FR2766271A1 - Procede et dispositif de mesure de la conductivite d'une solution assurant le controle de la polarisation des electrodes - Google Patents
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Abstract
Procédé et dispositif de mesure de la conductivité d'une solution permettant de s'affranchir des effets de la polarisation, de la capacité du câble et de la cellule de mesure, caractérisé en ce que. la polarisation est évaluée en calculant une grandeur sans dimension,. la conductivité de la solution est déterminée par l'évaluation de la partie réelledu rapport (CF DESSIN DANS BOPI) . la fréquence du signal de mesure est adaptée automatiquement de manière à pouvoir effectuer une nouvelle mesure :* si la valeur de conductivité calculée est supérieure à une fourchette prédéterminée et si la valeur représentative du niveau de polarisation se situe hors d'une plage également prédéterminée,* si la valeur de conductivité calculée est inférieure à la fourchette prédéterminée et si le produit de la capacité du câble et de la cellule par la fréquence du signal de mesure se situe hors d'une plage prédéterminée,. la mesure est invalidée si la grandeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à une valeur seuil prédéterminée quand la fréquence du signal de mesure ne peut plus être adaptée.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA CONDUCTIVITÉ D'UNE
SOLUTION ASSURANT LE CONTROLE DE LA POLARISATION DES
ELECTRODES.
SOLUTION ASSURANT LE CONTROLE DE LA POLARISATION DES
ELECTRODES.
La présente invention concerne un procédé permettant d'effectuer une mesure directe en continu de la conductivité d'une solution tout en vérifiant l'intégrité des électrodes, et donc la fiabilité de la mesure, en contrôlant leur niveau de polarisation.
Cette invention concerne également un dispositif mettant en oeuvre ce procédé.
ART ANTERIEUR
Dans la mesure de conductivité par sonde à deux électrodes, le courant est fourni par celles-ci. Un mécanisme d'échange d'électrons se produit à l'interface entre la solution et les électrodes. Cette réaction a besoin d'énergie et occasionne une chute de tension indépendante de la conductivité. Ce phénomène, connu sous le nom de polarisation, est responsable d'erreurs de mesure.
Dans la mesure de conductivité par sonde à deux électrodes, le courant est fourni par celles-ci. Un mécanisme d'échange d'électrons se produit à l'interface entre la solution et les électrodes. Cette réaction a besoin d'énergie et occasionne une chute de tension indépendante de la conductivité. Ce phénomène, connu sous le nom de polarisation, est responsable d'erreurs de mesure.
Des dispositifs ont été mis en oeuvre pour tenter de mesurer la polarisation et/ou de la rendre minime en la contrecarrant.
Le brevet EP 288.099 décrit un procédé permettant de rendre minime la polarisation en calculant la fonction exponentielle du courant ou de la tension à partir de trois valeurs d'échantillonnage à trois instants différents, la résistance et la partie imaginaire de l'impédance de la solution entre les électrodes étant déterminées à partir de cette fonction.
Le brevet SU 440.591 décrit un circuit de mesure de conductivité conçu de manière à réduire entre autres les effets de la polarisation d'une électrode. Son réseau de dépolarisation contient une diode, une résistance et un potentiomètre connectés à la cellule de mesure.
Le brevet US 3.879.657 décrit un appareil possédant un circuit produisant une impulsion pour fournir aux électrodes de conductivité une tension alternative de courte durée permettant de réduire la polarisation.
Le brevet US 4.831.324 décrit un procédé et un appareil pour analyser l'impédance des électrodes. Une tension alternative à fréquence variable est appliquée à une paire d'électrodes planes plongées dans l'échantillon liquide. L'impédance complexe entre les électrodes est mesurée à chaque fréquence. La valeur maximale des valeurs absolues des parties imaginaires est détectée comme étant la résistance de polarisation. La résistance de la solution est calculée en soustrayant ladite valeur de résistance de polarisation de la partie réelle de l'impédance correspondant au maximum de la partie imaginaire du signal.
Ce système présente notamment l'inconvénient de fournir le résultat recherché par soustraction de deux valeurs mesurées susceptibles d'être voisines, ce qui entraîne obligatoirement une imprécision du résultat. En outre, il présente des défauts de répétabilité de +50% dès que les températures dépassent 150 C.
Un autre inconvénient de ce système est qu'il ne tient pas compte de la capacité du câble reliant la sonde à l'appareil et limite ainsi considérablement la fiabilité de la mesure en introduisant une erreur systématique dans le calcul.
OBJET ET BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'objet de la présente invention est de réaliser un procédé, et ie dispositif le mettant en oeuvre, permettant d'optimiser sur une large plage la précision d'une mesure de conductivité.
L'objet de la présente invention est de réaliser un procédé, et ie dispositif le mettant en oeuvre, permettant d'optimiser sur une large plage la précision d'une mesure de conductivité.
Cette mesure est effectuée en appliquant aux électrodes un signal périodique.
Le phénomène de polarisation et la capacité du câble reliant le capteur au module électrique et de la cellule de mesure (appelée par la suite capacité du câble) sont deux particularités affectant la précision de la mesure de conductivité. Leurs effets sont conséquents dans des conditions opposées
- la polarisation a une grande influence sur les fortes conductivités à basses fréquences;
- la capacité du câble induit une erreur significative sur les faibles conductivités à fréquences élevées.
