La mesure de débit sur canal ouvert est très utilisée dans le domaine de l'eau. C?est une mesure indirecte régie par des normes qui évoluent régulièrement. Plusieurs techniques sont à la disposition des techniciens pour réaliser la mesure. Les critères à prendre en compte sont liés au degré de précision souhaitée, aux contraintes d'installation et aux contraintes métrologiques.
Réalisé par , Technoscope
Dans le cadre de la loi sur l’autosurveillance, il est demandé de connaître de manière quantitative la charge polluante entrante et sortante d'une station d’épuration. Dans la plupart des cas, les mesures doivent se faire à partir d'un caniveau ouvert.
Les écoulements entre les bassins d’une STEP ou encore dans les réseaux de collecte des eaux usées ou pluviales se font souvent à l’air libre ou sur conduite partiellement pleine. Dans ces cas-là, le suivi des transferts d’eau ne peut pas être réalisé avec les méthodes traditionnelles de mesure de débit qui sont réservées aux conduites en charge. Là encore, on a souvent besoin de recourir aux techniques de mesure sur canal ouvert.
La mesure de débit en canal ouvert est une mesure indirecte dérivée de la mesure de la hauteur d’eau en amont d'un organe déprimogène. Cet organe crée une restriction qui entraîne une perte de charge proportionnelle au débit passant dans le canal. Cette méthode est régie par des normes qui évoluent régulièrement. De plus, certaines habitudes régionales peuvent perdurer ; il est donc impératif de se renseigner auprès des Agences de l’eau pour connaître les exigences et les recommandations particulières pour la mise en place de la chaîne de mesure, surtout lorsqu’elle est mise en...
œuvre dans le cadre de l'autosurveillance.
Pour réaliser cette mesure, les opérateurs disposent de plusieurs techniques dont le choix repose principalement sur la précision souhaitée, les contraintes d’installation (encombrement en amont et en aval du dispositif) et la nature des contrôles métrologiques.
Déversoir ou canal venturi ?
Les organes déprimogènes normalisés les plus répandus sont les déversoirs et les canaux venturi.
Les déversoirs prennent la forme d’une simple tôle rectangulaire en acier inoxydable, d'une épaisseur de 5 mm. Cette tôle est placée en travers du chenal d’approche. Pour les petits débits, il peut y avoir une encoche de forme rectangulaire ou en V aménagée au centre de la tôle.
Selon la norme NF X 10-311, la précision de la conversion de la perte de charge en mesure de débit est de ± 1,5 % pour un déversoir rectangulaire et de ± 1 % pour un déversoir à encoche en V. « En ajoutant la précision du limnimètre qui mesure la hauteur d’eau, la précision de la chaîne de mesure de débit varie de ± 3 à 5 % », explique-t-on chez Emerson Mobrey. L’avantage du déversoir est son faible coût d’achat et de mise en place dans un chenal d’approche approprié. Il présente toutefois l’inconvénient de générer une perte de charge importante, de nécessiter une maintenance régulière pour enlever les solides retenus au pied de la plaque et il a tendance à obstruer le chenal et donc à perturber la mesure.
Le canal venturi quant à lui se compose d’une amenée d’eau et d’un seuil, c’est-à-dire un dispositif pré-étalonné permettant la mesure de débit en canaux. Ces canaux préfabriqués doivent respecter les tolérances de la norme NF X 10-313, version française de l’ISO 4350. Le texte regroupe tous les canaux avec jaugeurs à ressaut mis au point pour mesurer le débit dans les rivières et canaux artificiels, à régime permanent et variation lente. L’écoulement dans les venturi ISO est du domaine des écoulements à surface libre. Les longueurs sont suffisamment courtes pour que les pertes par frottement entre la section d’entrée et la section contractée de l’écoulement, …
Débitmètre bulle à bulle portable
Pour mesurer le débit Neotek dispose d'un débitmètre bulle à bulle portable référencé ISCO 4230. Il fonctionne sur batterie ou secteur et permet la mesure et l'enregistrement des données (80 000 points). Le transfert et l'exploitation se font avec un PC équipé du logiciel FLOWLINK. La traçabilité de vos mesures est assurée par une imprimante fonctionnant en temps réel pour l’édition de 3 courbes et de 2 rapports distincts.
