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Dans de nombreux secteurs industriels, la mesure de traces d’eau dans les gaz, au ppm Parties Par Million ou ppb Parties Par Milliard (Billion en Anglais). Ces données son essentielles pour des applications où la gestion de l’humidité est primordiale, notamment dans l’électronique, les energies vertes (H2, Biomethane, Biogaz), l’industrie chimique…

Pourquoi la mesure de traces d’eau dans les gaz est essentielle ?

Pour un rendement optimal
Dans les procédés de raffinage pour augmenter l’indice d’octane, un reformeur catalytique est utilisé avec de l’hydrogène. Pour un rendement optimal de ce catalyseur, il faut qu’il y ait des traces d’humidité de l’ordre de 15 à 25 ppmV (Partie Par Million Volume).
Pour éviter l’oxydation
Dans le transport de gaz naturel par pipes line, l’humidité doit être maintenue au plus bas afin de ne pas oxyder ceux-ci.
Pour éviter les moisissures
Pour les gaz médicaux ou application dans les semi-conducteurs, l’humidité est à éviter afin de ne pas créer de sources de moisissures.
Pour éviter la formation de givre
• Pour des applications dans le domaine spatial, par exemple, pour les propulseurs ioniques pour le guidage des satellites, du Xénon est utilisé. Celui-ci doit être parfaitement « sec » afin d’éviter une formation de givre. Les teneurs d’humidité mesurées sont de l’ordre du ppb, c’est-à-dire Partie Par Billion en Anglais ou partie par milliard en Français.
• Pour des applications de récupération d’Éthane ou propane dans le gaz naturel, des turbo-expandeurs sont utilisés pour les refroidir et arriver au point de liquéfaction de ces gaz. S’il y a une présence de givre, celui-ci peut être éjecté sur les pales de la turbine et ainsi la détruire.
Ceci est un petit exemple de diverses applications où l’on doit mesurer la présence d’eau ou non dans les gaz.

Que mesure t’on précisément ?

On mesure la présence de molécule d’eau sous forme gazeuse, pour ces ordres de grandeur. Dans notre cas nous mesurons précisément de 0.3 ppbV jusqu’à 6000 ppmV.
Pour se rendre compte de ces dimensions, 1 ppm Volume représente un petit cube de 1 cm de côté dans 1 mètre cube et 1 ppb Volume représente 1mm3 dans un cube de 1 m3.

Hygromètre et son rôle dans la mesure des traces d’eau dans les gaz ?

Comme nous avons pu le voir plus haut, les raffineurs comme Total, Exxon, Chevron… ont besoin de mesurer précisément l’humidité de leur reformeurs catalytiques afin de produire plus d’essence et de gagner en productivité.
Les entreprises de transports de gaz comme Grtgaz doivent mesurer la teneur d’eau de gaz transporté, afin de respecter les critères de garantie de corrosion des pipelines.
Les gaz purs produits par Air Liquide, Linde, Messer…doivent être mesurés afin de respecter les critères de qualité de leurs clients pour des utilisations dans le domaine médical, industrie, semi-conducteur, soudure…
Les producteurs de gaz naturel afin de valoriser les gaz extrais et revendre les produits comme l’éthane, propane, butane ont besoin d’analyse précise et à très faible teneur pour éviter la détérioration de leur outil de production.

Quels sont les meilleurs analyseurs de gaz pour mesurer l’hygrométrie dans l’industrie ?

Pour la mesure de traces d’eau dans les gaz, il existe différentes techniques de mesure avec leurs avantages et leurs inconvénients. Ci-dessous j’ai expliqué brièvement les techniques les plus utilisées dans le milieu industriel.

Mesure par sonde capacitive type à oxyde d’aluminium ou céramique.
L’analyse s’effectue en mesurant la capacité du condensateur réalisé avec de l’oxyde d’aluminium ou céramique contenu entre 2 électrodes. L’humidité du gaz à analyser viendra se loger dans les micro-pores et changera la capacité. En mesurant celle-ci on pourra en déduire la teneur d’humidité.
Avantages : sonde in situ , simple, peu couteux
Inconvénients : comme une éponge, l’oxyde d’aluminium ou la céramique mettra beaucoup de temps à « s’assécher » à la suite d’une mesure élevée. Ceci donnant une mesure faussée pendant des heures. Souvent ces sondes sont calibrées en point de rosée (Unité SI secondaire) et ceci implique que la mesure soit compensée en température, pression et de la nature du gaz. Ceci est d’autant plus complexe lorsque la composition de l’échantillon change et/ou que la sonde dérive.
Ces sondes dérivent graduellement vers une valeur indiquant qu’il n’y a pas d’humidité. Ceci impliquant de les remplacer tous les 6 mois voire tous les ans.

