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Le sans-contact entre dans le process

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Température, débit, viscosité…, la mesure sans contact pourrait apporter un réel plus dans le contrôle en ligne des procédés chimiques et pharmaceutiques, notamment dans les ambiances agressives ou lorsque la pureté doit être extrême. Mais si des technologies existent, seules quelques-unes peuvent aujourd'hui être utilisées à l'échelle industrielle.
MESURE Non intrusive, la mesure sans contact se fait lentement mais sûrement une place dans l'univers de la métrologie. Elle remplace les palpeurs et autres potentiomètres pour le contrôle dimensionnel d'un objet ou la détermination précise d'un mouvement. Elle permet de déterminer la mesure de profil et l'état de surface d'un objet, ou la mesure de vitesse et de vibration. Le tout sans jamais entrer en contact avec l'objet ou le produit à mesurer. Qu'en est-il alors du contrôle de process dans l'industrie chimique, grande pourvoyeuse d'ambiances agressives et corrosives ? La mesure en ligne le long du process chimique se développe à grand pas et permet de vérifier que le procédé évolue comme on l'avait désiré. Reliées à un système de régulation, la mesure et l'analyse en ligne permettent également de rétablir presque en temps réel les paramètres de fabrication, les quantités de matières premières… Pourtant, bien que la mesure sans contact présente ainsi l'avantage d'affranchir l'instrument de mesure de l'environnement dans lequel évolue le produit, la chimie est encore peu demandeuse. A l'exception peut-être du radar et des ultrasons notamment utilisés pour la mesure de niveau sans contact, adoptée par nombre de chimistes et pétrochimistes. Autre mesure répandue dans le process : la mesure de débits sans contact. Elle s'effectue grâce à des signaux ultrason et repose sur la méthode de différence des temps de transits. En effet, la vitesse de propagation d'un signal ultrasonique dans un liquide dépend de la vitesse d'écoulement de ce dernier. Ainsi, à l'instar d'un nageur, le signal circulant dans le même sens que le liquide ira plus vite que le signal allant à contre-courant. Pour la mesure du débit, on envoie donc une impulsion dans la direction de l'écoulement et une autre dans la direction opposée, via deux capteurs qui servent alternativement d'émetteur et de récepteur. C'est alors la différence des temps de transits entre les deux signaux qui permet de déterminer la vitesse d'écoulement du fluide dans la conduite. Comme les ultrasons peuvent également se propager dans les solides, il est possible de poser les récepteurs et émetteurs à la surface de la tuyauterie, permettant une mesure sans contact des fluides agressifs et corrosifs dans la chimie ou des fluides ultrapurs dans la pharmacie. Une technologie qui permet également de s'affranchir des travaux sur la tuyauterie, évitant ainsi trous et bossage et donc les arrêts d'unités. Autrefois limitée par une température de fonctionnement de 200 °C, la mesure ultrasonique de débit est aujourd'hui possible à des températures allant jusqu'à 400 °C et ce, même en atmosphère explosive. Il suffit pour cela d'insérer entre la conduite et le capteur une structure métallique qui introduit un gradient de température mais le principe de fonctionnement reste le même. Une évolution qui intéresse au premier chef chimistes et pétrochimistes. Mais hormis ces deux mesures, la plupart des technologies peinent à sortir du laboratoire et leur exploitation dans le contrôle process à l'échelle industrielle est loin d'être aisée. Au premier rang de ces technologies, la pyrométrie optique est la technologie la plus avancée et la plus usitée. Traditionnellement utilisée dans la sidérurgie, où les ambiances sont extrêmes, elle trouve également des applications dans la chimie et la pétrochimie, notamment dans la production des résines et des solvants. Mais aussi dans l'industrie pharmaceutique et cosmétique, car aucune sonde de mesure n'entre en contact avec le produit. Autres avantages : elle apporte de la modularité et permet de réaliser des mesures dans les endroits difficilement accessibles. Son principe repose sur le rayonnement d'origine thermique qu'émettent tous les corps, dont une loi physique, dite loi de Planck, définit la luminance en fonction de la température du corps et de la longueur d'onde du rayonnement. L'étalonnage des appareils est réalisé à partir d'un corps de référence, appelé corps noir, émetteur idéal qui rayonnerait un maximum d'énergie à chaque température et pour chaque longueur d'onde, ayant donc une émissivité égale à 1 par définition. La mesure consiste ensuite à comparer l'émissivité du corps étudié avec celle