| Type | Norme | Année |
|---|---|---|
| Déversoirs à mince paroi | NF X 10-311 | 1983 |
| Déversoirs à profil triangulaire | NF ISO 4360 | 1986 |
| Déversoirs rectangulaires à seuil épais | NF ISO 3846 | 1990 |
| Déversoirs en V ouvert | NF ISO 4377 | 1990 |
| Déversoirs à profil trapézoïdal | ISO 4362 | 1993 |
| Déversoirs horizontaux à seuil gaulis arrondi | NF ISO 4374 | 1991 |
| Canaux préfabriqués | NF X 10-313 / ISO 4359 | Dernière modification 1999 |
soient négligeables. Lorsque la zone de contraction est le siège d’un écoulement en régime critique (limite entre le régime fluvial et le régime torrentiel), le débit passant sur la structure dépend uniquement de la hauteur d'eau mesurée en amont.
Les canaux retenus dans ce texte jouissent d'une reconnaissance unanime s’appuyant sur des travaux de recherche et d'essais in situ. Ils n’ont pas besoin d’être étalonnés sur place s'ils sont installés dans les règles de l'art. Dans ce cas, seul l'étalonnage de l'instrument de mesure (calage du zéro) est nécessaire.
Trois types de jaugeurs sont recommandés par la norme ISO 4359 : le jaugeur à col rectangulaire ou trapézoïdal, et les canaux jaugeur à col en U c’est-à-dire à fond arrondi. Aqualyse, Bamo, CT Platon, Endress+Hauser, Hach-Lange, Hydreka, Hydrologic, ISMA, Mobrey Emerson, Nivus commercialisent des canaux Venturi conformes à la norme. Chez Endress+Hauser par exemple, les canaux ont une largeur de 120 mm à 1 600 mm et mesurent des débits allant de 1 m³/h à 6 100 m³/h. Faciles à mettre en œuvre, ils sont construits soit en inox, soit en fibres de verre, à choisir selon la nature des effluents. La gamme DébitFLO de Bamo se compose de dix modèles en matière composite pour des débits de 7 à 2 500 m³/h. Selon la norme X 10-313, la précision de conversion de la perte de charge en mesure de débit sur un canal jaugeur est de ± 1 à 3 %. La précision d’une chaîne complète étant estimée à ± 2 à 5 %.
L’avantage de la technique est sa faible perte de charge par rapport au débit passant, ainsi que sa fonction autonettoyante. Elle a aussi des inconvénients comme son coût d’achat et sa difficulté de mise en place. Car l’implantation dans le canal d’approche est déli-
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Bamo
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Bamo et son Bamobul proposentdes systèmes de mesure bulle à bulle.
Ce dispositif repose sur la mesure de pres- sion nécessaire pour entretenir un débit d’air bulle à bulle à travers un tube débouchant directement dans l’effluent.
...côte dans la mesure où toutes les déforma- tions nuisent à la précision de la mesure. « On s’aperçoit souvent des problèmes d’ho- rizontalité une fois le Venturi scellé dans le béton », explique Yannick Moinet de Bamo, « il ne reste plus alors qu’à casser l’installa- tion ». Pour résoudre ce problème, Bamo a conçu DébitBAC, « un déversoir à poser par terre et à caler ».
Nivus propose également une solution avec des canaux venturi composés de deux demi- coquilles en inox à visser dans un canal béton préalablement contrôlé.
D’autres difficultés sont rencontrées dans la mesure des débits variant fortement et dans celle des faibles débits.
La mesure des débitsà forte variation
ISMA s’est spécialisée dans la mesure des fortes variations de débit. Pour ceci, cette entreprise propose des canaux venturi cumulant les avantages des venturi clas- siques, c’est-à-dire avec libre passage sans seuil, et la faculté de répondre en même temps aux grandes variations de débits par la mise en œuvre de flancs inclinés. Cette contraction, de section parabolique, permet la mesure de faible débit avec précision, puisque l’écoulement réduit transite par une section étroite, base de la parabole. Le débit
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augmentant, la section s’élar- git jusqu’au sommet libérant progressivement une section mouillée importante. La tech- nique est intéressante car un même appareil mesure préci- sément des débits variant dans un rapport de 1 à 100, alors que ce rapport n’est en général que de 1 à 20 pour les canaux venturi classiques. Un même canal peut ainsi mesu- rer en continu des flux de 3,6 m³/h à 360 m³/h. L’équipe- ment est destiné notamment à la mesure de rejets soumis à de grandes variations de débit instantané comme la vidange rapide de déversoirs de stoc- kage par exemple. La gamme se compose de sept canaux différents pour des plages éta- gées de 0,22 m³/h à 1.440 m³/h. Réalisés en polyester renforcé fibres de verre, ces pièces préfabriquées pré- sentent un coefficient de rugosité réduit, une résistance aux effluents agressifs et chargés, ainsi qu’une solidité assurée par des raidisseurs transversaux permettant leur implantation directe en coffrage.
