PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE L'EVOLUTION D'UN DEPOT SUR UNE SURFACE EN CONTACT AVEC UN FLUIDE AQUEUX

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure de l'évolution d'un dépôt sur une surface en contact avec un fluide aqueux, qu'il s'agisse d'un dépôt induit (film protecteur) ou subi (encrassement) .

Dans l'industrie, l'eau et plus généralement les fluides aqueux peuvent être utilisés à diverses fins, notamment en tant que matière première destinée à être incorporée dans une fabrication, dans l'industrie agroalimentaire ou papetière par exemple, en tant que fluide caloporteur dans les chaudières ou les échangeurs, en tant que fluide de rinçage dans des processus industriels de traitement de surface, etc.

Quel que soit le procédé industriel et le fluide considéré, les éléments présents, rajoutés et transportés dans le fluide aqueux évoluent, se transforment (réactions chimiques et biochimiques, croissances microbiennes, etc.) , induisant dans de nombreux cas des phénomènes d'encrassement des surfaces .

L'encrassement se traduit dans ce contexte par la présence d'un dépôt sur une surface en contact avec un fluide aqueux de matériaux ou de substances, pouvant être d'origine minérale, organique et biologique, tels que par exemple un dépôt de tartres, un biofilm, des boues, etc.

Or, lorsqu'un dépôt indicateur d'encrassement apparaît dans une installation, il est susceptible

d'entraîner un certain nombre de perturbations, se manifestant au moins par une réduction du rendement du procédé et pouvant même dans certains cas, rendre inefficace l'installation, nécessitant alors son arrêt pour nettoyage et/ou réparation.

Il est donc essentiel de pouvoir posséder des informations les plus complètes possibles sur l'état d'encrassement des installations, dans un souci d'optimiser les procédés de conditionnement des fluides.

En effet, un suivi précis de l'évolution d'un niveau d'encrassement d'une installation pourra permettre de déceler et prévenir les perturbations et la dégradation des transferts thermiques dues à un dépôt, afin de garantir la sécurité sanitaire des produits, notamment dans le domaine alimentaire où il s'agit d'un enjeu primordial.

Un tel suivi pourra également permettre d'optimiser les séquences de nettoyage et leur fréquence (optimisation de la mise en œuvre des produits chimiques de nettoyage, présentant un intérêt en termes de coûts et d'environnement) . Une meilleure gestion des cycles de nettoyage répond également à un enjeu majeur, dans la mesure où les opérations de nettoyage nécessitent souvent des arrêts de productions, qui sont coûteux pour l'industriel.

Or, l'encrassement est un phénomène local, qui varie avec les conditions opératoires (hydraulique, température du fluide, etc.) et les conditions d'utilisation du fluide dans des applications plus ou moins nobles. En outre, si le phénomène d'encrassement

est rencontré au cours de tout type d'opération de mise en œuvre des fluides, il apparaît avec des cinétiques (quelques heures à quelques années) et des intensités (quelques micromètres à quelques centimètres) très variables. De même, la structure et la nature des encrassements diffèrent.

Dans ce contexte, l'obtention d'une information sur le niveau d'encrassement d'une surface, ainsi que sur l'évolution de cet encrassement est rendue complexe.

On peut également vouloir chercher à contrôler l'évolution d'un niveau de dépôt- sur une surface en contact avec un fluide aqueux, de matériaux ou de substances, qui sont, contrairement à l'encrassement, désirés. Il peut s'agir, par exemple, de contrôler l'évolution d'un film protecteur sur une surface (par exemple dans un contexte de protection des surfaces par des substances inhibitrices de la corrosion) , au cours d' opérations de traitement . En outre, la réalisation de suivis de l'évolution d'un dépôt sur une surface implique d'envisager des mesures in situ (mesures en ligne) lors du procédé de conditionnement ou de traitement de fluides. Or, du fait des différents types d'industrie auxquels sont plus particulièrement destinés de tels suivis, des contraintes en termes de robustesse et de facilité d'installation d'un système prévu à cet effet sont nécessairement à prendre en compte.

C'est pourquoi, il existe un besoin dans l'état de la technique pour un système simple, robuste et performant, capable de détecter et de suivre

l'évolution (c'est-à-dire la formation ou la dégradation) d'un dépôt sur une surface en contact avec un fluide aqueux et qui soit en outre adapté pour un tel suivi de n'importe quel organe d'une installation où est présent ce fluide.

Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un dispositif de mesure de l'évolution d'un dépôt sur une surface en contact avec un fluide aqueux, comprenant au moins une première paire d'électrodes connectée à un générateur de tension alternative, pour émettre dans le fluide un courant alternatif proportionnel à la conductivité du fluide, au moins une deuxième paire d'électrodes disposée sur une ligne d'un champ de potentiel créé par la première paire d'électrodes, et des moyens de correction de la tension fournie par le générateur de tension alternative, pour maintenir sensiblement constante la différence de potentiel entre la deuxième paire d'électrodes, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la tension appliquée à la première paire d'électrodes, des moyens de stockage d'une calibration de la tension appliquée à la première paire d'électrodes avant évolution d'un dépôt en fonction de la conductivité du fluide, et des moyens de comparaison, liés aux moyens de stockage et propres à comparer la tension mesurée pour une conductivité donnée du fluide avec une valeur de calibration stockée pour la même conductivité donnée, afin de produire un signal représentatif de la variation de résistance électrique de la première paire d'électrodes créée par l'évolution d'un dépôt.

Avantageusement, la valeur de calibration correspond à la valeur de la tension appliquée à la première paire d'électrodes en l'absence de dépôt.

Selon une variante, la valeur de calibration correspond à la valeur de la tension appliquée à la première paire d'électrodes avant dégradation d'un dépôt .

De préférence, le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens de mesure de la température du fluide et des moyens de correction de la tension mesurée en fonction d'un signal de mesure de la température fourni par les moyens de mesure de la température .

Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend des moyens de mesure de l'intensité du courant émis dans le fluide.

Selon un mode de réalisation les moyens de correction de la tension fournie par le générateur de tension alternative comprennent un amplificateur à haute impédance d'entrée, dont les entrées sont connectées à la deuxième paire d'électrode et dont la sortie est connectée audit générateur, de façon à commander la tension appliquée à la première paire d' électrodes . L'invention concerne encore un procédé de mesure de l'évolution d'un dépôt sur une surface en contact avec un fluide aqueux, dans lequel un courant alternatif, proportionnel à la conductivité du fluide, est émis au moyen d'une première paire d'électrodes connectée à un générateur de tension alternative, une différence de potentiel entre une seconde paire

d'électrodes disposée sur une ligne d'un champ de potentiel créé entre les électrodes de la première paire étant maintenue sensiblement constante par l'application d'une correction de la tension fournie par le générateur de tension alternative, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :

- la détermination d'une calibration de la tension appliquée à la première paire d' électrodes en fonction de la conductivité du fluide, réalisée avant l'évolution d'un dépôt,

- la mesure de la tension appliquée à la première paire d'électrodes, suite à l'évolution d'un dépôt, pour une conductivité donnée du fluide,

- la comparaison de la tension mesurée avec une valeur de calibration de ladite tension pour la même conductivité donnée du fluide, et

- la génération d'un signal représentatif de la variation de résistance électrique de la première paire d'électrode créée par l'évolution du dépôt, à partir de ladite comparaison.

Avantageusement, la calibration est réalisée en l'absence de dépôt.

Selon une variante, la calibration est réalisée avant dégradation d'un dépôt. De préférence, la calibration de la tension appliquée à la première paire d'électrodes étant réalisée à une température de calibration, le procédé selon l'invention comprend une correction en température de la valeur de la tension mesurée pour ramener ladite valeur à la température de calibration.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :

-la figure 1 représente schématiquement un dispositif connu de mesure de la conductivité électrique d'un fluide à quatre électrodes ;

-la figure 2 est un graphique illustrant un exemple de courbe de calibration de la tension appliquée entre les électrodes d'injection de potentiel du dispositif de la figure 1 en fonction de la conductivité du milieu, à une température donnée ;

-la figure 3 représente schématiquement un dispositif de mesure du type de celui représenté à la figure 1, adapté selon l'invention, et

-la figure 4 est un graphique illustrant des résultats de test menés sur le dispositif de mesure selon l'invention. La présente invention cherche dans un premier temps à utiliser les imperfections des systèmes métrologiques existants et, en particulier, celles des appareils de mesure de la conductivité électrique d'un fluide . Pour mesurer la conductivité des fluides, on utilise classiquement des cellules de mesure qui, dans leur forme la plus simple, se composent de deux électrodes espacées d'une distance définie. La mesure de la conductivité d'un fluide dans lequel la cellule est plongée, s'effectue alors en appliquant une tension alternative entre les deux électrodes et en mesurant le

courant circulant au travers d'elles dans le fluide, d'où l'on peut en déduire la résistance du fluide à l'intérieur de la cellule. Cependant, une source d'erreur inhérente à ce type de mesure est liée aux dépôts générant des impédances parasites et une modification de la constante de la cellule, due notamment au phénomène d'encrassement des électrodes.

