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pH et redox : le numérique facilite l’installation et l’étalonnage des capteurs

26 septembre 2017 Paru dans le N°404 à la page 41 ( mots)
Rédigé par : Hanne-lys MEYER

Le pH traduit le niveau d’acidité ou de basicité d’une eau. Le redox, caractérise quant à lui le niveau d’oxydation-réduction des organismes vivants, c’est-à-dire le potentiel d’une eau à venir oxyder ou réduire une substance. Pour assurer un suivi précis des deux paramètres, les fournisseurs proposent une gamme diversifiée de capteurs, avec désormais sur le marché des versions numériques rendant l’installation et l’étalonnage plus facile.

Contrôler le redox, c’est l’usage dans les stations d’épuration par exemple, pour la bonne raison que le redox reflète le taux d’aération des bassins, avec des conséquences très directes sur la consommation d’énergie. Suivre le pH des eaux, c’est encore plus systématique : ce paramètre est surveillé pour ainsi dire partout, dans les stations de potabilisation et les stations d’épuration notamment.
Grâce à la technologie numérique Memosens, le CPS11D d’Endress+Hauser assure l’intégrité du process et des données avec un fonctionnement simple. La connectique sans contact métallique est insensible à la corrosion et à l’humidité. La mise en mémoire de données capteur permet l’étalonnage en laboratoire et facilite la maintenance préventive.


Face à cette grande diversité de besoins, les fournisseurs parmi lesquels Mettler Toledo, Endress+Hauser, Yokogawa, Hach, Chauvin-Arnoux, Datalink Instruments, Bürkert, Swan, TMR, Rittmeyer, Cometec, Hanna Instruments, Krohne, Lutz-Jesco, ou encore Xylem Analytics proposent, une gamme diversifiée de capteurs.

Les capteurs SMARTPAT PH de Krohne sont dotés d’un convertisseur intégré. Le circuit miniaturisé se glisse dans la “tête” du capteur.

Le pH et le redox seraient en effet les paramètres pour lesquels les catalogues totaliseraient le plus grand nombre de références. Sur ce marché où le choix est très large, certains instrumentistes se font remarquer pour des capteurs dont l’atout est de faciliter l’installation et l’étalonnage parmi d’autres avantages.


Le numérique, c’est évolutif

«  Nous avons toujours dans notre catalogue une gamme analogique mais aujourd’hui nous offrons surtout une gamme numérique, Memosens, que nous avons mis au point dans le but d’apporter des avantages d’exploitation  », explique Aurélia Genet, chef du marché environnement chez Endress+Hauser.
SensoLyt® 700 IQ de Xylem Analytics. Armature numérique pH/Redox avec préamplificateur intégré et capteurs de température ainsi qu’un parafoudre pour connexion au IQ Sensor Net.

Le premier atout du numérique est de contribuer à fiabiliser la mesure. «  C’est une technologie basée sur une transmission numérique entre le capteur et le transmetteur, donc il n’y a pas de pertes de signal  », avance Aurélia Genet. Le deuxième atout du numérique est de simplifier l’installation des différents capteurs de la chaîne de mesure. «  On va venir connecter le capteur sur le transmetteur par reconnaissance automatique sans besoin de câblage ni de programmation spécifique  », explique-t-elle. Le numérique est de plus évolutif puisque suivant le même principe, l’exploitant peut connecter des capteurs supplémentaires au transmetteur déjà installé.

Un autre atout important du numérique est de faciliter l’étalonnage. «  Grâce à la technologie Memosens, les données sont stockées dans la tête du capteur. On a donc la possibilité de réaliser l’étalonnage au laboratoire, sans arrêt de l’installation, après substitution du capteur par un capteur de remplacement. Bien sûr, on aussi la possibilité de réaliser l’étalonnage sur la ligne si c’est l’option qu’on préfère retenir  », souligne Aurélia Genet.

