1. La réfraction

1.1. Physiquement

C’est, appliqué à notre domaine, la déviation des rayons lumineux à l’interface entre l’eau et des matériaux aux vitesses de phase différentes. Plus concrètement, la lumière, une onde, se déplace dans une direction à une certaine vitesse. Au contact d’un autre matériau, elle subit un changement d’orientation et de vitesse du fait des caractéristiques propres du matériau. Ainsi un bâton plongé partiellement dans l’eau présente une apparente  fracture à la surface du liquide, d’où le terme « réfraction ». La lumière est réfractée. Le changement de vitesse (de phase) dans le matériau définit son indice de réfraction n.

1.2. Indice de réfraction

L’indice de réfraction dépend de la composition du matériau, de sa densité, température etc. Il est le résultat de phénomènes complexes d’interactions entre les champs et les atomes de la matière.
Pour deux milieux d’indices respectifs n1 et n2 avec n1 > n2 (figure 2), lorsqu’un rayon lumineux, dit incident, atteint l’eau sous un angle θ1, la déviation est telle qu’il se divise. Une partie se réfléchit à la surface selon le même angle θ1, l’autre se réfracte dans l’eau, selon un angle θ2 avec la relation :

n1.sin(θ1) = n2.sin(θ2) [Equation 1]

si 1 = air : indice de réfraction n2 = sin(θ1) / sin(θ2) [Equation 2] 

Cette équation sinus révèle une situation particulière, sur laquelle repose le réfractomètre, où l’angle θ1, rasant la surface, atteint la valeur limite θlim = arcsin (n2/n1). C’est l’angle limite ou angle critique. Au-delà de cet angle critique, la lumière n’est plus réfractée, seulement réfléchie. N’étant plus réfractée elle n’est plus visible sous la surface. On ne peut voir cette partie du faisceau qui apparait sombre dans un réfractomètre.

On exprime le plus souvent l’indice de réfraction comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide, et la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu. Dans la pratique, on utilise comme référence la vitesse dans l’air, sans impact sur nos mesures. C’est un ratio de deux vitesse, une valeur sans dimension, toujours supérieure à 1.

L’indice de réfraction dépendant de la longueur d’onde d’émission, on compare avec une radiation monochromatique de référence de longueur d’onde 587,6 nm, proche de la moyenne du spectre visible (tableau ci-joint). On peut déjà noter ici la différence d’indice entre l’eau de mer et une eau salée avec seulement du chlorure de sodium NaCl.

1.3. Réfraction et salinité

La réfraction d’une eau salée avec (avec NaCl dans la figure 3) est linéairement proportionnelle à la concentration en sels. Notre réfractomètre exploite cette relation simple. L’indice est d’autant plus important que l’eau est salée.

Mais la réfraction dépend aussi de la nature du matériau et, concernant plus particulièrement l’eau salée, elle dépend de la nature du soluté. Ainsi la réfraction ne sera pas identique pour une eau chargée de sels différents et d’autres constituants.
L’eau de mer contient plusieurs sels chlorure de sodium (NaCl), chlorure de magnésium MgCl₂6H₂O, sulfate de magnésium MgSO₄7H₂O, c’est pourquoi, à salinité égale, la réfraction de l’eau de mer est différente d’une eau simplement salée avec du chlorure de sodium NaCl (ableau 1). Par conséquent, lorsqu’on mesure la salinité d’une eau de mer avec un réfractomètre prévu pour l’eau salée au NaCl, il faut retrancher 1,5 à 1,7 à la valeur lue pour obtenir la vraie salinité de notre eau de mer.

Salinité eau de mer = salinité réfractomètre NaCl – 1.5

Que mesurent les réfractomètres du commerce ?

La salinité mesurée est elle obtenue avec l’eau de mer et tous ses sels, ou bien avec une dilution de sel NaCl ? Cette question mériterait des réponses précises de la part des fabricants. Bien souvent ils n’indiquent pas ce qu’ils mesurent. L’indication est parfois ambigüe, même de la part des spécialistes : Hanna HI96822 mesure le NaCl dans l’eau de mer, comment comprendre cette information ?

1.4. Réfraction et température

La salinité est indépendante de la température. Cependant l’indice de réfraction change beaucoup avec la température (figure 3). Un aspect à intégrer lors des mesures comme on le verra.

2. Le réfractomètre portatif

La salinité de l’eau de mer, milieu n2 (figure 2), dépend de la réfraction de l’angle θ1 d’inclinaison du faisceau lumineux dans l’air (milieu n1). Selon l’équation 1, il est ainsi possible de déduire l’indice de réfraction du milieu n2, et donc sa salinité, par la mesure de l’angle limite θ1lim. C’est exactement ce que réalise notre réfractomètre.

2.1. Principe de fonctionnement des réfractomètres

Le réfractomètre utilise la particularité d’un rayon lumineux à ne plus être réfracté au-delà d’un certain angle limite. Il reproduit cet angle limite, sous lumière rasante (diffraction d’incidence rasante), représentatif de l’indice de réfraction lié à la composition du matériau, en l’occurence son taux de sel, sa salinité.

Pour ce, le réfractomètre doit essentiellement :

• Reproduire la configuration d’apparition du stade limite pour détecter le niveau de cette particularité. C’est le rôle de la première partie de l’instrument : la plaque d’illumination, qui contribue à scinder le faisceau et le prisme qui le redirige vers le système de mesure.
• Exploiter l’information visuelle reçue avec un jeu de lentilles optiques pour le quantifier, soit visuellement sur un réticule gradué ou électroniquement par un système optronique.

2.2 Principe du réfractomètre portatif

C’est celui que nous connaissons le mieux. Il comporte  :

• Une plaque d’illumination destinée à fixer l’échantillon et à reproduire la lumière rasante proche de l’angle critique.
• Un prisme qui réoriente le faisceau lumineux
• Le télescope avec ses lentilles qui concentre les rayons lumineux vers la visée
• Le réticule gradué.
• Une mise au point focale
• Un système de calibrage et de correction de température

La plaque d’illumination

Elle est en verre et pour les modèles premiers prix, en plastique. On lui doit plusieurs fonctions :

• Maintenir en place les gouttes, échantillon d’eau à analyser
• Canaliser la lumière vers l’échantillon : la plaque dispose souvent d’un biseau qui récupère la lumière la plus rasante, provenant de l’axe du réfractomètre.
• Réduire la lumière parasite : l’indice de réfraction de la plaque d’illumination doit impérativement être supérieur à celui du liquide, sinon la lumière pénètrerait verticalement. La plaque est donc diffuse sur sa partie inférieure, satinée par grattage ou moulage, afin de limiter la pénétration des rayons verticaux qui ne répondent pas à l’exigence de lumière rasante.
• Générer une lumière rasante : en plus de ce qui précède, la plaque génère et maintien un film d’eau très fin, indispensable pour obtenir une lumière rasante. La lumière incidente traverse ce film de manière très tangentielle. C’est la condition pour s’approcher de l’angle critique.

De cette petite plaque, apparemment anodine, dépend la qualité à la source, du faisceau réfractant. À ce stade, seule la lumière réfractée pénètre dans le réfractomètre créant deux zones distinctes : claire et sombre. C’est la raison pour laquelle un œil placé devant la visée du réfractomètre perçoit toute la lumière réfractée dans une zone claire, délimitée par une frontière au-delà de laquelle tout est subitement plus sombre. Dans la pratique, un peu de lumière diffuse dans la zone sombre permettant de lire l’échelle.
Il est évident que des plaques en verre permettent une meilleure lecture que les plaques en plastique. Ces dernières répondent toutefois au besoin des aquariophiles.

Le prisme

Le prisme d’un réfractomètre portatif est en mode "transmission". C’est à dire que la lumiere passe au travers du prisme.

Le prisme doit :

• Capter les rayons lumineux sans distorsion, sans le rendre diffus. Idéalement le rayon doit sortir en un seul rayon. La surface de contact avec l’échantillon, le dioptre, est en matériau dur, totalement plan, sans aucun défaut géométrique ni aspérité.
• Orienter et transmettre les rayons vers l’organe de lecture. Pour ce on utilise des matériaux très transparents tels que le verre, verre au baryum, silice, saphir etc.

Lentille

Une ou plusieurs lentilles en verre, intercalée entre le prisme et le système de mesure, forment l’objectif qui concentre les rayons sur le réticule de mesure de façon à obtenir une image nette.

Oculaire, réticule, mesures et mise au point

Les rayons lumineux sont concentrés sur un réticule : un verre gravé d’une ou plusieurs échelles graduées avec des lignes, des chiffres. Chaque réfractomètre est conçu pour un usage dans une gamme restreinte d’indices de réfraction. Selon le produit testé l’échelle est graduée en degrés Brix, en pourcentage d’alcool, en pourcentage de glycol, en salinité exprimée en ‰ "parties pour mille", ou mg/l, ou PPT "part per thousand"), densité etc. Il suffit d’établir une relation, dans les conditions spéciques des ptiques, entre cet angle et la salinité de l’eau de mer
pour en déduire la salinité.

Pour mémoire la salinité n’a plus d’unité depuis belle lurette.

Pour le confort visuel de l’opérateur, une lentille à l’entrée de l’oculaire grossit l’échelle de mesure et une bague permet d’ajuster la distance focale exactement sur le graticule.

