58 MESURES PHYSIQUES

L’
oxygène dissous et la conducti-
vité sont deux grandeurs com-
plémentaires. Leur mesure est
indispensable pour le suivi des
paramètres physico-chimiques des eaux dans
les stations d’assainissement. Dans les pro-
cédés aérobies d’épuration biologique, l’oxy-
gène dissous est néces-
saire aux bactéries qui
consomment les
matières organiques
contenues dans des eaux
usées. Pour leur fournir
suffisamment d’oxygè-
ne, les eaux sont oxygé-
nées soit par brassage
mécanique, soit par bul-
lage d’air comprimé.
L’optimisation du pro-
cessus passe par le
contrôle de la quantité
d’oxygène dissous pré-
sente. Si cette quantité est
insuffisante, le processus
est lent et en cas extrême, le manque d’oxy-
gène entraîne la mort des bactéries. Au
contraire, si on crée de l’oxygène dissous en
excès (plus que les bactéries n’en ont
besoin), le processus s’accélère, mais cela
implique une dépense d’énergie inutile, donc
un surcoût.
La solubilité de l’oxygène dans un liquide
varie avec la salinité de ce dernier.
Le suivi des variations de salinité d’une solu-
tion optimise le processus. Il passe par la
mesure en continu de la conductivité. Plus
une solution contient de sel, d’acide ou de
base, plus la conductivité augmente. Nor-
malement, les eaux usées sont caractérisées
par une conductivité comprise entre 1 à
58 MESURES 749 - NOVEMBRE 2002
uide d’achat
G
MESURES PHYSIQUES
Mesures de conductivité
et d’oxygène dissous
dans l’assainissement
▼
Les appareils de mesure de l’oxygène dissous et de
la conductivité en continu cherchent à augmenter
la stabilité et la fiabilité des mesures. Les dernières
générations d’équipements sont conçues pour un
entretien et une maintenance réduite.
L’essentiel
L’oxygène dissous doit être
contrôlé car il conditionne
l’activité biologique
La salinité est un autre para-
mètre important. Elle est
obtenue par une mesure de
conductivité
Les conditions d’utilisation
ont une grande influence
sur les performances des
capteurs
Un étalonnage fréquent est
souvent nécessaire pour
maintenir un bon niveau
de performances
Les mesures d’oxygène dissous sont souvent soumises à des contraintes d’environnement très difficiles. Il existe deux variantes de capteurs :
avec et sans membrane.
Polymetron
Emerson Process Management
Endress + Hauser
Swan

10 mS/cm, alors que dans l’eau potable elle
varie de 0,1 à 1 mS/cm et que dans l’eau
ultra pure elle se présente sous forme de tra-
ce de quelques microsiemens/cm tout au
plus.
Destinées à la conduite des procédés de trai-
tement, ces sondes doivent fournir une
mesure stable et reproductible dans le temps.
Un principe, deux conceptions
différentes
Une sonde de mesure d’oxygène dissous uti-
lise le principe électrochimique. Un courant
électrique est induit par une réaction d’oxy-
do-réduction : à la cathode, les molécules
d’oxygène sont consommées par réduction
pour former des ions hydroxydes. Cette réac-
tion nécessite des électrons qui sont fournis
par la réaction d’oxydation des atomes de
l’anode. Les cations ainsi créés à l’anode pas-
sent en solution.
Il existe deux variantes : sans membrane et
avec membrane. Pour le système sans mem-
brane, des ions présents dans le liquide peu-
vent réagir à la cathode et induire un cou-
rant. Parmi les agents les plus perturbateurs,
on peut citer les ions sulfure dont la concen-
tration maximale admissible pour provoquer
un écart inférieur à 0,2 mg/l est égale à
1 mg/l.