... et les faibles débits
Pour les très faibles débits, les venturis ISO 4359 ont une piètre résolution. Celle-ci peut
Le principe de mesure du ChannelMag commercialisé par Engineering Mesures repose sur la loi du Faraday. La tension induite par un conducteur en mouvement au travers d’un champ magnétique est directement proportionnelle à la vitesse du conducteur. Dans les applications en canal ouvert, un capteur de niveau par ultrasons est installé et géré par le calculateur AFT. Dans cette application, le capteur est plat, il peut être rectangulaire, trapézoïdale ou autre... de grandes électrodes coniques dans le capteur mesurent la vitesse du liquide. Le champ magnétique créé par la technologie (breveté) AFT qui fournit un courant entre 1 et 5 ampères et une fréquence jusqu’à 40 Hz, induit un ratio signal/bruit 50 fois supérieur aux débitmètres électromagnétiques traditionnels. De ce fait, les électrodes peuvent être recouvertes de graisses, de calcaire ou autres, sans perturbation de la mesure.
être améliorée en réduisant la largeur du col en dessous de 100 mm, mais les faibles vitesses engendrées entraînent l’apparition d'un biofilm sur les parois, ce qui impose un nettoyage régulier. Pour ces faibles débits, les industriels préconisent les déversoirs en V conformes à la norme ISO 1438, plus précis sur les faibles écoulements, mais ils créent en amont une rétention de sédiments et ils peuvent à tout moment être obstrués par des débris flottants, d’où la nécessité de les surveiller et de les entretenir.
Pour résoudre le problème des très faibles débits, Aqualyse a mis au point Furtiflo. Ce canal préfabriqué en acier inoxydable est disponible en trois gammes pour des mesures de débit de 0,25 à 6,6 l/s, 0,35 à 6,6 l/s et 0,35 à 13,5 l/s. Sa forme en V est dotée d’une entrée conique ascendante conçue pour soulever les débris et les évacuer par le flot, évitant ainsi le colmatage. Toujours pour les faibles débits, Neotek va bientôt lancer un système de mesure de débit adapté aux petites conduites. L’organe déprimogène est un manchon gonflable taré en poste fixe et qui mesure le débit sans étalonnage avec une précision de ± 1 % de l’étendue de mesure.
Sur certains canaux ouverts, par exemple lors d'une influence avale, la simple utilisation d’un canal venturi ou d’un déversoir ne convient pas pour mesurer le débit. Il faut associer un capteur de vitesse (vélocimètre, courantomètre, etc.) afin de connaître la vitesse moyenne de l’écoulement. Ce dernier paramètre peut être mesuré par différents principes de mesure supportés par les technologies ultrasoniques, électromagnétiques, électromécaniques… : capteurs à effet Doppler, capteurs à corrélation d’écho, capteurs à différence de temps de transit, capteurs de vitesse par variation de champ électromagnétique, micromoulinet, etc.
Mesurer la section mouillée
La mesure de la hauteur d'eau doit être réalisée dans un endroit précis du canal, à proximité de la mesure de vitesse. Le principe de mesure du transmetteur est choisi en fonction de l'état de la surface du liquide mesuré (présence de mousse par exemple), mais les capteurs les plus utilisés sont les systèmes à ultrasons. On estime qu’ils représentent 79 % des applications.
Aqualyse et ses capteurs Servo5D et VISA 460, Endress+Hauser et sa gamme Prosonic, Bamo et Echtyre, Hydrolab avec et sans la mesure de vitesse par effet Doppler intégrée pour des mesures en écoulement libre sans canal Venturi ni déversoirs, et la possibilité d’y adjoindre des mesures physico-chimiques telles que pH, conductivité, O₂ dissous... Ceci en fait donc un débitmètre polyvalent adapté aux mesures de contrôles des entrées et sorties de STEP et à la surveillance des réseaux d'eaux usées ou pluviales.
