Mesure de la conductivité : types de capteurs, constante de cellule et choix
La conductivité est l'indicateur indirect de la concentration en ions dissous dans l'eau ; elle sous-tend des décisions allant de la qualité de l'eau pure aux cycles de concentration des chaudières et des tours de refroidissement. Une surveillance en continu rend immédiatement visible une perte de cycles ou une fuite.
Que mesure la conductivité ?
La conductivité est un indicateur indirect de la concentration en ions dissous dans l'eau. Dans les solutions aqueuses, elle provient de la dissociation des acides, bases et sels dissous en ions positifs et négatifs. Dans l'eau ultrapure, où presque aucun ion n'est présent, il ne subsiste que quelques ions H₃O⁺ et OH⁻ et la conductivité est extrêmement faible ; cette conductivité propre de l'eau constitue la limite inférieure de l'échelle. Les unités pratiques sont le µS/cm et le mS/cm (1 mS = 1 000 µS) ; l'unité SI est le S/m.
La mesure consiste à appliquer une tension alternative à une cellule de deux ou quatre électrodes et à mesurer la résistance. Une constante de cellule compense la géométrie de la cellule et se détermine par étalonnage avec un étalon de conductivité. La conductivité dépendant de la température, le capteur contient un élément de température et la valeur est ramenée à une référence de 25 °C.
Quatre questions qui déterminent le choix du capteur
- Plage : l'eau ultrapure se situe à quelques µS/cm ou moins, l'eau de chaudière et de tour de refroidissement à des dizaines de milliers de µS/cm, les solutions concentrées à des centaines de mS/cm. La plage détermine la constante de cellule et le nombre d'électrodes.
- Milieu : eau propre, ou solution agressive qui laisse des dépôts ou un encrassement ? Dans le second cas, un capteur toroïdal (sans électrodes) entre en jeu.
- Conditions de process : température, pression, exigence CIP/SIP ou autoclave, et matériau en contact avec le fluide (acier inoxydable, PEEK, graphite, titane, platine).
- Raccordement et sortie : PG13.5, Tri-Clamp, NPT ou Varivent ; numérique Arc, 4-20 mA, capteur passif ou actif ; et le contrôleur auquel il se raccorde.
Comparaison des capteurs à 2 électrodes, à 4 électrodes et toroïdaux
| Type | Principe | Atout | Limite | Exemples de produits |
|---|---|---|---|---|
| À contact, 2 électrodes | Deux électrodes, résistance mesurée en tension alternative | Simple et économique ; sensible à faible conductivité (eau pure et ultrapure) | Une seule cellule ne couvre pas une large plage ; la constante de cellule est choisie selon la plage | Conducell UPW (0,01-1 500 µS/cm Arc), Conducell 2DC-PG (10 µS/cm - 20 mS/cm) |
| À contact, 4 électrodes | Quatre électrodes, bonne linéarité sur une large plage | Des traces jusqu'à une très forte conductivité avec un seul capteur | Pour la plage de l'eau ultrapure, un type UPW à 2 électrodes est plus adapté | Conducell 4UxF (1 µS/cm - 500 mS/cm analogique), Conducell 4US (0,1 µS/cm - 500 mS/cm) |
| Sans électrodes (toroïdal) | Mesure inductive sans contact avec bobines encapsulées | Insensible aux dépôts et à l'encrassement ; longue durée de vie dans les solutions agressives et concentrées | Les plages débutent à des centaines de µS/cm ; ne convient pas à l'eau pure | Capteurs toroïdaux Walchem CPVC et PEEK (500 µS/cm - 2 000 mS/cm) |
| À contact, type tour et chaudière | Électrode en graphite ou en inox, constante de cellule 0,01 - 10,0 | Le choix de la constante de cellule couvre les faibles et fortes conductivités ; accessoires de montage pour tours et chaudières disponibles | Ne convient pas aux milieux huileux ou formant des dépôts | Capteurs à contact Walchem (constante de cellule 1,0 : 0-30 000 µS/cm ; 10,0 : 0-300 000 µS/cm) |
Plage, température, pression et raccordement par famille
Les valeurs proviennent des catalogues et brochures des fabricants et sont rapportées à 25 °C. Envoyez le numéro de modèle pour obtenir le code de commande et les dernières valeurs techniques.
