Nouvelles alternatives aux instruments DPD en ligne pour la mesure du TRO dans les BWMS
Le capteur ampérométrique DPI (Direct Pipe Insertion) de Halogen Systems est une alternative sans réactifs ni membrane aux instruments DPD en ligne pour mesurer les oxydants résiduels totaux dans les systèmes de gestion des eaux de ballast. Validé par l’Alliance for Coastal Technologies (ACT) et bénéficiant de l’homologation DNV, avec plus de 2 000 capteurs déployés sur des navires depuis 2014.
Ce document présente des données d’évaluation par un tiers, des essais d’indépendance au débit, des résultats de robustesse à la turbidité, des comparaisons de coûts et des données de terrain montrant 1,2 an de fonctionnement sans maintenance à bord d’un navire.
Principaux points de performance
1. Contexte
Halogen Systems, Inc. a été créée en 2012 pour commercialiser sa technologie de capteurs multiparamètres. Dès le départ, elle a cherché à éliminer les problèmes des capteurs ampérométriques existants et à développer une plateforme alternative robuste utilisable dans de nombreux secteurs. Son capteur diffère radicalement des autres, d’où son nom DPI (Direct Pipe Insertion, insertion directe en conduite) ampérométrique.
Ce nouveau capteur ampérométrique a été financé en partie par des contrats Small Business Investment Research (SBIR) de l’US Office of Naval Research (ONR)[DoD, 2020]. Depuis 2014, ce capteur a fait l’objet d’améliorations et de perfectionnements constants.
2. Résumé
Le capteur ampérométrique DPI constitue une nouvelle alternative aux instruments DPD en ligne. Utilisée dans les systèmes de gestion des eaux de ballast (BWMS), cette alternative élimine des problèmes potentiels de conformité grâce à des caractéristiques uniques :
Réponse rapide
Mesure directe du TRO dans la conduite de ballast pour obtenir des résultats en moins de 45 secondes.
Fonctionnement dans un port boueux
Fonctionnement robuste et exact à 20 fois les niveaux de MES requis par l’ETV (1 000 ppm), sans filtres.
Forte tolérance au carbone organique dissous
Fonctionnement exact à des niveaux de carbone organique dissous 6 fois supérieurs aux niveaux d’épreuve utilisés pour tester les BWMS.
Indépendant du débit
Fonctionnement exact pour des vitesses d’écoulement de 0 à 3,73 m/s — sans incidence sur la mesure.
Salinité et pH intégrés
Le capteur de salinité intégré élimine le besoin d'un instrument distinct. Le capteur de pH résiste à 10 bar.
Modèles pour zones dangereuses et non dangereuses
Disponible pour les zones dangereuses de zone 1, groupe IIC, le pont découvert, les dérivations et les conduites de ballast.
Avantages d’installation et d’entretien
Validation approfondie par des tiers
3. Évaluation par un tiers (ACT)
L’Alliance for Coastal Technologies (ACT) a réalisé une évaluation des instruments TRO pour eaux de ballast utilisant les technologies actuellement disponibles[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. Bien qu’ACT n’ait pas comparé directement les capteurs, plusieurs points essentiels ressortent de ces rapports :
Résultats des essais de précision
Les deux instruments DPD neufs, installés par le personnel du fabricant, étaient en dehors de leurs spécifications respectives de 5 % (en dessous de 6 ppm). L’exactitude de DPD1 pendant l’essai de précision était de ±15 %, contre ±32 % pour DPD2. Le capteur Halogen était largement dans les limites de sa spécification, à ±4 %. Son coefficient de variation (2,5 %) était meilleur que celui de la méthode de référence DPD (2,6 %).
Résultats des essais d’exactitude
Un instrument DPD n’a pas fonctionné correctement pendant deux des essais de exactitude ; aucune donnée n’a donc pu être recueillie. Lors des essais disposant de données, le capteur Halogen (HSI) a obtenu une exactitude similaire ou supérieure à celle des instruments DPD. Les valeurs plus proches de 1,00 indiquent une meilleure exactitude.