La lecture ne peut se faire sans erreur que si la frontière est bien définie. La netteté du tracé dépend :

• De l’épaisseur parfois trop fine du film d’eau. La plaque doit donc être sans déformation pour appuyer suffisamment et régulièrement sur toute la surface.
• A contrario une épaisseur trop importante génère des interférences qui floutent la frontière. la théorie dit que pour un prisme de 30 mm, l’épaisseur devrait se situer vers 0,038 mm. Ce n’est évidemment pas le cas pour les réfractomètres numériques dont l’échantillon consiste en une goutte déposée sur le prisme.
• L’eau de mer ne doit pas être colorée ou trouble au risque de modifier le comportement des rayonnements et de perdre du contraste.
• Prisme avec impuretés.
• De l’angle d’inclinaison du réfractomètre.

2.3. Température et compensation

Nous avons vu que, si la salinité ne dépend pas de la température, sa mesure par réfraction en dépend fortement. En effet, le fluide étant moins dense la lumière passe plus facilement, sa trajectoire dévie moins et l’indice de réfraction diminue. Un réfractomètre est prévu pour une température donnée et l’échelle de mesure est graduée en fonction de cette température.

Les réfractomètres actuels disposent d’une compensation automatique de la température (ATC), mais efficace dans une certaine plage de mesure. De plus, l’indice de réfraction n’évolue pas de manière strictement linéaire selon la température. Il convient de ne pas s’écarter de la température prévue par le constructeur (environ 10°C à 30°C).

Le système qui équipe les réfractomètres portatifs consiste en un bilame. Il s’agit de deux lames de métaux différents, intimement plaquées l’une contre l’autre. Leurs coefficients de dilatation étant différents, le bilame se courbe plus ou moins selon la température. La position du réticule, ou d’un composant optique intermédiaire, solidaire du bilame s’ajuste en fonction des variations. Ce dispositif est entaché d’une erreur pour la raison évoquée plus haut, mais elle reste très acceptable pour notre hobby.

Soyons clairs, l’ATC n’ajuste pas la lecture d’un réfractomètre à la température de l’aquarium, comment le pourrait-il ? On considère que les deux gouttes déposées sur le prisme sont très rapidement à la température de l’appareil. C’est acceptable, mais à condition que l’appareil lui-même ait été entreposé à bonne température avant utilisation. En effet, la figure 2 montre qu’un écart de 5 °C induit une variation non négligeable de la salinité de 2 à 3 unités.

2.4. Mesure avec un réfractomètre portatif

Simple d’utilisation, la prise de mesure impose quelques précautions :

1. Entreposer le réfractomètre avant utilisation à une température proche de la température prescrite par le constructeur.
2. Procéder si besoin au calibrage du zéro et à l’étalonnage comme indiqué plus loin.
3. Ouvrir le clapet de l’illuminateur relié par une petite charnière.
4. Nettoyer le prisme en verre et le clapet avec de l’eau distillée/osmosée, sécher au chiffon doux.
5. Rincer plusieurs fois la pipette avec l’eau à tester.
6. Déposer 2 gouttes sur la surface du prisme.
7. Fermer le rabat, parallèle et au contact intime du prisme de verre. Le rabat transparent doit être complètement mouillé après la fermeture.
8. Positionner le réfractomètre horizontalement dans la direction d’une source de lumière suffisante, sans excès (lumière du jour, lampe d’appoint).
9. Si besoin, ajuster la bague de mise au point.
10. Si la frontière entre les zones claire et sombre est floue, revoir l’épaisseur du prélèvement. Si l’échelle est trop claire, l’indice de réfraction du liquide est supérieur à la capacité du réfractomètre.
11. S’assurer que le réfractomètre est prévu pour l’eau de mer. S’il est prévu pour de l’eau salée avec NaCl (cas fréquent), il faudra soustraire 1.5 points à la valeur lue pour obtenir la vraie salinité eau de mer.
12. Lire directement la salinité sur le réticule, souvent échelle de droite identifiée en ‰ ou ppt.
13. Après usage, rincer le prisme et le rabat à l’eau osmosée, essuyer avec un chiffon propre et doux pour ne pas générer d’erreur ni endommager le prisme.

Interprétation de la mesure

Le réfractomètre portatif est accablé de tous les maux, et parfois celui "d’avoir fait perdre tous les coraux". Plus sérieusement, n’importe quel instrument de mesure mal interprété peut conduire à des désillusions. Voyons où se situent les risques pour l’aquarium récifal.

Erreurs fréquentes de mesure

• Erreur de conversion : La première erreur provient de vouloir exprimer le résultat en densité, sans tenir compte de la petite notation à côté de l’échelle de mesure. La mention telle que d20/20. Pour mémoire, d20/4 signifie que la densité de l’appareil est le ratio entre une eau à 20°C par rapport à l’eau de référence à 4°C). Dans le cas d20/20 l’appareil se réferre à une eau douce à 20 °C, alors que l’eau de référence est à 4°C.
  Exemple : l’aquariophile lit 1,026 et salinité S=35. En réalité, toutes conversions faites aux conditions 25/4, la densité est 1,023 et la salinité réelle S=34
  À celà s’ajoute l’ambiguïté des informations (quand elles existent) de la part des vendeurs et celle de gravures sur les graticules, parfois incohérentes.

Difficile de décrypter la densité sur les réfractomètres.

• Erreur de température : l’aquariophile a consciencieusement laissé reposer son réfractomètre à température ambiante. Il décide de lire directement la salinité et mesure S=35. C’est la période estivale, la température du local monte à 30 °C. La compensation automatique de température est-elle efficace à ce stade ? Toutes conversions effectuées, la salinité est potentiellement S=30. Un bel écart !
• Erreur de choix d’équipement : ce même aquariophile a quand même déjà désigné le réfractomètre comme le grand fautif de la perte de couleur et des nécroses qu’il voit augmenter. Il n’est malheureusement pas au bout de ses peines. En effet son réfractomètre est prévu pour mesurer la salinité d’une eau salée seulement avec du chlorure de sodium NaCl. Rappelons-nous, la réfraction dépend de la nature du produit et l’eau de mer contient beaucoup plus que ce sel.
  Son réfractomètre n’est pas adapté. Dans une telle situation il devrait retirer de 1,5 à 1,7 à la salinité mesurée. Sa salinité réelle est donc S=28,5.

Alors, à qui la faute ? Et nous n’avons pas encore abordé le chapitre de l’étalonnage ! On s’aperçoit bien souvent que, sauf équipements hors service et non vérifiés par l’opérateur, les dérives sont le fait d’une succession d’écarts et toutes du fait de l’aquariophile. Mais comment mesurer et interpréter ?

Comment mesurer et interpréter les résultats

• Entreposer l’appareil à une température proche de son étalonnage.
• Ne pas s’attarder avec les valeurs de densité (specific gravity), et n’utiliser que la salinité.
• Utiliser un réfractomètre prévu pour l’eau de mer, sinon retirer S1.5 à la valeur lue.
• Réaliser les conversions à 25°C en suivant ce Calculateur Salinité, sauf si le réfractomètre est étalonné pour 25°C.

3. Autres réfractomètres

 Modes transmission et réflexion

Le réfractomètre portatif évoqué à ce stade est dit "à mode de transmission" puisque la lumière est transmise à travers l’échantillon. Il existe cependant un autre mode de fonctionnement, également basé sur l’angle critique, appelé mode de réflexion comme par exemple le modèle Hanna ci-contre. La lumière ne traverse pas l’échantillon d’eau, elle vient simplement se réfléchir à l’interface eau/prisme

Ce principe offre plusieurs avantages :

• Utilisation et nettoyage rapides.
• Lecture directe, plus facile, sans risque d’erreur opérateur.
• Précision améliorée, même sous plus faible illumination.
• L’épaisseur du film n’est pas importante : on dépose les gouttes dans le réceptacle, sur le prisme. Il n’y a pas nécessité de plaquer et d’écraser un film de liquide. Il permet de tester des matériaux visqueux.
• La lumière, émise par l’appareil ne traverse pas la goutte mais est réfléchie vers l’unité de mesure. Ce mode est plus adapté à des matériaux fortement colorés ou troubles.
• Prismes de petite taille : ce mode ne nécessite pas des prismes importants et peut fonctionner avec seulement une petite zone éclairée. C’est un aspect important avec des matériaux coûteux tels que le saphir synthétique.
• Source lumineuse intégrée : moins sensible à l’environnement extérieur, de puissance juste adaptée, moins consommatrice d’énergie et qui chauffe moins pour des appareils automatiques portables.
• Régulation de la température plus fiable quand ils sont équipés d’une régulation avec un élément Peltier.

Et un petit inconvénient : La frontière est moins bien définie pour une détection visuelle. Un inconvénient mineur avec un système de détection optoélectronique.

Il existe des systèmes plus élaborés tant dans la détection du faisceau lumineux que de la maitrise des températures. Ils débordent du cadre de notre hobby.

4. Vérification du réfractomètre

Les réfractomètres de marques, portables ou de paillasse, sont en principe calibrés et étalonnés d’usine. Le réfractomètre est un équipement apparemment rustique mais les lignes qui précèdent nous dévoilent une optique sensible, ajustée pour détecter des angles au dixième de degré. Il n’échappe pas aux risques de déréglages : un désalignement de lentille, une échelle décalée, un bilame qui ne réagit plus correctement, un verre optique déplacé ou brisé…

Tout instrument de mesure non certifié (avec garantie d’étalonnage) doit être vérifié dès son acquisition et du rant sa vie. La vérification consiste à vérifier un certain nombre d’aspects, ajuster le zéro et étalonner.