- la polarisation a une grande influence sur les fortes conductivités à basses fréquences;
- la capacité du câble induit une erreur significative sur les faibles conductivités à fréquences élevées.
Le procédé selon la présente invention permet de déterminer et d'adapter la fréquence du signal de mesure et limite ainsi au mieux les effets de la polarisation et ceux de la capacité du câble. La difficulté est donc de sélectionner une fréquence suffisamment grande pour limiter la polarisation sans favoriser les effets liés à la capacité du câble, cette sélection dépendant en outre de l'ordre de grandeur de la conductivité à mesurer. Cette capacité à limiter les effets de la polarisation et de la capacité du câble offerte part le procédé de la présente invention a en outre pour effet direct d'élargir considérablement la plage de mesure de conductivité.
Le procédé selon la présente invention permet aussi d'évaluer la fiabilité de la mesure en émettant un signal d'alarme quand, malgré l'adaptation de la fréquence du signal de mesure, les effets de la polarisation et de la capacité du câble demeurent trop importants et affectent cette mesure de manière significative.
Une autre caractéristique de l'invention est donc de négliger, et non de corriger ou de compenser par des artifices de calcul, les effets de la polarisation une fois l'adaptation de la fréquence effectuée et le niveau de polarisation vérifié.
Ainsi, selon l'invention, le procédé pour effectuer la mesure précise sur une large plage de la conductivité d'une solution permettant de s'affranchir des effets de la polarisation et de la capacité du câble et de la cellule de mesure comprenant les étapes consistant à
- évaluer une fois pour toutes la capacité du câble et de la cellule de mesure;
- appliquer aux électrodes un signal périodique de fréquence variable;
- transmettre le signal émis par la sonde de mesure à un dispositif de calcul évaluant la conductivité de la solution et la polarisation des électrodes;
- évaluer la fiabilité de la mesure et faire, si nécessaire, une nouvelle mesure; et
- afficher le résultat de cette mesure ou générer un signal d'alarme
est caractérisé en ce que
la polarisation est évaluée en calculant une grandeur sans dimension représentative de son niveau,
la conductivité de la solution est déterminée par l'évaluation de la partie réelle du rapport courant, cette partie étant dans ce cas proportionnelle à la
tension conductivité,
la fréquence du signal de mesure est adaptée automatiquement de manière à pouvoir effectuer une nouvelle mesure
* si la valeur de conductivité calculée est supérieure à une fourchette prédéterminée et si la valeur représentative du niveau de polarisation se situe hors d'une plage également prédéterminée,
* si la valeur de conductivité calculée est inférieure à la fourchette prédéterminée et si le produit de la capacité du câble et de la cellule par la pulsation du signal de mesure se situe hors d'une plage prédéterminée
la mesure est invalidée si la grandeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à une valeur seuil prédéterminée quand la fréquence du signal de mesure ne peut plus être adaptée.
- évaluer une fois pour toutes la capacité du câble et de la cellule de mesure;
- appliquer aux électrodes un signal périodique de fréquence variable;
- transmettre le signal émis par la sonde de mesure à un dispositif de calcul évaluant la conductivité de la solution et la polarisation des électrodes;
- évaluer la fiabilité de la mesure et faire, si nécessaire, une nouvelle mesure; et
- afficher le résultat de cette mesure ou générer un signal d'alarme
est caractérisé en ce que
la polarisation est évaluée en calculant une grandeur sans dimension représentative de son niveau,
la conductivité de la solution est déterminée par l'évaluation de la partie réelle du rapport courant, cette partie étant dans ce cas proportionnelle à la
tension conductivité,
la fréquence du signal de mesure est adaptée automatiquement de manière à pouvoir effectuer une nouvelle mesure
* si la valeur de conductivité calculée est supérieure à une fourchette prédéterminée et si la valeur représentative du niveau de polarisation se situe hors d'une plage également prédéterminée,
* si la valeur de conductivité calculée est inférieure à la fourchette prédéterminée et si le produit de la capacité du câble et de la cellule par la pulsation du signal de mesure se situe hors d'une plage prédéterminée
la mesure est invalidée si la grandeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à une valeur seuil prédéterminée quand la fréquence du signal de mesure ne peut plus être adaptée.
Pour mettre en oeuvre ce procédé, on réalise un appareil mesurant directement en continu la conductivité d'une solution et contrôlant périodiquement ou à chaque mesure le niveau de polarisation des électrodes.
Pour parvenir à ce résultat, deux étapes essentielles sont utilisées
1. L'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure. Elle permet d'effectuer la mesure dans les conditions optimales c'est-à-dire les conditions dans lesquelles les effets de la polarisation et de la capacité du câble sont minimaux. Ainsi, la mesure n'est pas affectée ou affectée de manière non significative par ces effets.
1. L'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure. Elle permet d'effectuer la mesure dans les conditions optimales c'est-à-dire les conditions dans lesquelles les effets de la polarisation et de la capacité du câble sont minimaux. Ainsi, la mesure n'est pas affectée ou affectée de manière non significative par ces effets.
