Ces derniers mois, on a pu assister à l'introduction de plusieurs viscosimètres, à l'instar des viscosimètres en ligne 7827 et 7829 de l'américain Emerson Process Management, du modèle à bride CVI 393 qui vient compléter la gamme de capteurs de viscosité de son compatriote PAC, du viscosimètre at-line Sofast BV du français Sofraser, etc. Et, si l'on remonte encore dans le temps, de nouveaux acteurs ont par ailleurs fait leur apparition ces dernières années sur ce marché, comme le français Avenisense ou encore l'autrichien Anton Paar qui était jusque-là l'un des grands spécialistes de la viscosité en laboratoire. On parle bien ici d'appareils de mesure en ligne et en continu de la viscosité, au cœur même des procédés industriels ou dans des réacteurs, et non pas de viscosimètres de laboratoire qui requièrent une opération de prélèvement sur site.

Ces quelques exemples ne sont qu'un petit aperçu de la tendance de fond que connaît le marché de la mesure de viscosité en ligne ces dernières années, à savoir une demande croissante de la part des industriels pour le recours au contrôle de ce paramètre. Cela peut paraître étrange car la viscosité n'est pas l'une des premières grandeurs physiques que tout un chacun citerait spontanément parmi les principales mesures en ligne dans les procédés industriels. On pense plutôt à la température, à la pression, au débit. Et pourtant la viscosité prend une place de plus en plus importante dans les process, et ce dans un très large éventail d'applications et d'industries.Avant de voir les raisons qui peuvent expliquer cette évolution, arrêtons-nous un instant sur la définition de la viscosité et la différence entre cette grandeur physique et la rhéologie.

« S'il existe une similitude entre un viscosimètre et un rhéomètre en ligne,il n'y a par contre rien à voir entre un viscosimètre et un densimètre », précise d'emblée Franck Cussemane, gérant de ProanaTec qui représente en France le fabricant britannique Hydramotion. La densité, ou densité relative d'un corps, est le rapport de sa masse volumique, exprimée en kilogramme/mètre cube (kg/m ³ ), à la masse volumique d'un corps pris comme référence. « On parle d'ailleurs de densimètres, alors qu'il s'agit de mesureurs de masse volumique, d'où un abus de langage lié au terme anglais de volumetric mass density », indique Loïc Mouillet, chef produits Process chez Anton Paar France. Pour Davy Renard, responsable Produits VAF Instruments France, fabricant hollandais représenté aussi en France par Instruments & Controls, « certaines méthodes utilisées pour la mesure de densité et de viscosité sont très similaires,d'où la possibilité de réaliser les deux types de mesure en même temps dans des appareils.»

Sans atteindre le déploiement des capteurs ainsi que des transmetteurs de température, de pression et de débit, les viscosimètres en ligne sont de plus en plus souvent mis en œuvre dans les procédés industriels. On les retrouve aussi bien en pétrochimie et chimie qu'en agroalimentaire, cosmétiques, imprimerie, etc.

Ne pas confondre viscosité et rhéologie…

« La viscosité est la mesure de l'aptitude d'un produit à s'écouler sous l'influence d'une contrainte (la gravité ou une pression). La rhéologie, quant à elle, est la mesure de la viscosité à différents taux de cisaillement », explique Philippe Burg, responsable commercial de Sofraser. Il s'agit donc de l'étude du comportement d'un produit, au travers de profils rhéologiques (gradients du taux de cisaillement en fonction de la température). « On ne rencontre pas de rhéomètres en ligne, ce sont uniquement des appareils de laboratoire, de par le principe de mesure. En process, un viscosimètre en ligne fonctionne alors à un taux de cisaillement donné (100 s ^-1 par exemple) », ajoute Loïc Mouillet (Anton Paar France). Pour Julian Sanchez-Ballesteros, responsable du développement commercial - Applications industrielles, « la viscosité s'adresse à des fluides newtoniens et la rhéologie aux produits élastiques. Par exemple,l'eau n'est pas du tout élastique,tandis que de nombreux produits alimentaires, polymères et additifs synthétiques présentent un comportement différent en fonction de la contrainte subie.»

