera une dépense d’énergie inutile, et donc un surcoût.
Quel appareil choisir ?
Qu'il soit portable pour les mesures ponctuelles sur le terrain, ultra-précis pour les analyses en laboratoire ou en continu pour le contrôle notamment des eaux usées, un appareil de mesure d’oxygène dissous est schématiquement constitué d’un boîtier électronique et d’une sonde. Le fonctionnement de l'ensemble des sondes à oxygène est basé sur un principe électrochimique nécessitant deux électrodes et qui est détaillé dans l'encadré n° 1. « Il existe deux catégories d’appareil, explique Sylvain Frery de VSA Industries, différenciées par la présence ou non d'une membrane ».
Pour les sondes sans membrane comme par exemple la sonde S12 de Zillig, les deux électrodes sont en contact direct avec l’échantillon. Au contraire, la seconde famille de sondes est constituée, selon le principe de Clark, d’un système d’électrodes plongées dans un électrolyte et séparé de la solution par une membrane semi-perméable qui laisse passer l’oxygène dissous vers les électrodes.
Avec ou sans membrane, toutes les sondes immergées dans un bassin d’aération sont soumises au problème de l’encrassement qui affecte les mesures de l’oxygène dissous.
Limiter l’encrassement
Les solutions proposées pour éviter et limiter l’encrassement diffèrent avec la catégorie de la sonde. Pour les sondes sans membrane, ce sont les électrodes qui subissent les dépôts. Pour diminuer ce phénomène, Zillig a conçu un système où les électrodes sont polies continuellement par le passage d'une pierre abrasive diamantée et régénérée à des intervalles de cinq à douze mois.
Pour les cellules de Clark, le problème se situe évidemment au niveau de la membrane. Il existe actuellement plusieurs systèmes pour limiter son encrassement et augmenter le temps entre deux opérations de maintenance. Ainsi, les sociétés Swan, Yokogawa et Endress-Hauser suggèrent d'intégrer au dispositif d'immersion de la sonde un système de nettoyage qui projette de l'eau ou de l’air sur la membrane. Des cycles de nettoyage réguliers peuvent être programmés, de façon à réduire les interventions manuelles.
Les nettoyages sont programmables à l’aide du transmetteur. Indépendant de la sonde, il peut également s’appliquer pour des sondes de conductivité et de pH. Le système qu’utilise la société Lac Instruments et Systèmes est également applicable pour toute nature de sonde. Le principe consiste à placer les sondes dans un puits de mesure. « La vitesse de passage de l'eau dans le circuit hydraulique de l’appareil est suffisamment importante pour minimiser les risques d’encrassement » ajoute Christine Agnel, ingénieur technico-commercial de la société. Il est également possible de rajouter à ce système un système de nettoyage comparable à celui défini précédemment.
Le modèle 96 de Royce commercialisé par la société Cometec est constitué d'une double paire d’électrodes qui permet un nettoyage électrochimique de la membrane. « Sous l’excitation de la cathode supplémentaire, l’électrolyte (gel de chlorure de potassium) produit un gaz chloré qui va diffuser à travers la membrane pour la nettoyer » explique Alain Quigeur de la société Cometec. Là encore, il est possible de compléter ce procédé par un système de jet d’eau ou d’air.
La société Danfoss propose d’intégrer la sonde à un flotteur sphérique doté de quatre déflecteurs. « La conception du flotteur Evita Oxy 400 augmente la turbulence et permet de maintenir la propreté de la sonde sur une durée de 2 à 3 mois » ajoute Eric Balcon.
La société Heito propose un nettoyage mécanique qui consiste en une petite brosse qui se déplace grâce à un moteur de droite à gauche et qui permet de nettoyer la membrane. Le cycle de balayage peut être programmé à la fréquence désirée. Ce système provoque également une agitation qui permet de renouveler l’eau au niveau de la membrane.
Mais l’encrassement de la membrane n’est pas le seul problème auquel est confronté l’utilisateur d’une sonde à oxygène en continu.
Conjuguer fiabilité et stabilité
Il a besoin d’avoir une sonde fiable et stable le plus longtemps possible.
L’utilisation de matériaux adaptés permet d’augmenter la longévité d'une sonde. Ainsi, Orbisphère a choisi d'utiliser du Téflon® non poreux.