Tableau 1 : comparaison de la précision — Trois instruments évalués par ACT
| Échantillon | Méthode de référence | DPD2 | DPD1 | HSI (Halogen) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3.55 | 2.3 | 3.02 | 3.45 |
| 2 | 3.56 | 2.41 | 3.1 | 3.45 |
| 3 | 3.48 | 2.39 | 3.01 | 3.4 |
| 4 | 3.53 | 2.39 | 3.01 | 3.34 |
| 5 | 3.49 | 2.29 | 3.05 | 3.34 |
| 6 | 3.5 | 2.3 | 2.93 | 3.35 |
| 7 | 3.47 | 2.31 | 2.92 | 3.33 |
| 8 | 3.41 | 2.33 | 2.91 | 3.28 |
| 9 | 3.38 | 2.32 | 2.85 | 3.27 |
| 10 | 3.45 | 2.3 | 2.83 | 3.24 |
| 11 | 3.33 | 2.32 | 2.79 | 3.22 |
| 12 | 3.27 | 2.27 | 2.68 | 3.2 |
| Moyenne | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| Écart-type | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| CV (%) | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| Exactitude relative en % | — | -32% | 15% | 4% |
Source : rapports d’évaluation de l’Alliance for Coastal Technologies (ACT). Rapports complets disponibles sur act-us.info
Tableau 2 : pentes de régression linéaire rapportées par ACT
Résultats des essais d’exactitude à différents niveaux de salinité. Les valeurs plus proches de 1,00 indiquent une meilleure exactitude.
| Salinité PSU | HSI (Halogen) | DPD1 | DPD2 |
|---|---|---|---|
| 0.2 | 0.809 | 0.829 | 1.072 |
| 0.2 | 0.962 | 0.879 | 0.728 |
| 0.2 | 0.814 | 0.924 | 0.777 |
| 15 | 0.779 | — | 0.762 |
| 15 | 0.825 | 0.783 | 0.458 |
| 15 | 0.793 | 0.859 | 0.635 |
| 30 | 0.756 | — | 0.746 |
| 30 | 0.818 | 0.747 | 0.456 |
| 30 | 0.717 | 0.787 | 0.603 |
| 15 | Non testé | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
Source : rapports d’évaluation de l’Alliance for Coastal Technologies (ACT). Rapports complets disponibles sur act-us.info
4. Réponse rapide grâce à l’installation directe dans la canalisation
Ce capteur s’installe directement dans la conduite de ballast pour mesurer rapidement le TRO, en moins d’une minute. Les instruments DPD alimentés par de longues lignes d’échantillonnage introduisent un risque de contamination et un délai, souvent de 3 à 8 minutes sur certains navires, avant l’actualisation reçue par le BWMS. Une boucle de procédé retardée perturbe souvent la précision de commande, provoquant des oscillations entre surchloration et sous-chloration. Les longues lignes sont aussi souvent responsables de contamination de l’échantillon.
5. Fonctionnement robuste dans les ports boueux
Les systèmes BWMS sont évalués avec une charge d’essai de 50 ppm de matières en suspension totales (TSS)[EPA, 2010]. Cependant, certains ports présentent des concentrations beaucoup plus élevées, et l’eau peut même sembler « boueuse ». Pour démontrer la robustesse de ce capteur, il a été évalué à 40 fois le niveau de TSS requis (2 000 ppm)[HSI ISO15839, 2020].
Méthode DPD affectée par la turbidité — Capteur ampérométrique non affecté
De fortes teneurs en matières en suspension (MES) ont affecté la méthode DPD (spectrophotomètre), donnant des mesures plus faibles. Pour obtenir des résultats DPD exacts, l’échantillon nécessitait : (1) une réaction avec le réactif, (2) une filtration à 5 microns pour retirer les MES, puis (3) la mesure. Les résultats DPD filtrés et non filtrés divergeaient dès 200 ppm de MES, indiquant que l’eau sale interfère avec les spectres de la méthode DPD.
À de faibles niveaux de TRO au rejet — comme la concentration maximale admissible au rejet (MADC) critique de 0,1 ppm — la diminution de l’exactitude du DPD est encore plus importante. Le capteur ampérométrique n’est pas affecté par ces niveaux de turbidité.