Mesure par Quartz Micro Balance
L’analyse s’effectue en mesurant la différence de fréquence d’un Quartz ayant un revêtement hygroscopique où l’on fait circuler le gaz échantillon pendant 30 secondes, puis un gaz de référence ne contenant pas d’humidité pendant 30 secondes. La mesure de cette différence de fréquence (une fois linéarisée) nous donnera la concentration d’humidité du gaz.
Les avantages : mesure en PPMV (unité SI primaire), facilité de vérification et calibrage interne, mesure relativement rapide (T90 à 15min).
Inconvénients : Mesure cyclique. Le revêtement hygroscopique du Quartz est très sensible et peut se dégrader dans le temps, d’où la nécessité d’avoir un générateur interne étalon d’humidité afin de réajuster l’analyseur.
Ce système de mesure est sensible et complexe, puisque cela nécessite une régulation fine du débit avec vanne proportionnelle, capillaires appariés, débitmètre massique, un sécheur de gaz à tamis moléculaire, un générateur étalon, électrovannes…
En cas de panne ou maintenance, les pièces à changer sont relativement onéreuses.

Mesure par système optique.
L’analyse s’effectue en mesurant l’absorption lumineuse d’un laser dans une chambre de mesure ayant des miroirs permettant d’avoir de très longs chemins optiques. La sélectivité de la mesure d’humidité est faite en faisant varier la longueur d’onde du laser jusqu’à obtenir un pic caractéristique de l’eau (double de la fréquence de scrutation du laser).
Les avantages : Mesure en PPMV (unité SI primaire). Pas d’élément de maintenance à vérifier ou remplacer régulièrement.
Inconvénients : Plus on cherche à mesurer des valeurs très faibles d’humidité et plus on rentre dans le bruit de fond, puisque l’absorption est extrêmement faible. De plus, la cellule de mesure avec les miroirs ayant beaucoup de surface au contact de l’échantillon, l’humidité s’y « accrochera » de part la polarité de la molécule d’eau, ceci entrainant des problèmes d’hystérésis et donc un manque de précision.
En cas d’entrainement de contaminant dans la cellule, les coûts de réparation sont très onéreux.
Il arrive que l’analyseur perde certaines données durant la scrutation du spectre et donne des valeurs erronées.

Mesure par Puce Silicium.
La molécule d’eau est une molécule particulière et par ce fait ne doit pas être mesurée comme n’importe quelle autre molécule avec des techniques usuelles optiques, ou par des techniques utilisant une multitude d’éléments avant le capteur, sans détérioration de la qualité de mesure
La molécule d’eau est polaire et donc a tendance à s’accrocher aux parois du système fluide de l’analyse.

Donc plus la surface au contact de l’échantillon est petite et plus l’équilibre du gaz à mesurer dans la chambre de mesure sera rapide et aura moins d’hystérésis que dans un système de mesure ayant une chambre de mesure importante.
Le volume de la cellule de mesure du MicroView Mini n’est que de 1 cm3 en inox électro poli.

La physique nous dicte que plus le volume est petit et plus l’équilibre est atteint rapidement.

Comme la cellule de mesure est très petite, un faible débit est nécessaire et donc moins de contamination à traiter sur l’échantillonnage et moins de rejet atmosphérique. De plus cette technologie n’est pas dépendante du débit entre 50cc/min et 1000 cc/min)

La sélectivité de la mesure d’eau s’effectue par la taille de la molécule de l’eau qui fait 2 Angstrom grâce à un revêtement en or qui agit comme un tamis. Ainsi uniquement une molécule de 2 Angstrom et polaire (H2O) pourra réagir avec la puce au Silicium située en dessous du revêtement en or et génèrera un changement électrique du capteur avec une amplification intégrée.

