Les transmetteurs physico-chimiques

Le 28/02/2018 à 13:30

Comme pour toutes grandeurs physiques, les mesures physico-chimiques pour les liquides font appel à différents éléments tous aussi essentiels les uns que les autres, pour obtenir des valeurs fiables et de qualité. À savoir les sondes, les câbles et les transmetteurs. Les mesures physico-chimiques sont en effet importantes dans des applications industrielles très variées. « On retrouve beaucoup de transmetteurs d'analyse dans le secteur de l'eau (eau potable, eaux usées), la pharmaceutique et la chimie, ainsi que dans les sciences de la vie, l'agroalimentaire, le traitement de surface (métallurgie) », indique Hélène Caron, Industry ManagerAnalytics chez Endress+Hauser France.

Les mesures physico-chimiques sont importantes dans des applications industrielles très variées. On retrouve en effet beaucoup de transmetteurs d'analyse dans le secteur de l'eau, la pharmaceutique et la chimie, ainsi que dans les sciences de la vie, l'agroalimentaire.

Endress+Hauser

« L'évolution des normes de pharmacopée impose aux industriels de la pharmaceutique de privilégier l'analyse en ligne en première monte ou en revamping. Si elle était auparavant produite à partir d'une distillation,l'eau ultra-pure destinée aux médicaments, aux injectables est aujourd'hui générée par des procédés à membrane (osmoseurs) qui impliquent beaucoup de contraintes physicochimiques et, donc, des mesures de COT [ Carbone organique total, NDLR ],etc. », explique Guillaume Schneider, chef des ventes de Swan Instruments analytiques France. Un autre marché dynamique pour la société suisse est l'eau potable où, là encore, la tendance est à une réglementation imposant toujours plus de contrôles car les sources sont plus polluées.

Pour Guillaume Mathevon, responsable de produits liquide et combustion chez Emerson Automation Solutions France, « cela dépend des zones géographiques. Aux États-Unis,nous sommes aussi très bien positionnés sur le marché de l'eau liée au pétrole (stations de dessalement associées aux raffineries, par exemple). En Europe, nous sommes évidemment présents sur nos marchés traditionnels, à savoir la chimie, la pétrochimie et l'énergie. » C'est d'ailleurs ce qui peut expliquer la tendance du marché des transmetteurs physico-chimiques. « Le marché est en effet stable en France et en Europe de l'ouest – il s'agit d'un marché plus de renouvellement que lié à de nouveaux projets. En Chine et plus généralement en Asie,le marché est même en forte croissance, où Knick détient une part importante », constate Samuel Samouélian, directeur commer-cial de Knick France.

Le marché des transmetteurs physico-chimiques est stable en France et en Europe de l'ouest – il s'agit d'un marché plus de renouvellement que lié à de nouveaux projets. En Chine et plus généralement en Asie, le marché est même en forte croissance.

Knick

Ce que confirme Frédéric Connan, Analytical Product Manager chez Yokogawa France, en ajoutant que « le marché est même en croissance en France. Les industriels recherchent des mesures toujours plus fiables,plus performantes et avec le temps de réponse le plus court possible,pour fabriquer des produits les proches du cahier des charges. » Et Hélène Caron (Endress+Hauser France) de renchérir: « le marché continue à croître grâce à la demande croissante de mesures en ligne et, surtout, au passage au numérique. » Sur un marché de l'analyse liquide estimé à 1 milliard de dollars pour le monde et à 350 millions d'euros pour l'Europe, le segment de marché des transmetteurs avoisinerait les 86Me en Europe de l'Ouest, les 50Me en Allemagne et les 81Me en Europe de l'est. « Mais c'est un marché où la concurrence est acharnée », constate Sébastien Crozet, European Senior Lead Analytical chez Emerson Automation Solutions France, Espagne et Portugal.