Dans le cas des sondes avec membrane, l’élec-
trolyte n’assure pas seulement la continuité
électrique du système, il est également choi-
si pour éviter que les cations diffusent et se
déposent à la cathode.Ainsi, le sel présent va
réagir avec les cations afin de les immobili-
ser en formant un sel insoluble. L’électroly-
te se modifie donc au cours du temps et il est
nécessaire de le régénérer. Selon les sondes et
les fabricants, le temps entre deux change-
ments d’électrolyte peut varier de six mois
à cinq ans.
Pour que le courant électrique circule dans le
système, une tension est présente entre les
deux électrodes. Elle peut être :
- imposée. C’est le procédé galvanique, une
différence de potentiel d’au moins 0,5V est
alors nécessaire.
- appliquée aux électrodes. On parle alors de
sondes polarographiques ou ampéromé-
triques. Pour ces appareils, un temps de pola-
risation est nécessaire après l’application
d’une tension externe. Il peut varier entre
quelques minutes et une heure avant utili-
sation.
Le courant électrique mesuré est propor-
tionnel à la quantité d’oxygène arrivant à la
cathode. Dans le cas des sondes à membra-
ne, cette dernière est elle-même propor-
tionnelle à la pression partielle de l’oxygène
à l’extérieur de la membrane. Le facteur de
proportionnalité dépend des caractéristiques
physiques de la membrane. La nature du
matériau et l’épaisseur de la membrane
influencent sa perméabilité. Pour un même
matériau, plus la membrane est fine, plus
l’oxygène passera facilement. Dans le domai-
ne de l’assainissement, des membranes en
polymère fluoré d’épaisseur variant entre
25 µm et 50 µm sont généralement utilisées.
C’est aussi la perméabilité de la membrane
qui influence le temps de réponse de la son-
de lors d’un changement brusque de la
quantité d’oxygène dissous dans le liquide.
Parmi les différentes sondes du marché,le
temps nécessaire pour que 90 % du chan-
gement de signal soit atteint (t
90
) peut varier
de 10 à 180 secondes.
Surveiller que le capteur
est en bon état
Sur les capteurs d’oxygène dissous, la mem-
brane est le point faible du capteur. Elle s’en-
crasse, peut se rompre. Pour contrôler son
intégrité, il existe des systèmes de surveillance
qui préviennent l’utilisateur lorsqu’il y a rup-
ture de la membrane ou épuisement de
l’électrolyte.
Par exemple, l’utilisation d’une troisième
électrode, dite électrode de référence, per-
met de contrôler toute variation anormale
du courant dans l’électrolyte. D’autres véri-
fient l’intégrité de la membrane par un
contrôle de l’impédance entre la cathode et
le corps de la cellule. Une autre solution
consiste à vérifier la variation du signal. Une
absence de variation du signal pendant tou-
te la durée du cycle d’aération indique la pré-
sence d’un problème.
Lorsqu’un problème de membrane est détec-
té, il faut la changer. Plusieurs précautions
importantes sont à prendre. Il faut notam-
ment éviter toute introduction de bulles dans
l’électrolyte. La présence d’un embout amo-
vible, avec la membrane déjà tendue sur un
support, simplifie cette opération délicate.
Chez Endress + Hauser, il s’agit d’un “capot pré-
confectionné interchangeable”, chez Emerson
Process, la membrane pré-tendue sur son sup-
port est plaquée contre la cathode par une
pièce vissée.
L’encrassement de la sonde perturbe aussi la
mesure. Le matériau constituant la mem-
brane a aussi son importance. Il est de noto-
riété que le Téflon résiste bien à l’encrasse-
ment.
Etalonner la cellule
Après chaque changement de membrane
(mais pas uniquement), un étalonnage est
nécessaire.
Pour l’oxygène dissous, de nombreuses
59
MESURES 749 - NOVEMBRE 2002
G uide d’achat
Quel appareil choisir ?
Qu’il soit portable pour les mesures ponctuelles sur le terrain, ultra-précis
pour les analyses en laboratoire ou en continu pour le contrôle notamment
des eaux usées, un appareil de mesure d’oxygène dissous ou/et conductivi-
té est schématiquement constitué d’un boîtier électronique et d’une sonde.