4.1. Précautions, entretien

Les opérations qui suivent nécessite toutes les mêmes précautions :

• Entreposer l’appareil quelques heures à température proche de celle prescrite par le constructeur pour l’étalonnage (souvent 20°C à 25°C).
• Avant et après chaque utilisation, nettoyer la plaque et le prisme à l’eau osmosée (déminéralisée), essuyer avec un chiffon doux.
• Lors des mesures, s’assurer que l’ensemble du champ de mesure est mouillé après la fermeture du clapet.
• Ranger dans un lieu protégé, sec, exempt d’humidité et d’ambiance saline.
• Ne jamais plonger le réfractomètre dans l’eau.
• En présence d’humidité à l’intérieur sécher sans produit chimique abrasif ou corrosif.

4.2. Vérifier

• L’état des optiques : absence de rayure, corps étrangers… sur la plaque et le prisme.
• La bonne rotation de la plaque d’illumination sur son axe qui peut s’oxyder dans une ambiance saline. La rotation doit être facile tout en conservant son appui durant la lecture.

4.3. Ajuster le zéro

Réglage du zéro.

• Respecter les mesures de précaution ci-dessus.
• Rincer l’intérieur de la pipette plusieurs fois avec de l’eau osmosée, ensuite rejetée.
• Déposer une ou deux gouttes d’eau osmosée sur le prisme en verre, laisser reposer au moins 15 secondes pour se mettre à la température du réfractomètre
• Tourner la vis de mise à zéro avec un petit tournevis jusqu’à ce que la frontière entre zone claire et sombre soit à la salinité S=0.
• Procéder à l’étalonnage ou à une mesure.

4.4. Etalonner

L’étalonnage consiste à vérifier l’exactitude de l’appareil, c’est à dire :

• Justesse : l’écart entre sa moyenne et une solution étalon certifiée,
• Fidélité : la reproductibilité des mesures.

4.4.1. Justesse

La réfraction est en relation linéaire (une ligne droite) avec la salinité (figure 2). Une fois effectuée la mise à zéro, il convient de s’assurer que la ligne n’est pas décalée angulairement. Pour ce, il faut vérifier un autre point. Ce point est choisi selon l’usage normal du réfractomètre. Dans notre cas, un étalon de salinité S35. La justesse est l’écart entre la valeur lue et la valeur étalon.

Choix de l’étalon

L’étalon, doit correspondre au fluide auquel l’appareil est destiné : étalon S35 eau de mer pour un réfractomètre "eau de mer", étalon S35 eau salée NaCl pour un réfractomètre "eau salée NaCl". On trouve très difficilement des étalons "S35 eau de mer". Il est surprenant que des sociétés réputées telles que RedSea, Hanna, H2Ocean… proposent des réfractomètres spécifiquement adaptés à l’eau de mer, mais pas d’étalon pour leur appareil. Parmi les étalons on peut citer : AccuraSea, un étalon S35 eau de mer ; étalon S35 25°C Tridacna comme son intiyulé l’indique, pour l’eau salée NaCl.

L’utilisation d’un étalon non adapté engendre des erreurs. Cela peut s’envisager à condition d’en tenir compte pour l’étalonnage et les mesures ultérieures :

• Lecture sur un réfractomètre NaCl avec "étalon eau de mer" : soustraire S1,5 à la valeur lue.
• Lecture sur un réfractomètre "eau de mer" avec "étalon NaCl" : ajouter S1,5 à la valeur lue.

Etalon eau de mer à réaliser soi-même

Randy Holmes-Farley propose de réaliser une solution avec 3.65 % en poids de sel de table qui contient 97 % de chlorure de sodium NaCl. Cette solution de salinité S36,5 possède un indice de réfraction 1,3394 identique à celui de l’eau de mer S35. Le NaCl pur n’est pas très hygroscopique dans une ambiance à taux d’humidité normal (attention, ce n’est pas le cas de nos sels synthétiques marins). Il le devient beaucoup plus au-delà de 75 % HR. Contenant moins de 3 % de substances autres que NaCl (MgCl₂, CaCl₂,…) en mesure d’absorber de l’humidité, cela représente finalement peu s’il est stocké dans de bonnes conditions. Son séchage n’est alors pas essentiel.

Préparation :

• Si besoin, sécher du sel de cuisine 45 mn à 140 °C et laisser refroidir dans un récipient étanche.
• Peser 3,65 g de ce sel avec une balance à la précision 0,01 g.
• Peser 96,35 g d’eau déminéralisée ou osmosée. Une balance à 0.1 g peut convenir pour la précsion.
• Dissoudre le sel dans l’eau.

Interprétation des résultats :

• Ecart réfractomètre-étalon = 0 : appareil valide.
• Ecart réfractomètre-étalon = &#xB1 1 point : appareil admissible, il faut en tenir compte lors des mesures ultérieures.
  Il est possible d’ajuster le niveau de la frontière à la valeur de l’étalon S35, avec la vis de réglage. Cela permet de lire des valeurs autours de la valeur étalon S35. Mais on ne doit plus ajuster le zéro ni lire une valeur d’eau douce.
• Ecart réfractomètre-étalon > 1 point : un élément s’est déréglé, il peut en annoncer d’autres. Remplacer l’appareil.

4.4.2. Fidélité

Vérifier la reproductibilité de 3 mesures successives dans les mêmes conditions. Ce test permet de s’assurer à la fois de la reproductibilité de l’appareil et de l’opérateur. Une mauvaise reproductibilité est peu probablement due à cet appareil, l’opérateur peut améliorer son protocole de mesure.

En souhaitant avoir un peu levé le voile sur cet équipement digne d’intérêt.

En savoir plus

• Refractometry Handbook – Principles and Best Practices – Bellingham + Stanley, a Xylem brand
• Refractometers and Salinity Measurement  – Randy Holmes Farley – Reefkeeping 12/2006
• Mesure de la salinité des eaux naturelles en hydrologie et en hydrobiologie. Essai pour une standardisation de l'expression des résultats – Persée

Images liées:

[See image gallery at reeflexion.fr]

L’article Réfraction, réfractomètre est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> https://reeflexion.fr/refraction-refractometre/feed/ 0 https://reeflexion.fr/tds-tdsmetre/ https://reeflexion.fr/tds-tdsmetre/#respond Fri, 24 Nov 2023 22:50:37 +0000 https://reeflexion.fr/?p=1394 Il existe de nombreuses méthodes pour caractériser la salinité de l’eau de mer. L’une d’entre-elles consiste à mesure le total des solides dissous dans l’eau, une notion un peu mystérieuse au regard des aquariophiles qui se demandent comment leur petit boitier magique peut bien détecter des solides, aussi dissous soient-ils, et ce qui se cache […]

L’article TDS, TDSmètre est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> Il existe de nombreuses méthodes pour caractériser la salinité de l’eau de mer. L’une d’entre-elles consiste à mesure le total des solides dissous dans l’eau, une notion un peu mystérieuse au regard des aquariophiles qui se demandent comment leur petit boitier magique peut bien détecter des solides, aussi dissous soient-ils, et ce qui se cache derrière ce sigle.       

1. Le TDS

La méthode chimique classique pour déterminer le TDS consiste à évaporer à 180 °C le volume d’un échantillon sous conditions strictes jusqu’à dessèchement complet,. Le poids du résidu détermine le TDS. C’est la meilleure méthode, mais le procédé est très long. En aquariophilie on lui préfère une mesure de conductivité : l’électroconductivité (EC), ou bien le TDS (Total dissolved solids) un indicateur d’impureté. Le TDS est la concentration en ppm (parties par million) ou mg/l des particules minérales (non organiques) dissoutes dans l’eau. Il s’agit des sels, minéraux, dissous dans l’eau, bref à peu près tout ce qui n’est pas de l’eau H₂O.

2. Mesure du TDS par conductivité

2.1. Principe de mesure

L’essentiel des solides contenus dans l’eau douce sont issus de la pluie, des fontes glacières, du ruissellement et du lessivage des sols. On y trouve des éléments naturels et des résidus de pollutions de tous ordres. Parmi les constituants chimiques courants on trouve : calcium, phosphates, nitrates, sodium, potassium, chlorure… Des molécules constituées d’atomes chargés électriquement : des ions. Les cations sont chargés positivement et les anions négativement.
Si on crée une différence de potentiel (tension électrique) entre deux électrodes, les ions s’y déplaceront, les cations dans un sens et les anions dans l’autre, en créant un champ électrique dont on peut mesure la conductivité. Ce principe est celui de n’importe quel conductimètre, mais qu’est ce qui les différencie ?

2.2. TDSmètre ou conductimètre ?

Le TDSmètre mesure une conductivité, c’est une alternative plus rapide et plus facile que l’analyse chimique. Il transpose cette valeur en TDS. Cet appareil se démarque du conductimètre par une électronique moins sophistiquée. La contrepartie de cette simplification est que son utilisation n’est possible que dans des conditions strictes, moins étendues que celle d’un conductimètre :

• La conductivité ne doit être due qu’à une majorité de solides dissous,
• La nature des composants ioniques doit être celle pour lequel le capteur, avec ses caractéristiques propres, a été prévu.
• Le TDS étant une électroconductivité, il varie selon la température qui doit être prise en compte.

