Conductimètres

La conductivité est un paramètre de mesure très répandu dans de nombreux domaines: contrôle qualité, contrôles des eaux pures, potables et usées, production, mesure de la salinité des produits en agroalimentaire… La conductivité est la capacité d'un matériau, qu'il soit liquide, solide ou à l'état gazeux, de conduire le courant électrique. Dans une solution, la conductivité est la mesure de la concentration totale d'ions constitués d'anions et de cations transportant le courant. D'une manière générale, la mesure de la conductivité est un moyen rapide, simple et économique de déterminer la force ionique d'une solution. Cependant, la conductivité est une méthode non spécifique, incapable de distinguer la nature des ions, qui ne fournit qu'un résultat proportionnel à la totalité des ions présents. La conductivité est mesurée sur une gamme très large, qui s'étend de 1 x 10-7 S/cm pour l'eau pure jusqu'à 1 S/cm pour les solutions très concentrées.

 

Définition de la conductivité

La conductivité est un paramètre de mesure très répandu dans de nombreux domaines : contrôle qualité, contrôles des eaux pures, potables et usées, production, mesure de la salinité des produits en agroalimentaire …
La conductivité est la capacité d'un matériau, qu'il soit liquide, solide ou à l'état gazeux, de conduire le courant électrique. Dans une solution, la conductivité est la mesure de la concentration totale d'ions constitués d'anions et de cations transportant le courant. D'une manière générale, la mesure de la conductivité est un moyen rapide, simple et économique de déterminer la force ionique d'une solution. Cependant, la conductivité est une méthode non spécifique, incapable de distinguer la nature des ions, qui ne fournit qu'un résultat proportionnel à la totalité des ions présents. La conductivité est mesurée sur une gamme très large, qui s'étend de 1 x 10-7 S/cm pour l'eau pure jusqu'à 1 S/cm pour les solutions très concentrées.

La mesure de la conductivité

Le système de mesure de la conductivité de solutions se compose :

  • d'une cellule de conductivité
  • d'une sonde de température
  • d'un instrument de mesure, le conductimètre.

Un courant alternatif est appliqué à 2 électrodes (comprises dans la cellule de conductivité) plongées dans l'échantillon et la tension qui en résulte est mesurée. Les anions se déplacent vers l'électrode positive et les cations vers l'électrode négative. L'échantillon se comporte comme un conducteur électrique.

En pratique, les conductimètres mesurent la conductance. Après avoir effectué les opérations de conversion, ils affichent la conductivité.

Selon les applications, on préférera mesurer la résistivité (inverse de la conductivité), comme par exemple pour les eaux pures contenant très peu d'ions. Le degré de conductivité d'une solution dépend de plusieurs facteurs :

  • de la concentration en ions
  • de la valence des ions
  • de leur mobilité
  • de la température de la solution.

La cellule de mesure ou sonde de conductivité

On distingue 3 types de sondes.

- La sonde à 2 anneaux
(2 électrodes) ampérométrique est utilisée pour des mesures de conductivité traditionnelles et des solutions de faible conductivité (jusqu'à
2 mS/cm). Cette technique présente néanmoins l'inconvénient de pouvoir fausser les mesures, surtout sur une plage large de plusieurs gammes de conductivité. Ces erreurs sont dues essentiellement à l'effet de polarisation des électrodes, au volume du récipient et à la position de la sonde dans le récipient (effet de champ).

- La sonde à 4 anneaux
(4 électrodes) potentiométrique permet de mesurer une gamme de conductivité très étendue. Pour éviter l'effet de polarisation qui entraîne des erreurs de mesure, on ajoute deux anneaux externes aux 2 électrodes initiales. Le courant alternatif transmis par le conductimètre est imposé à ces 2 anneaux externes afin d'établir entre les 2 électrodes internes une différence de potentiel. Comme la mesure de la différence de potentiel est faite sous haute impédance (courant quasiment nul), il n'y a pas de polarisation. Dans ce cas, la conductivité est directement proportionnelle au courant émis par l'instrument. Par conséquent, la valeur de la constante de cellule reste linéaire sur plusieurs gammes de mesure jusque vers les fortes conductivités.