Aussi, ont été développées des cellules de mesure à quatre électrodes, permettant de pallier dans une certaine mesure ces conséquences de l'encrassement des électrodes, en rendant le courant mesuré sensiblement indépendant de la résistance parasite supplémentaire créée à l'interface entre l'électrode et le fluide par la formation d'un dépôt lié à l'encrassement. On a représenté à la figure 1 une telle cellule de mesure 10, avec ses circuits périphériques, dont le fonctionnement va maintenant être décrit plus en détail .

Une première paire d'électrodes, respectivement 1 et 4, est connectée à un générateur de tension alternative 5, permettant d'injecter un courant i sous une différence de potentiel δV sensiblement constante dans le fluide 6 entre les électrodes 1 et 4 de la première paire. Le générateur 5 injecte par exemple entre les électrodes un signal carré symétrique par rapport au zéro, inférieur au potentiel d' électrolyse de l'eau (environ 1,22 V), par exemple 0,25 V et de fréquence voisine de 400 Hz.

Une deuxième paire d'électrodes, respectivement 2 et 3, est avantageusement disposée entre les électrodes 1 et 4 de la première paire, sur une ligne

équipotentielle commune d'un champ de potentiel créé entre ces dernières. Ces deux électrodes 2 et 3 permettent alors de récupérer une certaine tension partielle, représentative de la conductivité des fluides dans lesquels est plongée la cellule.

En pratique, quand une tension δV est appliquée entre les électrodes 1 et 4, un courant i circule donc dans les fluides à l'intérieur de la cellule. Un amplificateur 7 permet alors de récupérer et contrôler la différence de potentiel δVref à travers les fluides entre les deux électrodes 2 et 3.

L'amplificateur 7 étant un amplificateur à haute impédance d'entrée, on considère que les électrodes 2 et 3 sont parcourues par un courant négligeable. En conséquence, la différence de potentiel δVref entre les deux électrodes 2 et 3 peut être considérée comme indépendante d'un quelconque état d'encrassement de celles-ci et est uniquement due au courant i, à la résistance Rl du milieu 6 et à la configuration des électrodes .

Ainsi, δV = Rl*i, d'où i = δV/R1, avec Rl = p*l/s, 1 étant la distance entre les électrodes 1 et 4 d'injection de potentiel et s la surface de celles-ci. Sachant que la conductivité est directement égale à 1/p, le courant i est donc directement proportionnel à la conductivité, δVref étant maintenue constante.

Autrement dit, connaissant la différence de potentiel δV appliquée entre les électrodes 1 et 4, δVref étant maintenue constante entre les électrodes 2 et 3, et la constante de la cellule 1/s, la mesure du courant i permet de connaître la conductivité.

Le courant i peut être mesuré de différentes façons. Par exemple, le générateur de tension 5 peut être connecté en série avec une résistance Rm de faible valeur, utilisée pour la mesure du courant i émis dans les fluides à l'intérieur de la cellule. Les bornes de la résistance Rm sont reliées aux entrées respectives d'un amplificateur 9, permettant de mesurer la différence de potentiel δVm à ses bornes. Cette différence de potentiel δVm est alors directement fonction de la conductivité, qui est affichée par l'intermédiaire d'un moyen d'affichage 11.

Le dispositif de la figure 1 peut également comprendre des moyens de mesure de la température du fluide (non représentés) , par exemple du type comprenant une résistance sensible à la température du fluide, aptes à fournir un signal représentatif de cette température. Ce signal de température est utilisé afin d'apporter une correction en température à la mesure de conductivité obtenue, pour ramener cette valeur par exemple à 25 ⁰ C.

Comme on va maintenant le voir plus en détail, le principe de cette cellule de mesure à quatre électrodes est de maintenir constante la différence de potentiel δVref entre les électrodes 2 et 3 de la deuxième paire d'électrodes, quelle que soit la conductivité/ résistance du milieu.

En effet, lors d'un fonctionnement de la cellule avec encrassement des électrodes, des résistances série supplémentaires, de valeur positive (résistance) ou négative (générateur) , symbolisées Re sur la figure 1, apparaissent sur les électrodes qui sont en contact

électrique avec le fluide, significatives de la formation d'un dépôt.