Le fonctionnement de l’ensemble des sondes à oxygène est basé sur un
principe électrochimique nécessitant deux électrodes.
Il existe deux catégories d’appareils, différenciés par la présence ou non d’une
membrane. Pour les sondes sans membrane, les deux électrodes sont en
contact direct avec l’échantillon contrairement aux sondes à membrane basées
sur le principe de Clark. Ces dernières mettent en œuvre un système d’élec-
trodes plongées dans un électrolyte et séparé de la solution par une membrane
semi-perméable qui laisse passer l’oxygène dissous vers les électrodes.
Emerson Process Management
L’oxygène dissous et la conducti-
vité sont deux des paramètres les
plus mesurés sur les eaux usées.
Plusieurs possibilités de montage
sont proposées : sur cuves, sur
canalisations,dans des réacteurs.
Heito
Cette sonde de conductivité est
proposée en 270 configura-
tions différentes afin de
s’adapter à un maximum
d’applications.

60 MESURES 749 - NOVEMBRE 2002
G uide d’achat
Constructeur Référence produit Plage de mesure Epaisseur de la Etalonnage Température d’utilisation Compensation Système de contrôle
(Distributeur) (Précision) membrane (µm) (t90) (Compensation de pression/salinité d’anomalie
la température) (Nettoyage)
Aqualyse Servo 5Y 0 - 99,99 mg/l 50 A l’air, à saturation ou 0 à 100°C oui oui
(± 0,1 % de l’échelle) référencé à un point (Automatique de 0 à 50 °C) oui (oui à air comprimé)
(180 s)
PRO Y 0 - 99,99 mg/l 50 A l’air, à saturation ou 0 à 100°C oui oui
(± 0,1 % de l’échelle) référencé à un point (Automatique ou oui non
(180 s) manuelle de 0 à 50 °C)
ATI B15/60 0 à 20 mg/l 5 (<180 s) 0 à 50 °C (capteur) relais d’alarme
(ES Dpt Bio-tests) (Sensibilité 0,01 mg/l -20 à 52 °C (électronique) (Compresseur interne
Répétabilité ± 0,05 mg/l) (- 2 à +52 °C) qui envoie de l’air comprimé)
Danfoss EVITA OXY 4 à 15 mg/l ou 3 à 20mg/l 25, 50 et 125 automatique 0-40 °C (sonde) oui oui, Fonction d’autosurveillance
(± 0,5 %) (réglable de 20 à 300 s, 0 à 70 °C (électronique) oui et de recherche de pannes
préréglage usine 40 s) (oui) (oui)
Endress-Hauser COS 41 0,05 à 20 mg/l, 0 à 100 % 50 1 point à saturation - 5 à +50°C oui oui
(saturation) (180 s à 20°C) (oui) oui (oui)
(1 %)
COS 31 0,02 à 20 mg/l, 0 à 100 % 25 ou 50 (30 s à 20 °C) -5 à 50 °C oui oui
(saturation) (oui) oui (oui)
(1 %)
EFS Optilis et 0-20 mg/l 5 à 35 °C oui non
(Lac Instruments analyseur 8259 (± 0,5 %) (oui) non (oui)
et systèmes)
Foxboro 871 DO 0-5 à 0-100 ppm à l’air ambiant 0 à 50 °C oui oui, rupture de membrane,
(Monox) (± 3 %) (< 60 s à 25 °C) (oui) oui encrassement...