La durée de vie ? Variable…

Et concernant la durée de vie ? Pour le numérique comme pour l’analogique, les capteurs pour la mesure du pH ou du redox sont des capteurs voués à s’user.
C’est inévitable car la mesure est dynamique, avec des valeurs qui sont acquises grâce à des échanges chimiques entre le milieu contrôlé et le milieu de référence. L’électrolyte est donc amené à s’épuiser avec le temps. Aucun fournisseur ne s’engage sur une quelconque durée de vie, d’abord pour cette raison. «  L’usure de l’électrolyte est un paramètre qui nous échappe puisqu’elle dépend des conditions d’utilisation du capteur. Dans une station de potabilisation par exemple, du fait que les conditions sont constantes et qu’il n’y a pas de pollution particulière, les capteurs conservent des performances satisfaisantes sur une durée de deux à trois ans généralement. Dans une station d’épuration à l’inverse, parce que l’eau est chargée et que les capteurs s’encrassent, les performances peuvent se dégrader au bout d’un an le plus souvent  », explique Aurélia Genet.
Les capteurs ARC commercialisés par Cometec proposent une mesure entièrement compensée, avec transmission en 4-20 mA, sortie numérique et interface sans fil optionnelle. Utilisables en mode 4-20 mA 2 fils ou en 4-20 mA + RS485. Le transmetteur est logé dans la tête du capteur et mémorise toutes les données de la sonde incluant les informations de calibration, de diagnostic, et est accessible par différents outils.

Certains fournisseurs offrent des systèmes automatiques qui retardent l’encrassement en venant projeter une solution nettoyante sur le capteur mais il est rare de voir des stations d’épuration s’équiper de ces systèmes considérés comme trop chers dans ce cas de figure. En fait, ces systèmes se retrouvent presque exclusivement dans l’industrie, là où les process nécessitent de très finement contrôler le pH.

L’AquaMaster de Sigrist-Photometer est un système compact qui associe à la turbidité, le pH, la conductivité, le potentiel d’oxydo-réduction, l’oxygène dissous, la température et les matières organiques dissoutes (SAK254). En plus des avantages de la technologie numérique, l’encombrement de l’ensemble est réduit, le montage simple, limité à un support, et un seul branchement d’alimentation et de rejet d’eau est requis.

Comme on le sait, le pH - lié à la concentration en ions oxonium (H3O+) - traduit le niveau d’acidité (0 à 7) ou de basicité (7 à 14) d’une eau. Un pH-mètre est ainsi un capteur qui mesure la tension entre deux électrodes, une électrode de référence d’un côté et une électrode de mesure de l’autre côté. Le redox traduit lui le potentiel d’une eau à venir oxyder ou réduire autre une substance, sachant qu’un redox négatif indique que l’eau est oxydante tandis qu’un redox positif indique que l’eau est antioxydante. Dans une piscine à titre d’exemple, on estime qu’une eau est désinfectée et désinfectante quand le redox se situe à environ 650 mV. Au-delà de 750 mV, l’eau est considérée trop oxydante. Un redox-mètre est ainsi un capteur - le principe rappelle celui d’un pH-mètre - qui mesure une différence de potentiels entre une électrode de référence et une électrode de mesure là encore.

En terme commercial, les fournisseurs offrent le choix entre plusieurs standards de capteurs, avec pour principaux critères le matériau du diaphragme (téflon ou céramique), la finition de l’électrode (standard ou renforcé) ainsi que la nature de l’électrolyte (gel ou écoulement de KCl). «  Ce sont les conditions d’utilisation qui dictent les spécifications, explique Patrick Bret, responsable des produits d’analyse chez Krohne. Le diaphragme et le système de référence du capteur en verre sont fonction des besoins. On peut opter pour des capteurs ISFET si le bris de verre ne peut pas être toléré ou si les produits contiennent une grande quantité de solvants organiques. Et utiliser des capteurs en émail si la stabilité à long terme et une maintenance réduite sont indispensables  ». Dans une station de potabilisation par exemple, une électrode standard suffit généralement alors que, dans une station d’épuration, l’usage veut qu’on privilégie les capteurs renforcés par un corps plastique autour de l’électrode.

Chez Hach, les sondes Intellical sont automatiquement reconnues par les appareils HQD. Les données d’étalonnage sont conservées sur la sonde elle-même, supprimant ainsi le besoin de réétalonnage lors du changement de sondes.

Mais le capteur n’est pas le seul élément de la chaîne de mesure, il y a aussi les accessoires de montage et surtout le transmetteur (multiparamètre généralement) sur lequel on va pouvoir connecter un ou plusieurs capteurs. «  Le transmetteur va ensuite transmettre les données à l’automate ou au superviseur parce que, quand un exploitant fait le choix du numérique, c’est pour être capable de remonter les informations  », souligne Patrick Bret. La qualité de la prise d’échantillonnage est aussi un facteur clé pour réaliser une mesure fiable. C’est la raison pour laquelle Lutz-Jesco propose des panneaux d’analyse complet pH/redox/Cl2 avec un régulateur de débit et de pression intégré.