Les résistances supplémentaires en série avec les électrodes internes 2 et 3 peuvent atteindre des valeurs ohmiques élevées sans qu'il en résulte des erreurs de mesure, car par construction, l'amplificateur 7 mesure une différence de potentiel sans consommation de courant, la résistance d'entrée de l'amplificateur 7 étant grande. Par contre, un dépôt partiel, isolant ou conducteur, sur les électrodes d'injection de potentiel 1 et 4, va modifier l'impédance de la cellule par rapport à ce qu'elle devrait être pour une conductivité donnée. Par ailleurs, ce dépôt est susceptible de modifier sensiblement les espacements moyens entre les électrodes, ce qui se traduit par une variation de la valeur ohmique de la résistance Rl.

L'intérêt des électrodes internes 2 et 3 est alors de pallier les effets de l'encrassement, comme expliqué ci-après .

Ainsi, pour une même conductivité du liquide avec encrassement, le courant i diminue, donc la différence de potentiel δVref mesurée entre les électrodes 2 et 3 diminue également. Dans cette situation, l'amplificateur 7 commande, via une boucle de rétroaction 8, au générateur de tension 5 de corriger la tension injectée δV de façon à maintenir la plus constante possible la valeur de δVref mesurée entre les électrodes 2 et 3. On se retrouve alors dans le cas décrit précédemment sans encrassement, où la mesure du courant

i est directement proportionnelle à la mesure de la conductivité, δVref étant maintenue constante.

L'analyse en continu des tensions appliquées aux électrodes 1 et 4 par le générateur de tension 5 pour des solutions de conductivité identique avec électrodes propres (ou avant évolution d'un dépôt), d'une part, et avec électrodes encrassées (ou après évolution d'un dépôt), d'autre part, peut donc avantageusement être utilisée pour détecter un dépôt sur les électrodes et contrôler l'évolution de celui-ci.

En effet, toute différence, en plus ou en moins, détectée entre la tension appliquée aux électrodes 1 et 4 pour une même conductivité mesurée du milieu, pourra indiquer l'apparition d'un dépôt non désiré sur les électrodes, ou même la dégradation d'un dépôt volontairement présent, dans un contexte de contrôle du maintient d'un film de protection sur une surface, par exemple une couche de protection cathodique.

Cette information concernant la différence de tension appliquée sur les électrodes 1 et 4 pour la même conductivité du milieu mesurée, avant et après évolution d'un dépôt, est finalement représentative de l'évolution de ce dépôt au niveau des organes d'une installation dans lesquels le dispositif de mesure est placé.

Cet aspect de l'invention est illustré par la figure 2, sur laquelle est représenté un exemple de relation entre la tension δU _P appliquée aux électrodes 1 et 4 (tension mesurée corrigée par le signal de température pour ramener sa valeur à 25 °C) et la conductivité du milieu mesurée, avec « électrodes

propres » (c'est-à-dire en l'absence de dépôt non désiré ou avant dégradation d'un dépôt volontairement présent) .

Cette relation permet donc de déterminer une courbe de calibration Cal de la tension appliquée aux électrodes 1 et 4 avant évolution d'un dépôt en fonction de la conductivité, à partir de laquelle, suite à l'évolution d'un dépôt, pour une mesure δU _e réalisée de la tension alors appliquée aux électrodes 1 et 4 pour une conductivité donnée C, mesure ramenée à 25 °c après correction en température, on pourra déterminer l'écart ε avec la valeur de tension δU _P « électrodes propres », fournie par la courbe de calibration pour la même conductivité C, lequel écart étant représentatif de l'évolution du dépôt.

Pour ce faire, en référence au mode réalisation de l'invention décrit à la figure 3, dont les éléments en commun avec la figure 1 portent les mêmes références, le dispositif de mesure comprend des moyens 12 de mesure en continu de la tension δϋ _e appliquée aux électrodes d'injection de tension 1 et 4, pour une mesure de la conductivité donnée du milieu.

Le dispositif de mesure comprend encore des moyens 13 de type microcontrôleur, intégrant des moyens de stockage 14 de la calibration de la tension appliquée aux électrodes d'injection de tension 1 et 4 avant évolution d'un dépôt en fonction de la conductivité, pour une température donnée, et des moyens 15 adaptés pour effectuer la comparaison de la valeur de la tension mesurée δU _e avec une valeur de calibration stockée δU _P , pour la même conductivité donnée du milieu.

