AquaControl 500 : Analyseur chimique.
Analyseur d’ions programmable
1 Principe de fonctionnement 5
3.3 Le circuit d’entrées et sorties 14
7 L’appareil installé chez un client 29
8 Caractéristiques principales. 34
8.1 Calibration automatique 34
8.2 Particularités du circuit électronique. 34
L’analyseur chimique AquaControl 500 est le plus gros projet que j’ai réalisé dans la cadre de mon activité d’indépendant. Etant aussi employé plein temps, je devais réaliser tout ces travaux après mes heures de travail et le Weekend.
A refaire, je ne sais pas si cela valait le coup, car j’ai sacrifié beaucoup de temps à la réalisation d’un tel projet sans pouvoir transmettre toute cette information qui sera perdue.
C’est un appareil qui est en concurrence au niveau mondial avec les plus grands constructeurs (Américains, Hollandais, Français, Suisse).
Il a fallu tout imaginer, créer, développer :
- Le boitier en aluminium a été construit sur mesure afin de garder un poids minimum. Par rapport à un boitier en acier, cet appareil est transportable et a été réalisé en deux parties. La partie électronique et la partie hydraulique.
- La partie électronique avec son écran LCD (un des premiers équipé d’un grand écran)
- La partie hydraulique avec ces pompes et la cellule de mesure étudiée et développée pour cet appareil.
- Le programme fait des milliers de lignes afin de gérer l’électronique via l’interface Printer en I2C. Le calcul de la mesure se réalise via un convertisseur Analogique/Digital sur 20 bits (plus précis que les compacts disques de l’époque).
Principe de fonctionnement
Le principe d’un analyseur chimique est de mesurer en continu un échantillon (de l’eau, un jus, etc).
L’analyseur mesure la concentration en ion basé sur une sonde spécifique ISE. (https://en.wikipedia.org/wiki/Ion-selective_electrode)
Une électrode de verre sensible à l’ion sodium plongée dans une solution contenant des ions Na+, développe un potentiel qui, mesuré par rapport à une électrode de référence, est proportionnel à l’activité des ions Na+.
Cette équation peut être exprimée quantitativement par l’équation de Nernst :
E = E0 + (2.303 RT / F )* Log aNa.
E0 : Constante dont la valeur dépend de la construction de l’électrode.
R : constante des gaz parfaits.
T : température en °K.
F : constante de Faraday.
aNa : activité des ions Na+ dans la solution.
L’électrode devant être calibrée, de manière régulière, cet appareil est équipé d’un système afin de réaliser cet étalonnage de manière automatique. Par exemple, 1 fois par semaine.
Cette automatisation ainsi que la précision de la mesure et le paramétrage sont les principaux atouts de cet appareil.
La plupart des électrodes spécifiques sont influencées par d’autres ions. Il ne suffit pas de plonger une électrode dans un échantillon tel qu’on le fait, par exemple, pour la mesure du pH.
L’analyseur automatique “multi-électrodes” est spécialement conçu pour l’utilisation de différentes méthodes d’analyse et pour obtenir une mesure en continu et précise et ceci dans les domaines industriels et de laboratoire.
En effet, avant de mesurer, l’échantillon est dosé et mélangé avec un réactif afin d’atténuer les interférences possibles pour le type d’électrode utilisée.
Les électrodes spécifiques les plus courantes sont les suivantes :Sodium, ammoniac, ammonium, calcium, chlorures, cuivres, fluorure, nitrate, nitrite, potassium. D’autres méthodes sont actuellement disponibles : Br–, CO2, CN–.
Le circuit hydraulique.
L’échantillon à mesurer entre par la vanne ‘V’ dans la cuve à niveau constant. Cette cuve est un élément important et permet de garder un débit et une pression constante afin de ne pas perturber la mesure.
Les deux électrovannes ‘EV’ servent à la calibration et en temps normal de mesure, sont fermées.
L’échantillon subit un conditionnement en fonction de l’ion à mesurer.
L’échantillon rentre dans la cellule de mesure dans laquelle la mesure est effectuée.
Ensuite, l’échantillon retourne dans le collecteur et rejeter.
L’électronique
La plaquette µP.
La plaquette processeur est constituée d’une carte PC industrielle. Sur laquelle est raccordé une interface pour l’écran.
Ce n’est pas une carte VGA standard.
L’alimentation est aussi un type industriel avec un MTBF de 10.00 heures (plus d 10 ans).
Le montage se fait en sandwich le tout monté sur une plaque PVC
Ensuite, la face avant (aussi réalisé sur mesure) est collée sur la plaque PVC :
Le circuit de mesure
La sonde spécifique délivre une tension proportionnelle à la concentration de l’ion à analyser dans la solution.
