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Guide de la mesure de conductivité Reinhard Manns Remarque : cette brochure a é

Guide de la mesure de conductivité Reinhard Manns Remarque : cette brochure a été écrite en notre âme et conscience. Nous n’assumons pas la responsabilité d’éventuelles erreurs. Dans tous les cas, les notices de mise en service des appareils concernés prévalent. Avant-propos La mesure de conductivité est un procédé simple à mettre en œuvre pour déterminer et surveiller la concentration totale en sels dans les eaux. On la rencontre dans de nombreux domaines d’analyses industrielles et de l’environnement. Qu’il s’agisse du nettoyage des conduites de remplissage dans une laiterie ou de la protection du système de refroidissement dans une usine de production d’én- ergie, les opérations correctes dépendent toujours de la valeur de la conductivité. Ce guide présente les notions électrochimiques sous-jacentes et les applications typiques, dans une forme généralement compréhensible. Elle apporte en plus des indications sur l’état de l’art des convertisseurs de mesures, régulateurs et capteurs pour la mesure de cette grandeur. Nous maintenons ce « Guide de la mesure de conductivité » constamment à jour et appelons nos lecteurs à contribuer à un échange d’expérience et de connaissances. Nous accueillerons volontiers toute réaction ou contribution à la discussion. Fulda, avril 2007 Reinhard Manns Ingenieur dipl. (FH) Reproduction autorisée avec mention de la source! Numéro d’article : 00411340 Numéro de livre : FAS 624 Date d’impression : 04.07 JUMO Régulation SAS Actipôle Borny 7 rue des Drapiers B.P. 45200 57075 Metz - Cedex 3, France Tél. : +33 3 87 37 53 00 Fax : +33 3 87 37 89 00 E-Mail : info@jumo.net Internet : www.jumo.fr JUMO Mess- und Regeltechnik AG Laubisrütistrasse 70 8712 Stäfa, Suisse Tél. : +41 44 928 24 44 Fax : +41 44 928 24 48 E-Mail : info@jumo.ch Internet : www.jumo.ch JUMO AUTOMATION S.P.R.L. / P.G.M.B.H. / B.V.B.A Industriestraße 18 4700 Eupen, Belgique Tél. : +32 87 59 53 00 Fax : +32 87 74 02 03 E-Mail : info@jumo.be Internet : www.jumo.be Guide de la mesure de conductivité Sommaire 1 Bases ................................................................................................. 7 1.1 Généralités .......................................................................................................... 7 1.2 Méthodes de mesure de la conductivité .......................................................... 8 1.2.1 Généralités ............................................................................................................ 8 1.2.2 Constante de cellule ............................................................................................. 9 1.2.3 Tension alternative .............................................................................................. 10 1.2.4 Principes de mesure ........................................................................................... 10 1.2.5 Cellule de mesure à induction ............................................................................ 12 2 Technique de mesure ..................................................................... 13 2.1 Construction d’un dispositif de process ........................................................ 13 2.1.1 Cellule de mesure ............................................................................................... 13 2.1.2 Armatures ........................................................................................................... 14 2.1.3 Convertisseur de mesure/régulateur .................................................................. 14 2.1.4 Matériau des câbles de raccordement et autres ................................................ 15 2.2 Mise en service du dispositif de mesure ........................................................ 15 2.2.1 Point de mesure .................................................................................................. 15 2.2.2 Calibrage/réglage ............................................................................................... 15 2.2.3 Conditions de mesure ......................................................................................... 17 2.2.4 Solutions de référence ........................................................................................ 20 3 Assurance-qualité .......................................................................... 21 3.1 Documentation .................................................................................................. 21 3.2 Entretien ............................................................................................................ 23 3.3 Problèmes/Mesures ......................................................................................... 25 3.4 Nettoyage .......................................................................................................... 25 3.5 Possibilités de test sur le terrain ..................................................................... 26 3.6 Stockage de la cellule de mesure ................................................................... 26 4 Applications .................................................................................... 27 4.1 Stations d’épuration d’eaux usées .................................................................. 27 4.2 Galvanisation ..................................................................................................... 28 4.3 Installations de remplissage de boissons ...................................................... 28 4.4 Usines de production d’énergie ...................................................................... 29 4.5 Pharmacie .......................................................................................................... 31 4.6 Stations de déminéralisation totale ................................................................ 32 4.7 Mesure de la concentration ............................................................................. 