- La sonde à induction est un type de cellule utilisé essentiellement dans les applications industrielles, pour des conductivités très élevées et des milieux très pollués.

L'influence de la température

La conductivité d'une solution est très dépendante de sa température. Si la température augmente, la conductivité augmente. La température modifie non seulement le niveau de solution des ions mais également leur mobilité. Cette variation de la conductivité, exprimée en pourcentage par degré Celsius ( %/°C) est appelée coefficient de température. Pour la plupart des applications, ce coefficient de température (symbolisé par β) se situe à environ 2 %/°C (eau potable). Mais il peut varier en fonction de la nature des électrolytes (sels jusqu'à 3 %/°C, eau ultrapure 5,2 %/°C).

Pour comparer des résultats mesurés à différentes températures, on utilise une température dite de référence, qui est soit de 20 °C soit de 25 °C.

La correction de la température

A chaque mesure de conductivité, l'utilisateur doit donc mesurer simultanément la température de l'échantillon, soit à l'aide d'une sonde de température séparée soit en utilisant une sonde de conductivité avec capteur de température intégré. La correction de température consiste à calculer la valeur de la conductivité de la solution mesurée à la température de référence.

Les technologies actuelles permettent aux conductimètres d'effectuer automatiquement la correction en température des résultats. Ils mesurent en fait la conductivité et la température effectives de l'échantillon, puis, en utilisant le coefficient de température, convertissent la valeur de la conductivité pour l'ajuster à la température de référence choisie. Le résultat affiché est donc une valeur re-calculée correspondant à la conductivité de l'échantillon, comme si ce dernier avait été thermostaté exactement à 20 °C ou 25 °C.

On distingue 3 procédés de correction de température :

  • la correction de température linéaire, fondée sur une équation linéaire utilisant le coefficient de température (pour la plupart des applications et les échantillons de conductivité moyenne ou élevée)
  • la correction non linéaire, basée sur une formule de calcul non linéaire, plus adaptée et plus exacte pour certaines applications (eaux naturelles, eaux de surfaces, lacs, fleuves ou eaux souterraines, dont la conductivité présente une évolution fortement non linéaire en fonction de la température)
  • sans correction, selon les normes USP (US Pharmacopée) ou pour des mesures de conductivité absolue.

La constante de cellule

Une sonde de conductivité est composée d'électrodes entre lesquelles se trouve l'échantillon. La constante de cellule (symbolisée par K) est une caractéristique essentielle de la sonde et désigne le rapport entre l'écartement des électrodes et leur surface :

K = distance ÷ surface (cm-1)

Elle est utilisée comme facteur pour convertir la conductance mesurée par l'instrument en conductivité :

Conductivité en S/cm (ou S.cm-1) = constante de cellule K en cm-1 × conductance mesurée en siemens S.

Les sondes de conductivité ayant une constante de cellule K = 1 cm-1 sont les plus universelles permettant de mesurer de faibles conductivités jusqu'à des conductivités assez élevées avec une bonne exactitude.

Pour des mesures de très faibles conductivités (eau pure) exigeant des résultats de très haute exactitude, on préféra des sondes avec
K = 0,1 cm-1. Pour des échantillons de conductivité très élevée, on choisira une sonde avec une constante de cellule K = 10 cm-1.

Toutes les sondes de conductivité ont une constante de cellule qui leur est propre. Avec le temps, au fil des utilisations ou à la suite d'une contamination, elle tend à dériver, à changer. Il est recommandé de la déterminer expérimentalement par étalonnage avec une solution d'étalonnage de conductivité connue.

Anatomie d'une sonde de conductivité et conseils pratiques

La connectique

Les sondes de conductivité HANNA instruments sont livrées avec des connecteurs DIN et câble fixe.