Convertir et afficher les signaux

Dans cet article, nous nous intéresserons aux seuls transmetteurs physico-chimiques, mais pas à la multitude de sondes de pH, de conductivité, d'oxygène dissous, de chlore, de turbidité, etc., certaines ayant déjà fait l'objet d'articles ( voir Mesures n° 840 et n° 873 respectivement pour l'oxygène dissous et le pH ). Si l'on revient à la notion de chaîne de mesure, quel est le rôle d'un transmetteur? « Sa fonction première est de transmettre un signal de mesure (en millivolt) vers une supervision, un organe de commande ou un système d'enregistrement,avec le minimum d'erreur et via un signal unique (4-20 mA ou éventuellement un bus de terrain) », rappelle Jean-Marie Thomann, responsable de gammes chez Mettler Toledo Analyse Industrielle France. « En plus de convertir le signal électrique, un transmetteur permet aussi de le qualifier et le compenser, en récupérant la température du média et en appliquant un calcul de compensation de la température. Mais certains utilisateurs préfèrent appliquer leur propre compensation, d'où la possibilité de transmettre la valeur non compensée », explique Samuel Samouélian (Knick France).

L'autre grande fonctionnalité de base d'un transmetteur physico-chimique est l'affichage des mesures. « Les grandeurs physiques telles que le pH ou la conductivité sont des mesures très visuelles. Contrairement à la pression, par exemple, les opérateurs effectuent souvent des rondes sur site pour voir les valeurs afin d'optimiser leur production. Un affichage local est donc essentiel pour toujours disposer d'une mesure et la relever, si besoin est, à la main », constate Lionel Deberdt, responsable des ventes pour les appareils de terrain Foxboro chez Schneider Electric. Ce que confirme d'ailleurs Guillaume Schneider (Swan Instruments analytiques France): « par rapport aux capteurs dits “intelligents”, un affichage local est une plusvalue, car on peut tout faire sur place : la configuration, l'exploitation et le réétalonnage. Avec un simple générateur de signal, donc sans générateur de courant ni multimètre externes, il est par exemple possible de contrôler toute la chaîne de mesure ».

D'autres fonctionnalités sont venues se greffer aux transmetteurs d'analyse : une régulation PID, un enregistreur de données et/ou différents diagnostics. Le modèle Rosemount 56 d'Emerson Automation Solutions dispose par exemple d'un port USB pour l'enregistrement sur une clé USB.

EmersonAutomation Solutions

Mais cela n'empêche pas que l'ensemble des fabricants travaillent sur l'interface utilisateur. Pour Frédéric Connan (Yokogawa France), « un développement important a en effet été fait sur l'interface homme-machine, pour la rendre la plus conviviale possible.Cela se traduit notamment par l'ajout d'un écran couleur, voire tactile, associé à des menus en français et en clair, un peu comme l'interface d'un smart-phone. Il faut savoir que les personnels de terrain sont de moins en moins formés. » Et Hélène Caron (Endress+Hauser France) d'ajouter qu'« en rendant l'interface utilisateur encore plus facile à employer – naviguer facilement dans les menus, architecture commune d'un transmetteur à l'autre – les opéra-teurs passant d'une station d'épuration à un process, par exemple, n'ont plus à se familiariser de nouveau à l'interface utilisateur ». Même si ce n'est pas un critère de choix principal, certains apprécient un écran rétroéclairé, qui assure un confort d'utilisation en particulier dans un atelier peu éclairé ou en plein soleil. D'autres trouveront intéressant que l'écran de leur transmetteur physico-chimique se mette en rouge pour indiquer une alarme. « Mais les conditions en exploitation ne sont pas réunies pour la présence d'un écran tactile : entre le port de gants épais, et parfois mouillés, et les conditions climatiques, par exemple, l'afficheur va s'user prématurément », signale Guillaume Schneider (Swan Instruments analytiques France). D'où la présence encore bien souvent de boutons-poussoirs et d'une molette.

De plus en plus de fonctionnalités intégrées

Au fur et à mesure de la demande des utilisateurs, d'autres fonctionnalités sont venues se greffer aux transmetteurs d'analyse. C'est ainsi que l'on a vu apparaître, intégrés dans un certain nombre de modèles, une régulation PID (proportionnel, intégral, dérivé), un enregistreur de données et/ou différents diagnostics. « Notre modèle Rosemount 56 dispose d'un port USB pour l'enregistrement des données sur une clé USB, ce qui permet d'éliminer l'usage, et donc le coût, d'un data logger externe. Après, tout dépend de l'application et de ce que recherche le client », indique Sébastien Crozet (EmersonAutomation Solutions France, Espagne et Portugal).