33 Guide de la mesure de conductivité 5 Aspects juridiques ......................................................................... 35 6 Sources ........................................................................................... 37 7 Annexe ............................................................................................ 39 7.1 Exemple de rapport d’essai d’une cellule de mesure ................................... 39 7.2 Exemple de certificat de calibrage d’un convertisseur de mesure .............. 40 Sommaire 1 Bases 7 JUMO, FAS 624, édition 04.07 1 Bases 1.1 Généralités La conductivité1 (J)2 exprime la propriété d’un matériau de conduire le courant électrique. Dans les cas des métaux, c’est le mouvement des électrons qui assure le passage du courant. Dans les so- lutions aqueuses, ce sont les ions qui effectuent le transport des charges. Les ions résultent de la dissolution de sels, acides et bases. Plus le liquide contient d’ions, mieux il conduit le courant. Figure 1 : les sels se décomposent en ions chargés positivement et négativement. Cette relation entre la concentration en ions et la capacité de conduire le courant électrique fait de la conductivité une grandeur intéressante à mesurer dans l’analyse de l’eau. Elle convient très bien pour déterminer la concentration en sels dissous. Le résultat de la mesure de conductivité ne s’exprime pas en mg/l, ni en pourcentage, mais en S/m (siemens par mètre). En pratique, les unités usitées sont les sous-multiples µS/cm et mS/cm. Tableau 1 : conversion des unités de conductivité. Le tableau suivant rappelle la relation entre concentration de sel et conductivité. Tableau 2 : exemples de valeurs de conductivité. 1 Il s’agit précisément de la conductivité électrique spécifique. 2 Le symbole de la conductivité électrique a été N (kappa) ou F (khi). Depuis 1993, la norme européenne EN 27 888 impose J (gamma). S/m S/cm mS/cm µS/cm S/m 1 0,01 10 10.000 S/cm 100 1 1.000 1.000.000 mS/cm 0,1 0,001 1 1.000 µS/cm 0,000 1 0,000 001 0,001 1 Eau ou solution aqueuse Plage de conductivité à 25°C Concentration en sel Eau ultra-pure 0,055µS/cm 0mg/l Eau déminéralisée 0,055 à 2µS/cm 0 à 1mg/l Eau de pluie 10 à 50µS/cm 5 à 20mg/l Eaux souterraines, eaux de ruissellement et eau potable 50 à 1000µS/cm 20 à 50mg/l Eau de mer 20 à 60mS/cm 10 à 40g/l Solution de sel de cuisine 77 à 250mS/cm 50 à 250g/l 1 Bases 8 1 Bases JUMO, FAS 624, édition 04.07 1.2 Méthodes de mesure de la conductivité 1.2.1 Généralités Le principe de base de la mesure de conductivité est le même dans toutes les méthodes : l’ap- pareil de mesure applique une tension électrique à la solution à mesurer. Un courant électrique cir- cule en fonction de la conductivité. Suivant la méthode ou l’application, l’appareil de mesure impo- se une tension constante et enregistre la variation du courant électrique, ou bien l’appareil de me- sure impose un courant constant et évalue la variation de tension. Figure 2 : schéma d’une cellule de mesure de conductivité. Les deux principes s’appuient sur la loi d’ohm. R : résistance électrique I : intensité du courant électrique U : tension électrique ou conversion pour la conductivité G : Conductance J : conductivité électrique (spécifique) I : intensité du courant électrique U : tension électrique k’ : constante de cellule À tension constante, le courant augmente proportionnellement à la conductivité. À courant con- stant, la tension diminue quand la conductivité augmente. Comme le montre la loi d’Ohm, la mesu- re de conductivité est en fait une mesure de résistance. La valeur inverse I/U donne la conductivité à partir de la résistance. R U I - - - - 1 G - - - - = = (1) J I U - - - - k’ y = (2) 1 Bases 9 1 Bases JUMO, FAS 624, édition 04.07 1.2.2 Constante de cellule La conductivité, comme la résistance, dépend des dimensions physiques des conducteurs élec- triques. La longueur et la section du conducteur déterminent la constante de cellule. Figure 3 : représentation schématique de la surface active. Avec une faible longueur de conducteur, les électrodes sont proches l’une de l’autre. Plus la di- stance entres les électrodes est faible, plus faible est la résistance de la solution soumise à la me- sure. L’effet des électrodes sur les ions augmente. Une grande section de conducteur équivaut à une grande surface des électrodes. Plus la surface des électrodes est grande, plus faible est la résistance de la solution soumise à la mesure. Plus la surface augmente, plus nombreux sont les ions qui se trouvent dans la zone d’influence des élec- trodes. La section du conducteur électrique est en règle générale supérieure à la surface des électrodes. Les électrodes n’agissent pas seulement sur les ions qui se trouvent directement entres les élec- trodes, mais aussi sur ceux des zones limitrophes. L’effet du champ des électrodes sur les ions di- minue avec la distance. Les champs limitrophes peuvent être délimités par la conception de la cel- lule ou l’endroit où elle est installée, par exemple les parois d’un tube. Ces effets sont pris en compte dans la constante de cellule. k’ : constante de cellule l : longueur du conducteur A : section du conducteur Il s'agit donc pour la conductivité électrique (spécifique) g d'une grandeur spécifique à la matière qui contrairement à la conductance J ne dépend pas des facteurs géométriques. La valeur exacte de la constante de cellule est obtenue par calibrage avec une solution de référence dont la con- ductivité dépendante de la température est connue. k’ I A - - - = (3) 1 Bases 10 1 Bases JUMO, FAS 624, édition 04.07 1.2.3 Tension alternative Le courant électrique entre les électrodes dépend du mouvement des ions à travers la solution à mesurer. Le ions se déplacent pendant la mesure vers l’électrode de charge opposée. Chaque ion qui appartient à une surface d’électrode équilibre une partie de la tension entre les électrodes. Comme il n’est plus en mouvement, il bloque le courant électrique. Cet effet uploads/Industriel/ conductivite.pdf