L’absence de techniques de nettoyage particulières pour les cellules électrochimiques réside peut-être dans l’existence d’une autre méthode de mesure de la conductivité, peu sensible à l’encrassement : la mesure par induction. « Ce système existe depuis de nombreuses années, mais à l'origine il était peu sensible » précise Sylvain Frery, chez VSA Industries. L’amélioration de la sensibilité du système en fait un appareil utilisé aujourd’hui pour des mesures en eaux potables, en agroalimentaire et en assainissement.
La sonde inductive, appelée aussi « sonde sans électrodes », est proposée entre autres par les sociétés FisherRosemount, VSA Industries et Zellweger Analytics. Elle est constituée de deux tores métalliques munis chacun d'un bobinage et noyés dans une matière isolante. Lorsque le tore émetteur est alimenté en courant alternatif, il se forme un champ électrique au sein du liquide qui induit un courant dans le second tore, appelé récepteur, directement proportionnel à la conductivité de la solution. Les sondes toroïdales sont très peu affectées par un dépôt sur leur surface. « Tant que l’épaisseur du dépôt est négligeable devant le diamètre de la bobine, il n’y a pas d'influence sur la mesure » ajoute Jean-Marie Bonnet, ingénieur support Produits et Applications chez FisherRosemount.
Pour protéger les tores métalliques des agressions du milieu d'immersion, les sondes inductives sont fabriquées à partir de matériaux particulièrement résistants à la corrosion tels que le PEEK ou le polyéthylène. Ces mêmes matériaux ou des aciers inoxydables sont également utilisés pour préserver l’intégrité des composants des sondes à oxygène.
Pour assurer une meilleure robustesse de la membrane, indique Serge Risicato. Pour la même raison, la société Heito propose une sonde avec un électrolyte solide. « L'électrolyte solide assure un meilleur repos et une meilleure robustesse de la membrane » explique Jean-Pierre Heitzmann.
De plus, il existe des systèmes de surveillance qui préviennent l'utilisateur lorsqu'il y a rupture de la membrane ou épuisement de l'électrolyte. Ainsi, les sondes Triox WTW sont équipées d'une troisième électrode dite électrode de référence qui contrôle toute variation anormale du courant dans l'électrolyte. Pour le capteur de Yokogawa, l'intégrité de la membrane est contrôlée par impédance.
Lors du changement de la membrane cassée, plusieurs précautions importantes sont à suivre. Il faut par exemple éviter toute introduction de bulles dans l'électrolyte. Pour simplifier cette opération difficile, de nombreuses sociétés proposent des systèmes où la membrane est déjà tendue sur un support et l'utilisateur n'a plus qu'à changer le support. Par exemple, pour la société Endress-Hauser, il s'agit d'un « capot pré-confectionné interchangeable », pour la société Fisher-Rosemount, la membrane pré-tendue sur son support est plaquée contre la cathode par une pièce vissée. Plus simple encore, la société Danfoss vend des sondes jetables possédant une durée de vie de l'ordre de deux ans. Les sondes à électrolyte solide de la société Heito sont quant à elles régénérables en usine après utilisation. Après chaque changement de membrane (mais pas uniquement), un calibrage est nécessaire.
Calibrer la cellule
Le processus d'étalonnage a été simplifié pour de nombreuses sondes, entre autres chez Endress-Hauser. « Il s'effectue en un seul point à l'air ambiant » explique Eric Sifferlen. Cela est possible car la composition en oxygène de l'air est constante tout
Caractéristiques de quelques
| ref. produit | Plage de mesures (mg/l) | Précision | Épaisseur de la membrane (µm) | Calibrage | t90 (s) |
|---|---|---|---|---|---|
| Evita Oxy de Danfoss | 0 à 50 | 0,5 % | 45 | 1 mesure, automatique | — |
| Cos4 / Liquidis com 253 de Endress-Hauser | 0 à 20 | 0,035 mg/l à 20 °C | 50 | air, 1 mesure, automatique | 180 |
| Heitopross de Heito | 0 à 20 | 0,01 mg/l | — | eau sat. en O₂ | — |
| SOS#1 de Orbisphère | 0 à 10 | 0,05 mg/l | 50 | air, 1 mesure | 90 |
| Oxysafe de SWAN | 0 à 20 | 0,3 % | 25 ou 45 | — | < 180 pour 45 µm / < 25 pour 25 µm |
| DO30 / D04026 de Yokogawa Contrôle Bailey | 0 à 20 | < 0,05 mg/l | 25 ou 50 | air / eau sat., 1 mesure automatique | 10 |
| S12 de Zillig (VSA industries) | 0 à 25 | 0,3 mg/l | sans membrane | 1 mesure | — |
autour du globe terrestre. L'opération difficile du réglage du zéro a été supprimée pour la majorité des sondes. De plus, la limitation des phénomènes parasites a permis d'augmenter le temps d'utilisation entre deux calibrages qui peut aller jusqu'à plus de 12 mois pour, par exemple, la sonde S12 de Züllig.