2. Le niveau de polarisation est évalué en calculant une grandeur sans dimension. Cette grandeur a deux objets
a. elle permet l'émission d'un signal d'alarme lorsque qu'elle dépasse une valeur seuil, c'est-à-dire quand la polarisation est telle qu'elle fausse la mesure de conductivité de manière significative;
b. mais elle constitue aussi la valeur de référence permettant l'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure quand la conductivité mesurée est élevée; quand elle est faible, c'est le produit de la capacité du câble par la pulsation du signal de mesure qui est utilisé pour évaluer le besoin d'adaptation de la fréquence.
a. elle permet l'émission d'un signal d'alarme lorsque qu'elle dépasse une valeur seuil, c'est-à-dire quand la polarisation est telle qu'elle fausse la mesure de conductivité de manière significative;
b. mais elle constitue aussi la valeur de référence permettant l'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure quand la conductivité mesurée est élevée; quand elle est faible, c'est le produit de la capacité du câble par la pulsation du signal de mesure qui est utilisé pour évaluer le besoin d'adaptation de la fréquence.
L'appareil selon l'invention comporte donc principalement:
- un générateur de signal périodique dont la fréquence peut prendre différente valeurs;
- une sonde de mesure; et
- une unité de calcul permettant d'élaborer les grandeurs caractéristiques du procédé (capacité du câble, niveau de polarisation, conductivité etc...).
- un générateur de signal périodique dont la fréquence peut prendre différente valeurs;
- une sonde de mesure; et
- une unité de calcul permettant d'élaborer les grandeurs caractéristiques du procédé (capacité du câble, niveau de polarisation, conductivité etc...).
Le procédé selon la présente invention utilise les propriétés de cet appareil pour calculer la conductivité sur une large plage et surveiller la polarisation. La fiabilité de la mesure de conductivité effectuée par l'appareil selon l'invention est basée sur le fait que le niveau de polarisation est toujours maintenu en dessous d'un certain seuil. Dans ce cas, I'erreur de mesure de la conductivité due à la polarisation est négligée. La performance de l'appareil repose sur l'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure permettant de travailler sur une large plage.
L'appareil et son procédé de mesure permettent donc en permanence de mener en parallèle le contrôle de l'état des électrodes et l'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure et d'en conclure si les mesures obtenues sont fiables ou non.
DESCRIPTION DES FIGURES
La figure la représente le schéma électrique de la sonde et du câble d'un dispositif de mesure de conductivité.
La figure la représente le schéma électrique de la sonde et du câble d'un dispositif de mesure de conductivité.
La figure lb représente le schéma vectoriel correspondant au schéma électrique de la figure la.
La figure lc représente le schéma électrique de la figure la simplifié.
La figure 2 représente le synoptique d'un exemple de réalisation d'un appareil de mesure de la conductivité contrôlant le niveau de polarisation selon la présente invention.
La figure 3 représente le rapport conductivité réelle / conductivité mesurée, cette mesure étant effectuée pour deux fréquences fixes de signal de mesure et une auto-programmable.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La présente invention sera mieux comprise en considérant les figures la à lc.
La présente invention sera mieux comprise en considérant les figures la à lc.
La polarisation se produisant dans un système de mesure de la conductivité d'une solution se définit comme une chute de tension occasionnée indépendamment de la conductivité par le besoin d'énergie nécessaire au mécanisme d'échange d'électrons sur lequel est basé le principe de cette mesure.
L'équivalent électrique de la sonde et de son câble est représenté figure la où
Rp est la partie résistive de la polarisation
Cp est la capacité liée à la polarisation
Rx est la résistance de la solution
Cc est la capacité du câble et de la cellule
Le schéma vectoriel équivalent est représenté figure lb
Ix étant le courant dans Rx
étant le courant dans Cc (capacité du câble et de la cellule)
I étant le courant total
V étant la tension appliquée
Dans cette représentation, la partie résistive Rp est négligée devant la partie capacitive Cc car on observe généralement un déphasage de 900 de la tension de polarisation par rapport au courant traversant la cellule.
Rp est la partie résistive de la polarisation
Cp est la capacité liée à la polarisation
Rx est la résistance de la solution
Cc est la capacité du câble et de la cellule
Le schéma vectoriel équivalent est représenté figure lb
Ix étant le courant dans Rx
étant le courant dans Cc (capacité du câble et de la cellule)
I étant le courant total
V étant la tension appliquée
Dans cette représentation, la partie résistive Rp est négligée devant la partie capacitive Cc car on observe généralement un déphasage de 900 de la tension de polarisation par rapport au courant traversant la cellule.
Le schéma électrique de la figure la est alors simplifié tel que représenté figure lc.
Pour mesurer la conductivité d'une solution, on établit le rapport courant (I/V).
tension
Par des systèmes d'échantillonnage en phase ou déphasés de s/2 il est possible de connaître les parties réelle et imaginaire de la conductance de la cellule de mesure.
Par des systèmes d'échantillonnage en phase ou déphasés de s/2 il est possible de connaître les parties réelle et imaginaire de la conductance de la cellule de mesure.
Soit V la tension alternative appliquée et I le courant total, les parties réelles et imaginaires sont:
Cette équation permet de calculer la valeur de la conductivité d'une solution.
Toutefois, pour que ce calcul soit possible, il faut connaître la valeur de la capacité du câble et de la cellule Cc. Celle-ci est invariable dans le temps et fonction bien sûr de la cellule de mesure utilisée ainsi que de l'installation (caractéristique et longueur du câble...).