Alors, le TDSmètre peut estimer correctement une concentration d’impuretés suivant une courbe préétablie. Cela vaut pour l’eau douce naturelle ou traitée si la composition des échantillons ne varie que très légèrement. Par contre le TDSmètre n’est pas adapté à l’eau de mer.

On le comprend, le TDSmètre a l’avantage du coût contre moins de précision et de latitude.

2.3. Relation électroconductivité – TDS

Dans son étendue de mesure le TDS est lié à l’électroconductivité (EC) par un facteur de conversion k :

TDS (ppm) = EC (µS/cm) x k.

Ce facteur k varie selon la nature des ions (NaCl, KCl…) et de la charge ionique (quantité d’ions). Il augmente avec l’impureté de l’eau. Contrairement aux TDSmètres premiers prix, prévus pour une marge étroite de situations, les meilleurs TDSmètre corrigent ce facteur selon la valeur mesurée. Le facteur k oscille de 0,9 pour une eau très chargée ioniquement, à 0,64 pour une eau du réseau domestique et 0,5 pour une eau très pure telle que l’eau osmosée.

Pour l’eau osmosée : TDS (ppm) = EC (µS/cm) / 2.

2.4. TDS en aquariophilie récifale

Le TDSmètre est essentiellement utilisé pour mesurer un certain niveau de qualité de l’eau osmosée et de l’eau douce. La mesure de la salinité d’un aquarium marin est possible, mais elle est plus approximative que l’électroconductivité compte tenu de son imprécision en présence de nombreux ions, surtout quand l’équilibre ionique dévie de celui de l’eau de mer.

Tableau 1 : Correspondance TDS – EC avec NaCl à 25°C

Paramétrage d’une légende (plusieurs lignes possibles) sous un tableau (impossibilité de créer une classe qui serait exploitable par « caption »)

	Eau osmosée		Eau de ville	Eau de mer
Salinité	0		1	30	35	40
EC	0,5 µS/cm	5 µS/cm	32 – 250 µS/cm	46,3 mS/cm	53,1 mS/cm	59,7 mS/cm
k (NaCl)	0,5		0,64	0,9
TDS ppm (k:NaCl)	1	10	50 – 390	51000	59000	66000

3. Le TDSmètre

3.1. Équipement

Le TDSmètre est, de par sa volontaire rusticité, destiné aux mesures sur terrain, en l’absence d’une grande exigence. Il peut lire des concentrations jusqu’à 1000 ppm avec une résolution de 1 ppm. Mais la relation n’étant  linéaire que pour les plus faibles valeurs, le coefficient k nécessite d’être ajusté selon l’eau testée au risque de générer une erreur supérieure à la mesure elle-même, jusqu’à 15 %. Un TDSmètre élaboré pour un grand spectre de valeurs intègre cette correction automatique du facteur k qui varie déjà entre une eau pure et ultra pure.

Les TDSmètres bon marché habituellement proposés pour l’aquariophilie sont certes destinés à vérifier des eaux douces et notamment l’efficacité de l’osmoseur. Mais ils ne disposent ni de correction du coefficient k, ni de compensation de température. Ce type de TDSmètre, s’il est prévu pour l’eau de consommation, affiche d’emblée une erreur de mesure lorsqu’il est plongé dans une eau osmosée, même après étalonnage. On le comprend, leur niveau d’exactitude est bien inférieur à celui d’un conductimètre 10 fois plus cher. Les exigences de l’aquariophile décideront seules s’il faut privilégier le conductimètre au TDSmètre.

Le TDSmètre est utilisé en aquariophilie récifale pour évaluer très grossièrement un niveau global de pureté de l’eau osmosée. Nous sommes d’accord, la valeur est entachée d’erreurs dues à l’imprécision de l’appareil et à sa dérive. Sachant qu’une membrane laisse passer de 2 à 5 % de polluants, soit 50000 µg/l de composants dont certains potentiellement toxiques, et que nous ne savons pas ce que retient la résine déionisante, le TDSmètre ne permet pas de détecter le niveau exact de pollution comme le fait un spectromètre type ICP.

Equipe d’une sonde pour vérifier l’eau en sortie de traitement, il peut en comporter une seconde à positionner entre la membrane et la résine. Cela permet de suivre à la foi la dérive due au colmatage de la membrane et celle due à la saturation de la résine. Le raccordement en ligne via deux tés à raccord rapide permet de laisser les sondes en place pour une lecture rapide.

Le TDSmètre dispose parfois d’une double gamme de mesure : de 0-9990 ppm avec une résolution de 10 ppm ou de 0 à 999 ppm avec une résolution de 1 ppm avec une précision de l’ordre de 2 % de la valeur mesurée.

3.2. Utilisation du TDSmètre

Dans le cadre d’une utilisation au contact d’eau pure, il n’y a pas a craindre de détérioration majeure. Plus généralement :

TDSmètre portatif

• Ne pas pas tremper l’appareil dans une eau chaude > 80 °C trop longtemps.
• Ne pas toucher les électrodes avec les doigts.
• Immerger les électrodes totalement dans la solution.
• Tapoter légèrement sur l’appareil afin d’éliminer les bulles d’air.
• Attendre 10 secondes que l’affichage se stabilise.
• Lire la mesure et procéder, si besoin, à la correction selon la notice d’emploi.
• Après usage, éteindre l’appareil et nettoyer les électrodes à l’eau osmosée.

TDSmètre en ligne

• Immerger les électrodes en l’absence d’air (sortie du système de filtration).

3.3. Étalonnage du TDSmètre

Certains TDSmètres sont étalonnés d’usine (autour de 340 ppm), peuvent être considérés fiable leur première année d’une utilisation régulière, seulement si cet étalonnage est cohérent avec le fluide testé. Tout comme les conductimètres, les TDSmètres peuvent dériver et donner de fausses valeurs, ils doivent être étalonnés quand l’écart est supérieur à 2 % de la valeur.

Ils s’ajustent avec une solution étalon TDS correspondant au facteur de conversion de l’appareil, sinon rectifier la conversion (TDS 342 ppm NaCl = TDS 362 ppm KCl = 700 µS/cm). En général, pour notre usage, il s’agit de chlorure de sodium NaCl. L’étalonnage doit se faire au plus proche de la valeur normalement mesurée et, pour certains appareils, en deux points.

• Pour une eau de ville de TDS 200 à 600 ppm, un étalon à 200 – 500 ppm permet d’obtenir une droite pour un ajustement réaliste.
• Pour l’eau osmosée de TDS 0 à 10 ppm. Utiliser un étalon proche de 50 ppm. Cette valeur ne garantit pas cependant une mesure juste proche de zéro ppm.
  • Choisir un étalon 50 ppm (ex. Solution étalon 50 ppm 21 °C Neo3plus), plus économique qu’un étalon 15 ppm de laboratoire.
  • Utiliser un étalon pour conductivité. Il suffit d’établir la relation TDS = EC x k (tableau 1).
    Le commerce propose des étalons de laboratoire autour de 84 µS/cm ou beaucoup plus économique un étalon en VPC d’origine asiatique (figure) 84 µS/cm à 25 °C, équivalent à TDS = EC x k = 84 x 0,64 = 54 ppm.

L’ajustement s’obtient avec une vis de réglage ou automatiquement quand l’équipement reconnait la solution. Procéder selon la notice de l’appareil. la durée de vie d’un flacon ouvert est d’environ 1 an

En savoir plus

• Guide des mesures de conductivité Théorie et pratique sur la conductivité,

Images liées:

[See image gallery at reeflexion.fr]

L’article TDS, TDSmètre est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> https://reeflexion.fr/tds-tdsmetre/feed/ 0 https://reeflexion.fr/conductivite-conductimetres/ https://reeflexion.fr/conductivite-conductimetres/#respond Tue, 21 Nov 2023 23:00:41 +0000 https://reeflexion.fr/?p=1 Si l’évaluation de la salinité de l’eau de mer a longtemps été confiée à la mesure de sa densité, le diagromètre Rousseau de 1875 a bien évolué pour aboutir aux conductimètres permettant de mesurer une autre de ses caractéristiques physiques : la conductivité.           1. Electroconductivité (EC) de l’eau de mer 1.1. Ce […]

L’article Conductivité, conductimètres est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> Si l’évaluation de la salinité de l’eau de mer a longtemps été confiée à la mesure de sa densité, le diagromètre Rousseau de 1875 a bien évolué pour aboutir aux conductimètres permettant de mesurer une autre de ses caractéristiques physiques : la conductivité.          

1. Electroconductivité (EC) de l’eau de mer

1.1. Ce qu’est la conductivité

La conductivité électrique, ou électroconductivité (EC) de l’eau est son aptitude à laisser passer le courant électrique. Elle mesure le mouvement des charges électriques qu’elle contient : les électrons, peu liés à leurs atomes, chargés d’ions positifs et négatifs. La migration des ions est d’autant plus facile que les charges sont libres, c’est le cas des solutions, et la conductivité est d’autant plus importante que l’eau est chargée de composants conducteurs comme les sels.

Elle augmente avec la température ce qui impose une compensation pour évaluer la valeur à la température dite normale de 25 °C.