| Capteur | Plage de mesure | Constante de cellule | Température | Pression | Application |
|---|---|---|---|---|---|
| Hamilton Conducell UPW (en anglais) | Arc : 0,01-1 500 µS/cm ; analogique : 0,02-2 000 µS/cm | inférieure à 0,1/cm (2 électrodes) | 0-130 °C | 10 bar (130 °C) | Eau ultrapure, eau purifiée, WFI |
| Hamilton Conducell 4UxF (en anglais) | Arc : 1 µS/cm - 300 mS/cm ; analogique : 1 µS/cm - 500 mS/cm | 0,36/cm (4 électrodes) | -20 à 150 °C | 20 bar (135 °C) ; 10 bar (150 °C) | CIP, bioprocédé, chimie et pharmacie |
| Hamilton Conducell 4US (en anglais) | 0,1 µS/cm - 500 mS/cm | 0,147/cm (4 électrodes) | 0-135 °C | 0-20 bar (135 °C) | Suivi CIP, fermentation |
| Hamilton Conducell 2DC-PG (en anglais) | 10 µS/cm - 20 mS/cm | 1/cm (2 électrodes) | -5 à 80 °C | 6 bar | Eau et eaux usées |
| Walchem à contact (tour) (en anglais) | 0-30 000 µS/cm (constante de cellule 1,0) | 1,0 | Tour typique 0-70 °C | Polypropylène 10 bar ; acier inoxydable + PEEK 20 bar | Régulation de la purge de tour de refroidissement |
| Walchem à contact (chaudière) (en anglais) | 0-30 000 µS/cm ; la constante de cellule 10,0 avec W100/W600 atteint 0-300 000 µS/cm | 1,0 ou 10,0 | Chaudière typique 0-205 °C | 17,2 bar (250 PSI) | Purge de surface de chaudière |
| Walchem à contact (usage général) (en anglais) | Constante de cellule 0,01 : 0-0,3 mS ; 0,1 : 0-3 mS ; 1,0 : 0-30 mS ; 10,0 : 0-300 mS | 0,01 / 0,1 / 1,0 / 10,0 | Polypropylène 0-100 °C ; acier inoxydable 0-120 °C | PP 6,9 bar ; SS 13,8 bar | Système d'osmose inverse, ligne de condensats |
| Walchem toroïdal (en anglais) | 500 µS/cm - 2 000 mS/cm ; bandes étroites actives 0,1-1, 1-10, 10-100, 100-1 000 mS | 6,286 (modèle passif) | Corps CPVC et PEEK ; environ 70-120 °C selon le modèle | CPVC 140 PSI (environ 9,7 bar) ; PEEK 250 PSI (environ 17 bar) | Bain chimique, chromate, laveur de gaz |
Adapter la constante de cellule et la plage
Un même capteur ne fonctionne pas aussi bien à toutes les conductivités : une faible constante de cellule convient aux faibles conductivités et une constante élevée aux fortes conductivités. Avec les capteurs à contact Walchem compatibles avec les contrôleurs W100/W600, une constante de cellule de 0,01 atteint 0-0,3 mS, 0,1 atteint 0-3 mS, 1,0 atteint 0-30 mS et 10,0 atteint 0-300 mS.
La température influe directement sur la plage. Dans le tableau des multiplicateurs de plage de Walchem, la valeur est de 100 % à 25 °C, 181,3 % à 0 °C, 75,5 % à 40 °C, 55,6 % à 60 °C et 35,7 % à 100 °C, et 22,9 % à 180 °C pour le capteur toroïdal : sur une ligne chaude, la limite supérieure qu'un capteur peut mesurer est nettement inférieure à la valeur du catalogue. Vérifiez la plage à la température du process, et non à 25 °C.
L'élément de température intégré des capteurs Hamilton Conducell sert uniquement à la compensation de la conductivité et ne doit pas être utilisé pour réguler la température du process. Le manuel du 4UxF précise aussi que la constante de cellule dépend de la géométrie d'installation ; le capteur doit donc être étalonné dans une installation similaire à celle du process, et les joints toriques sont des pièces d'usure à remplacer au plus tard après un an.