Pour calculer cette capacité, on effectue la mesure de la partie imaginaire de l'équation C à deux pulsations différentes cal et 2
Soit m1 et m2 les parties imaginaires de la conductance (rapport I/V) à deux pulsations différentes, on obtient alors
( 1 ) m1 = Cc #1 + 1 (#-1) (eq. I)
Rx C##1
( 1') m2 = Cc #2 + 1 (#-1) (eq. I')
Rx Cp #2 m1 #1 Cc #1 + Rx Cp
R,Z Cp
m2 #2 = Cc #2 + 1
Rx Cp
Les modules des parties réelles et imaginaires sont du même ordre de grandeur.
Soit m1 et m2 les parties imaginaires de la conductance (rapport I/V) à deux pulsations différentes, on obtient alors
( 1 ) m1 = Cc #1 + 1 (#-1) (eq. I)
Rx C##1
( 1') m2 = Cc #2 + 1 (#-1) (eq. I')
Rx Cp #2 m1 #1 Cc #1 + Rx Cp
R,Z Cp
m2 #2 = Cc #2 + 1
Rx Cp
Les modules des parties réelles et imaginaires sont du même ordre de grandeur.
D'autre part, les pulsations ol et w2 sont suffisamment éloignées pour permettre une application précise des formules.
En effectuant la différence entre les deux équations (I) et (I') on obtient la valeur de la capacité du câble et de la cellule
Selon une variante, la capacité du câble et de la cellule est définie en mesurant, comme dans le premier procédé, la partie imaginaire à deux pulsations différentes.
Toutefois, dans ce cas, les électrodes composant la sonde ne sont pas laissées au contact de l'échantillon. Dans ces conditions, la mesure ne présente pas de polarisation et le schéma électrique équivalent du système de mesure se réduit à la capacité du câble et des électrodes Cc.
Les équations (I) et (I') se réduisent aux relations suivantes
ml = Cc o > (Q -1) (eq. III)
m2 = Cc cor (Q -1) (eq. III')
La capacité du câble est alors donnée par la formule (II') simplifiée
(5') Cc = m1 - m2 (eq. II')
#1 - #2
La mesure de la capacité du câble est faite une fois pour toutes.
ml = Cc o > (Q -1) (eq. III)
m2 = Cc cor (Q -1) (eq. III')
La capacité du câble est alors donnée par la formule (II') simplifiée
(5') Cc = m1 - m2 (eq. II')
#1 - #2
La mesure de la capacité du câble est faite une fois pour toutes.
La valeur de la capacité du câble et de la cellule étant connue, il reste à connaître la valeur de la polarisation pour être en mesure d'appliquer l'équation A et de déterminer la conductivité de la solution analysée.
Selon le procédé de l'invention, la polarisation est évaluée par le terme 1/RxCp#. Ce nombre sans dimension est calculé à partir de la formule (IV) suivante
1 = Rx (m - Cc #) < S Rx Cp # (eq. IV)
m étant la partie imaginaire de la conductivité et
Rx étant la partie réelle de la conductivité
Soit S une valeur définie en fonction de l'exactitude de mesure souhaitée et des conditions opératoires. On pose que la grandeur sans dimension représentative du niveau de polarisation de la cellule doit être inférieure à S. Si tel est le cas, la mesure est prépondérante sur les effets de la polarisation ce qui se traduit par la relation Rx2 Cp2 W2 > > 1
Notons que dans la pratique, la fréquence est ajustée pour que Rx > 1/Cpo
Le rapport entre la tension et le courant mesuré devient alors
I (eq. I
- = R + ( Cc W + ) i (eq. V)
V Rx Rx2 Cp W
Comme évoqué précédemment, le dispositif de mesure permet par des systèmes d'échantillonnage en phase ou déphasé de x/2 de connaître les parties réelle et imaginaire de la conductance de la cellule de mesure. La partie réelle 1/Rx permet d'obtenir directement la valeur de la conductivité de l'échantillon en multipliant cette valeur par la constante de cellule K
1 # = K .
1 = Rx (m - Cc #) < S Rx Cp # (eq. IV)
m étant la partie imaginaire de la conductivité et
Rx étant la partie réelle de la conductivité
Soit S une valeur définie en fonction de l'exactitude de mesure souhaitée et des conditions opératoires. On pose que la grandeur sans dimension représentative du niveau de polarisation de la cellule doit être inférieure à S. Si tel est le cas, la mesure est prépondérante sur les effets de la polarisation ce qui se traduit par la relation Rx2 Cp2 W2 > > 1
Notons que dans la pratique, la fréquence est ajustée pour que Rx > 1/Cpo
Le rapport entre la tension et le courant mesuré devient alors
I (eq. I
- = R + ( Cc W + ) i (eq. V)
V Rx Rx2 Cp W
Comme évoqué précédemment, le dispositif de mesure permet par des systèmes d'échantillonnage en phase ou déphasé de x/2 de connaître les parties réelle et imaginaire de la conductance de la cellule de mesure. La partie réelle 1/Rx permet d'obtenir directement la valeur de la conductivité de l'échantillon en multipliant cette valeur par la constante de cellule K
1 # = K .
Rx (eq. VI)
C'est à ce stade du procédé qu'intervient l'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure.
C'est à ce stade du procédé qu'intervient l'adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure.