1.1. Conductivité des eaux de mer et douce

La conductivité dépend de la concentration et des propriétés électrochimiques des substances dissoutes. Elle donne une bonne indication du degré de minéralisation de l’eau. Les sels minéraux sont de bons conducteurs, ce n’est pas le cas des matières organiques. Elle n’est donc pas significative pour des eaux usées, polluées mais reflète bien la teneur globale en sels de l’eau de mer, environ 3,5 % pour les eaux de l’océan indopacifique Elle permet tout autant de mesurer la salinité d’un aquarium et la pureté d’une eau osmosée.

1.2. Mesure de la conductivité

La conductivité est déduite de son inverse : la résistivité. Un circuit électrique délivre une tension V et un courant I appliqué entre deux électrodes métalliques pour en calculer la résistance R suivant la loi d’Ohm R = V/I, puis la conductance, inverse de la résistance. La conductivité représente la conductance d’une colonne d’eau comprise entre des électrodes de surface 1 m², séparées l’une de l’autre de 1 cm. Dans le traitement de l’eau on l’exprime en microsiemens par cm (µS/cm ou µS.cm^-1).

La conductivité dépend fortement de la température. Quand elle augmente, la viscosité de l’eau diminue, facilitant la mobilité des ions, cela même à concentration d’ions constante. A fin de comparaison, les valeurs définissent toujours par rapport à une température de référence généralement 25 °C, parfois 20 °C

1.3. Relation entre salinité et conductivité

La salinité de l’eau de mer provient de ses composants : sels et minéraux, parmi lesquels des cations : sodium (Na+), magnésium (Mg²⁺), calcium (Ca²⁺), potassium (K⁺), et des anions : chlorures (Cl^–), sulfates (SO₄^2-), hydrogénocarbonates (HCO₃^–)… soit environ 3.5 % qui représente la salinité S=35. Ces ions constituant l’essentiel de la conductivité de l’eau, la relation avec la salinité est logique, et linéaire comme le montre la figure 1.

Le calcul utilise le facteur K, rapport entre la conductivité mesurée et la conductivité d’une solution de chlorure de potassium (KCl) à 32,4356 g/kg, à 15 °C et pression atmosphérique. Une valeur de K égale à 1 correspond par définition à une salinité pratique égale à 35. 

La salinité pratique (S) est déduite de K selon la formule : 

Rappelons que cette formule vaut pour des eaux non trop polluées par des éléments organiques. Le résultat ne serait alors pas représentatif de la salinité. Cette situation nécessiterait une analyse chimique de l’extrait sec.

1.4. Objectifs de conductivité

Le tableau 2 définit les conductivités attendues selon les situations.

Tableau 2 : Valeurs indicatives de conductivité.

1 ppm = 1 mg/l. * indicatif pour comparaison.

	Conductivité		TDS (KCl)
	normale	admise récifal	normal	admis récifal
Eau de mer à S 35	53 mS/cm	32 à 60 mS/cm	34 000 ppm *
Eau saumâtre	< 7.8 mS/cm	—	< 5000 ppm	—
Eau de ville	100 à 900 µS/cm	—	50 à 550 ppm	—
Eau de pluie	20 à 30µS/cm	—	10 à 400 ppm	—
Eau osmosée	0,05 à 30 µS/cm	< 10 µS/cm	0 à 15 ppm	< 5 ppm

1.4.1. Conductivité de l’eau récifale

La composition des sels est demeurée inchangée depuis plus de 1.5 milliard d’années et s’avère la même pour toutes les mers de la planète. Mesurer un élément permet donc d’en déduire les autres. Pour autant la conductivité permet-elle de garantir la composition de l’eau d’un aquarium ? Non, bien évidemment, notre microcosme subit des dérives indétectables avec cet instrument. Il permet une évaluation totale, sans discernement, ce qui est déjà très bien pour les métabolismes des habitants de l’aquarium et leur bien-être.

Le tableau 3 définit les objectifs de conductivité selon la salinité souhaitée dans des conditions tropicales : température 25 °C et pression atmosphérique.

Tableau 3 : Correspondance salinité, conductivité et densité à 25°C et pression atm.

Salinité	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
Densité	1.0222	1.0226	1.023	1.0241	1.0252	1.0261	1.0269	1.0276	1.0283<	1.0291	1.0299
Conductivité (mS/cm)	46,25	47,62	48,99	50,36	51,71	53,07	54,41	55,75	57,08	58,41	59,73

Les poissons supportent des conductivités importantes, jusqu’à 300 mS/cm, les effets indésirables apparaissant vers 500 mS/cm. En aquarium récifal, les poissons ne devraient jamais être inquiétés. Les invertébrés dont les coraux sont plus sensibles aux variations de salinité d’où la plage conseillée au tableau 2.

1.4.2. Conductivité de l’eau osmosée

Le conductimètre permet de s’assurer de la présence de polluants, c’est un bon indicateur de la qualité de l’eau et surtout de la dérive des éléments du traitement amont de l’eau, notamment la membrane de l’osmoseur et de la résine dé ionisante. Il est adapté au besoin des aquariophiles récifalistes qui recherchent une eau pure dans les limites des performances de l’osmoseur qui laisse passer de 2 à 5 % de polluants.

2. Conductimètre

3.1. L’appareil de mesure

Pour l’essentiel, une cellule de mesure de conductivité est constituée d’une paire d’électrodes, les pôles, entre lesquelles une tension est appliquée. Le conductimètre mesure le courant circulant et calcule la conductivité. Un courant continu appliqué aux électrodes, les ions positifs (cations) migrent vers l’électrode négative (cathode). Parallèlement, les ions chargés négatifs (anions) se déplacent en sens inverse vers l’électrode positive (anode). Delà conduit à une électrolyse : accumulation d’ions à proximité de la surface de l’électrode et à des réactions chimiques qui influent sur la composition de la solution et par conséquent aussi sur la conductivité. Ces réactions d’électrolyse indésirables sont en grande partie éliminées par l’utilisation d’un courant alternatif.

La conductivité dépendant de la température, un conductimètre dispose d’une seconde sonde de température associée à celle de conductivité. L’appareil mesure la conductivité à la température puis la convertit pour fournir la valeur à la température de référence, en général 20 °C ou 25 °C.

Un conductimètre
adapté à l’eau de mer doit couvrir une plage jusqu’à
60 mS/cm. Le conductimètre prévu pour l’eau douce ou l’eau osmosée
sera plus sensible et mesurera jusqu’à 2000 µS/cm. De nombreux conductimètres couvrent de larges plages de mesures avec les compensation de température et du facteur k. Ils sont en mesure de délivrer par le calcul la salinité et, dans une certaine plage, le TDS.

L’exactitude est de d’orle de ± 2 % pour les modèles portatifs à ± 0.5 % pour les modèles plus élaborés et de laboratoire. Le conductimetre Tunze pour aquariophilie mesure à ± 0,1 µS/cm. Le domaine d’application se situe entre quelques µS/cm et 500 000  µS/cm.

Ainsi expliqué, tout parait simple. Pour autant, la correction de température constitue un défi dans l’eau pure pour des raisons techniques et chimiques. Le conductimètre embarque une électronique sophistiquée qui en explique le coût.

3.2. Mesures de conductivité

Précautions d’utilisation :

• Lors de la première utilisation (ou après un stockage prolongé), tremper la sonde dans l’eau à mesurer durant environ 5 heures puis la rincer à l’eau distillée. Essuyer avec un chiffon doux.
• Immerger l’électrode à moitié, câble et raccordements sans contact avec l’eau.
• Ne pas le plier le câble ni l’utiliser pour le maintien de l’électrode.
• Si possible, monter l’électrode en un endroit sombre.
• Prévoir une espace de 2 à 3 cm entre la sonde et les parois alentour.
• En même temps que les composés solides et liquides, des gaz se dissolvent dans l’échantillon pour former des ions ayant une incidence sur le résultat. Par exemple le dioxyde de carbone (CO₂) de l’air ambiant dissous forme de l’acide carbonique (H₂CO₃) qui se dissocie en hydrogénocarbonate (HCO₃^2-) puis en carbonate (CO₂^–). Le dioxyde de carbone peut augmenter la mesure de la conductivité d’environ 1 µS/cm.
• De même une petite bulle d’air adhérant à la surface de l’électrode augmente la résistance de l’échantillon à l’intérieur de la cellule et abaisse la mesure de conductivité. Avant chaque mesure (et chaque étalonnage), il convient d’éliminer les bulles en tapotant sur le capteur pour les chasser.
• Des solides non dissous ou précipitant lentement peuvent former une couche sur les électrodes de la cellule de conductivité. Celle-ci peut fausser la réponse de la cellule et entraîner des mesures erronées. C’est aussi le cas lors du bio encrassement de d’une sonde longtemps immergée. Un nettoyage approprié évite ce genre de problème
• La mesure peut dériver dans les solutions stagnantes. En cas de forte conductivité il est préférable de mesurer dans un récipient sous légère agitation. Pour une faible conductivité telle que celle de l’eau osmosée, une agitation peut accroître l’exposition à l’air et la contamination par le CO₂.

3.3. Entretien de l’électrode

Il y a toujours accumulation d’algues et de dépôts minéraux ou recouvrant les électrodes, qui diminuent la mobilité des ions et perturbent considérablement les mesures.