Cependant, une sonde en bon état et bien calibrée n'est pas suffisante pour donner une mesure exacte de l'oxygène dissous. Des précautions d'emploi sont nécessaires. Ainsi, l'utilisateur doit veiller à limiter la présence de bulles d'air piégées sur la membrane du côté de la solution en utilisant par exemple des capteurs montés en biais sur les dispositifs plongeurs comme le propose la société Swan. Pour sa sonde sans membrane, Züllig évite que les électrodes soient en contact direct avec les bulles d'oxygène en entourant chaque électrode d'un « gobelet ». D'autre part, il est important de s'assurer que le liquide est bien régénéré au niveau de la sonde. Le principe de mesure implique une consommation d'oxygène qui peut provoquer un appauvrissement local en oxygène au voisinage de la membrane.
Enfin, il est important de connaître et de compenser le cas échéant les effets externes qui peuvent influencer les mesures.
Compenser les effets externes
Généralement, on retient trois paramètres. La température et la pression atmosphérique dépendent des conditions climatiques, la salinité peut être modifiée par exemple par une entrée
sondes à oxygène dissous
| Température d'utilisation | Compensation de la température | Compensation de la pression | Compensation de la salinité | Systèmes contrôle d'anomalie | Nettoyage | Matériaux du capteur |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 à 70 °C | oui, de 0 à 50 °C | oui | possible | oui | par flotteur sphérique | |
| 5 à 50 °C | oui, de 0 à 50 °C | oui | par projection d'eau ou d'air | PBT / PEEK | ||
| 0 à 80 °C | oui | par balai | Inox 316L | |||
| -10 à 50 °C | oui, de 0 à 50 °C | oui | oui | PEEK et Delrin® | ||
| 0 à 50 °C | oui | oui | oui | par projection d'eau ou d'air | copolymère polyacétal | |
| 0 à 40 °C | oui | oui | oui | oui | par projection d'eau ou d'air | PVC, inox 304 |
| 3 à 35 °C | oui | par polissage des électrodes | Polymère et inox |
d’eau de mer.
Lors du calibrage, on détermine le coefficient de proportionnalité entre le courant mesuré et la concentration en oxygène dissous. Pour les cellules à membrane, ce coefficient de proportionnalité dépend doublement de la température.
Ainsi, lorsque la température augmente, la perméabilité de la membrane augmente, il y a plus d’oxygène qui entre dans la cellule, on mesure donc un courant plus important bien que la concentration en oxygène dissous ne soit pas différente.
En revanche, la solubilité de l’oxygène dans un liquide diminue lorsque la température augmente.
La concentration en oxygène dissous sera donc plus faible. Le rôle des fonctions de compensation est de compenser les deux effets par un réseau de résistances et de thermistances. Pour cela, la présence d'un capteur de température est nécessaire. WTW propose des sondes où il existe deux fonctions de compensation et donc deux capteurs, l'une pour la membrane, l'autre pour le liquide à caractériser. Toutefois, les compensations de température n’étant jamais réellement parfaites, il est conseillé de calibrer la sonde à une température aussi proche que possible de celle de l’échantillon. Les différentes pressions dues aux conditions météorologiques ou à l’altitude peuvent provoquer une variation pouvant aller jusqu’à 20 % dans la concentration d’oxygène dissous.
Il est possible de corriger cette variation en utilisant une fonction de compensation associée à un capteur de pression atmosphérique. Les appareils des sociétés Yokogawa, WTW et Swan sont équipés de cette fonction ainsi que de la fonction de compensation de la salinité.