(oui)
Heito BOT 2 0 à 20 mg/l 19 zéro et saturation 0 à 50 °C oui non
(1 %) (10 s) (oui) non (en option)
Jumo dTRANS02 01 0 à 20 mg/l oui (oui entre -10 à 60 °C) oui oui
étude configurable (< 180 s)
(± 1 % de la pleine échelle)
Orbisphère Micro O2 Logger, 0 ppb à 80 ppm 25 à 50 à l’air saturé de vapeur 0 à 50 °C oui oui via interface logiciel PC
ref 3650 (± 1% de la mesure ou d’H
2
O (oui) option (non)
± 1 ppb dans cette gamme
d’affichage)
Mesure d’oxygène dissous
sondes ont aujourd’hui un processus d’éta-
lonnage simplifié. En se basant sur le fait que
la composition en oxygène de l’air est
constante, tout autour du globe terrestre,
celui-ci s’effectue de plus en plus en un seul
point à l’air ambiant. L’opération difficile de
réglage du zéro a été supprimée pour la
majorité des sondes. De plus, la limitation
des phénomènes parasites a permis d’aug-
menter le temps d’utilisation entre deux éta-
lonnages. Cependant, une sonde en bon état
et bien étalonnée n’est pas suffisante pour
donner une mesure exacte de l’oxygène dis-
sous. Des précautions d’emploi sont néces-
saires. Il faut notamment :
- veiller à limiter la présence de bulles d’air
piégées sur la membrane du côté de la solu-
tion en implantant la sonde en biais ou en
entourant chaque électrode d’un “gobelet”.
- s’assurer que le liquide est bien régénéré
au niveau de la sonde (le principe de mesu-
re implique une consommation d’oxygène
qui peut provoquer un appauvrissement local
en oxygène au voisinage de la membrane).
- connaître et compenser les effets externes
(température, pression, salinité) qui peuvent
influencer les mesures.
Lors de l’étalonnage, on détermine le coef-
ficient de proportionnalité entre le courant
mesuré et la concentration en oxygène dis-
sous. Pour les cellules à membrane, ce coef-
ficient de proportionnalité dépend double-
ment de la température.Ainsi, lorsque la tem-
pérature augmente, la perméabilité de la
membrane augmente, il y a plus d’oxygène
qui entre dans la cellule, on mesure donc un
courant plus important bien que la concen-
tration en oxygène dissous ne soit pas diffé-
rente. En revanche, la solubilité de l’oxygène
dans un liquide diminue lorsque la tempé-
rature augmente. La concentration en oxy-
gène dissous sera donc plus faible. Le rôle
des fonctions de compensation est de com-
penser les deux effets par un réseau de résis-
tances et de thermistances. Pour cela, la pré-
sence d’un capteur de température est
nécessaire.Toutefois, les compensations de
température n’étant jamais réellement par-

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MESURES 749 - NOVEMBRE 2002
G uide d’achat
Constructeur Référence produit Plage de mesure Epaisseur de la Etalonnage Température d’utilisation Compensation Système de contrôle
(Distributeur) (Précision) membrane (µm) (t90) (Compensation de pression/salinité d’anomalie
la température) (Nettoyage)
Orbisphère Wall 02 Logger, 0,1 ppb à 80 ppm 25 à 50 à l’air saturé de 0 à 50 °C oui oui via interface logiciel PC
réf. 3660 (±1% de la mesure ou vapeur d’H
2
O (oui) option (non)
± 0,5 ppb dans gamme
d’affichage)
Polymetron 9181 0 - 20 mg/l 0 automatique, 0 - 50 °C oui, manuelle Manque échantillon, courant
(± 0,5 mg/l) pente dans l’air (oui) sur demande trop élevé...
(En option : air, eau)
9182 et 9183 0 - 2000 µg/l automatique et program- 0 - 50 °C oui, manuelle Manque échantillon, courant
(± 0,5 µg/l) mable par cellule de (oui) sur demande trop élevé...