• Rincer l’électrode à l’eau déionisée après chaque mesure dans de l’eau.
• Nettoyer une sonde immergée tous les 3 mois.
• Éliminer délicatement les incrustations entre les électrodes à l’aide d’un coton-tige imbibé de détergent puis rincer.
• Ne jamais nettoyer une sonde sale  mécaniquement entre les électrodes.
• Nettoyer en laissant tremper dans une solution de nettoyage durant 10 min. puis rincer   .
• Essuyer à l’aide d’un chiffon très doux.
• Conserver sans précaution particulière. Bien entretenue, sans détérioration des capteurs, une électrode a une durée de vie sans limite.

3.4. Etalonnage du conductimètre

Comme tout matériel de mesure le conductimètre n’échappe pas à un étalonnage avant la première utilisation et régulièrement ensuite. L’étalonnage, ne peut se réaliser que sur une sonde parfaitement
propre, en suivant les précédentes consignes
L’étalonnage nécessite des solutions étalon adaptées à l’utilisation (à base de chlorure de potassium) : 200 mS/cm pour l’eau de mer, 200 à 600 µS/cm pour une eau douce et 50 à 100  µS/cm pour une eau osmosée. Le commerce aquriophile propose malheureusement rarement des solutions étalon pour l’eau osmosée. La VPC asiatique propose cependant une solution étalon EC 84 µS/cm à 25°C qui répond à notre besoin.

Mode opératoire :

• Conservez les flacons d’étalons bouchés à l’abri des rayons solaires.
• Une solution étalon peut être utilisée 1 à 3 fois suivant l’état de propreté de l’électrode. Les solutions sont très sensibles à la contamination et se dégradant d’autant plus que leur valeur est faible.
• Rincer le récipient plusieurs fois à l’eau osmosée, déionisée. Secouer pour faire tomber les gouttelettes résiduelles.
• Rincer le capteur et le récipient avec une petite quantité de la solution étalon qu’il faut ensuite jeter
• Immerger la sonde dans la solution.
• Éliminer toutes les bulles d’air en tapotant sur l’électrode ou en l’agitant
• Après 3 minutes, sans agitation pour une mesure d’eau osmosée, procéder à l’ajustement de la vis de réglage, suivant le manuel d’utilisation.
• Suivre si besoin, dans ce manuel, les préconisations pour l’ajustement de la constante du capteur.
• Éliminer la solution usagée.
• Rincer capteur et récipient comme précédemment.

 

En savoir plus

• IES80 : équation d’état de l’eau de mer
• Algorithms for computation of fundamental properties of seawater UNESCO Technical paper in marine science
• Guide des mesures de conductivité Théorie et pratique sur la conductivité,

Images liées:

[See image gallery at reeflexion.fr]

L’article Conductivité, conductimètres est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> https://reeflexion.fr/conductivite-conductimetres/feed/ 0 https://reeflexion.fr/calcul-salinite-aquarium/ https://reeflexion.fr/calcul-salinite-aquarium/#comments Wed, 08 Mar 2017 23:00:52 +0000 https://reeflexion.fr/?p=2496 Ce calculateur convertit salinité et masse volumique à pression atmosphérique et à une température donnée selon l’Equation d’état de l’eau de mer 1980. Il donne également, à titre d’information pour les aquariophiles, la densité par rapport à la masse volumique de l’eau douce de référence à 4 °C, à 25 °C (comme le font certains […]

L’article Calculateur Salinité est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> Ce calculateur convertit salinité et masse volumique à pression atmosphérique et à une température donnée selon l’Equation d’état de l’eau de mer 1980. Il donne également, à titre d’information pour les aquariophiles, la densité par rapport à la masse volumique de l’eau douce de référence à 4 °C, à 25 °C (comme le font certains aréomètres) et 20 °C (comme nombre de réfractomètres). Pour plus d’indormations consulter les articles Salinité et Réfraction, réfractomètre.

This calculator converts salinity and density at atmospheric pressure and a given temperature according to the Equation of State of Sea Water 1980. For aquarists, it also gives the specific gravity relative to density of standard fresh water at 4 °C, at 25 °C (as some hydrometers) and 20 °C (as many refractometers). Read more about salinity and refraction in the articles Salinité and Réfraction, réfractomètre.

 




La réfraction d’une eau salée, réalisée avec du chlorure de sodium NaCl, diffère de celle d’une eau de mer (naturelle ou reconstituée) aux multiples composants. La valeur de la salinité d’une eau de mer lue sur un réfractomètre eau salée NaCl est plus élevée et doit être réduite de 1,5. à 1,8 points.

The refraction of a salt water made with sodium chloride NaCl, differs from that of a sea water (natural or reconstituted) with several components. The sea water salinity value, read on a refractometer designed for salt water NaCl, is higher and should be reduced from 1.5 to 1.8 points.

 

Images liées:

[See image gallery at reeflexion.fr]

L’article Calculateur Salinité est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> https://reeflexion.fr/calcul-salinite-aquarium/feed/ 2 https://reeflexion.fr/densite-hydrometres/ https://reeflexion.fr/densite-hydrometres/#comments Mon, 22 Dec 2008 23:00:34 +0000 https://reeflexion.fr/?p=1061 Longtemps utilisée pour évaluer la salinité de l’eau de mer, la mesure de sa densité doit à Archimède des équipements rustiques pouvant être mis en œuvre facilement. Pour autant elle est source de bien des erreurs à l’insu des utilisateurs trop confiants dans son apparente simplicité. 1. La densité 1.1. Pourquoi mesurer la densité ? […]

L’article Densité, hydromètres est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> Longtemps utilisée pour évaluer la salinité de l’eau de mer, la mesure de sa densité doit à Archimède des équipements rustiques pouvant être mis en œuvre facilement. Pour autant elle est source de bien des erreurs à l’insu des utilisateurs trop confiants dans son apparente simplicité.

1. La densité

1.1. Pourquoi mesurer la densité ?

En effet, pourquoi la mesurer puisque les organismes marins ne « réagissent » pas directement à la densité, mais à la salinité du milieu. Cette dernière reflète la concentration ionique totale de l’eau, qui détermine la pression osmotique et conditionne l’équilibre hydrique, la régulation ionique et l’osmorégulation.

Historiquement, la densité s’est imposée avant même que la notion moderne de salinité soit normalisée : les marins, océanographes, biologistes, pouvaient comparer des eaux entre elles avec un repère reproductible. Elle s’est d’autant plus imposée qu’il n’existait pas de moyen simple, direct, fiable, et robuste en mer, de mesurer la salinité totale.
Elle permet d’en faire une estimation indirecte, suffisante tant que la composition ionique, la concentration de sels dissous (Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO4²⁻, etc.), reste proche de celle de l’eau de mer. Elle reste également représentative face aux variations mineures de la composition ionique dans un aquarium marin.

Aujourd’hui, on sait mesurer la salinité plus directement (conductivité, réfraction), mais la densité est toujours utilisée par héritage, parce qu’elle demeure suffisamment représentative pour le vivant dans la plupart des contextes.

1.2. Qu’est-ce que la densité ?

La densité (d) est  le rapport entre la masse volumique (ρ) de l’eau à tester et celle de l’eau pure de référence, une valeur sans dimension.

d : densité [sans unité],
ρ : masse volumique,
T1 : température de l’échantillon,
T2 : température du fluide de référence.

Concernant le milieu marin, c’est  le rapport entre la masse volumique (ρ) de l’eau de mer et celle de l’eau de référence.

• La température de mesure de l’eau de mer d’aquarium est généralement 20°C ou 25°C.
• Le monde scientifique s’est accordé pour définir la température de l’eau pure de référence quand sa masse volumique est maximale, c’est à dire à 3,8 °C. La MV est alors 1 g/cm³ soit 1000 g/l. L’adoption de toute autre température doit être prise en compte par le fabricant en adaptant la graduation de l’échelle de mesure pour viser la bonne salinité. C’est ainsi que l’on trouve des équipements d 20/20 ou d 25/25.

Ce tableau montre, pour une même salinité, l’impact non négligeable de la température de mesure sur la densité.

2. Les hydromètres

Les hydromètres (aréomètres, densimètres) recouvrent tous les équipements utilisant le principe d’Archimède pour la mesure de la densité d’un liquide. La densité de l’eau de mer augmentant avec sa concentration en sels, le flotteur flottera mieux.

Soyons précis : un hydromètre ne mesure rien au sens analytique, il positionne seulement un flotteur lesté immergé dans un liquide à un état d’équilibre. Bien sûr cet équilibre dépend de la masse volumique du liquide, mais seules ses graduations relient la hauteur d’immersion à une grandeur physique qui peut être selon le domaine d’utilisation : une masse volumique (ex. 1025), une densité (ex. 1,025), un degré d’alcool (ex. 10°), un degré Brix…

2.1. L’aréomètre

Il consiste en un cylindre creux, lesté et gradué, qui pénètre plus ou moins dans le liquide selon sa densité. Son fonctionnement très rustique rassure. Il faut cependant privilégier les modèles avec gros ballast, plus sensibles et dotés d’une longue échelle graduée, plus précise.

Les meilleurs aréomètres destinés au marché aquariophile annoncent une précision sur la densité à 10^-4, soit d ±0,0001. Il s’agit en fait de la résolution des graduations. La précision globale dépend d’autres facteurs tels que l’exactitude de l’appareil et la répétabilité des mesures impactée par la difficulté à visualiser la hauteur du flotteur. Toutes sources d’erreurs cumulées, pour les meilleurs appareils la précision est estimée à d ±0,0010, soit une erreur de salinité S ±1,5.