« En montant en gamme, il est ainsi possible de contrôler une pompe, d'ouvrir ou de fermer une vanne, directement depuis le transmetteur via un régulateur PID intégré et des relais à seuils.Autre avantage,cela permet de s'affranchir d'un câblage supplémentaire entre l'automate et la vanne », explique Samuel Samouélian (Knick France). Frédéric Connan (Yokogawa France) pointe toutefois une limite : « si l'utilisateur veut appliquer un algorithme de régulation spécifique,il ne pourra pas le faire dans le transmetteur, mais bien au niveau de son automate ». Comme le constate Jean-Marie Thomann (Mettler Toledo Analyse Industrielle France), « avec l'évolution des sondes ces dernières années [voir ultérieurement, NDLR], le rôle du transmetteur physico-chimique a aussi évolué : il y a 20 ans, il s'agissait juste de convertir un potentiel en mV, sans compensation de la température, et maintenant les transmetteurs intègrent une électronique plus avancée et un logiciel pour assurer le contrôle de l'intégrité et de la qualité de la mesure.Cela se traduit par exemple par des indicateurs sur l'état de la sortie du capteur, la gestion du nettoyage et de l'étalon-nage, en présence d'applications difficiles par exemple, etc. »

Si certains apprécient le confort d'un écran rétroéclairé, voire d'un écran couleur tactile, les conditions en exploitation ne sont pas forcément adaptées à de tels afficheurs : entre le port de gants épais, et parfois mouillés, et les conditions climatiques, l'afficheur va s'user prématurément.

Swan Instruments analytiques

En complément des étalonnages périodiques –les électrodes, en particulier de pH, dérivent vite dans le temps – le suisse Endress+Hauser a, de son côté, développé la technologie Heartbeat. « Pour fiabiliser les points de mesure et réduire les arrêts de production, Heartbeat permet de réaliser des fonctions de diagnostic en continu (smiley indiquant l'état de santé de la boucle), de vérification intégrée (test de bon fonctionnement du transmetteur et des capteurs, sans interruption du process et avec fourniture d'une documentation) et de surveillance en continu du point de mesure,via des indicateurs de performances) », décrit Hélène Caron (Endress+Hauser France).

Toutes ces fonctionnalités de diagnostic n'existeraient pas sans l'apparition des sondes numériques. Contrairement aux traditionnelles sondes analogiques, ces nouvelles sondes, dites «intelligentes», intègrent en fait, dans leur tête, une électronique pour corriger la mesure, enregistrer les données de process et d'étalonnage, ce qui facilite ainsi grandement la connexion au transmetteur, du moment que ce dernier est compatible, évidemment. Il existe d'ailleurs sur le marché différentes technologies, telles que Memosens, développée par Endress+Hauser et également mise en œuvre par l'allemand Knick, Intelligent Sensor Management (ISM) de l'helvético-américain Mettler-Toledo Analyse industrielle ou les sondes SmartSens ( voir Mesures n° 855 ) lancées en 2013 par l'allemand Krohne, les modèles Sencom du japonais Yokogawa, les modèlesArc etVisiPro de l'américain Hamilton. Pour Jean-Marie Thomann (Mettler Toledo Analyse Industrielle France), « l'intégration de la technologie ISM dans nos transmetteurs est l'évolution la plus importante dans ce secteur depuis des années ».

Avec l'arrivée des sondes numériques ces dernières années, le rôle du transmetteur physico-chimique a aussi évolué : il y a 20 ans, il s'agissait juste de convertir un potentiel en mV, et maintenant les transmetteurs intègrent électronique et logiciel.