Une autre propriété de l’humidité est que plus une surface est froide et plus l’humidité sera fixée dessus et inversement lorsque cette surface est chauffée. Donc pour avoir un hygromètre stable il doit avoir une température régulée et stable. Ce qui est le cas pour le MicroView Mini qui est maintenu à une température de 45°C.

Lorsque l’on cherche à faire des mesures d’hygrométrie en très faible teneur il est important que le calibrage du point zéro soit fait de façon optimum. Pour réaliser ceci, le Microview Mini effectue périodiquement son re calage du point zéro en faisant circuler le gaz échantillon dans la cellule de mesure qui elle-même est chauffée au-delà du point d’ébullition de l’eau (pour environ chaque 20°C de plus que le point de consigne, la concentration en eau chute du double). Grace à cette méthodologie et au chauffage jusqu’à 135°C durant l’auto-zéro, le calibrage du point zéro est effectué correctement et de plus si des contaminants étaient présents en surface du capteur ceux-ci seraient aussi évacués.

Cette technique de mesure de traces d’eau en ligne et en continu avec un rafraichissement de la lecture toutes les secondes n’est pas sensible à la matrice du gaz contrairement à d’autres techniques. Vous pouvez ainsi passer de l’azote, hydrogène, gaz naturel, biomethane ou autre sans que cela n’affecte la qualité de la mesure. Ceci est très appréciable pour valider l’analyseur.

Lorsque l’on mesure une concentration il est impératif métrologiquement que l’unité de mesure soit reliée à un étalon primaire.
Si l’on mesure en ppmV alors on peut en déduire sans erreur la valeur en mg / Nm3 en le multipliant par 0.804 (Masse molaire de l’eau 18 / volume molaire gaz parfait 22.4). Donc on a bien une masse en mg qui doit être reliée à un étalon primaire en masse.
Ceci est le cas pour l’analyseur Microview Mini qui est étalonné en masse par diffusion gazeuse selon la norme ISO 6145-8.

Validation de la mesure :
La facilité de validation par étalon externe est primordiale.
Cela est d’autant plus facile à réaliser si l’analyseur n’est pas dépendant de la matrice du gaz et ne nécessite qu’un faible débit, comme le Microview Mini.
Si les étalons étaient en interne, ils seraient donc soumis aux conditions du gaz échantillon à mesurer, ce qui pourrait dégrader la qualité de ceux-ci sans que l’utilisateur puisse le savoir.

EN SYNTHESE

La mesure de l’hygrométrie dans les gaz industriels est une application exigeante. Plusieurs technologies existent pour analyser les traces d’eau (ppmV), chacune présentant des avantages et des limites selon l’application, la rapidité attendue et la précision requise.

Sonde capacitive (oxyde d’aluminium ou céramique)

Cette technologie mesure la variation de capacité électrique d’un capteur dont le matériau poreux absorbe l’humidité du gaz.

Avantages

• Mesure in situ

• Technologie simple et peu coûteuse

Limites

• Temps de réponse très long après exposition à une humidité élevée (effet « éponge »)

• Dérive progressive du capteur

• Calibration indirecte en point de rosée nécessitant des compensations complexes

• Remplacement fréquent des sondes (6 à 12 mois)

➡️ Adaptée aux applications peu critiques, mais limitée pour la mesure fiable des très faibles teneurs en eau.

Quartz Micro Balance (QCM)

La mesure repose sur la variation de fréquence d’un quartz recouvert d’un revêtement hygroscopique, alternant gaz échantillon et gaz sec de référence.

Avantages

• Mesure directe en ppmV (unité SI primaire)

• Vérification et calibration internes possibles

• Bonne sensibilité aux traces d’eau

Limites

• Mesure cyclique (non continue)

• Système complexe et sensible (régulation de débit, séchage, étalon interne)

• Maintenance coûteuse

• Dégradation possible du revêtement dans le temps

➡️ Technologie performante mais complexe et coûteuse à maintenir.

Mesure optique par absorption laser

Cette méthode analyse l’absorption d’un laser accordable sur une longueur d’onde spécifique de la molécule d’eau.

