FORMATION BAMO

FORMATION BAMOModule conductivité / résistivité

Émetteur : BP/PYB Mise à jour : 04/05/2011

SOMMAIRE1 - Rappels de base, notion de conductivité

2 – Mesure de la conductivité

3 – La chaîne de mesure de conductivité en détail3.1) La sonde de conductivité3.2) Le calculateur / transmetteur3.3) Les câbles et connecteurs3.4) Les sondes de température3.5) Les consommables et accessoires

1 – Rappels de base, notion de conductivité

• La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.

• Nous retiendrons que dans une solution il n'y a jamais de déplacement d'électrons libres (comme dans les métaux) . Le courant est dû à un déplacement d'ions . Les ions positifs vont dans le sens du courant .

• Cette notion est inversement proportionnelle à celle de résistivitéélectrique

• Parmi les meilleurs conducteurs, il y a les métaux (comme le cuivre ou l'aluminium) pour lesquels les porteurs de charge sont les « électrons libres » et, les solutions d'électrolytes (ayant des ions en solution). Pour ces dernières, la valeur de la conductivité dépend de la nature des ions présents dans la solution et de leurs concentrations.

1 – Rappels de baseUnités de conductivité - Résistivité

• Résistance :

• Conductance :

• Résistivité :

• Conductivité :

LSR× (unité en Ohm.m)

R

RG 1

=

SL

R×=

1σ (unité en S.m-1)

(unité en S ou mho)

(unité en Ohms)

1 – Rappels de base, notion de conductivité

La conductivité est une caractéristique d’une solution.

Elle dépend :- de la concentration des ions- de la nature des ions- de la température de la solution

La conductivité est utilisée pour :

⇒ Traduire la capacité d’une solution aqueuse à conduire le courant électrique⇒ Mesurer le taux de sels dissous dans une solution⇒ Qualifier le traitement de déminéralisation d’une eau entrant dans un procédé

Ex : sur une eau déminéralisée plus la Résistivité est grande plus la conductivité est faible

Eau déminéralisée = pas de sels = pas de transport d’ions

+

-

+

-

+

-

+

- +

- +

-

+

-

+

-

+

- +

-

+

-

+

-

2 – Mesure de la conductivitéApplications

L’eau déminéralisée est utilisée pour :

- Le nettoyage de circuit imprimés- Le rinçage de pièces en verre pour les écrans, les fenêtres, …- Les rinçages de pièces entre étapes de traitements de surfaces- La préparation avant peinture par cataphorèse- La surveillance de la conductivité sur les tours de refroidissement - La fabrication des semi-conducteurs

⇒ Permet d’éviter des dépôts de sels qui laissent des traces ou qui peuvent provoquer des courts circuits (primordial dans l’industrie des semi-conducteurs).

⇒ La surveillance de la conductivité, permet de garantir que l’eau reste " pure"

2 - Mesure de la conductivité• Application :

surveillance dans les tours ouvertes

• But : aide au fonctionnement en cas d’augmentation de la conductivitépour la purge

• plage usuelle : de 1.000 à 5.000 Ohms

2 - Mesure de la conductivité

• Application : rinçage entre les étapes de traitement de surface

• But : nettoyer les pièces entre chaque étape et éviter les pollutions entre les bains de traitement



• Application : préparation de peinture avant cataphorèse

• But : nettoyer les caisses pour permettre un dépôt homogène de qualité



• Application : fabrication de circuits imprimés

• But : rincer les plaques de circuits des sels de gravure ou de traitement

• plage usuelle : de 100.000 Ohms à 2MOhms


• Application : fabrication d’éléments en verre

• But : nettoyer les pièces entre chaque étape et assurer une qualité de finition

• plage usuelle : de 50.000Ohms à 5MOhms


• Application : fabrication de semi conducteurs

• But : emploi d’eau ultra-pure pour assurer une bonne fabrication

• plage usuelle :de 18 à 25MOhms

2 – Mesure de la conductivitéNotion de conductivité spécifique

• La mesure de la conductance des liquides revient en fait à la mesure de la résistance R d’une colonne cylindrique du liquide. La conductance est l’inverse de cette résistance.

• Étant donné que la conductance dépend des formes et des dimensions de la colonne de liquide, il est nécessaire d’introduire la notion de conductivité spécifique.