Pour des solutions présentant des conductivités élevées, c'est-à-dire dépassant la borne supérieure de l'intervalle prédéterminé comprenant les conductivité moyennes, la valeur représentative du niveau de polarisation appelée ici Po est utilisée pour évaluer le besoin d'adaptation de la fréquence. Une fourchette de niveaux de polarisation est définie, ces valeurs limites étant déterminées par l'exactitude de mesure recherchée. Si Po est supérieure à cette fourchette, la fréquence est augmentée et la conductivité ainsi que le niveau de polarisation sont mesurés comme précédemment. Si Po est inférieure à la fourchette, la fréquence doit être diminuée.
Quand Po est situé dans la fourchette, la mesure est validée et la valeur de la conductivité s'affiche.
De même, pour des solutions présentant des conductivités faibles, c'est-à-dire dont la valeur est plus petite que la borne inférieure de l'intervalle prédéterminé de conductivités moyennes, on définit une fourchette dont la limite inférieure est égale à
Rx et la limite supérieure est égale à 4Rx. Si 1/coco est inférieure à Rx, la fréquence est automatiquement diminuée. Au contraire, si 1/coco est supérieure à Rx, la fréquence est automatiquement augmentée. Si 1/coco est une valeur comprise entre
Rx et 4Rx, la mesure est validée et la conductivité s'affiche.
Rx et la limite supérieure est égale à 4Rx. Si 1/coco est inférieure à Rx, la fréquence est automatiquement diminuée. Au contraire, si 1/coco est supérieure à Rx, la fréquence est automatiquement augmentée. Si 1/coco est une valeur comprise entre
Rx et 4Rx, la mesure est validée et la conductivité s'affiche.
Les valeurs limites des fourchettes mentionnées précédemment sont définies en fonction de l'exactitude de mesure recherchée et donc de la marge d'erreur tolérée.
Quand la grandeur sans dimension représentative du niveau de polarisation Po dépasse
S ct que la fréquence ne peut plus être adaptée une alarme est générée pour indiquer que la valeur mesurée de conductivité n'est pas fiable. En effet, l'application des équations simplifiées ne se justifie pas dans ce cas car les effets de la polarisation sont significatifs et ne peuvent être négligés dans le calcul.
S ct que la fréquence ne peut plus être adaptée une alarme est générée pour indiquer que la valeur mesurée de conductivité n'est pas fiable. En effet, l'application des équations simplifiées ne se justifie pas dans ce cas car les effets de la polarisation sont significatifs et ne peuvent être négligés dans le calcul.
Selon une mise en oeuvre préférée, pour une exactitude de mesure de l'ordre de 5%:
- l'intervalle dans lequel se trouvent les conductivités moyennes est défini par les valeurs 80K ,uS pour la bome inférieure et 2K mS pour la borne supérieure, K étant la constante de cellule;
- la plage prédéterminée de niveaux de polarisation va de 0,005 à 0,2;
- la plage prédéterminée de produits capacité du câble de la cellule par la pulsation du signal de fréquence va de R à 4R, R étant la résistance de la solution.
- l'intervalle dans lequel se trouvent les conductivités moyennes est défini par les valeurs 80K ,uS pour la bome inférieure et 2K mS pour la borne supérieure, K étant la constante de cellule;
- la plage prédéterminée de niveaux de polarisation va de 0,005 à 0,2;
- la plage prédéterminée de produits capacité du câble de la cellule par la pulsation du signal de fréquence va de R à 4R, R étant la résistance de la solution.
Comme on peut le voir à partir des calculs détaillés précédemment, l'évaluation du niveau de polarisation n'est possible que grâce à la capacité de l'appareil à modifier la fréquence à laquelle la mesure est effectuée. Inversement, ce niveau de polarisation permet de déterminer la fréquence optimale de travail.
La présente invention concerne donc un procédé et un dispositif destinés à mesurer la conductivité d'une solution en s'affranchissant des effets de la polarisation.
Les différentes étapes du procédé de mesure sont les suivantes
- émission d'un signal périodique dont la fréquence est choisie et adaptée en fonction des besoins (nature de la solution à analyser par exemple);
- transmission de ce signal à la sonde de mesure;
- émission par cette sonde d'un nouveau signal dont les caractéristiques dépendent de la conductivité de la solution analysée et éventuellement de la polarisation des électrodes constituant cette sonde ou la capacité du câble;
- transmission de ce nouveau signal à un dispositif de calcul permettant de calculer
- la capacité du câble et de la cellule de mesure en utilisant la partie imaginaire du signal émis à deux fréquences dont les valeurs sont éloignées l'une de l'autre (équation II) ou bien en mettant les électrodes de mesures hors procédé (équation II'), ce calcul étant effectué une fois pour toutes;
- une valeur sans dimension représentative de l'impédance de polarisation à partir de la formule (IV); la fréquence de ce calcul dépend des besoins, on peut par exemple l'effectuer lors de chaque mesure;
- la partie réelle l/Rx de la formule (eq. V);
- la conductivité du fluide à l'aide de la formule (eq. VI) (K étant la constante de cellule);
- adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure ramenant à la première étape du procédé si nécessaire après évaluation de la validité de la mesure;
- validation de la mesure effectuée et affichage du résultat ou émission d'un signal d'alarme si la valeur représentative du niveau de polarisation dépasse le seuil déterminé.