Quel capteur pour quelle application ?
| Application | Pourquoi la conductivité | Approche capteur | Pour en savoir plus |
|---|---|---|---|
| Eau purifiée, WFI, eau ultrapure | Critère d'acceptation/rejet de la qualité d'eau pharmaceutique ; enregistrement continu | Capteur UPW à 2 électrodes conforme à l'USP 645, Arc ou VP6 | Conductivité de l'eau pure et USP 645 (en anglais) |
| Perméat d'osmose inverse et sortie EDI | Performance de la membrane et qualité de sortie | Capteur à contact à faible constante de cellule ou type UPW | Systèmes d'osmose inverse · Systèmes EDI |
| Eau de chaudière et condensats | Régulation de la purge de surface, de l'entraînement et du moussage ; pureté des condensats | Capteur à contact de type chaudière, constante de cellule 1,0 ou 10,0 | Conductivité de l'eau de chaudière (en anglais) |
| Tour de refroidissement | Cycles de concentration et consigne de purge | Constante de cellule 1,0, corps en polypropylène ou en acier inoxydable + PEEK | Automatisation des tours de refroidissement (en anglais) |
| CIP et agroalimentaire-boissons | Séparation des phases, rinçage, concentration des produits chimiques | 4 électrodes 4UxF ou 4US ; parties en contact conformes FDA | CIP et SIP expliqués (en anglais) |
| Bain chimique, chromate, laveur de gaz | Concentration du bain, alimentation en produits chimiques | Capteur toroïdal sans électrodes ; résultat en µS/cm, mS/cm, ppm ou % de concentration | Capteur de conductivité toroïdal (en anglais) |
Contrôleurs, transmetteurs et sorties
Walchem : les contrôleurs WebMaster exigent un capteur actif doté d'une électronique qui convertit le signal en tension ; pour les capteurs à contact, les séries W400, W600 et W100 fonctionnent avec des capteurs passifs. Les Intuition-6 et Intuition-9 disposent d'une entrée capteur universelle et acceptent les capteurs de conductivité à contact comme sans électrodes. Voir Contrôleurs Walchem pour le traitement de l'eau (en anglais).
Hamilton : les capteurs Arc délivrent directement un signal entièrement compensé en température en Modbus et 4-20 mA, de sorte qu'aucun transmetteur n'est nécessaire ; les capteurs analogiques (VP) se raccordent à une entrée de transmetteur.
Pour la mesure portable, voir le guide de l'analyseur d'eau portable (en anglais). Pour la gamme en ligne plus large, voir les analyseurs en ligne (en anglais) et les pages des marques Hamilton (en anglais) et Walchem (en anglais).
Si vous cherchez l'équivalent de votre instrument actuel, envoyez la marque et le modèle à [email protected] et nos ingénieurs proposeront l'équivalent à raccordement et plage de mesure identiques.
Questions fréquentes
Réponses techniques de Mikron Proses.
Comment choisir un capteur de conductivité ?
Quatre questions décident. 1) Plage attendue : l'eau ultrapure et le perméat d'osmose inverse sont à quelques µS/cm ou moins, l'eau de chaudière et de tour à des dizaines de milliers de µS/cm, les solutions concentrées à des centaines de mS/cm ; la plage détermine la constante de cellule et le nombre d'électrodes. 2) Milieu : eau propre, ou solution agressive qui recouvre ou encrasse les électrodes, auquel cas un capteur toroïdal (sans électrodes) est envisagé. 3) Conditions de process : température, pression, exigence CIP/SIP et autoclave. 4) Raccordement et sortie : PG13.5, Tri-Clamp, NPT, numérique Arc, 4-20 mA, capteur passif ou actif.
Quelle est la différence entre les capteurs de conductivité à 2 électrodes et à 4 électrodes ?
Les deux appliquent une tension alternative aux électrodes et mesurent la résistance. Une cellule à 2 électrodes est simple et économique et donne de très bons résultats à faible conductivité, comme l'eau ultrapure et l'eau purifiée ; le Hamilton Conducell UPW est à 2 électrodes et mesure 0,01-1 500 µS/cm en version Arc. Une cellule à 4 électrodes offre une large plage et une bonne linéarité : le Conducell 4UxF mesure de 1 µS/cm jusqu'à 500 mS/cm sur la sortie analogique et jusqu'à 300 mS/cm sur la sortie Arc. En règle générale, on utilise 2 électrodes pour l'eau pure à l'état de traces et 4 électrodes pour les procédés à large plage ou à forte conductivité.