• Par définition, la conductivité spécifique d’une solution est la conductivité d’une colonne de liquide de section de 1 cm² et d’une longueur de 1 cm (volume 1cm3).

• La conductivité ou conductibilité spécifique d’une électrolyte, dit dans le langage courant « conductivité », est une grandeur spécifique qui ne dépend plus que de la nature de l’électrolyte et sa concentration.

2 – Mesure de la conductivitéMesure de la conductivité

Le principe de mesure de la conductivité se décrit comme suit : Deux électrodes sont placées dans un liquideOn applique une tension sinusoïdale alternative à ces deux électrodesLe courant produit entre les plaques est mesuré.

La conductivité résulte de la tension appliquée et du courant ainsi créé.

on mesure une conductance et les valeurs obtenues dépendent de la forme géométrique des électrodes.Afin d’obtenir une mesure standardisée, on a défini la conductivité comme le produit de la conductance et de la constante de cellule KCette constante K est le rapport entre la distance L séparant les électrodes et la surface d’une électrode.

K= L / S est exprimé en cm-1

SLR ×= ρ

U

IRU ×=

2 – Mesure de la conductivitéTension utilisée pour la mesure de conductivité

• Si la tension appliquée est continue, on peut mesurer directement le courant traversant la cellule. En revanche dans le temps, il se produit un phénomène de polarisation qui entraîne soit un dégagement gazeux, soit un dépôt sur les électrodes, soit une modification de la solution.

⇒ Dans tous les cas, ce phénomène perturbe et fausse la mesure

• Si la tension est alternative, une alternance détruit les effets de la précédente mais la solution n’est pas modifiée et reste néanmoins conductrice, ce qui rend possible la mesure de la résistance dans le temps. En fait en tension alternative, on ne mesure pas la résistance mais l’impédance globale de la boucle de mesure et le terme capacitif intervient de manière non négligeable dans certains cas.

+ -

dépôts


jwLjwC

RZ ++=1

Impédance Composant résistif

Composant inductif

Composant capacitif

CelluleCâble

Électronique

Négligeable

2 – Mesure de la conductivitéChoix de la constante de cellule :

• Pour les faibles conductivités, on utilise une constante de cellule assez basse (C=0,01cm-1) afin que la résistance de cellule, élément vu par le transmetteur, ne soit pas trop élevée. Dans ce cas, le terme capacitif n’est plus négligeable.

• Pour les conductivités élevées, on utilise une constante de cellule élevée (C=10cm-1) afin que la résistance de cellule ne soit pas trop faible. Dans ce cas, le courant qui passe dans la cellule est en effet élevé, ce qui peut donner lieu à la polarisation des électrodes (meme problème qu’en courant continu).

Les constantes de cellule permettent de :- Mesurer une valeur de résistance exploitable pour les appareils de mesure- Réduire les effets capacitifs parasites du à la fréquence ou la longueur du câble- Empêcher la polarisation des électrodes

De manière générale, la constante C découle de la plage de conductivité souhaitée

2 – Mesure de la conductivitéInfluence de la température

La température influe sur la conductivité d’une solution car elle augmente l’agitation thermique des ions dans la solution.

Exemple :- Si on passe de 20°C à 40°C : la conductivité augmente (les ions sont plus mobiles)- Si on passe de 20°C à 0°C : la conductivité diminue (les ions sont moins mobiles)

En première approximation, on peut retenir que :

La conductivité augmente de 2% par unité de °C

Une valeur de conductivité n’a de sens qu’à une valeur de température bien spécifiée (pour une mesure de concentration).


Mesure avec correction de températureDans ce cas, on cherche à mesurer la concentration de sels dissous

Exemple : Concentration d’une solution de NaCl

10MOhms à 20°C = 0,2mg/l de NaCl

20MOhms à 5°C = 0,2mg/l de NaCl

Mesure sans correction de températureDans ce cas, on cherche à mesurer la résistivité de la solution

Exemple : Isolation pour éviter la formation d’arcs électriques

R = 1,5MOhms à 20°C

R = 1MOhms à 40°C

Ici, la valeur critique est une concentration en NaCl, donc une résistivité à une température donnée.

⇒ Nécessité de mesurer la T°

Ici, la valeur critique est une résistivité, indépendamment de la concentration en ions.