Avantages

• Mesure en ppmV

• Absence de pièces d’usure régulières

Limites

• Sensibilité au bruit de fond pour les très faibles teneurs

• Effets d’hystérésis dus à l’adsorption de l’eau sur les parois

• Risque de contamination de la cellule optique

• Coûts de réparation élevés en cas de pollution

➡️ Technologie avancée, mais moins robuste en environnement industriel exigeant.

Technologie à puce silicium (MicroView Mini)

La puce silicium exploite les propriétés physiques uniques de la molécule d’eau (taille, polarité) pour une mesure directe, rapide et stable.

Principes clés

• Cellule de mesure ultra-compacte (1 cm³ en inox électropoli)

• Faible surface de contact → équilibre rapide et très faible hystérésis

• Sélectivité moléculaire par tamis en or (2 Å) et polarité de la molécule

• Capteur chauffé et régulé à 45 °C pour une stabilité optimale

• Auto-zéro périodique jusqu’à 135 °C pour un calibrage précis et l’élimination des contaminants

Avantages

• Mesure continue en ligne avec rafraîchissement chaque seconde

• Insensible à la matrice du gaz (N₂, H₂, gaz naturel, biométhane, etc.)

• Faible débit requis (50 à 1000 cc/min)

• Calibration reliée à un étalon primaire de masse (ISO 6145-8)

• Validation simple par étalon externe

➡️ Solution idéale pour la mesure fiable des très faibles traces d’eau dans les gaz, en environnement industriel critique.

Conclusion

Le choix de la technologie de mesure d’hygrométrie dépend fortement des exigences de précision, de rapidité, de maintenance et de fiabilité métrologique.
Pour les applications nécessitant une mesure continue, stable et traçable des traces d’eau, la technologie à puce silicium se distingue par sa robustesse, sa simplicité d’exploitation et son excellente répétabilité.

En quoi l’expertise de GMACX est-elle différenciante ?

GMACX, expert de la mesure d’hygrométrie dans les gaz industriels

GMACX est spécialisé dans la mesure d’hygrométrie dans les gaz, c’est-à-dire l’analyse de la concentration de traces d’eau sous forme de vapeur. Nous intervenons auprès des industries du raffinage, de la pétrochimie, du gaz naturel, du GNL (LNG), du biométhane, du biogaz, de l’hydrogène, ainsi que pour les gaz purs et les mélanges gazeux.

Des solutions de mesure adaptées à chaque application

Grâce à notre maîtrise des différentes technologies d’analyse de l’hygrométrie dans les gaz, nous accompagnons nos clients dans le choix des analyseurs d’humidité les mieux adaptés à leur procédé industriel.
Nous portons également une attention particulière à la conformité du système d’échantillonnage, élément essentiel pour garantir la fiabilité de ce type de mesure très spécifique.

Cette approche globale permet d’obtenir une mesure d’hygrométrie rapide, précise et fiable, répondant aux exigences de performance et de productivité de nos clients.

Plus de 30 ans d’expérience terrain en mesure d’humidité industrielle

Le personnel de GMACX bénéficie de plus de 30 ans d’expérience terrain dans la mesure de l’humidité et des traces d’eau dans les gaz industriels.
Nous connaissons en détail l’ensemble des méthodes d’analyse d’hygrométrie, leurs avantages, mais aussi leurs limites techniques et opérationnelles.

La mesure de traces d’eau dans les gaz est une application exigeante : sa qualité dépend non seulement de l’analyseur utilisé, mais également de son installation et de son environnement d’exploitation. Forts de notre expérience, nous conseillons nos clients sur :

• le choix de la technologie de mesure la plus adaptée,

• les bonnes pratiques d’installation,

• les pièges à éviter sur le terrain.

Fiabilité, robustesse et performance de vos installations

Notre expertise vous permet de bénéficier de systèmes de mesure robustes, offrant une excellente répétabilité et une grande rapidité de réponse, contribuant directement à l’optimisation de vos procédés industriels.

Audits et amélioration de vos systèmes de mesure d’hygrométrie

GMACX réalise également des audits complets de vos installations de mesure d’hygrométrie.
Ces audits incluent :

• une analyse comparative certifiée,

• l’évaluation des performances de vos analyseurs,

• des recommandations d’amélioration pour fiabiliser et optimiser vos mesures d’humidité dans les gaz.