La station de Pierre-Bénite
La majorité des communes implantées sur la rive droite de la Saône sont raccordées à un collecteur implanté sur le quai, lequel reçoit à la hauteur du confluent du Rhône et de la Saône, les eaux de la presqu’île située entre les deux cours d’eau. Celles-ci sont drainées par une branche du collecteur qui passe en siphon sous la Saône. Enfin, ce collecteur aboutit depuis 1972 à la station de Pierre-Bénite. La population raccordée à celle-ci est actuellement de 475 000 équivalents-habitants, avec possibilité d’extension à 650 000.
Le fonctionnement de cette station repose sur le schéma de principe suivant :
- * relèvement,
- * prétraitement,
- * traitement biologique,
- * décantation,
- * épaississement,
- * centrifugation,
- * incinération.
[Photo : Débitmètre électromagnétique M 950 Krohne sur ligne de boue, 23 à 28 % de siccité. Appareil installé sur conduite montante afin d’améliorer la stabilité de la mesure.]
La nécessité d’optimiser le rendement des installations a conduit les exploitants à s’équiper de systèmes de mesure permettant la réalisation de bilans. Ces opérations ont été rendues possibles et fiables grâce à l’utilisation d’instruments de mesure capables d’opérer sur les liquides présentant des charges pouvant atteindre 28 % de siccité.
La technologie la plus communément choisie est la débitmétrie électromagnétique : en effet, contrairement aux autres principes de mesure de débit tels que turbines, organes déprimogènes et autres compteurs volumétriques, le débitmètre électromagnétique ne présente aucun obstacle à l’écoulement du liquide ; il n’y a donc pas de possibilité d’obstruction de la canalisation si l’appareil de mesure a été convenablement choisi, en fonction des vitesses d’écoulement et du diamètre des éventuels matériaux solides pouvant se trouver dans le liquide mesuré.
C’est la solution qui a été adoptée à la station d’épuration de Pierre-Bénite, où des comptages sont ainsi effectués aux postes suivants :
- * soutirage des décanteurs,
- * soutirage des épaississeurs,
- * ajouts de polymères,
- * boues déshydratées en provenance des petites stations,
- * alimentation des centrifugeuses.
La débitmétrie électromagnétique
Déjà en 1832 Faraday essayait de procéder à des mesures du débit de la Tamise en utilisant le champ magnétique terrestre. C’est en 1953 que la société Tobi (Hollande), devenue plus tard Altometer, a mis sur le marché le premier débitmètre électromagnétique à usage industriel. Depuis, de nombreuses améliorations ont été apportées à cette technique, ce qui lui a permis de prendre une place de tout premier ordre dans la plupart des secteurs industriels qui doivent gérer des liquides.
Le principe de la mesure
Il repose sur la loi d'induction de Faraday, selon laquelle une tension est induite lorsqu’un conducteur électrique traverse un champ magnétique. Dans le cas de la débitmétrie électromagnétique, la tension induite est directement proportionnelle à la vitesse d’écoulement. Cette tension est captée par deux électrodes en contact avec le liquide, et transmise à un convertisseur de mesure qui délivre en sortie un signal en courant stabilisé (figure 1).
Cette technique présente les avantages suivants :
- • absence de pertes de charge dues à des étranglements ou à des obstacles dans le capteur de mesure ;
- • le signal provenant de l'ensemble du volume couvert par le champ magnétique est représentatif de la totalité de la section de la conduite ;
- • seuls le revêtement intérieur du tube de mesure et les électrodes sont en contact avec le liquide mesuré ;
- • le signal primaire est déjà une tension électrique directement proportionnelle à la vitesse d’écoulement.
Applications sur les liquides chargés
Les mesures de débit sur des liquides chargés se rencontrent dans des activités très diverses telles que, par exemple, le dragage des voies navigables, les services de l'industrie pétrolière, ou du traitement des eaux. La difficulté des mesures, qui peut varier d’un secteur industriel à un autre, est essentiellement liée à la nature des particules en suspension qui se définissent par les caractéristiques ci-après :
- • granulométrie,
- • masse volumique du liquide porteur (sédimentation),
- • caractéristiques ferro-magnétiques (modification du champ magnétique de l'appareil de mesure),
- • dureté et géométrie (abrasion et collision sur les électrodes),
- • caractéristiques électriques (conductivité),
- • caractéristiques chimiques et électrochimiques (dépôt),
- • concentration dans le liquide.