Faraday intégrée (En option : air, eau)
Rosemount 499ADO 0 à 20 ppm 25 s pour atteindre 0 à 50 °C oui, plage de pression oui, diagnostics possibles
Analytical (± 0,2 ppm à 25 °C) 63 % de la lecture (oui par pt 100) (0 à 549 Kpa) (oui)
(Emerson Process à 25 °C oui
Management)
499 TrDO 0,1 ppm à 20 ppm à 25 °C inférieur 5 à 45 °C oui, plage de pression oui, diagnostics possibles
(échelle inférieur à 20 ppb à 20 s pour atteindre (oui par pt 100) (101 à 549 Kpa abs) (oui)
± 1 ppb et échelle supérieure 90 % de la lecture oui
à 20 ppb ± 5% de la lecture) (0-200 ppb)
Hx 438 0 à 20 ppm -10 à 130 °C oui oui, diagnostics possibles
(0 à 250 % de saturation, (oui par 22K NTC) (pression maxi (oui)
cela dépend du transmetteur) 400 kPa)
oui
Swan Swansensor Oxysafe 0 à 20 ppm ou 0 à 20 % polymère fluoré 1 point à l’air 0 à 50 °C oui oui
(Swan Instruments (avec transmetteur de saturation 45 (< 180) (oui) oui (Automatique à l’eau)
d’Analyse France) FAM Oxysafe) (0,01 ppm)
Swansensor 0 à 15 ppm ou 0 à 100% polymère fluoré 1 point à l’air 0 à 50 °C oui oui
Oxytrace SC de saturation 25 (< 15) oui non (non)
(avec transmetteur (0,1 ppb de 0 à 199,9 ppb,
FAM Oxytrace) 1 ppb de 200 à 9999 ppb)
Yokogawa D030 0 à 20 mg/l 25 ou 50 eau ou air 0 à 40 °C oui oui
(0,1 mg/l) (120 à 180 s) (oui) oui (oui)
SM31 0 à 20 mg/l 50 eau ou air 0 à 130 °C oui oui
(0,1 mg/l) (30 à 60 s) (oui) oui (oui)
Mesure d’oxygène dissous
faites, il est conseillé de calibrer la sonde à
une température aussi proche que possible de
celle de l’échantillon.
Autre paramètre d’influence : la pression. Les
différences de pression dues aux conditions
météorologiques ou à l’altitude peuvent pro-
voquer une variation pouvant aller jusqu’à
20 % dans la concentration d’oxygène dis-
sous. Il est possible de corriger cette varia-
tion en utilisant une fonction de compensa-
tion associée à un capteur de pression
atmosphérique. Certains constructeurs com-
pensent automatiquement cette grandeur,
comme Emerson Process qui commercialise une
électronique équipée d’un capteur de pres-
sion.
Enfin, la compensation de la salinité implique
une mesure de conductivité.
Compenser la salinité
La mesure de conductivité est basée sur deux
principes. Le plus connu consiste à mesurer
la résistance de l’échantillon par mesure élec-
trochimique. Dans le cas le plus simple, la
cellule de mesure utilisée comporte deux
électrodes de la même catégorie. Une ten-
sion alternative appliquée aux électrodes pro-
voque un mouvement des ions présents dans
la solution en direction des électrodes. Plus la
solution mesurée contient des ions, plus le
courant qui passe entre les électrodes est
important. La mesure du courant électrique
permet de calculer la conductivité du liqui-
de. Pour cela, il est nécessaire de connaître
la “constante de la cellule”qui est liée à la
géométrie des électrodes. On règle la sensi-
bilité de l’appareil selon la qualité des eaux et
donc la plage de mesures à parcourir en choi-
sissant la cellule adaptée.Typiquement, on
utilise pour les eaux usées des cellules de
constante variant entre 0,45 cm-1 et 1 cm-1.
Le principal inconvénient de ce système est
une grande sensibilité à l’encrassement. En
effet, dès que les électrodes en contact direct
avec le liquide sont encrassées, le signal de
mesure est erroné.