- émission d'un signal périodique dont la fréquence est choisie et adaptée en fonction des besoins (nature de la solution à analyser par exemple);
- transmission de ce signal à la sonde de mesure;
- émission par cette sonde d'un nouveau signal dont les caractéristiques dépendent de la conductivité de la solution analysée et éventuellement de la polarisation des électrodes constituant cette sonde ou la capacité du câble;
- transmission de ce nouveau signal à un dispositif de calcul permettant de calculer
- la capacité du câble et de la cellule de mesure en utilisant la partie imaginaire du signal émis à deux fréquences dont les valeurs sont éloignées l'une de l'autre (équation II) ou bien en mettant les électrodes de mesures hors procédé (équation II'), ce calcul étant effectué une fois pour toutes;
- une valeur sans dimension représentative de l'impédance de polarisation à partir de la formule (IV); la fréquence de ce calcul dépend des besoins, on peut par exemple l'effectuer lors de chaque mesure;
- la partie réelle l/Rx de la formule (eq. V);
- la conductivité du fluide à l'aide de la formule (eq. VI) (K étant la constante de cellule);
- adaptation automatique de la fréquence du signal de mesure ramenant à la première étape du procédé si nécessaire après évaluation de la validité de la mesure;
- validation de la mesure effectuée et affichage du résultat ou émission d'un signal d'alarme si la valeur représentative du niveau de polarisation dépasse le seuil déterminé.
Le procédé est aussi capable de prendre en compte la mesure de la température de la solution pour ramener la valeur de conductivité mesurée à une température de référence, 25"C par exemple.
Pour l'essentiel, compte tenu du procédé de mesure décrit ci-dessus et des principales étapes le composant, l'appareil selon l'invention comprend essentiellement
- un générateur (1) d'onde périodique dont la fréquence peut prendre plusieurs valeurs;
- un dispositif électronique (2) de type filtre passe-bande destiné à mettre en forme le signal périodique émis par (1) (forme d'onde, amplitude, dont la fréquence est dans un rapport constant avec celle du générateur (1) etc.);
- un amplificateur opérationnel (4) étant en fait un adaptateur d'impédance pour tenir compte de l'impédance du câble (5);
- une sonde résistive (6);
- un dispositif électronique (8) d'épuration et d'amélioration du signal;
- un dispositif électronique (10) séparant les parties réelles et imaginaires du signal;
- un convertisseur analogique/numérique (11);
- une unité de calcul (12) permettant d'élaborer toutes les grandeurs (conductivité, capacité du câble et de la cellule, impédance de polarisation...) ainsi que les différents signaux nécessaires pour fixer la fréquence du dispositif (1), les gains des amplificateurs, l'alarme, etc.;
- une chaîne de mesure des températures avec correction éventuelle tenant compte de la non linéarité de la sonde;
- un dispositif d'affichage.
- un générateur (1) d'onde périodique dont la fréquence peut prendre plusieurs valeurs;
- un dispositif électronique (2) de type filtre passe-bande destiné à mettre en forme le signal périodique émis par (1) (forme d'onde, amplitude, dont la fréquence est dans un rapport constant avec celle du générateur (1) etc.);
- un amplificateur opérationnel (4) étant en fait un adaptateur d'impédance pour tenir compte de l'impédance du câble (5);
- une sonde résistive (6);
- un dispositif électronique (8) d'épuration et d'amélioration du signal;
- un dispositif électronique (10) séparant les parties réelles et imaginaires du signal;
- un convertisseur analogique/numérique (11);
- une unité de calcul (12) permettant d'élaborer toutes les grandeurs (conductivité, capacité du câble et de la cellule, impédance de polarisation...) ainsi que les différents signaux nécessaires pour fixer la fréquence du dispositif (1), les gains des amplificateurs, l'alarme, etc.;
- une chaîne de mesure des températures avec correction éventuelle tenant compte de la non linéarité de la sonde;
- un dispositif d'affichage.
EXEMPLE DE REALISATION
Un exemple non limitatif est décrit ci-après en se référant au schéma de la figure 2. Dans cet exemple, on effectue la mesure de la polarisation des électrodes pour chaque mesure.
Un exemple non limitatif est décrit ci-après en se référant au schéma de la figure 2. Dans cet exemple, on effectue la mesure de la polarisation des électrodes pour chaque mesure.
L'horloge (1) émet un signal périodique à plusieurs fréquences possibles : 800, 400, 200, 100, 50, 25, 12,5, 6,25 kHz. Le système électronique (2) est un oscillateur en pont de Wien à fréquence ajustable. Cet oscillateur est accroché à la fréquence d'horloge et émet un signal d'une fréquence divisée par cent donc comprise entre 8000 Hz et 62,5 Hz. La forme du signal délivré est celle d'une sinusoïde pure, d'amplitude régulée et constante égale à 3 volts. Dans cet exemple de réalisation, la sonde est alimentée par un ensemble atténuateur (3) et amplificateur opérationnel adapteur d'impédance (4). L'atténuateur peut atténuer le signal d'un facteur 33 en fonction de l'ordre de grandeur de la résistivité à mesurer. Cette atténuation est commandée en fonction du courant traversant la sonde afin de limiter le phénomène de polarisation. Le courant traversant les électrodes de la sonde de conductivité (5) est amplifié par l'amplificateur (7) avec trois gains programmables 1870, 18770, 187770.