Mettler-Toledo Analyse industrielle

Sondes numériques et multiparamètres

« Depuis quelques années, ces sondes, d'où ne partent plus que deux fils, rendent leur configuration et toute autre intervention possibles directement depuis le transmetteur. Cette tendance met toutefois du temps à se démocrati-ser auprès des industriels, car ils n'ont pas encore toute confiance dans ce genre de solutions », constate Rémy Pigeon, responsable des ventes indirectes pour les appareils de terrain Foxboro chez Schneider Electric. Pourtant les avantages des sondes numériques sont nombreux. Pour Samuel Samouélian (Knick France), « l'un des premiers avantages est la possibilité de travailler avec des distances allant jusqu'à 100 m. Il n'y a plus besoin de disposer d'une très grande impédance d'entrée et d'une impédance très stable,au niveau du trans-metteur, pour récupérer les signaux analogiques – 1 pH équivaut à une tension de 59 mV, soit ± 800 mV au maximum. » Rémy Pigeon (Schneider Electric France) va même encore plus loin : « comme le signal fourni par la sonde est déjà sous une forme standardisée, il suffit d'ajouter un module Hart à l'entrée d'un enregistreur ou d'un SNCC [ système numérique de contrôle-commande, NDLR ] pour récupérer la donnée. Il n'y a alors plus besoin de transmetteur traditionnel, avec afficheur. » Mais, dans les process chimiques, pétrochimiques et pharmaceutiques, les industriels conservent un transmetteur 2 fils pour disposer de la valeur en local, lors des opérations de maintenance par exemple.

Avec les transmetteurs physico-chimiques dotés de deux entrées, il est possible de mettre en œuvre la redondance de la mesure ou de réaliser un calcul d'énergie. Mais certains industriels privilégient une mesure par point de mesure, ce qui évite de tout perdre en cas de défaillance du transmetteur.

Yokogawa

« Comme toutes les informations nécessaires sont stockées dans la tête de sonde, il est par ailleurs possible d'étalonner ces sondes en ate-lier ou en laboratoire, et non plus forcément sur site avec les contraintes liées au déplacement des solutions tampons (pour le pH) ou à l'arrêt du process », poursuit Lionel Deberdt. Autre avantage comparé aux transmetteurs n'acceptant que des sondes analogiques, les utilisateurs peuvent disposer de plus d'un paramètre; on parle alors de «multiparamètre». « Pour certains clients,il s'agit d'économiser le coût d'un ou plusieurs transmetteur(s), dans le cas d'un modèle doté de deux ou plusieurs voies », précise Guillaume Mathevon (Emerson Automation Solutions France). Frédéric Connan (Yokogawa France) rappelle toutefois que « le coût d'achat est une chose,mais le coût de possession, qui prend en compte l'exploitation, la maintenance, etc., est encore plus important ».

« Au-delà de regrouper les capteurs en un seul point, les transmetteurs multiparamètres assurent un gain de place – notre modèle CM44 existe en version rack pour armoire, avec face aveugle.Et il est possible d'ajouter un nouveau point de mesure et/ou une autre grandeur physique, telle que la turbidité ou les nitrates, via le raccordement d'un photomètre sur notre plate-forme Liquiline. Cela est d'autant plus facile à faire que le transmetteur est évolutif (module doté de 1 ou 2 voies, voire jusqu'à 8, carte de relais ou de sortie) et que l'utilisateur n'a plus besoin de tout configurer », explique Hélène Caron (Endress+Hauser France). Samuel Samouélian (Knick France) cite encore un autre avantage: « cela permet aux exploitants de mieux optimiser la gestion de leur stock – une seule référence suffit – et à nous,les fabricants,de mieux rationaliser la production. » Et, pour les intégrateurs, le multiparamètre est avant tout vu comme une réponse à la problématique économique et de temps d'installation. Signalons enfin un dernier point: « les transmetteurs acceptant des sondes analogiques et numériques ISM, la fonctionnalité “mix-mode” de nos modèles, permettent de simplifier le choix pour l'utilisateur et nous-mêmes, d'accompagner nos clients vers le marché du numérique », précise Jean-Marie Thomann (Mettler Toledo Analyse Industrielle France).