Risonic 2000 de Rittmeyer, dédié aux conduites pleines ou partiellement pleines (de 300 à 11 000 mm) ou encore aux canaux à écoulement libre (de 0,75 à 70 m) permet...
De mesurer le débit par le temps de transit des ultrasons. Selon la précision de mesure désirée et les conditions hydrauliques en présence, les mesures peuvent être effectuées par une seule corde comme par plusieurs cordes (maximum 8). Les perturbations hydrauliques causées par la rotation des capteurs sont compensées dans le calcul du débit. L’utilisation de nouvelles méthodes d’analyse des signaux (correlation croisée) permet une reconnaissance sans faute des signaux, même avec un taux élevé de particules en suspension dans l’eau. Ceci permet d’atteindre un haut niveau de précision de la mesure. Mais tous les emplacements ne sont pas appropriés le long d’une conduite pour réaliser une mesure de débit. Les conditions d’écoulement hydrauliques influencent le résultat de la mesure de manière non négligeable. Il faut donc choisir avec beaucoup de soin le lieu d’implantation du point de mesure. La précision de la mesure est aussi influencée d’une manière prépondérante par la géométrie du lieu d’implantation du point de mesure. Pour obtenir une mesure de débit précise, il faut déterminer de manière exacte la section de la conduite, ainsi que la position des capteurs de débit. Rittmeyer propose donc une assistance sous forme de prestations de service, pour aider les exploitants à définir l’endroit le plus approprié de l’installation pour la mesure de débit ainsi que l’orientation et la disposition optimales des cordes de mesure. Ces prestations de service proposées peuvent se limiter à de simples recommandations, ou au contraire représenter un support important au niveau de l’ingénierie.
Avec Flo-Dar, c’est une mesure de niveau par ultrasons et une mesure de vitesse par radar. Le faisceau de l’onde radar transmis sur la surface du liquide est réfléchi produisant un signal de fréquence différente. En comparant la fréquence transmise et la fréquence reçue, on obtient une variation proportionnelle à la vitesse de l’écoulement.
Avec l’effet doppler, toutes les particules et/ou bulles gazeuses en suspension réfléchissent une partie du signal ultrasonique émis par un capteur immergé. C’est la différence de fréquence entre le signal émis et reçu qui permet de déterminer la vitesse de déplacement de ces particules. Différente de la mesure par effet doppler, la mesure de vitesse par corrélation d’écho est basée quant à elle sur un principe combinant l’effet doppler et la mesure par temps de transit. Un capteur immergé permet de mesurer un profil de vitesse (16 vitesses maxi). « Il se caractérise par un précieux gain de temps à l’installation combiné à une grande précision ne nécessitant aucun étalonnage » précise Fabien Georget, directeur commercial de Nivus France.
Pour ce qui concerne les mesures de débit combinées à un système déprimogène, une autre technique est très utilisée. Il s’agit du bulle à bulle. « Elle est retenue dans 20 % des cas » souligne Yannick Moinet, « c’est une technique fournissant une information précise et fiable sur la hauteur d’eau ».
ISMA et ses capteurs DLK 102, Isco 4230 commercialisé par Neotek, Bamo et son Bamobul proposent des systèmes de mesure bulle à bulle.
Ce dispositif repose sur la mesure de pression nécessaire pour entretenir un débit d’air bulle à bulle à travers un tube débouchant directement dans l’effluent. Un débit assurant une à deux bulles par seconde sous une hauteur d’eau de 1 m suffit pour enregistrer sans décrochement les fluctuations de niveau. Le tube étant fixe, la pression mesurée ne dépend que de la hauteur d’eau et de la pression atmosphérique du moment. Un manomètre différentiel compensé en température et dont l’une des entrées est l’air libre élimine l’influence de celle-ci et fournit un signal électrique proportionnel à la hauteur d’eau. La mesure bulle à bulle est reconnue pour son extrême précision, l’absence d’instabilité occasionnée par les turbulences, la présence de mousse, de vent ou de variation de température du liquide mesuré. L’étendue de mesure est limitée par les caractéristiques du capteur de pression. Elle peut donc être très bonne, notamment dans le cas des faibles hauteurs d’eau où l’on peut mesurer des variations de l’ordre du millimètre.