Les solutions numériques se développent

Parmi les solutions numériques disponibles sur le marché, on retrouve donc la gamme Memosens d’Endress+Hauser, avec notamment le capteur CPS11D pour le contrôle du pH dans les stations de potabilisation, le capteur CPF81D pour la surveillance du pH dans les stations d’épuration et le capteur CPF82D pour la surveillance du redox dans les stations d’assainissement.

Mais les solutions numériques se développent très rapidement chez de nombreux fabricants. Chez Mettler Toledo, les électrodes de pH/redox munies de la technologie Intelligent Sensor Management (ISM) enregistrent l’étalonnage et d’autres données dans leur mémoire embarquée, permettant le pré-étalonnage aisé à un emplacement adéquat.

Des outils de diagnostic informent les utilisateurs lorsqu‘il est nécessaire de procéder à l‘étalonnage d‘une sonde (Adaptive Calibration Timer) et à son nettoyage (Time To Maintenance). Ces diagnostics permettent d‘optimiser un point de mesure de manière permanente et d‘anticiper les situations critiques. Les ingénieurs chargés de l‘instrumentation peuvent ainsi intervenir avant que la production ne soit affectée.
Les capteurs sans fil IDS de Xylem peuvent être utilisés avec les nouveaux boîtiers portables ou de paillasses pour les paramètres pH, redox, conductivité et oxygène.

De même avec le IQ Sensor Net de Xylem Analytics, un système numérique de mesure pouvant être utilisé pour jusqu’à 4 capteurs ou comme réseau de mesure pour jusqu’à 20 capteurs. Chez Aqualabo Contrôle (marque Ponsel), toute une gamme de capteurs numériques communique en Modbus RS485 avec protocole ouvert. Les capteurs numériques différentiels pHD sc et capteurs pH/ORP de Hach sont équipés de composants électroniques numériques incorporés. Chez Yokogawa, les capteurs électrochimiques bénéficient d’une transmission numérique du signal vers le transmetteur grâce à SenCom (Sensor Communication). La numérisation du signal permet de fiabiliser la mesure renforcée sur de grandes distances. Chez Jumo, les électrodes avec électronique digiLine combinée assurent une transmission numérique anti-interférences des données pour une surveillance de process optimale.

La gamme Smartpat de Krohne est un autre exemple de gamme numérique disponible depuis 2014. «  C’est une gamme dans laquelle un convertisseur est embarqué dans le capteur, avec 100 % des fonctions d’un convertisseur en ligne. Cela permet de réduire le coût d’installation puisqu’il n’y a plus de convertisseur à installer et il n’y a plus de câble à tirer entre le capteur et le convertisseur  », avance Patrick Bret. Il s’ajoute à cela des avantages en termes d’étalonnage. «  Puisque chaque capteur est autonome avec son propre convertisseur, on peut retirer le capteur du process et le transporter pour réaliser l’étalonnage au laboratoire  », ajoute Patrick Bret. D’après Krohne, réaliser l’étalonnage au laboratoire avec un nettoyage méticuleux du capteur et une régénération de la membrane d’échange, permet de rallonger la durée de vie du capteur de trois à quatre fois. La gamme SmartPat comprend notamment la sonde Smartpat PH 1590 pour la surveillance du pH des eaux, la sonde Smartpat PH 8320 spécifique au contrôle des eaux usées et la sonde Smartpat ORP 1590 pour la surveillance du redox des eaux.

Le capteur numérique combiné pH/redox/T° d’Aqualabo Contrôle permet un étalonnage en 3 points grâce à son appareil Odeon, assurant fiabilité et précision des mesures. Toutes les données concernant l’étalonnage, l’historique et le traitement de la mesure sont enregistrés directement dans le capteur. Il est doté d’une technologie ultra basse consommation.


Pour rendre la mesure pH redox plus pratique et plus confortable, Xylem Analytics a développé de son côté de nouveaux modules radio pour capteurs IDS à tête enfichable universelle. Simplement branchés sur le capteur, ils sont capables de se connecter automatiquement à l’appareil de mesure, en toute sécurité et sans fil. Le module sur l’appareil IDS fonctionne en fonction du nombre de canaux disponibles, avec jusqu’à trois paramètres en simultanée..
Bürkert continue de son côté à accroître le nombre de cubes d’analyse
pour le système d’analyse en ligne de type 8905, afin de couvrir un plus grand nombrede paramètres de mesure.









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