Cette commutation automatique de gamme permet de mesurer des impédances pouvant varier de 40 ohms à 10 mégohms sans perte de précision. Un filtre passebande (8) recevant le signal émis par l'amplificateur (7) est destiné à la mise en forme du signal. Un adaptateur d'impédance (9) est destiné à l'alimentation du dispositif d'échantillonnage (10). Le signal reçu est la somme de deux signaux déphasés de 90".
Le premier signal est proportionnel à 1/Rx, le second est proportionnel à Cco > + l/Rx 2Cp(o. Le problème est donc de mesurer séparément l'amplitude de crête de chacun de ces deux signaux. Ceci est réalisé grâce à des impulsions discrètes, émises par le générateur d'impulsions (13), en phase et décalée de 900. Ces impulsions permettent par l'intermédiaire d'un échantillonneur-bloqueur de mesurer les parties imaginaire et réelle du signal. Durant l'existence d'une impulsion, on mesure la valeur correspondante du signal laquelle est mise en mémoire (sous forme analogique par exemple à l'aide d'un condensateur). Ces valeurs analogiques en phase et décalées de 90" sont lues par un convertisseur analogique/numérique (11) qui alimente l'unité de calcul (12). Cette unité est un microprocesseur programmé pour effectuer les calculs mentionnés plus haut.
Dans cet exemple, pour une exactitude de mesure de l'ordre de 5 %, la fréquence optimale, c'est-à-dire la fréquence du signal de mesure pour laquelle les effets de la polarisation et ceux liés à la capacité du câble sont négligeables, est définie selon l'algorithme suivant, la sonde ayant une constante de cellule K égale à 1:
- dans l'intervalle de conductivité allant de 80,uS à 2mS la polarisation et la capacité du câble n'influencent pas la mesure; on se place donc à n'importe quelle fréquence, la fréquence préférée étant 1000Hz.
- dans l'intervalle de conductivité allant de 80,uS à 2mS la polarisation et la capacité du câble n'influencent pas la mesure; on se place donc à n'importe quelle fréquence, la fréquence préférée étant 1000Hz.
- si la conductivité est supérieure à cet intervalle
- si la valeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à 0,2, la fréquence est automatiquement augmentée;
- si cette valeur est inférieure à 0,05, la fréquence est automatiquement diminuée;
- si cette valeur est comprise entre 0,005 et 0,2, la polarisation n'influence pas la mesure;
- si la conductivité est inférieure à cet intervalle
- si le rapport 1/coco est inférieur à Rx (résistance de la solution), la fréquence est automatiquement diminuée;
- si ce rapport est supérieur à 4Rx, la fréquence est automatiquement augmentée
- si ce rapport est compris entre Rx et 4Rx, la capacité du câble et de la sonde n'influence pas la mesure;
- si la valeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à 0,25 et que la fréquence du signal de mesure ne peut plus être adaptée, le dispositif émet un signal d'alarme.
- si la valeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à 0,2, la fréquence est automatiquement augmentée;
- si cette valeur est inférieure à 0,05, la fréquence est automatiquement diminuée;
- si cette valeur est comprise entre 0,005 et 0,2, la polarisation n'influence pas la mesure;
- si la conductivité est inférieure à cet intervalle
- si le rapport 1/coco est inférieur à Rx (résistance de la solution), la fréquence est automatiquement diminuée;
- si ce rapport est supérieur à 4Rx, la fréquence est automatiquement augmentée
- si ce rapport est compris entre Rx et 4Rx, la capacité du câble et de la sonde n'influence pas la mesure;
- si la valeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à 0,25 et que la fréquence du signal de mesure ne peut plus être adaptée, le dispositif émet un signal d'alarme.
La figure 3 représente des rapports conductivité théorique / conductivité mesurée, les mesures ayant été effectuées pour des valeurs fixes de fréquence de signal de mesure et pour des fréquences auto-programmées selon l'algorithme précédent. Ce graphique représente l'erreur de mesure de la conductivité, la mesure étant exacte quand ce rapport est égal à 1. On note que
- pour une fréquence de signal de mesure égale à 62,5 Hz, I'erreur est grande et le rapport s'éloigne rapidement de 1 pour des conductivités élevées (effets de la polarisation);
- pour une fréquence égale à 8000 Hz, I'erreur est importante pour les conductivités faibles (effets de la capacité du câble et des électrodes);
- pour une fréquence adaptée automatiquement, l'erreur reste faible quelle que soit la valeur de la conductivité.
- pour une fréquence de signal de mesure égale à 62,5 Hz, I'erreur est grande et le rapport s'éloigne rapidement de 1 pour des conductivités élevées (effets de la polarisation);
- pour une fréquence égale à 8000 Hz, I'erreur est importante pour les conductivités faibles (effets de la capacité du câble et des électrodes);
- pour une fréquence adaptée automatiquement, l'erreur reste faible quelle que soit la valeur de la conductivité.
Ce graphique met donc en évidence la capacité du dispositif et du procédé selon l'invention à fournir des mesures de conductivité fiables sur une large plage.
Les paramètres de programmation peuvent être modifiés en fonction des conditions d'installation (longueur du câble) et d'exploitation.