C’est le principe d’un pH mètre (mesure de l’acidité), mais en plus complexe.
La principale difficulté est que les sondes ISE ont une très grande impédance de sortie. Lorsque l’on raccorde un appareil sur cette sonde, la mesure est perturbée par cet appareil. Il a donc fallu développer un circuit d’entrée à très grande impédance (tera Ohm : 1012 ohm).
Le circuit d’entrées et sorties
L’entrée est un circuit à base de AOP haute sensibilité :
Qui passe par un circuit A/D :
Deux des sorties analogique : tension et courant.
Le résultat une fois monté :
Et les raccordements :
Le programme.
J’ai développé le programme en en C++. C’est mon premier programme en « langage objets » qui à l’époque n’était pas encore très rependu. L’interface est à base de Turbo Vision de Borland.
Les menus sont disponibles à partir d’une touche spécifique.
J’ai réalisé quelques subtilités informatique afin d’émuler un clavier standard à partie d’un clavier branché sur l’interface printer en I2C. Rien que cela, c’est un casse tête que je serais même incapable de décrire dans cet article.
Un des menus :
Et l’affichage en fonctionnement :
La mesure, affichée en grand caractères (visible de loin) a aussi été très complexe afin d’afficher un chiffre à partir de caractère spéciaux ASCII.
Le boitier Aluminium.
Tout a été réalisé sur mesure. Même les portes. C’est un travail très long afin de monter cet appareil. Cela prend plusieurs semaines et beaucoup de maitrise technique.
Les deux boitier sont relié par des connecteur étanches :
Documentations
J’ai réalisé des dizaines de documents pour cet appareil.
- Le manuel en plusieurs langues
Des documents pour l’entretien (calibration, dépannage, etc).
Des documents pour la validation
Documents commercial.
- Etc…
L’appareil installé chez un client
L’environnement de production chez les clients est assez extrêmes avec :
- des températures quelques fois de plus de 40°C pour les industries sucrières. Donc, l’électronique est certainement à plus de 50 °C.
- des produits corrosifs : et donc l’utilité d’un boitier aluminium qui résiste aux acides.
- Des projections de liquide : porte étanches.
Tout était mis à rude épreuve et particulièrement la partie hydraulique.
Au début, c’est bien propre (à gauche), mais cela devient vite très sale (à gauche)
Avec des casses : attaque par les acides des matières plastiques. J’ai changé les vannes par des vannes INOX.
Et il fallait réaliser un entretien annuel : A gauche avant et à droite après entretien :
Chez un autre client (centrale électrique) :
Caractéristiques principales.
Calibration automatique
- Possibilité de mettre en mémoire 5 méthodes d’analyse et maintien en mémoire des courbures.
- Périodicité programmable.
- Mise en mémoire des valeurs après le temps programmé ( 0 à 99 minutes ).
- Courbe de calibration de tous les types d’ions à mesurer (Na, NO3, NH3, Cl, F, Ca, etc.).
- Mémorisation de plusieurs courbes de calibration ( suivant méthode ).
- Concentration de deux solutions standards ( librement programmable).
- Affichage de la date de la dernière et de la prochaine calibration.
Particularités du circuit électronique.
- Equipé de microprocesseurs et calculateur incorporé.
- Possibilité de réalisé des courbures de calibration
- Mesures logarithmiques ou proportionnelle.
- Sortie analogique 0-20 mA ou 4-20 mA (échelle de mesure 2, 3 ou 4 décades Log ou lin ).
- Affichage permanent sur écran des différents paramètres : concentration, unité de mesure, type d’ion, tension sonde, température de l’échantillon, mémorisation des tensions standards.
- Retour automatique en mesure en cas de non-manipulation du clavier.
- Retour automatique en mesure en cas de coupure de courant.
- Amortissement de la mesure (affichage de la moyenne des dix dernières mesures ).
- Tous les canaux peuvent être programmés pour les mesures proportionnelles.
- Compensation du zéro.
- Alarmes temporisées programmables.
- Inhibition des alarmes en période de calibration.
- Code d’accès.
- Tension en sortie de l’analyseur, pendant la calibration, mémorisée ou continue.
Circuit hydraulique
- La circulation des fluides est réalisée par des pompes péristaltiques, ce qui permet de stabiliser les débits d’échantillon et des différents réactifs.
- La cellule porte électrode est réalisée de telle sorte que les mélanges et la stabilité de mesure soient corrects.
- Les électrovannes sont en acier inoxydable.