Le matériau du corps

Les sondes de conductivité HANNA instruments sont en plastique robuste, parfaitement adaptées aux mesures de laboratoire comme sur site.

Le matériau des électrodes

Les électrodes des sondes de conductivité HANNA instruments sont fabriquées avec 3 types de matériaux :

- les électrodes en graphite, utilisées essentiellement dans les sondes à deux pôles ; ce matériau résiste bien aux agressions causées par les dépôts de sel,

- les électrodes en acier inoxydable,

- les électrodes platinées, recouverte d'une couche de noir de platine ; celle-ci augmente la surface de l'électrode et améliore le temps de réponse de la sonde ; la majorité des sondes de conductivité proposées par HANNA instruments sont en platine.

La longévité d'une sonde de conductivité

Contrairement aux électrodes pH, les sondes de conductivité ne s'usent pas, ne se modifient pas avec le temps et leur durée de vie peut être indéterminée, moyennant bien entendu un emploi convenable. Seule la constante de cellule peut changer au cas où sa surface change. Ces changements peuvent être causés par des bulles d'air emprisonnées entre les électrodes, par des traces de doigts ou encore des rayures ou dépôts de sels.

L'entretien d'une sonde de conductivité

Pour obtenir des bons résultats de mesure, la sonde et le récipient de mesure doivent être propres.

Avant toute mesure, la sonde et le récipient doivent être rincés 2 ou 3 fois avec l'échantillon pour éliminer les impuretés pouvant causer des erreurs de mesure.

Entre chaque mesure, il est indiqué de rincer la sonde avec de l'eau distillée.

En cas d'encrassement ou de formation de dépôts, la sonde peut être nettoyée :

  • soit en la trempant dans la solution de nettoyage à usage général (HI7061)
  • soit à l'aide de méthanol ou à défaut avec du savon pour vaisselle ; la sonde doit être nettoyée avec précaution avec une brosse douce. Les surfaces (constante de cellule) des électrodes ne doivent en aucun cas être endommagées.

Après chaque nettoyage, la sonde doit être soigneusement rincée à l'eau distillée.

La conservation des sondes de conductivité

Avant de stocker une sonde de conductivité, elle doit être rincée avec de l'eau distillée pour éviter tout dépôt indésirable sur la surface de mesure.

Les règles pour une bonne mesure de conductivité

Pour obtenir des résultats exacts, quelques règles simples sont à suivre.

L'étalonnage

L'étalonnage permet de régler les valeurs mesurées par la chaîne instrument/sonde. Il est réalisé à l'aide de solutions d'étalonnage de conductivité connue. Il est très important, car il garantit des lectures de haute exactitude.

Il est recommandé de veiller à ce que les conditions de l'étalonnage (température, agitation...) soient identiques à celles des mesures.

Selon la précision souhaitée, l'étalonnage peut être effectué de 1 à 5 points (selon les modèles d'instruments).

L'étalonnage en 1 point est le plus courant et permet une qualité de mesure tout à fait convenable. Il faudra néanmoins veiller à ce que la valeur de la solution d'étalonnage utilisée soit proche de la valeur de conductivité attendue de l'échantillon.

L'étalonnage en plusieurs points est recommandé lorsque les conductivités des échantillons à mesurer présentent une courbe non linéaire.

La fréquence d'étalonnage

La fréquence d'étalonnage dépend de la précision souhaitée par l'utilisateur, de l'application ou encore de la nature des échantillons. Elle doit être déterminée au cas par cas par l'utilisateur. Si les électrodes de la sonde sont bien entretenues et non endommagées, l'ajustement de l'étalonnage se conserve relativement longtemps (3 semaines à 1 mois environ).

La profondeur d'immersion de la sonde de conductivité

Les électrodes et les orifices de sortie d'air de la sonde doivent impérativement être recouverts par l'échantillon.

Pour les sondes à 2 électrodes, il faut veiller à ce qu'elles soient placées au centre du récipient. Pour certaines applications, il faut même veiller qu'elles ne touchent pas le fond du becher et qu'elles respectent une certaine distance des parois.