On distingue ensuite la viscosité dynamique de la viscosité cinématique. La première, exprimée en pascal.seconde (Pa.s),est définie de la manière suivante: le mouvement rectiligne et uniforme, dans son plan, d'une surface plane, solide et indéfinie, donne lieu à une force retardatrice de 1N/m ² de la surface en contact avec le fluide homogène et isotherme en écoulement relatif devenu permanent. Et ce, lorsque le gradient de la vitesse du fluide, à la surface du solide et par mètre d'écartement normal à ladite surface, est de 1m/s. On rencontre également la poise (P ou Po) comme unité de mesure de la viscosité dynamique dans l'ancien système CGS: la poise vaut 1g/cm/s, soit 0,1Pa.s, ou encore 1cP (centipoise) égale 1mPa.s. La viscosité cinématique, exprimée en mètre carré par seconde (m ² /s), correspond à la valeur pour un fluide dont la viscosité dynamique est 1Pa.s et la masse volumique 1kg/m ³ . Dans le système CGS,la viscosité cinématique est exprimée en stockes (St) ou en centistockes (cSt), sachant que 1St vaut 10 ^-4 m ² /s. Comme d'aucuns le savent, la mesure de viscosité est mise en œuvre depuis quelques décennies déjà en laboratoire au travers de techniques comme les méthodes capillaire, vibrante, rotationnelle et bien d'autres encore –il n'y a qu'à regarder la pageWikipedia correspondant au terme viscometer . Mais, en ce qui concerne les viscosimètres en ligne, c'est une tout autre affaire. « En laboratoire, les deux grands principes de mesure que l'on rencontre le plus souvent sont les viscosimètres rotatifs, ou de type Brookfield [la méthode de référence, NDLR] , et capillaires. Si, depuis très longtemps, il existe leurs équivalents pour les applications de process, ces derniers affichent néanmoins quelques faiblesses », rappelle Philippe Burg (Sofraser).On peut citer la présence de pièces en mouvement, ce qui se traduit par une usure et une dérive dans le temps et, donc, par une maintenance plus importante, ainsi que par des coûts supplémentaires afin d'éviter les risques accrus de colmatage du tube et d'usure.

A l'instar de la technologie propriétaire basée sur une mesure de déplacement d'Anton Paar, chaque fabricant a développé une méthode de mesure ou une version de méthode de mesure propre pour la viscosité en ligne (élément vibrant, effet Coriolis entre autres). C'est d'ailleurs l'une des originalités de ce marché…

Les premiers viscosimètres en ligne venaient du laboratoire

Ce sont d'ailleurs ces inconvénients qui ont pu participer à la mauvaise image que les industriels avaient (ont encore) de ces premiers viscosimètres en ligne, des versions plus ou moins réussies d'appareils de laboratoire. Sofraser, qui est également distribué par Anael, a toutefois été, dès le début des années 1980, un précurseur en développant un viscosimètre en ligne à tige vibrante fonctionnant en permanence à la fréquence de résonance. Il faudra attendre la fin des années 1990 et le début des années 2000 pour voir réapparaître sur le marché de nouveaux acteurs proposant des viscosimètres en ligne dignes de ce nom,et quelques années encore pour qu'il existe une offre intéressante.

En juillet 2005, le groupe américain Emerson rachetait au britannique The Roxboro Group la société Solartron Mobrey spécialisée en instrumentation de process (transmetteurs de niveau, de densité et de viscosité, débitmètres) et qui sera intégrée au sein d'Emerson Process Management. C'est en 2010 que la sociétéAvenisense a été créée au Bourget-du-Lac (Savoie) et qui s'est spécialisée dans les capteurs embarqués pour l'analyse des fluides industriels (capteur Devil combinant un viscosimètre et un densimètre, densimètre pour gaz Northdome, etc.). La même année, l'un des principaux fabricants mondiaux de viscosimètres de laboratoire Anton Paar se lançait sur le marché des procédés en lançant le L-Vis 510 ( voir Mesures n° 829 )… « Depuis quatre, cinq ans – depuis l'introduction du L-Vis 510 –,la demande en viscosimètres en ligne augmente d'une manière continue, de l'ordre de 15 à 20 %. A l'avenir, la demande va continuer à exploser car les industriels trouvent plus intéressant de connaître la viscosité que d'autres paramètres », affirme Loïc Mouillet (Anton Paar France).

L'une des principales raisons de la demande croissante pour une mesure de viscosité en ligne réside dans la nécessité des industriels de toujours mieux réguler leurs procédés continus. D'autant plus qu'ils produisent aujourd'hui en flux tendu afin de rester compétitifs et que les opérateurs peuvent également mettre en place une maintenance préventive.