Hydrologic conçoit et fabrique depuis plus de 20 ans des appareils de mesure de débit sur le principe du bulle à bulle. Ce fabricant fait appel à son savoir-faire en créant des appareils portables ou fixes, seuls ou associés aux canaux venturi, seuils jaugeurs, Contraflux ou Pollubac de la marque. L’ensemble des débitmètres Hydrologic, qu’ils soient enregistreurs ou non, mono ou multiparamètres, connectables à un ou deux préleveurs d’échantillons, sont dotés d’un système bulle à bulle autonettoyant avec une purge automatique et manuelle et adaptés à tous types d’effluents pouvant comporter de la mousse et/ou un fort taux de matières en suspension.
OTT propose également un capteur bulle à bulle compact pour la mesure du niveau d’eau capable de s’adapter à de nombreuses exigences. Il fonctionne selon un procédé de mesure sans dérive et couvre une large gamme de mesure allant jusqu’à 30 m. Grâce à la mise en œuvre d’une stratégie de pompage intelligente, l’appareil optimise le volume d’air produit en fonction du niveau.
d’eau et de la variation de celui-ci. Ceci permet de réduire la consommation en énergie et d’augmenter la durée de fonctionnement de la pompe.
Pour les mesures réalisées dans la plage de 0 à 15 m, le système de mesure ne requiert pas d’agent dessicant. La pression de l’air produit par la pompe s’échappe par une soupape dans le tube de mesure dès qu’une surpression de 0,1 bar dans la pompe est atteinte. Cela signifie que, pour des niveaux d’eau faibles, des taux de compression réduits sont suffisants pour effectuer la mesure. La formation de condensation et le vieillissement de la pompe sont ainsi réduits de manière considérable.
À noter que OTT CBS est disponible en version « très haute précision » (± 1,5 mm dans les 3 premiers mètres de la plage de mesure 0…15 m) grâce à un étalonnage réalisé sur un nombre plus important de points. Le boîtier de OTT CBS prévoit également l’intégration d’un enregistreur avec afficheur. La version avec enregistreur de données intégré OTT CBL a été développée sur la base de l’enregistreur OTT DuoSens et de ses fonctionnalités.
Les 1 % d’applications restantes mettent en œuvre divers principes de mesure de débit, comme la mesure de pression hydrostatique très simple à mettre en œuvre et insensible aux mousses et conditions climatiques (comme le VEGAWELL de VEGA) ou encore les techniques radar (VEGAPULS de VEGA) pour les effluents industriels avec dégagements gazeux notamment. Les données recueillies par le capteur sont ensuite traitées par un calculateur pour obtenir le débit instantané et des impulsions de totalisation ainsi que pour la prise d’échantillon.
OTT proposera de son côté très prochainement un radar nouveau modèle compact (1 kg, 180 mm), se caractérisant par une faible consommation (10 mA) et proposant une gamme de mesure étendue : 0,15 à 35 m, avec une précision de ± 3 mm de 5 à 20 m (± 10 mm au-delà).
Enregistrer le débit
Pour exploiter le signal du capteur, les industriels proposent une gamme de calculateurs contrôleurs adaptée à leurs capteurs de mesure. Ainsi, Bamo propose le Bamophox 759 pour calculer le débit sur canal à ciel ouvert. Le débitmètre ISMA type DLK 102 est architecturé autour d’un micro-contrôleur doté d’une grande vitesse de traitement. Le débit est calculé à partir du signal analogique d’un capteur de hauteur. L’appareil garde en mémoire les 60 derniers débits journaliers datés des 60 derniers jours ; la consultation se fait en agissant sur une touche du clavier. La capacité de mémorisation est de 60 000 valeurs qui sont exploitées sous Windows avec le logiciel LOGISMA. Son lien avec un modem GSM, RTC ou radio lui assure d’autres fonctions, telles que alarme, envoi de SMS…
Chez Mobrey Emerson, c’est le modèle MCU FLO de la gamme MSP qui est doté de la possibilité d’enregistrer jusqu’à 7 200 valeurs à des intervalles déterminés par l’utilisateur. Dans le cas où un débit dépasse une valeur limite, la fréquence d’échantillonnage est automatiquement augmentée afin d’améliorer la résolution de la mesure. Le débit cumulé de la journée ainsi que les débits de pointe sont relevés automatiquement à minuit, et ce pendant un maximum de 60 jours. Toutes les données sont horodatées et stockées pour être transférées, par le biais d’une liaison RS232, de l’unité de contrôle vers un PC. Les données récupérées peuvent être facilement mises en forme d’un bilan au moyen du logiciel Mobrey LogView sous Windows, ou être exportées vers un logiciel tableur.