6. Les changements de débit n’ont aucun effet sur l’exactitude des mesures
Les autres capteurs ampérométriques sont extrêmement sensibles aux variations de débit. Le capteur de Halogen a démontré son indépendance vis-à-vis du débit. Pendant cet essai, la vitesse d’écoulement a varié de 0 à 1.93 m/s, puis à 3.73 m/s. La précision du capteur a été vérifiée à l’aide d’un spectrophotomètre de laboratoire (Hach DPD) pour la mesure du chlore total[HSI 06, 2020].
Tableau 3 : essai de débit — Hach DPD comparé au capteur Halogen
| Débit | Hach DPD (ppm) | Capteur Halogen (ppm) | Exactitude |
|---|---|---|---|
| 0 GPM | 8.98 | 8.96 | 0% |
| 0 GPM | 8.83 | 9.05 | 2% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.49 | 9.06 | -4% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.48 | 9.04 | -5% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.02 | 8.94 | -1% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.64 | 8.99 | 4% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 9.06 | 8.89 | -2% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.87 | 8.92 | 1% |
| 0 GPM | 9.26 | 8.92 | -4% |
| 0 GPM | 9.23 | 8.82 | -4% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 8.9 | 8.77 | -1% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.29 | 8.91 | -4% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.04 | 8.77 | -3% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.9 | 8.8 | -1% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 9.02 | 8.91 | -1% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.78 | 8.84 | 1% |
| 0 GPM | 8.61 | 8.78 | 2% |
| 0 GPM | 9.05 | 8.75 | -3% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 8.77 | 8.7 | -1% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 8.82 | 8.63 | -2% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.14 | 8.61 | -6% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.96 | 8.67 | -3% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.71 | 8.71 | 0% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 9.07 | 8.55 | -6% |
| 0 GPM | 8.8 | 8.63 | -2% |
| 0 GPM | 8.77 | 8.48 | -3% |
Ces données montrent clairement que les conditions d’écoulement ont un effet négligeable sur l’exactitude du capteur entre 0 et 3,73 m/s.
7. Faible coût opérationnel
Aucun réactif chimique ni aucune membrane n’est nécessaire, ce qui réduit les coûts d’exploitation et de main-d’œuvre de maintenance pour l’équipage. Seul le remplacement du kit de pièces d’usure tous les deux ans est nécessaire. Selon KRS, les instruments DPD nécessitent aussi des opérations de maintenance supplémentaires[KRS].
Tableau 4 : comparaison des coûts — DPI ampérométrique et DPD
| Service | DPI ampérométrique | DPD |
|---|---|---|
| Réactifs | Aucun | Tous les 30 à 60 jours de fonctionnement |
| Pièces d’usure | 24 mois | N/A |
| Coût annuel | 120 $ USD | ~600 USD |
| Annuel | N/A | Révision de pompe (corrosion chimique / eau de mer) |
| Mensuel | N/A | Vérifier et nettoyer la crépine en T |
| Trimestriel | N/A | Vérifier et nettoyer la valve et le tube de la pompe |
| Semestriel | N/A | Nettoyage de l’électrovanne à deux voies |
8. Long intervalle entre les cycles de maintenance
Selon la méthodologie ISO 15839 pour un « essai sur le terrain », les capteurs Halogen ont fonctionné 24 heures sur 24, pendant un total de 33 cycles sur 80 jours, sans nécessiter aucune maintenance ni aucun étalonnage. Cela correspond à 66 semaines ou 1.2 année de fonctionnement à bord et à plus de 792 heures de fonctionnement effectif du capteur[HSI 04, 2020].
Tableau 5 : hypothèses de l’essai de terrain — Période d’entretien habituelle d’un BWMS
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Voyage habituel | 14 jours |
| Durée de ballastage par voyage | 10 heures |
| Durée de ballastage par mois | 21,4 heures |
| Intervalle de vérification de l'étalonnage | 60 jours |
| Fonctionnement du capteur sur 60 jours | 42,9 heures |
Au cours d'un voyage typique de deux semaines, un cycle de ballast/déballast se produit au cours duquel les capteurs fonctionnent pendant environ 8 heures et restent éteints pour le reste du voyage. Le capteur aurait été recalibré s'il s'écartait à tout moment de la lecture DPD de 15 % ou plus. Aucun recalibrage n’a été nécessaire pendant toute la période de test.