Claims (8)
1. Procédé pour effectuer la mesure précise sur une large plage de la conductivité d'une solution permettant de s'affranchir des effets de la polarisation et de la capacité du câble et de la cellule de mesure comprenant les étapes consistant à
- évaluer une fois pour toutes la capacité du câble et de la cellule de mesure;
- appliquer aux électrodes un signal périodique de fréquence variable;
- transmettre le signal émis par la sonde de mesure à un dispositif de calcul évaluant la conductivité de la solution et la polarisation des électrodes;
- évaluer la fiabilité de la mesure et faire, si nécessaire, une nouvelle mesure; et
- afficher le résultat de cette mesure ou générer un signal d'alarme
caractérisé en ce que
la polarisation est évaluée en calculant une grandeur sans dimension représentative de son niveau,
la conductivité de la solution est déterminée par l'évaluation de la partie réelle du rapport courant, cette partie étant dans ce cas proportionnelle à la
tension conductivité,
la fréquence du signal de mesure est adaptée automatiquement de manière à pouvoir effectuer une nouvelle mesure
* si la valeur de conductivité calculée est supérieure à une fourchette prédéterminée et si la valeur résentative du niveau de polarisation se situe hors d'une plage également prédéterminée,
* si la valeur de conductivité calculée est inférieure à la fourchette prédéterminée et si le produit de la capacité du câble et de la cellule par la pulsation du signal de mesure se situe hors d'une plage prédéterminée
la mesure est invalidée si la grandeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à une valeur seuil prédéterminée quand la fréquence du signal de mesure ne peut plus être adaptée.
2. Procédé pour effectuer la mesure de la conductivité d'une solution selon la revendication 1, caractérisé en ce que le terme sans dimension représentatif de la polarisation est l'inverse du produit de la conductivité mesurée, de la capacité de polarisation et de la fréquence de mesure.
3. Procédé pour effectuer la mesure de la conductivité d'une solution selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour une exactitude de mesure de l'ordre de 5% et une constante de cellule égale à K, la fréquence du signal de mesure est quelconque lorsque la conductivité est comprise entre 80K 11S et 2K mS.
4. Procédé pour effectuer la mesure de la conductivité d'une solution selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour une exactitude de mesure de l'ordre de 5% et une constante de cellule égale à K, pour une conductivité supérieure à 2K mS, une nouvelle mesure est effectuée après
augmentation automatique de la fréquence du signal de mesure si la grandeur représentative du niveau de polarisation est supérieure à 0,2
diminution automatique de cette fréquence si la grandeur représentative du niveau de polarisation est inférieure à 0,05.
5. Procédé pour effectuer la mesure de la conductivité d'une solution selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour une exactitude de mesure de l'ordre de 5% et une constante de cellule égale à K, pour une conductivité inférieure à 80K yS, une nouvelle mesure est effectuée après
augmentation automatique de la fréquence du signal de mesure si le rapport capacité du câble et de la cellule par la pulsation du signal de mesure est supérieur à 4 fois la valeur de la résistance de la solution
diminution automatique de cette fréquence si ce rapport est inférieur à la valeur de la résistance de la solution.
6. Procédé pour effectuer la mesure de la conductivité d'une solution selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour une exactitude de mesure de l'ordre de 5% et une constante de cellule égale à K, la mesure de la conductivité est invalidée si la grandeur sans dimension représentative du niveau de polarisation dépasse 0,25 quand la fréquence du signal de mesure ne peut plus être adaptée.
7. Dispositif de mesure de la conductivité d'une solution selon le procédé de la revendication 1, caractérisé par
- un générateur de tension alternative régulée engendrant un signal sinusoïdal pur de fréquence variable de quelques Herz à quelques milliers d'Herz
- un atténuateur permettant d'adapter le niveau de tension en fonction de l'ordre de grandeur de la résistivité à mesurer, l'atténuation étant commandée automatiquement en fonction du courant traversant la sonde
- un filtre passe-bande permettant une épuration et une mise en forme du signal
- un amplificateur de signal à gains variables programmables, la programmation de gain étant automatique
- un adaptateur d'impédance réglé en fonction de l'impédance du câble reliant l'appareil à la sonde
- un dispositif électronique permettant de lire séparément la valeur réelle et celle imaginaire de la formule (I) donnant le rapport courant;
tension
- un convertisseur analogique/numérique émettant des signaux numériques des valeurs élaborées par le dispositif électronique d'échantillonnage;
- une unité de calcul calculant toutes les grandeurs électriques et leur comparaison;
- un dispositif d'affichage.
8. Dispositif de mesure de la conductivité selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de mesure de la température du liquide par sonde électrique, le signal de la sonde étant utilisé par l'unité de calcul pour ramener la valeur calculée de la conductivité à une température de référence.
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|---|---|---|---|
| FR9709003A FR2766271B1 (fr) | 1997-07-16 | 1997-07-16 | Procede et dispositif de mesure de la conductivite d'une solution assurant le controle de la polarisation des electrodes |
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| FR9709003A FR2766271B1 (fr) | 1997-07-16 | 1997-07-16 | Procede et dispositif de mesure de la conductivite d'une solution assurant le controle de la polarisation des electrodes |
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| FR2766271B1 FR2766271B1 (fr) | 1999-10-01 |
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ID=9509263
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| FR (1) | FR2766271B1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1997-07-16 FR FR9709003A patent/FR2766271B1/fr not_active Expired - Fee Related
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| US9651511B2 (en) | 2006-12-06 | 2017-05-16 | Abb Limited | Conductivity sensor |
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| Publication number | Publication date |
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| FR2766271B1 (fr) | 1999-10-01 |
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