2.2. Le densimètre à aiguille

Un bras flottant pivote autour d’un axe. Plus pratique d’emploi, il est cependant plus sensible aux écarts de température, à la présence de bulles, et le frottement de l’aiguille le rend moins reproductible. La précision des meilleurs est de l’ordre de d ±0,0020 soit S ±3.
Malgré son imprécision, ce type d’appareil permet d’ajuster rapidement la salinité d’une eau d’appoint par comparaison avec l’eau du bac.

2.3. Densimètres électroniques

Pour quelques milliers d’Euros, on pourra acquérir des densimètres électroniques portables ou de paillasse mesurant la masse volumique avec une précision pouvant atteindre 0,000005 g/m³. Je ne les évoquerai pas plus

 

3. Mesurer la densité

3.1. Étalonnage

L’étalonnage consiste à mesurer l’écart entre la valeur fournie par l’équipement et un étalon fiable, puis exploiter cette information lors des mesures.

3.1.1. L’étalonnage est-il nécessaire ?

Les aquariophiles marins ont l’habitude de croire qu’un aréomètre est infaillible du fait de sa grande simplicité. Il n’en est rien ! Aussi rustique et rassurant soit-il, tout équipement de mesure doit être vérifié avant utilisation. Si on s’attend à peu de dérive de la part d’un aréomètre, le risque qu’il soit exact (décalé par rapport à la vérité) existe, tout comme de nombreux thermomètres à alcool basiques délivrent des températures très différentes. Il serait risqué d’ajouter un écart d’étalonnage à un appareil précis à S ±1,5.

3.1.2. Étalonner un aréomètre

Étalons du commerce

Le commerce propose des solutions étalon à salinité S35 mais en petits conditionnements, insuffisants pour plonger un aréomètre de 30 cm.

Réaliser son étalon de salinité équivalent à S35 eau de mer

Compte tenu du volume nécessaire on peut réaliser son propre étalon sans grande difficulté. Certes, il ne sera pas relié à la chaine nationale d’étalonnage, non certifié, mais pas moins que de nombreux étalons du commerce. Cela conviendra à notre besoin.

L’étalon est réalisé avec du sel de table. La norme impose au sel de table d’être pur à 97 % de chlorure de sodium (NaCl), elle est souvent supérieure. Si NaCl est très soluble, contrairement aux idées reçues il n’est pas hygroscopique et donc n’absorbe pas l’humidité. L’absorption éventuelle d’humidité ambiante est le fait des 3 % d’impuretés, essentiellement des agents antiagglomérants. L’erreur de densité résultant d’une absorption de 60 % d’humidité par ces impuretés dans une eau de densité 1,0233 serait ≈0,0005. Cela reste négligeable pour notre besoin, même s’il peut y avoir un peu d’humidité piégée dans la masse d’un sel mal conservé. En cas de doute on peut le sécher au four.

Rappelons-nous : la densité n’est destinée qu’à atteindre une salinité. L’objectif de l’étalon est ici de reproduire la densité d 25/4 d’une eau de mer de salinité S35, soit 1,0233. Cette dernière étant composée de nombreux sels (Na⁺, Cl^–, Mg²⁺, SO4₄^2-…), on ne peut pas peser 35 g du seul NaCl, la densité serait plus élevée. Il faut prendre en compte la masse molaire du NaCl, son volume partiel dissous à la température fixée. Le calcul donne 31,6 g de sel NaCl pour 968,4 g d’eau.

Préparation pour 1 kg de solution :

• Si besoin, sécher du sel de cuisine 45 mn à 140 °C et laisser refroidir dans un récipient étanche.
• Peser 31,6 g de ce sel avec une balance fiable de précision 0,1 g.
• Peser 968,4 g d’eau déminéralisée ou osmosée tempérée.
• Dissoudre le sel dans l’eau.
• Conserver cette solution dans un récipient étanche.
• Utiliser la solution étalon à 25°C.

Attention : cette solution destinée aux hydromètres a ses propres caractéristiques, différentes de celles de l’eau de mer, elle n’est pas adaptée pour étalonner un réfractomètre "eau de mer" comme le précise l’article Réfraction, réfractomètre, ni un conductimètre

3.2. Conditions de mesures, propres au matériel

Les hydromètres de qualité sont calibrés pour une température T1, souvent 20 °C ou 25 °C, et avec une eau de référence à température T2, 4 °C, 20°C ou 25°C. Elles sont alors affichées sur l’appareil sous la forme d T1/T2. Ces informations sont indispensables pour exploiter les résultats.

Par exemple D 25/4 :

• 25 : température de mesure 25°C. Toute mesure s’écartant notablement de celle-ci impose une correction.
• 4 : température de l’eau douce de référence 4°C.

3.3. Mesurer avec l’aréomètre

3.3.1. Lecture de la graduation

La principale erreur de mesure d’un aréomètre relève de la difficulté à apprécier le niveau d’eau sur l’échelle graduée. La mesure se réalise dans une éprouvette, en dehors de l’aquarium, de manière à éliminer les mouvements de surface. Le niveau à hauteur des yeux, on lit alors la valeur en bas du ménisque.

3.3.2. Compenser la température

Chaque équipement est conçu pour une température d’utilisation. S’en écarter de plus de 4°C nécessite de corriger la valeur lue.

Le Convertisseur de salinité permet de calculer directement la salinité obtenue selon la densité et la température. L’abaque ci-dessous précise les valeurs dans des situations courantes. Certains aréomètres tels que le modèle JBL sg 25/4 (ci-contre) disposent d’une correction intégrée.

Exemple du modèle JBL sg 25/4. Calibré pour une utilisation à 25 °C il dispose d’une échelle graduée et d’un thermomètre. Le sommet de la colonne d’alcool indique la température. La plage verte détermine la plage de température à l’intérieur de laquelle il n’est pas nécessaire de compenser. En dehors de celle-ci il convient d’augmenter (+) ou réduire (-) la valeur lue. Par exemple : supposons que l’équipement indique une masse volumique 1024 kg/m³. Si, colonne de gauche, la température affiche 20°C, alors réduire (-) la valeur de la MV d’une unité, soit 1024 – 1 = 1023 kg/m³. Cet appareil étant calibré par rapport à une eau à 4 °C , la densité réelle est 1,023. Il suffit de vérifier la salinité correspondant dans le tableau qui suit, soit S36, ou le convertisseur.

3.4. Comparer des résultats… en salinité

La densité variant avec la température de mesure, il est nécessaire de l’annoncer pour toute comparaison. En aquariophilie il est d’usage de se référer à 25°C. Ceci dit, afin d’éviter définitivement tout quiproquo, il est préférable de convertir la densité en salinité, une caractéristique universelle qui permet, de plus, de converser avec les adeptes du réfractomètre ou d’autres moyens plus évolués.

3.5. Attention aux erreurs !

Une source d’erreur fréquente est l’exploitation des termes anglais, de faux amis qui prêtent à confusion. Le tableau qui suit met en évidence les différences entre les appellations, les unités et l’expression des unités (point et virgules). Les mots, les points et virgules ont leur signification.

Correspondance entre termes anglais et français

Unités : 1 kg/m3= 1 g/l = 0.001 g/ml

Anglais		Français
Mesure	Exemple	Mesure	Exemple
Specific gravity (SG)	1.023	Densité	1,023
Density	1,023 kg/m3	Masse volumique	1023 kg/m3

• Le terme "densité" est parfois employé incorrectement à la place de "masse volumique". Une densité de 1026 ne serait plausible que sur une planète d’une densité extrême, qui reste à découvrir. Si l’équipement est d 25/4 (aréomètre JBL, Tropic Marin…) on peut aisément et sans erreur la transposer en densité 1,026.
• L’expression "densité relative" n’existe pas en français. C’est tout simplement la densité. Probablement une mauvaise traduction de la specific gravity (SG) anglaise.
• La lettre grecque ρ (rho) exprime la masse volumique. Pourtant dans je ne sais quel esprit machiavélique, des professionnels utilisent la lettre d, comme densité.
• La densité océanographique est la masse volumique d’une eau dans des conditions spécifiques de salinité, température et pression : ρ = ρ(S, T, P). Un terme utilisé par convention, sans rapport avec notre densité. La densité océanographique de l’eau de mer de salinité S35
  à 25°C et à pression atmosphérique est 1023 kg/m³.

La mesure de la densité, apparemment simple, souffre dans le monde de l’aquariophilie marine d’une succession d’approximations (équipement, méthode, exploitation des résultats) à l’origine de grandes confusions. Situation regrettable pour une caractéristique essentielle. Il est temps de tendre vers une expression commune, sans ambiguïté : la salinité.

Salinité des océans

Localisation	Salinité
Eaux continentales	0 à 0.5
Atlantique nord	30.0
Océan Pacifique	35.0
Océan indien	36.5
Océan Atlantique	36.5
Mer Méditerranée	38.5
Mer rouge	39.7

4. Quelle densité cibler pour mon aquarium ?

C’est une question récurrente de la part des aquariophiles débutants… ou pas. Elle est d’autant plus justifiée qu’un même objectif de salinité S35 peut être atteint avec des valeurs différentes selon l’appareil de mesure.

Notre unique objectif est de reproduire la salinité à laquelle nos pensionnaires se sont adaptés durant quelques millénaires. La densité vise donc à reproduire celle de leur écosystème, de leur océan d’origine (tableau ci-contre). Ce thème est abordé dans l’article Salinité.