Une autre méthode, la mesure par induc-
tion, est également utilisée. Elle est consti-

62 MESURES 749 - NOVEMBRE 2002
G uide d’achat
Constructeur Référence produit Plage de mesure Principe de mesure Nombre d’électrodes Température d’utilisation Contrôle d’anomalie Matériaux du capteur
(Distributeur) (Précision) (Constante de cellule (Compensation de (Nettoyage)
(cm-1)) la température)
Aqualyse PRO E 0-200 µS/cm à Induction -20 °C à +200°C oui Polypropylène, Teflon,
0-2 S/cm (oui de -10 à +200 °C (non) PVDF ou PEEC
en 7 gammes par Pt 1000 ou
(0,1 % PE) manuellement)
Servo5E 0-200 µS/cm Induction -20 °C à +200°C oui Polypropylène, Teflon,
à 0-2 S/cm (oui de -10 à +200 °C (oui) PVDF ou PEEC
en 7 gammes par Pt 1000 ou
(0,5 % PE) manuellement)
PRO C 0-2 à 0-2000 µS/cm Electrodes par contact Suivant modèles -20 °C à +200 °C oui Electrode : titane, graphite,
en 4 gammes (oui de -10 à +200 °C (non) inox. Corps: Ryton, PTFE,
(0,1 % PE) de 0,05 à 10 par Pt 1000 ou Pt 100) Viton
Servo 5C 0-2 à Electrodes par contact Suivant modèles -20 °C à +200°C oui Electrode titane, graphite,
0 - 2000 µS/cm de 0,05 à 10 (oui de -20 à +200 °C (oui) inox. Corps : Ryton, PTFE,
en 4 gammes par Pt 1000 ou Pt 100) Viton
(0,1 % PE)
ATI A 15/73 0 - 0,2 µS/cm à conductive 2 -10 à +110 °C Relais d’alarme porte sonde : inox, sonde :
(ES dept. Bio-Tests) 0 - 20000 µS/cm (0,1 ou 1) (oui) PVDF
(± 1% PE)
EFS Optilis et 10 - 12 000 µS/cm Potentiométrique 1 5 - 35°C non graphite
(Lac Instruments analyseur 8259 (± 1 %) (1.0) (oui) (oui)
et Systèmes)
Foxboro 871 CR 1 à 20 000 µS/cm conductive 3 0 à 175 °C oui CPVC, PVDF, PEEK, Noryl,
(0,1 %) (0,1 à 10) oui, par Pt 1000 (non) Titane
3 fils intégrée
871 EC/FT 50 à 2000000 µS/cm inductive -5 à + 200°C oui PEEK, Noryl, Fluorocarbon,
(0,34 %) (oui, 100 K thermistor, Epoxy
intégrée (EC) par Pt 1000
3 fils, séparée (FT))
Heito BCP 4 1 à 200 000 µS/cm conductive 2 0 à 90 °C non Plaques de platine
(1 %) (1) (en option par Pt 100) (non) montées sur verre
Jumo 2EL6 0 à 10 µS/cm résistif 2 ou 3 jusqu’à 135 °C oui Electrodes en inox,
jusqu’à 0 à 100 mS/cm (0,01; 0,1; 1 ; 3; 10) (oui) graphite ou platine
(0,25 %) corps en PVDF ou PP
CTI-920 3 exécutions. Etendues inductif 120 °C oui PVDF ou PEKK
commutables entre (oui)
0 à 1 mS/cm jusqu’à
ou 2000 mS/cm
(≤ 2 %)
Polymetron 8398 0,1 µS/cm à 10 S/cm inductive 140 °C max. oui, relais alarme PEEK
(± 2 % de la valeur (oui, linéaire, coefficient fixe (non)
mesurée max.) avec lois spécifiques
pour l’eau ultrapure)
8310 à 8317 0,01 µS/cm à 20 mS/cm conductive 2 150 °C max. oui, relais alarme Inox
(0,01 à 1 suivant modèle) (oui, linéaire, coefficient fixe (non)
avec lois spécifiques pour
l’eau ultrapure)
Rosemount Analytical 400 0,02 à 20000 µS/cm électrodes 2 0 à 200 °C oui diagnostic Titane, Inox, PEEK
Emerson Process suivant constante (0,01/0,1/1) (oui par pt 100 ou 1000) (oui) EPDM
Management de cellule
(± 1 %
avec le transmetteur)
Mesure de conductivité