Ce que confirme Christian Knecht, responsable marketing pour l'industrie agroalimentaire chez Endress+Hauser France: « Même s'il est relativement récent, le marché de la viscosité en ligne a une plus grande croissance que celle de l'instrumentation de process. Endress+Hauser est arrivé sur le marché de la viscosité il y a neuf ans et nous voyons nous aussi, depuis trois, quatre ans, un nombre plus important de demandes et des demandes bien plus régulières.» Franck Cussemane (ProanaTec) est néanmoins plus circonspect: « Le marché français est plutôt stable de par notamment l'absence de législations sévères qui pousseraient les industriels à se tourner vers des mesures en ligne. Il y aurait bien les installations intégrant des brûleurs de fioul, éventuellement.»

Être en mesure de réguler un process continu

Selon le cabinet d'analyses américain Transparency Market Research, le marché mondial des viscosimètres en ligne passerait de 91,2 millions de dollars en 2010 à 144,6 millions de dollars en 2018, soit un taux de croissance annuel moyen ( Compound Annual Growth Rate ou CAGR) de 6,3% entre 2013 et 2018. L'industrie du pétrole domine le secteur avec un taux de croissance annuel moyen de 6,3%, suivie par la chimie et la pharmaceutique, l'agroalimentaire affichant une croissance significative. Ces trois industries affichent un CAGR de 6,5 %. Toujours pour le cabinet d'analyses américain, la croissance s'explique, pour le pétrole, par l'extension du marché mondial des raffineries qui les utilisent pour réguler la viscosité des produits tels que les lubrifiants, les peintures, les revêtements…

Evidemment, la demande croissante de viscosimètres en ligne est à mettre en parallèle avec l'existence d'une offre d'appareils qui se structure et s'étoffe ( voir encadré page 34 ). «Après une phase de tests menés par les industriels – ils étaient en effet étonnés au début de pouvoir mesurer une viscosité avec un débitmètre à effet

Coriolis – et l'amélioration de notre débitmètre il y a trois ans, nous avons réussi à réduire significativement les limites comme la présence d'une certaine quantité d'air dans le fluide et les hautes viscosités », explique Chistian Knecht (Endress+Hauser France). « Si la tendance générale du marché est à la hausse sur les dix dernières années, l'une des raisons tient à la démocratisation de cette mesure grâce aux différents atouts des viscosimètres en ligne actuels », renchérit Philippe Burg (Sofraser). Il faut également aller chercher les raisons de la progression du marché du côté de la nécessité des industriels de toujours mieux réguler leurs procédés. «Tous les utilisateurs ont besoin de réguler leurs procédés,d'autant plus qu'ils produisent aujourd'hui en flux tendu afin de rester compétitifs, de ne pas perdre de parts de marché, ni de licences de grande distribution, etc.» , constate Loïc Mouillet (Anton Paar France). Si, auparavant, les mesures par prélèvement et réalisées en laboratoire s'accordaient aux contraintes des productions de type batch –il faut compter de l'ordre d'une à deux heures pour obtenir les résultats sur un prélèvement–, ce n'est plus le cas avec des procédés continus. « La mesure embarquée donne plus d'agilité à l'entreprise,lui permettant d'être plus réactive et plus sûre face aux dérives de process. Mais il est toujours difficile de faire changer les mentalités et la comparaison avec les mesures de laboratoire a la peau dure… », explique Julian Sanchez-Ballesteros (Avenisense). Loïc Mouillet (Anton Paar) voit encore une autre raison: il s'agit d'éviter les risques d'erreurs humaines, en s'assurant que le fluide en jeu est suffisamment visqueux pour que l'opérateur puisse régler les pompes.

Pour Jean Yvert, responsable de la ligne de produits Débitmétrie, densité et viscosité chez Emerson Process Management France, « dans le cas de la production de fiouls lourds, les industriels pratiquent plus souvent des mesures par échantillonnage, donc en laboratoire. Par contre, la mesure en ligne de la viscosité est utilisée pour la régulation de combustion.» La qualité de l'injection de fioul dans un brûleur dépend en effet de sa viscosité cinématique. Si les utilisateurs connaissent la plupart du temps la viscosité du fioul et se servent alors de sa température pour la régulation, il y a des applications où cela n'est pas possible. «En cimenterie,par exemple, les industriels utilisent des résidus dont la viscosité peut changer avec la température», poursuit-il. Cela représente donc un nombre d'applications potentielles très important, sachant que viennent en plus se greffer des problématiques d'efficacité énergétique…

La viscosité sert aussi au contrôle des produits finis

Avec la viscosité, les industriels ont trouvé une autre grande application, qui n'est pas liée à la gestion et à l'optimisation de process proprement dites. Les viscosimètres en ligne sont de plus en plus utilisés dans le but de connaître la qualité des produits finis, ou semi-finis, eux-mêmes. « En agroalimentaire, par exemple,il faut contrôler la viscosité du fromage à pâte cuite ou de la confiture durant la cuisson,afin de contrôler leur qualité. Dans le domaine de la pharmaceutique et des cosmétiques, où la demande a plus progressé encore ces dernières années, la texture de produits comme les crèmes et les gels pour le corps et les cheveux est un paramètre très important. La viscosité est comme l'image de la qualité », indique Christian Knecht (Endress+Hauser France). Les utilisateurs voient ainsi tous les bénéfices apportés par une mesure en ligne de la viscosité et d'un pilotage beaucoup plus précis du process.