La valeur de tension mesurée δU _e , ainsi que celle de la conductivité évaluée du milieu sont préalablement corrigées en température pour être ramenée ^" à la température de calibration, par exemple à 25 ⁰ C. Le microcontrôleur 13 est alors à même, à partir de la comparaison effectuée pour chaque mesure δU e, réalisée, de produire un signal IND de détection d'un dépôt sur la surface contrôlée. Ce signal IND est plus particulièrement représentatif de la résistance électrique créée par l'évolution (formation ou dégradation) du dépôt sur la surface des électrodes. Cette résistance est fonction (entre autre des effets capacitifs) de la résistivité du dépôt et de son épaisseur . Cette résistance électrique complémentaire créée par l'évolution d'un dépôt sur les électrodes est symbolisée par Rr sur la figure 3.

Ainsi, selon une approche théorique, dans l'hypothèse où le fluide considéré est de l'eau, soient:

Rl = résistance de la colonne d'eau en ω

S = surface des électrodes;

L = longueur de la colonne d'eau sous mesure ;

δU _P = valeur de la tension injectée en volts, électrodes propres ;

δU _e = valeur de la tension injectée en volts, après évolution d'un dépôt sur les électrodes ; ip = valeur du courant, électrodes propres ; is = valeur du courant, après évolution d'un dépôt sur les électrodes ;

Cond _e = Conductivité de l ' eau ; p _e = résistivité de l ' eau ; a = constante ;

Is = épaisseur de la couche de dépôt de résistivité ps et de surface S.

Dans le cas électrodes propres, on a vu que le courant mesuré est proportionnel à la conductivité, soit : ip = a x Cond _e

La loi d'Ohm donne : AU _p =Rlxip-RlxaxCond _e

Après évolution d'un dépôt sur les électrodes, en considérant que la constante de cellule n'est pas modifiée par la surface S on peut écrire : Mais par principe de fonctionnement et dans les limites du fonctionnement correct, on a : is = ip = i D'où : Après simplification il vient : axcond _e Sy cond _e j

La première partie de la formulation étant l'objet de la mesure, le signal IND fourni en sortie par le microcontrôleur est donc un signal s' exprimant en Ohm et fournit plus précisément la différence de résistance entre la couche de dépôt et la couche correspondante si celle-ci était remplacée par de l'eau

au moment de la mesure (sous réserve que la nature du dépôt ne modifie pas fondamentalement S et donc les lignes de champ) .

Cette résistance complémentaire peut être due a une résistance ohmique, à un effet capacitif, etc.

Ainsi, pour différentes valeurs de conductivités rencontrées dans une installation :

- en calibrant la valeur de la tension appliquée aux électrodes 1 et 4 en fonction de la conductivité du fluide, la calibration étant effectuée avant l'évolution d'un dépôt, c'est-à-dire avec électrodes propres, et corrigée en température pour ramener cette valeur par exemple à 25 ⁰ C, et

- en mesurant et en comparant comme exposé ci- dessus la valeur de tension appliquée aux électrodes 1 et 4 suite à l'évolution d'un dépôt, par rapport à la valeur de tension de calibration pour la même conductivité du milieu mesurée, on obtient, pour chaque mesure, une information quant à la présence d'un dépôt sur une surface, directement reliée à la résistance créée par le dépôt sur les électrodes. Le suivi de ces mesures sur une période de temps donné, permet en outre de contrôler l'évolution de ce dépôt sur la surface sur ladite période.

La figure 4 illustre à cet effet les résultats de tests menés sur plusieurs jours lors de l'implantation du dispositif de mesure selon l'invention dans un équipement d'une installation industrielle utilisant un fluide traité, en représentant l'évolution du signal de

détection de dépôt IND et celle de la conductivité Cond, en fonction du temps .

Ces résultats de test montrent par exemple que les effets d'une action de traitement, symbolisée par le trait plein vertical en date du 14/02, sont restitués très nettement par le signal de détection IND fourni par le dispositif de mesure selon l'invention. En effet, on peut voir que le signal IND, représentatif de la variation de la résistance créée par le dépôt sur les électrodes, diminue fortement suite à l'action de traitement, indiquant donc parfaitement un effet de décrochement de dépôt sur l'électrode, dû à l'action du traitement .

La cohérence de la mesure obtenue avec les résultats attendus du traitement, attestent donc de la fiabilité des informations fournies par le dispositif de mesure selon l'invention sur le comportement d'un dépôt dans un équipement d'une installation industrielle.