Qu'est-ce qu'une constante de cellule et pourquoi est-elle importante ?
La conductivité s'obtient en appliquant une tension alternative à la cellule de mesure et en mesurant la résistance ; une constante de cellule compense la géométrie de la cellule et se détermine par étalonnage avec un étalon de conductivité. Une faible constante de cellule convient à une plage de faible conductivité et une constante élevée à une plage élevée. Les capteurs à contact Walchem existent en constantes de cellule 0,01 / 0,1 / 1,0 / 10,0 ; le catalogue Hamilton indique moins de 0,1/cm pour l'UPW, 0,147/cm pour le 4US, 0,36/cm pour le 4UxF et 1/cm pour le 2DC-PG. La constante de cellule dépend aussi de l'installation ; Hamilton recommande donc d'étalonner le capteur dans la géométrie où il est installé.
Quand préfère-t-on un capteur de conductivité toroïdal (sans électrodes) ?
Lorsque la solution recouvre, encrasse ou corrode les électrodes, comme dans les bains de nettoyage huileux, les solutions de chromate, les cuves de rinçage et les laveurs de gaz. Le capteur toroïdal encapsulé de Walchem n'établit aucun contact électrique direct avec la solution et n'est pas affecté par les films minces. Ses plages vont d'environ 500 µS/cm à 2 000 mS/cm (les modèles actifs à bande étroite débutent à 0,1-1 mS/cm) ; les eaux à très faible conductivité, comme l'eau pure et le perméat d'osmose inverse, exigent donc un capteur à contact ou de type UPW. Voir le guide du capteur de conductivité toroïdal (en anglais).
Pourquoi la conductivité est-elle donnée à 25 °C ?
La conductivité des solutions varie fortement avec la température ; la mesure est donc faite avec un élément de température (thermistance ou sonde RTD) et la valeur est ramenée à une référence de 25 °C. Dans le tableau de plages de Walchem, 25 °C est pris comme 100 % ; le multiplicateur est de 181,3 % à 0 °C, 55,6 % à 60 °C et 35,7 % à 100 °C, de sorte que la limite supérieure qu'un capteur donné peut mesurer diminue lorsque la température augmente. Vérifiez la plage à la température du process lors du choix d'un capteur.
Quel est le lien entre conductivité et TDS ?
Le TDS n'est pas mesuré directement ; il est calculé à partir de la conductivité avec un facteur. Ce facteur diffère selon chaque type d'eau, et les manuels d'exploitation des fabricants d'osmose inverse donnent la relation TDS = K × EC25 en précisant que K doit être déterminé pour chaque flux. Le conductimètre portable Pyxis SP-600 utilise par défaut 0,67 × µS/cm, et le facteur est réglable par l'utilisateur. Dans la régulation des chaudières et des tours, la conductivité est en général utilisée directement comme consigne, et la conversion en TDS ne sert qu'au reporting.
Quel étalon utilise-t-on pour étalonner un capteur de conductivité ?
Un étalon de conductivité proche de la plage attendue. Le catalogue Hamilton répertorie des étalons à 1,3 / 5 / 15 / 84 / 100 / 147 / 706 / 1 413 / 12 880 / 100 000 µS/cm (25 °C) ; les étalons de 1,3 et 5 µS/cm sont proposés avec une exactitude certifiée de 1 %. Les étalons classiques de faible conductivité dérivent après ouverture du flacon, car ils absorbent le CO₂ ; la formulation Hamilton à matrice de glycérine est indiquée comme évitant ce problème. Pour l'eau pure, la méthode détaillée figure dans le guide de la conductivité de l'eau pure (en anglais).
Pages associées
- Capteurs de conductivité Hamilton Conducell (en anglais)
- Analyseurs en ligne (en anglais)
- Contrôleurs Walchem pour le traitement de l'eau (en anglais)
- Conductivité de l'eau pure et USP 645 (en anglais)
- Guide du capteur de conductivité toroïdal (en anglais)
- Guide de la conductivité de l'eau de chaudière (en anglais)
- Guide de l'automatisation des tours de refroidissement (en anglais)
- Hamilton (en anglais)
- Walchem (en anglais)
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