du corps noir. Chez certains corps, qui présentent une émissivité très faible, la mesure est donc fortement compliquée. Difficile d'accéder à la vraie température Mais, mesure avec ou sans contact, les spécialistes savent bien que l'on ne mesure jamais la vraie température du corps, qui dépend de trop de paramètres physiques. « En général, l'utilisateur ne souhaite pas tant la précision que la répétabilité de la mesure, constate Jean Vigneron, de Pyro-Contrôle. Ainsi, c'est un défaut dans la variation de la température qui traduira un événement inhabituel, indésirable et donc un défaut dans le process ». Plus loin du contrôle process, la société Gefran-France propose des technologies de mesure d'humidité sans contact. Composés d'un substrat de verre sur lequel est déposé un matériau hygroscopique, les capteurs des hygromètres voient leur constante diélectrique varier en fonction du nombre de molécules d'eau qui s'échangent entre le polymère et l'extérieur. On en tire alors une mesure de l'humidité relative, c'est-à-dire pression partielle de vapeur contenue dans le gaz sur pression partielle du même gaz saturé en eau. L'hygrométrie sans contact permet pour l'heure un contrôle des ambiances, notamment lors du stockage des médicaments dans les usines pharmaceutiques. « Mais il serait possible de tirer de cette technologie une mesure d'humidité des produits eux-mêmes. Moyennant la définition exacte du lien entre l'humidité relative relevée à l'extérieur du produit et l'humidité réellement contenue dans le matériau », explique Jonny Croissant de Gefran-France. Une technologie tout à fait envisageable pour la production pharmaceutique et cosmétique mais qui exige un long travail d'étalonnage réalisé en amont en laboratoire. Enfin, la viscosité constitue également une donnée importante dans la conduite du process. Mais une mesure de la viscosité sans contact serait-elle possible ? Le CEA s'est en tout cas penché sur la question et a proposé une solution, qui consiste à presser une goutte en la faisant léviter sur un lit de gaz et à observer son retour à l'équilibre. Le coeur du dispositif est constitué d'une membrane poreuse (généralement en graphite) à travers laquelle circule de l'argon sous pression. On peut ainsi sustenter l'échantillon de matériau à analyser sur un coussin d'argon d'une épaisseur variant entre 10 et 50 microns, ce qui évite tout mouillage. L'ensemble est ensuite chauffé par une spire haute fréquence jusqu'à la température de travail - typiquement entre 1 000 et 2 000 °C - où l'échantillon prend une forme proche de celle d'une goutte posée. Une caméra enregistre alors la forme et le rayon de cette goutte, compris généralement entre 5 et 10 mm pour une masse de quelques centaines de milligrammes. On peut ainsi en déduire, au moyen d'algorithmes d'intégration et d'analyse d'image, la tension de surface et la densité du matériau étudié. Dans un deuxième temps, une autre membrane, située au-dessus de l'échantillon, est approchée du sommet de la goutte tout en projetant de l'argon en surpression vers le bas. Autrement dit, elle « comprime » la goutte… sans contact. Celle-ci s'aplatit puis, une fois la membrane supérieure relevée, reprend progressivement sa forme initiale, sous l'oeil attentif de la caméra : c'est l'analyse du processus de retour à l'équilibre, couplée à la mesure de température de l'échantillon (par thermocouples et pyromètre), qui révèle la viscosité du matériau. Cette technologie, destinée pour l'heure aux verriers et céramistes, pourrait à terme concerner l'industrie chimique. Au final, la mesure sans contact regroupe un ensemble de technologies qui permettent d'accéder à des paramètres physiques (température, débit, viscosité…). Elle exclut pour l'instant l'analyse industrielle qui fournit des données sur la concentration et la nature des produits à travers un ensemble de technologies spectrales (spectrométrie de masse, IR, UV…) et chromatographiques. Ces technologies nécessitent encore d'entrer en contact avec le produit à travers une prise d'échantillons ou en étant directement branché sur le process. Pourtant, certains chercheurs voient déjà dans l'analyse en ligne et sans contact la prochaine étape du contrôle de process. Mais, compte tenu de la conjoncture économique, la mesure et l'analyse sans contact pourraient entrer par la petite porte et ne concerner que des applications spécifiques ou à forte valeur ajoutée comme dans la chimie extrême, la pharmacie ou la cosmétique, en raison de leur coût de mise en oeuvre. Nous remercions l'Aratem (Agence Rhône-Alpes pour la maîtrise des technologies de mesure) et le LNE (Laboratoire national d'essais) pour leur aide. G.D.

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