Dans le cas des effluents traités dans les stations d’épuration, les particules sont essentiellement constituées par des matières organiques, lesquelles présentent une faible granulométrie et une masse volumique qui permet aisément leur maintien en suspension sous le seul effet de l'écoulement de l'effluent, dont la concentration peut s’étendre de 2 à 3 p. 1000 à 28 % de matières sèches. Malgré ces valeurs élevées, la mesure des débits de ces liquides par induction magnétique n’a pas posé de problèmes majeurs.
Sur la douzaine de débitmètres électromagnétiques installés à la station d’épuration de Pierre-Bénite, les premiers ont été mis en place il y a une vingtaine d’années, et les derniers il y a à peine un an. On y trouve donc des appareils qui marquent les évolutions successives de cette technique de mesure. En effet, si les premiers appareils fonctionnaient en utilisant, comme source d’excitation des bobines, un courant alternatif à la fréquence du secteur (MID 51/ TIV 50 Krohne), les appareils installés aujourd’hui utilisent la technique du champ continu commuté (M950/SC 100 Krohne).
Les convertisseurs, à l’origine entièrement analogiques, sont désormais équipés de microprocesseurs, offrant ainsi plus de possibilités et de facilité pour la programmation, ainsi qu'un traitement du signal plus évolué, avec des constantes de temps réglables de 0,2 à 3600 secondes. Cette dernière caractéristique est particulièrement intéressante pour les mesures de débit sur liquides chargés.
Les particules en suspension sont génératrices de phénomènes tels que collisions avec les électrodes, conductivité non homogène, qui se traduisent par un niveau de bruit sur le signal fourni par le convertisseur. La constante de temps permet d’intégrer le signal pendant une durée déterminée de façon à améliorer le rapport signal sur bruit. Cette constante pénalise le temps de réponse du système de mesure, mais ne constitue pas un inconvénient pour le fonctionnement d’une station d’épuration ; toutefois, son réglage est toujours le résultat d'un compromis entre le rapport signal sur bruit et le temps de réponse du système.
Contraintes d’installation
Pour réaliser une mesure de débit aussi fiable que possible il est nécessaire d’installer le débitmètre électromagnétique en ménageant une longueur de canalisation droite égale à 5 fois le diamètre nominal (DN) du capteur en amont, et 3 DN en aval. Dans le cas de liquides hautement chargés, il est recommandé d’installer le capteur soit sur canalisation verticale, soit en pente ascendante, de façon à éviter d’éventuels problèmes de sédimentation qui pourraient survenir. Ces longueurs sont largement inférieures à celles nécessaires pour une turbine ou pour une plaque à orifice.
Maintenance
Le passage libre dans le tube de mesure ne demande pas de maintenance particulière, les revêtements utilisés (PTFE, PFA, céramique), ne présentant pas de tendance à fixer les dépôts. La maintenance nécessaire sur un débitmètre électromagnétique est donc pratiquement nulle.
Par sécurité, on peut procéder toutefois à des vérifications de bon fonctionnement sur le site. Des contrôles électriques sont effectués sur le capteur, et le convertisseur est testé avec un simulateur qui reproduit les signaux en provenance des électrodes.
Le point de vue des utilisateurs
La débitmétrie électromagnétique a permis de répondre efficacement à un réel besoin de mesures nécessaires à la réalisation de bilans de fonctionnement de la station d’épuration. Le dernier poste équipé est une trémie d’alimentation du four qui reçoit les boues déshydratées (23 à 28 % de siccité) en provenance des petites stations de la région qui ne sont pas équipées d’un incinérateur. Le comptage de ces boues était jusqu’alors réalisé par la totalisation des bennes de 5 m³ qui en assurent le transport. L’installation d’un débitmètre électromagnétique sur cette conduite a amélioré considérablement la précision du comptage, ce qui a permis d’optimiser le fonctionnement du four.
Des tests de fiabilité de la mesure de débit ont été réalisés par les exploitants, qui se sont déclarés très satisfaits des résultats obtenus.
De plus, toutes les informations fournies par les convertisseurs de mesure sont ramenées en salle de contrôle, ce qui permet d’assurer efficacité, fiabilité et sécurité d’exploitation.