Si les biologistes ont depuis bien longtemps abandonné toute notion de densité au profit de la salinité, le monde aquariophile s’accroche encore à cette dernière sans l’avoir jamais codifiée. Ainsi le commerce propose des appareils calibrés pour des mesures à des températures différentes : souvent 25°C pour les hydromètres et 20°C pour les réfractomètres, la température des eaux douces de référence sont également différentes : 4°C, 20° ou 25°C. Malheureusement les fabricants ne précisent pas toujours clairement le mode de calibrage sous la forme d’un ratio D T₁/T₂. On se trouve confronté à plusieurs situations :

• Le fabricant précise d25/4, d20/4, d20/20 ou d25/25…) : pas d’ambiguïté, on choisit la valeur cible dans le tableau ci-dessous. C’est par exemple le cas des hydromètres JBL et Tropic marin calibrés à d25/4.
• Le fabricant ne précise que la température d’utilisation (ex. 25°C) :
  • Matériel de laboratoire : L’appareil précise systématiquement la température d’utilisation souvent 20°C. Confrontés à des normes (ex. ASTM E100-19 Standard Specification for ASTM Hydrometers) il sont systématiquement et implicitement calibrés par rapport à une eau douce à 4°C. Ils sont donc d20/4 ou d25/4, le tableau ci dessous s’applique.
  • Matériel pour aquariophilie : Le descriptif se limite souvent à la température d’utilisation. L’utilisateur doit il deviner le mode de calibrage adopté par le fabricant ?
    J’ai tenté de le découvrir en recalculant les valeurs de températures, salinités et densités annoncées dans les notices d’hydromètres et de sels de fabricants renommés. La situation se révèle très confuse. Les valeurs sont contradictoires entre fabricants, voire incohérentes pour un même produit. Les préconisations peuvent être de l’ordre de d25/4, tout aussi bien d25/25 et parfois s’en écartent curieusement. Cette incertitude peut entrainer une erreur trop importante de salinité jusqu’à S ±4, s’ajoutant à l’erreur de l’appareil S ±1,5… S ±5,5 est trop risqué !
    Il faut impérativement éviter ce matériel en récifal.
• Le fabricant ne précise rien : l’appareil est inexploitable.

Le tableau donne les valeurs à obtenir selon l’équipement.

Exemple d’exploitation du tableau pour obtenir une salinité S35 selon l’équipement.

• Aréomètre – Densimètre D25/4 : 1,0233.
  Selon le fabricant les graduations de l’aréomètre (ex JBL) sont en masse volumique. Pour autant il annonce D25/4, donc une densité. On peut interpréter cette information comme le ratio Masse volumique eau de mer à 25°C / Masse volumique eau douce à 4°C, soit 1023/1000 = 1,023. Pour obtenir S35, il faut donc viser 1023 g/l, soit une densité de 1,023.
• Aréomètre – Densimètre D25/25 : 1,0263.
• Aréomètre – Densimètre D20/20 : 1,0265. Il en est de même avec de nombreux réfractomètres D20/20 bien que ces équipement donnant directement la salinité, toute conversion est inutile.

 

En espérant que ces informations clarifient l’usage des densimètres.

En savoir plus

• Propriétés physiques du milieu marin Cours de l’Institut des Sciences de l’Ingénieur de Toulon et du Var
• Calcul de la densité de l’e au de mer
• IES80 : équation d’état de l’eau de mer
• Algorithms for computation of fundamental properties of seawater UNESCO Technical paper in marine science
• Final report comparison of the calibrations of hydrometers for liquid density determination among SIM laboratories, SIM.M.D-S6 Centro Nacional de Metrología, Querétaro Mexico – 09/2022

Images liées:

[See image gallery at reeflexion.fr]

L’article Densité, hydromètres est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> https://reeflexion.fr/densite-hydrometres/feed/ 2 https://reeflexion.fr/salinite/ https://reeflexion.fr/salinite/#respond Mon, 22 Dec 2008 23:00:25 +0000 https://reeflexion.fr/?p=135 La salinité de l’eau de mer conditionne la vie de toutes les espèces vivantes marines progressivement adaptées à ce milieu depuis des millénaires. L’aquariophile marin en fait l’une de ses priorités. Il la mesure indirectement par d’autres grandeurs telles que la densité, la réfraction, la conductivité ou celle du total de solides dissous (TDS) qu’il  […]

L’article Salinité est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> La salinité de l’eau de mer conditionne la vie de toutes les espèces vivantes marines progressivement adaptées à ce milieu depuis des millénaires. L’aquariophile marin en fait l’une de ses priorités. Il la mesure indirectement par d’autres grandeurs telles que la densité, la réfraction, la conductivité ou celle du total de solides dissous (TDS) qu’il  doit exploiter en connaissance de cause.                   

1. Salinité des océans

La salinité représente le taux de sels dissous dans l’eau. Elle s’exprimait en g/kg (gramme
de chlorure de sodium NaCl par kilogramme d’eau) ou en parties pour mille (‰) ou encore en en psu (practical salinity unit). Face à la difficulté de mesurer la teneur des sels en laboratoire, elle représente maintenant le rapport entre la conductivité électrique de l’échantillon d’eau de mer et celle d’une solution de chlorure de potassium (KCl) de référence. On évoque alors la salinité pratique de symbole S, une mesure sans unité (ex. S=35).

Salinité des océans

Localisation	Salinité
Eaux continentales	0 à 0.5
Atlantique nord	30.0
Océan Pacifique	35.0
Océan indien	36.5
Océan Atlantique	36.5
Mer Méditerranée	38.5
Mer rouge	39.7

La composition chimique de l’eau de mer est identique dans tous les océans du monde, seule la quantité de sel varie et dans une moindre mesure quelques éléments. Elle Indépendante de la température.

La salinité moyenne des océans et des mers non fermées est S35. Elle diffère selon les régions : plus élevée dans les zones tropicales à fort taux d’évaporation et plus faible dans les zones subpolaires où les précipitations sont plus intenses

L’illustration montre une salinité de surface plus forte dans l’Atlantique Nord que dans le Pacifique Nord, résultant d’un transfert de vapeur d’eau de l’Atlantique vers le Pacifique. Ainsi, avec la température, elle contribue aux grands flux océaniques et influe sur le climat de la planète. Les variations de salinité s’expliquent également par la configuration des mers plus ou moins fermées, la profondeur ou plus localement par la proximité des estuaires.

2. Salinité dans l’aquarium

La concentration du sel est un paramètre particulièrement important puisqu’il conditionne indirectement le taux de tous les composants de l’eau : calcium, magnésium, carbonates etc. Elle doit donc être en relation avec l’écosystème reproduit, proche de S35 pour un aquarium tropical.

L’aquariophile marin doit maintenir la salinité de son eau avec le minimum de variations et jamais brutales. Outre les vérifications régulières qui peuvent conduire à des ajustements ponctuels, l’aquarium dispose d’une régulation automatique du niveau (osmolateur) permettant de compenser l’évaporation d’eau pure.

2.1. Métabolismes

La salinité influe sur le métabolisme des animaux. Trop élevée ou trop faible elle stresse l’ensemble des habitants. Invertébrés et vertébrés sont plus ou moins sensibles aux écarts, ils tolèrent de l’ordre de S30 à S38, en évitant les variations brusques.

2.2. Bioindicateurs

Une forte dérive se traduit par la réduction de la croissance des coraux, la perte de couleur, des polypes rétractés et des octocoralliaires contractés.

2.3. Ajuster la salinité

Trop forte : compléter par de l’eau moins saline voire de l’eau osmosée.

Trop faible : ajouter progressivement de l’eau saturée en sel éventuellement par osmolation. Une forte concentration s’obtient dans une eau continuellement brassée et légèrement réchauffée.

3. Mesure de la salinité

La salinité est couramment évaluée par la mesure de sa densité, de sa conductivité (parfois traduite en taux de solides dissous : TDS) et de sa réfraction. Ces caractéristiques, dont certaines dépendent d’autres paramètres environnementaux (température, pression…), sont reliées entre elles. Le tableau et les courbes qui suivent en sont une représentation simplifiée dans des conditions normales de température à pression atmosphérique.

Correspondance entre salinité, densité et conductivité à 25°C et pression atmosphérique

Salinité	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
Densité	1.0222	1.0226	1.023	1.0241	1.0252	1.0261	1.0269	1.0276	1.0283	1.0291	1.0299
Conductivité (mS/cm)	46,25	47,62	48,99	50,36	51,71	53,07	54,41	55,75	57,08	58,41	59,73

 

Relation entre salinité, densité et conductivité

4. Moyens de mesures

La salinité étant étant une caractéristique essentielle de l’eau, on la mesure en exploitant certaines caractéristiques de l’eau avec des équipement adaptés à l’aquariophilie marine, fiables et étalonnés :

• Densité : hydromètre, aréomètre, densimètre
• Réfraction : réfractomètre
• Conductivité : conductimètre
• Taux de solides dissous (TDS) : conductimètre, TDSmètre.

En savoir plus

• Propriétés physiques du milieu marin Cours de l’Institut des Sciences de l’Ingénieur de Toulon et du Var
• IES80 : équation d’état de l’eau de mer
• Algorithms for computation of fundamental properties of seawater UNESCO Technical paper in marine science

Images liées:

[See image gallery at reeflexion.fr]

L’article Salinité est apparu en premier sur Reeflexions.

]]> https://reeflexion.fr/salinite/feed/ 0