La sortie 4-20 mA incontournable

Mais toutes les applications ne s'y prêtent pas forcément, et certains utilisateurs préfèrent profiter de la présence de deux entrées pour réaliser une autre fonction. « Par exemple, ils peuvent mettre en œuvre la redondance de la mesure. En cas de défaut de l'électrode, on bascule alors automatiquement vers la seconde entrée », constate Frédéric Connan (Yokogawa France). Ou alors de réaliser un calcul d'énergie. « D'autres industriels ne jurent même que par une mesure par point de mesure. Dans le cas contraire,s'il se produit une défaillance au niveau du transmetteur, on perd tous les paramètres qui y sont reliés », regrette Rémy Pigeon (Schneider Electric France). Cela peut être le cas avec une unité existante, dans laquelle on ajoute un paramètre supplémentaire, ou alors avec des applications critiques.

À l'instar des entrées qui sont passées au numérique (en tout cas pour un certain nombre d'entre eux), les transmetteurs physico-chimiques voient aussi leurs sorties se convertir aux «nouvelles technologies». Si presque tous les modèles disposent de 1 ou 2 sorties 4-20mA, voire plus –4 entrées pour le M400 de Mettler-Toledo, le Rosemount 56 de l'américain EmersonAutomation Solutions ou le MTD75 du britannique LTH Electronics, jusqu'à 5 entrées pour le SC4200c et le Polymetron 9500 de l'américain Hach, jusqu'à 6 entrées pour l'Optisens MAC 300 de Krohne, jusqu'à 8 entrées pour le Liquiline CM44x d'Endress+Hauser –, avec ou sans Hart, associée(s) très souvent à des relais, on trouve aujourd'hui également des interfaces série (RS-422/485) avec protocole Modbus (RTU ou TCP) ou J-Bus, des protocoles Profibus DP ou PA, Foundation Fieldbus, ainsi que Profinet, EtherNet/IP et EthernetTCP/IP.

Certains modèles communiquent même en sans-fil, tels que le Rosemount 56 d'Emerson Automation Solutions, les SC100 et SC4200c de Hach, les UWPH-2-NEMA et UWPH2A-NEMA-M12 de l'américain Omega Engineering, l'IQ Sensor Net 2020 XT de WTW (groupe américain Xylem Analytics). « Les bus de terrain existent depuis une dizaine d'années,mais ils sont maintenant spécifiés dans les cahiers des charges,ce qui s'est traduit par des ventes multipliées par deux en quatre, cinq ans. Et le protocole de communication Ethernet commence à être demandé ; nous proposons d'ailleurs une passerelle Modbus-EthernetTCP/IP », indique Guillaume Schneider (Swan Instruments analytiques France). Si d'aucuns peuvent penser que les transmetteurs physico-chimiques traditionnels sont voués à disparaître, à plus ou moins long terme, au profit par exemple des sondes numériques, il n'en demeure pas moins que les transmetteurs d'analyse ont encore quelques atouts dans leurs manches, en tant qu'élément essentiel d'une chaîne de mesure.

Les bus de terrain sont maintenant spécifiés dans les cahiers des charges. Et le protocole de communication Ethernet commence à être demandé.w Schneider Electric propose d'ailleurs une passerelle Modbus-Ethernet TCP/IP pour ses transmetteurs.

Schneider Electric

Se poser de bonnes questions

l Quel est le type de mesure (pH, conductivité, oxygène dissous, etc.) et, plus généralement, quel est l'environnement du point de mesure?

l Le transmetteur doit-il être installé en zone Atex, ou non, et/ou être conforme à d'autres agréments ou certifications?

l Que veut faire l'utilisateur de l'information: une simple mesure de concentration, un suivi de qualité, une régulation, une redondance? D'où le choix des fonction-nalités intégrées (diagnostic, enregistreur, régulateur PID).

l Quel est le signal de sortie ou de communication (4-20 mA, Profibus, Foundation Fieldbus, etc.)?

l Le transmetteur est-il alimenté en 24 V (4 fils) ou par la boucle (2 fils, sauf en zone Atex)?

l Quels sont les accessoires nécessaires (montage sur un mur ou un poteau, par exemple) ?