La volonté de contrôler les rejets et les dernières directives européennes sur la protection de l'environnement ont créé une demande croissante pour la mesure de débits dans les conduites et les émissaires partiellement remplis. Ces débits peuvent varier énormément en fonction des saisons mais aussi sur des périodes plus courtes comme une semaine, voire une journée.
Pour des raisons économiques, les réseaux d’égouts sont surtout conçus pour véhiculer les effluents par écoulement gravitaire. Le choix et la mise en place d’un système de mesure de débit sur un émissaire existant n’est pas chose facile. Ceci est d’autant plus complexe que la conduite est enterrée.
Peu de technologies sont adaptées à l’environnement de la mesure en permanence dans les conduites partiellement remplies. En effet, la présence variable de particules solides et de filasse, dont les dimensions varient entre le micron et le mètre, limite l'utilisation de dispositifs à pièces mobiles (moulinet, turbines...) aux mesures ponctuelles. La technologie des ultrasons et, plus récemment la technologie électromagnétique, sont beaucoup plus adaptées car les capteurs de vitesse immergés sont statiques.
La technologie électromagnétique, plus ancienne que celle à ultrasons, est déjà utilisée dans 80 % des cas de mesure de débit en conduite pleine dans le traitement de l’eau.
Les technologies adaptées
La mesure de débit dans les conduites partiellement remplies est fondée sur la mesure de la section et de la vitesse moyenne du liquide. La section est mesurée indirectement par un capteur (ultrasons, pression hydrostatique...) de la hauteur du liquide.
La mesure de la hauteur
Les capteurs à ultrasons sont installés au-dessus du liquide. Ils ne sont pas en contact avec l’effluent, les effets d’encrassement sont par conséquent éliminés. Cependant, ils redoutent la présence de grandes épaisseurs de mousse en surface. Ce risque diminue peu à peu car les industriels sont contraints de prétraiter leurs effluents avant de les rejeter à l’égout.
Les capteurs de pression hydrostatique doivent être implantés dans une chambre de mesure spécialement aménagée afin d’éviter la mesure de pression dynamique due à l’écoulement. Étant immergés, ces
capteurs risquent de s’encrasser. De ce fait, des dommages lors du nettoyage de la membrane peuvent être occasionnés. Avec le progrès des capteurs à membrane céramique affleurante, ce risque est quasiment éliminé.
[Photo : Mesure de hauteur (ultrason ou pression hydrostatique).]
La mesure de vitesse
La technologie de l’ultrason est basée soit sur l’effet Doppler soit sur la mesure du temps de transit.
[Photo : Ultrason à effet Doppler.]
La présence de particules solides est essentielle pour ce type de mesure. Fonctionnant sur le principe du cinémomètre au bord de l’autoroute, le capteur mesure la vitesse des objets ou des particules qui passent devant lui. Le faisceau ultrasonore est réfléchi par les particules entraînées par le liquide. S’il n’y a pas de particules, ou éventuellement de bulles, il n’y aura pas de mesure de vitesse. S’il y a beaucoup de particules, la mesure de vitesse sera effectuée uniquement devant le capteur, car les particules proches empêcheront le faisceau ultrasonore d’atteindre les particules situées plus loin dans la veine liquide. La précision de cette mesure est difficilement estimable car la mesure de la vitesse sur toute la section de la veine du fluide n’est pas effectuée. La vitesse moyenne ne peut être calculée que théoriquement.
En effet, au fur et à mesure que la conduite monte en charge, la position théorique de la vitesse moyenne dans la veine liquide se met de plus en plus en dehors de portée du capteur de vitesse. De petites dimensions, ce capteur présente l’avantage d’être facilement fixé sur le fond de l’émissaire.
[Photo : Ultrason à temps de transit.]