9. Coût d'installation
Les coûts d’installation du capteur Halogen sont bien inférieurs à ceux des instruments DPD, puisqu’il n’y a ni lignes d’échantillonnage, ni conduites de rejet, ni vannes télécommandées, ni conditionnement d’échantillon, ni pompes. Les économies estimées dépassent 2 200 $ par instrument.
Tableau 6 : comparaison des coûts d’installation
| Article | Instrument DPD | Capteur ampérométrique |
|---|---|---|
| Pompe | $909 | $0 |
| Vannes | $1,763 | $0 |
| Pose des conduites d’eau (à bord) | (inclus) | $0 |
| Montage sur skid | (inclus) | $0 |
| Conditionnement et filtration des échantillons | (inclus) | $0 |
| Vanne d’insertion sous pression et extracteur | N/A | $450 |
| Coût total d’installation supplémentaire | 2 672 $ estimés | 450 $ estimés |
* Données des clients
10. Facilité d’entretien
La vanne Halogen Hot Tap facilite le montage du capteur dans une conduite de ballast et peut recevoir un outil de retrait pour fixation permanente ou entretien ponctuel. Le processus comprend quatre étapes : (1) fermer la vanne, (2) rétracter le capteur via le point de retrait, (3) faire glisser le capteur hors de la plaque d’extraction, (4) détacher les colliers de selle de la boîte de jonction pour un remplacement rapide.
11. Modèles pour zones dangereuses et non dangereuses
Quatre modèles de capteurs sont disponibles. Des versions pour zones dangereuses (Zone 1, Groupe IIC) et non dangereuses sont proposées avec trois montages : en conduite par insertion sous pression, en dérivation et sur pont ouvert.
En conduite (insertion sous pression)
Installation directement dans la conduite de ballast par une vanne de piquage en charge. Encombrement minimal, réponse la plus rapide.
Dérivation
Aucune régulation de pression ou de débit nécessaire. Peut utiliser la différence de pression pour faire circuler l’eau dans la chambre.
Pont ouvert
Tous les modèles peuvent être installés sur un pont découvert pour les navires où l'installation sous le pont n'est pas pratique.
La taille réduite du capteur et son retrait rapide permettent d’en conserver un de rechange à bord, limitant les arrêts potentiels. Le capteur se sépare facilement de la boîte de jonction pour un remplacement ou un entretien rapide.
12. Autonettoyant
Le capteur est couvert par sept brevets américains et cinq brevets étrangers. La pompe intégrée augmente la vitesse sur les surfaces des électrodes et accroît le signal, améliorant ainsi le rapport signal/bruit (S:N). Cette fonction permet aussi le nettoyage permanent des électrodes.
Les billes de nettoyage sont retenues dans une cavité à l’intérieur du capteur ; le flux les déplace pour abraser les électrodes. Cette pompe est entraînée par un moteur d’une durée de vie de 20 000 heures. Outre le TRO, le capteur mesure la salinité, la température, l’ORP et le pH. Trois de ces paramètres servent à compenser les variations du signal en eau douce et saumâtre.
13. Capteur de salinité intégré
Tous les capteurs sont livrés avec un capteur de salinité intégré. Cela peut réduire le besoin d’un autre instrument (économies de plus de 3 000 $). Cette fonction permet la compensation du capteur dans les ports d’eau douce.
14. Conclusion
« Les capteurs ampérométriques ne sont pas courants dans les BWMS, mais présentent certains avantages potentiels par rapport aux autres instruments. Sans réactifs, leur application aux BWMS permettrait l’immersion directe du capteur dans une entrée d’échantillonnage, supprimant les pompes de prélèvement et réactifs associés aux analyseurs DPD en ligne. »
— Tamburri et al., Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
Conçu spécialement pour les applications de type BWMS, le capteur ampérométrique de Halogen associe de manière unique des technologies qui répondent de façon économique aux applications d’eaux de ballast, en éliminant certains problèmes potentiels de conformité.
Références
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