Avec la viscosité, les industriels ont trouvé une autre grande application, à savoir le contrôle de la qualité des produits finis, ou semi-finis. En agroalimentaire ou dans les cosmétiques, par exemple, il faut s'assurer de la bonne texture d'un fromage à pâte cuite ou d'une crème pour le corps.

Ces dernières années, s'il n'y a pas vraiment eu de grandes évolutions techniques en viscosité en ligne – plutôt des améliorations de l'électronique, de la qualité des mesures, des interfaces de communication –, certains fabricants cherchent à repousser les limites de leurs appareils en termes de viscosités plus élevées, de miniaturisation, de basses températures et de hautes pressions.

Le fait de s'assurer si un produit fini se trouve dans les spécifications définies par le cahier des charges est également un avantage significatif dans bien d'autres applications. «Vérifier que l'encre est dans une bonne plage de viscosité permet en effet d'éviter l'encrassement des têtes d'impression, si l'encre est épaisse, ou le risque que l'encre bave, si elle est trop liquide. C'est aussi le cas avec les peintures ou encore avec les huiles.Un certain nombre d'entreprises recherchent surtout des viscosimètres portables pour contrôler les huiles vieillissantes, dont les propriétés évoluent avec le temps.Et si un roulement casse à cause d'une huile défectueuse, c'est au moins dix fois le prix d'un viscosimètre qu'il faudra prendre en compte pour la réparation de l'équipement », poursuit Franck Cussemane (ProanaTec).

« Pour les peintures et les encres, les utilisateurs mesurent la viscosité manuellement en calculant le temps d'écoulement du fluide dans une coupe de viscosité. Cette technique, contraignante et peu précise, ne peut être remplacée qu'avec un système embarqué et facilement nettoyable. Notre capteur Devil réalise la conversion de la viscosité en coupes de viscosité, en temps réel », explique d'ailleurs Julian Sanchez-Ballesteros (Avenisense). Comme on l'évoquait en introduction, la mesure de viscosité en ligne se retrouve dans de nombreuses applications et industries. On vient de voir des exemples en agroalimentaire, en cosmétiques, en imprimerie, mais on pourrait encore citer la pétrochimie, l'alimentation des moteurs des porte-conteneurs fonctionnant avec des fiouls lourds, les revêtements, la chimie et en particulier le contrôle de réactions de polymérisation… «Au cours d'une réaction de polymérisation,le produit change de viscosité, d'où le besoin de suivi et également de sécurité : si la polymérisation se passe mal, il peut arriver que se crée une prise de masse et alors il faut parfois intervenir avec un marteau-piqueur pour nettoyer le réacteur », précise Franck Cussemane (ProanaTec).

« Historiquement, en France, les secteurs de la pétrochimie et de la chimie connaissent la mesure de viscosité en ligne depuis très longtemps. Les industriels de l'agroalimentaire et les imprimeries ont, eux, sauté le pas depuis plus récemment » , constate Philippe Burg (Sofraser). Il ajoute d'ailleurs que les prix sont un peu plus tendus, surtout sur les applications plus faciles où la concurrence est plus forte avec des fabricants spécifiques non spécialisés en viscosité. « Nous ne rencontrons pas plus de concurrents aujourd'hui pour les applications plus pointues, plus complexes », précise-t-il. Tous les acteurs confirment que le marché des viscosimètres en ligne est un marché de niche, avec une douzaine de fabricants dont le suisse BTG, les américains Brookfield, distribué par Equipements Scientifiques, Cambridge Viscosity et SenGenuity, le français Lamy Rheology, pour ceux qui n'avaient pas encore été cités. L'une des particularités de ce marché est que chaque fabricant propose une seule et « unique » technologie de mesure… « Même s'il s'agit d'une grandeur importante en termes de qualité de produit, en particulier les fiouls lourds, nous sommes encore confrontés à des clients qui ont un besoin, mais qui ne sont pas formés à la viscosité », conclut Jean Yvert (Emerson Process Management France).