⇒ Pas besoin de mesurer la T°

Différence entre une valeur ramenée à une référence et une valeur absolue

2 – Mesure de la conductivitéLes différents type de sondes :

1 - Mesure de conductivité avec sondes coaxiale

La mesure de conductivité est généralement réalisé à l’aide d’une sonde coaxiale. Les électrodes sont en acier inoxydable et l’isolant en polypropylène ou en PTFE.

Principe :L'enveloppe extérieure (jupe) entoure la partie active (âme centrale) et limite la zone de liquide servant à la mesure tout en assurant un parfait blindage par mise à la terre.

La constante de cellule ou coefficient est le rapport entre la valeur réellement mesurée par la sonde et la valeur indiquée par le résistivimètre.

Par exemple, une sonde à constante de cellule de 0,1, plongée dans un liquide avec une résistivité de 10 KOhms, ne mesure qu'une résistance de 1 KOhms. Le résistivimètre multiplie par 10 la mesure d'entrée et affiche donc 10 KOhms.

Compte tenu du coefficient de sonde (0,1 ou 0,01), les sondes coaxiales seront réservées à des mesures de résistivité comprises entre 10 KOhms et 30 MOhms.

2 – Mesure de la conductivité2 - Mesure de conductivité avec sondes toroïdales

Lorsque la conductivité est importante, on utilise des sondes toroïdales qui fonctionnent selon le principe de l’induction pour éviter des problèmes d’électrolyse (même problème qu’avec un courant continu).

Principe :c'est une mesure par induction électromagnétique, dans laquelle un bobinage torique est excité à fréquence fixe.

Le champ magnétique crée un champ électrique dans le fluide. Le courant récupéré sur le deuxième bobinage est directement proportionnel à la conductivité.

les sondes toroïdales seront réservées à des mesures de conductivité supérieures à 2 mS/cm.

Fluide

Bobine émettrice

Sonde Pt100 surmoulée

Bobine réceptrice

Orifice de passage

Corps de la sonde

3 – La chaîne de mesure en détail3.1) Sondes

Sondes coaxiales- Mesure en immersion ou circulation- Coefficient de 0,01 à 10- Avec ou sans compensation en température- Réalisation inox 316 / PVC / PTFE / Verre- Raccords tous types- Liaison en tête par boîtier ou connecteur

Sondes toroïdale- Mesure en immersion ou circulation- Réalisation PPH / PEEK- Raccord process tous types- Liaison en tête par boîtier ou connecteur

3 – La chaîne de mesure en détail

3.2) Le calculateur / afficheur

BAMOPHOX 322 R ou C

- Pour sondes coaxiales- Version résistivimètre ou conductivimètre- Coefficients de cellule 10 / 1 / 0,1 / 0,01- Échelles :

0 – 200 Ohm jusqu’à 0 - 200 MOhm0 - 2 µS jusqu’à 0 - 20 mS

BAMOPHOX 322 TOR- Pour sondes toroïdales- Échelles :

0 - 20 mS jusqu’à 0 - 2000 mS

Caractéristiques communes

Boîtier- Version murale ou encastrable

Compensation température- Automatique (avec Pt 100) ou manuelle

Options- Sortie RS422/J-bus + logger- Extension pour 2ème entrée de mesure

3 – La chaîne de mesure en détail3.3) Les câbles et connecteurs

Câbles- Câble coaxial aéré- Câble 3 fils blindés- Câble 8 conducteurs blindés- Longueurs standards : 5, 10, 20, 30m ou à longueur

Connecteurs- Connecteur BNC / BRG : 9054- Connecteur BNC Mâle à visser : 9050

3 – La chaîne de mesure en détail3.4) Les sondes de température

Corps de sonde de température Pt100- Exécution plastique :PPH ou PVDF- Exécution inox - Longueur du corps : de 50 à 999 mm

Connecteurs- Avec connecteur coaxial- Avec bornier de raccordement sous tête alu ou PVC

Raccordement mécanique- Pg 13.5- ½ ‘’G Gaz ou NPT


3.5) Les consommables et accessoires

Solutions étalonPour étalonnage des sondes

- Solution étalon 12,880mS à 25°C – 100ml- Solution étalon 84µS à 25°C – 100ml


Afficheur

Sondes

Câbles et connecteurs

Sonde de température

Consommables

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