La mesure de vitesse moyenne de la veine liquide est effectuée par un faisceau ultrasonore qui passe entre l’émetteur et le récepteur, placés en opposition sur les côtés de la conduite. L’axe du faisceau étant généralement à 45° par rapport à l’axe de la conduite, la vitesse d’écoulement contribuera à la propagation d’une impulsion sonore dans le sens amont-aval et ralentira sa progression dans le sens aval-amont. Ce principe est comparable à une barque qui traverse une rivière : la facilité de la traversée est fonction de la vitesse du courant par rapport à la direction (aval/amont ou amont/aval).
[Photo : Ultrason à temps de transit (2 cordes).]
Ce principe présente l’avantage de mesurer la vitesse moyenne d’écoulement entre deux capteurs, sur toute la largeur d’une tranche étroite dans le plan horizontal de la veine liquide. Ceci est suffisant pour calculer la vitesse moyenne sur une veine liquide symétrique et stable.
Par contre, si la veine liquide a une forme irrégulière et variable, plusieurs jeux de capteurs peuvent être installés et ainsi effectuer la mesure sur plusieurs cordes dans l’axe vertical de la conduite.
Ainsi, la précision de la mesure est meilleure que celle d’un système Doppler mais la présence de particules et de bulles diminue les chances de réception des impulsions émises.
Ce principe convient à la mesure de débit des eaux brutes mais en cas de présence de fines bulles, provoquées par exemple par la cavitation d’une pompe, il ne pourra être considéré.
La mesure électromagnétique
Cette technologie est une des premières exploitées pour la mesure de débit en conduite fermée et bénéficie d’une bien plus grande expérience que les technologies basées sur l’ultrason. Elle est basée sur l’induction d’une tension entre deux électrodes, en fonction de la vitesse, quand un liquide conducteur traverse un champ électromagnétique.
Ce système de mesure a l’avantage de fonctionner avec n’importe quel liquide conducteur, d’être insensible aux bulles d’air et aux particules véhiculées par le liquide et il présente une meilleure résistance à l’encrassement.
Le système électromagnétique de mesure de débit en canal et en égout s’adapte sur des conduites et des canaux d’une largeur de 200 mm et plus. L’installation du capteur (un ensemble de plaque de bobines et de deux électrodes) peut être effectuée à l’intérieur d’une conduite existante.
La mesure de vitesse se fait sur une large zone au-dessus du capteur, ce qui assure une meilleure appréciation de la vitesse moyenne du fluide par rapport à d’autres technologies où la mesure est effectuée sur une partie étroite de la veine liquide.
Ni perte de charge ni restriction à l’écoulement ne sont à déplorer. Ils n’ont aucune pièce mobile exposée à la filasse et à l’encrassement.
Des études réalisées par le WRC (Water Research Center, organisme britannique…)
[Photo : Débitmètre à principe électromagnétique. Installation type]
[Photo : Mesure de vitesse par le principe électromagnétique]
(de recherche) indiquent qu'une précision d’au moins +/- 5 % peut être atteinte. Cette précision est autant, sinon meilleure, que celle offerte par la plupart des canaux venturis et déversoirs actuellement en place.
En effet, les normes françaises (X10-310, 311, 312 etc.) exigent une précision variant entre 2 % et 5 % pour des installations parfaitement conformes. Malheureusement, il n’est pas toujours possible de respecter tous les critères de qualité de pose et de propreté avec le résultat d'une précision moindre par rapport à celle mentionnée dans les normes.
Le coût à l’achat d’un système électromagnétique est supérieur à celui des systèmes à ultrasons, mais les frais d’installation et de maintenance sont incontestablement inférieurs. L'installation est réalisée sans coffrage ni pose de canal préfabriqué. Il est monté directement sur des ouvrages existants.
Le système électromagnétique offre une solution fiable et avantageuse à long terme pour la mesure de débit des émissaires existants. Il indique en complément la vitesse d’écoulement et le niveau.
Pollutec : Hall 1 - Stand C 77
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