Quelques exemples de conductivité de l'eau

Conductivité de l'eau à 25 °C
Eau pure 0,055 µS/cm
Eau distillée 0,5 µS/cm
Eau de montagne 1,0 µS/cm
Eau de pluie 50 µS/cm
Eau potable 500 à 800 µS/cm
Maximum pour eau potable 10055 µS/cm
Eau usée industrielle 5 mS/cm
Eau salée 52 mS/cm

Mesure de la résistivité et des TDS

La mesure de la résistivité

La résistivité est un paramètre utilisé pour déterminer la qualité ionique d'une solution. Elle est essentiellement employée pour le contrôle de la qualité des eaux ultrapures (employées dans les procédés de fabrication de produits pharmaceutiques, électroniques ou encore en production d'énergie) et pour analyser la contamination en eau de solvants organiques.

La mesure de la résistivité est la mesure inverse de la conductivité :
Résistivité = 1/conductivité (Ohm•cm)

Aujourd'hui bon nombre de conductimètres modernes disposent d'une gamme de mesure résistivité, capables d'effectuer les calculs de conversion et d'afficher au choix la conductivité ou la résistivité.

La mesure des TDS (solides dissous totaux)

La mesure des TDS (Total Dissolved Solids) est une mesure de masse : c'est la masse de la totalité des anions, cations et autres solides non dissociés présents dans une solution.

Elle est exprimée en ppm (parties par million) ou mg/L où 1 ppm = 1 mg/L.

Dans les solutions aqueuses, la conductivité est directement proportionnelle à la concentration des TDS : plus la masse des solides est élevée, plus la conductivité sera forte. Cette relation entre les deux paramètres s'exprime approximativement de la façon suivante, en fonction de l'application :

Degrés anglais : 1,4 µS/cm = 1 mg/L

ou

Degrés américains : 2 µS/cm = 1 mg/L de CaCO3

La majorité des conductimètres modernes proposent conjointement la mesure des TDS et la mesure de la conductivité.

Le contrôle des TDS est fréquemment utilisé dans la fabrication du papier afin de déterminer la quantité totale des matières organiques et inorganiques présente dans l'eau.

Le facteur de conversion TDS

Le facteur de conversion TDS est le nombre utilisé par l'instrument pour convertir la conductivité en TDS. Pour une eau normale, le facteur TDS est compris entre 0,50 et 0,70. Pour la plupart des applications, la valeur par défaut est de 0,50. La plage permise s'étend de 0,40 à 1,00. Selon les modèles, ce facteur TDS est réglable par l'utilisateur.

Conductivité, TDS et dureté de l'eau

La dureté de l'eau peut être mesurée avec une approximation raisonnable en degrés français, à l'aide de conductimètres ou TDS-mètres. Elle dépend principalement de la quantité d'ions calcium ou magnésium dissoute dans l'eau et s'exprime le plus souvent en degrés français (°F) :

1 °F = 10 mg/L de CaCO3

En divisant la mesure de mg/L de solides dissous par 10, on obtient la dureté de l'eau avec une erreur de 2-3 °F.
Comme une conductivité de 1 mg/L = 2 µS/cm, donc :

1 °F = 20 µS/cm

En divisant la valeur en µS/cm par 20, on obtient une mesure de la dureté en degrés français (erreur de 2-3 °F).

IMPORTANT : La dureté de l'eau doit être mesurée avant tout traitement d'adoucissants. Durant ce traitement, les sodiums se substituent aux carbonates, ce qui a pour effet de diminuer la dureté de l'eau sans toutefois altérer la concentration totale des solides dissous.

Tableau de conductivité et dureté de l'eau
mg/L µS/cm °F dureté
0-70 0-140 0-7 très douce
70-150 140-300 7-15 douce
150-250 300-500 15-25 légèrement dure
250-320 500-640 25-32 moyennement dure
320-420 640-840 32-42 dure
> 420 > 840 > 42 très dure