Plus précise que la mesure de débit sur canal ouvert, la mesure de débit sur conduite en charge est de plus en plus souvent mise en ?uvre dans l'industrie de l'eau. Deux principes se taillent une part de choix : l'électromagnétique et les ultrasons, avec depuis peu l'arrivée des techniques de mesure massique sur liquides et gaz, basées respectivement sur le principe Coriolis et la débitmètrie à fil chaud.
La gestion des fluides est un point clé dans le secteur de l'eau et cette gestion ne peut se faire sans une connaissance précise des masses d’eau transitant d'un endroit à un autre. Pour ceci, des capteurs de débit sont mis en œuvre. Les techniques de mesure sur canaux ouverts sont souvent utilisées en réseau ou en sortie de stations mettant en œuvre un principe électromagnétique ou ultrason. Depuis peu, des applications de débitmétrie massique sur les fluides difficiles et les gaz font leur
apparition. Elles améliorent la gestion du process des boues, optimisent les dosages et l’aération. Parmi toutes ces techniques, la débitmétrie électromagnétique (EM) se taille une place de choix.
L’électromagnétique dans plus de 80 % des cas
Le principe électromagnétique est basé sur la loi de Faraday. La tuyauterie est placée dans un champ magnétique de telle sorte que la trajectoire du fluide conducteur qui s'y écoule soit perpendiculaire au champ magnétique induit dans le fluide. Cette force électromagnétique est collectée par deux électrodes diamétralement opposées et placées dans la paroi du tube. La densité du flux magnétique et la distance entre les électrodes étant deux constantes, la tension induite est proportionnelle à la vitesse moyenne de l’écoulement du fluide.
Les débitmètres électromagnétiques sont proposés par de nombreux fabricants et revendeurs parmi lesquels ABB, Bamo Mesures, Cometec, Emerson, Engineering Mesures, Endress+Hauser, Gemii, Krohne, Siemens, Sika France, Tecfluid ou encore Yokogawa, etc. La mesure est précise (0,15 % de l’étendue de mesure), à condition de respecter certaines règles de mise en œuvre. Tout d’abord, le principe est sensible aux courants et la mise à la terre se révèle indispensable. De plus, pour éviter les perturbations d’écoulement qui faussent la mesure, tout obstacle susceptible de perturber l’écoulement en amont du capteur doit être placé à une distance d’au moins cinq diamètres de tuyauterie du plan des électrodes.
La débitmétrie électromagnétique représente aujourd'hui la majorité des capteurs présents dans le domaine de l'eau. Il faut dire que ce principe est peu contraint par la qualité du fluide. Il peut être visqueux, chargé ou agressif, la seule obligation est qu'il soit électriquement conducteur. Et encore ! Engineering Mesures propose un débitmètre électromagnétique de la société AFT (rachetée récemment par EMCO) qui permet la mesure de débit avec une conductivité très faible, à partir de 0,08 µsiemens...
L’offre est abondante. Avec le RXF, Yokogawa propose par exemple un débitmètre à un prix avantageux et à la fiabilité incontestable disponible en deux modèles. Soit le modèle intégral avec 4-20 mA et communication HART ou BRAIN, soit le modèle déporté pour une distance maximale de 200 mètres. En outre, le tube est disponible en modèle standard ou submersible (IP68). La précision du RXF s’élève à 0,5 % de la valeur mesurée. La conductivité minimale du liquide est de 5 µS/cm. Cet équipement est doté d'un large écran rétroéclairé, de menus et messages en français et surtout de la visualisation en temps réel du niveau d’encrassement des électrodes.
Pour assurer une mesure stable et précise sur des fluides à forte concentration de solides, Endress+Hauser a développé le Promag 55S, un débitmètre électromagnétique plus puissant doté d’un traitement du signal spécifique pour séparer le signal de mesure des tensions parasites et assurer un point zéro stable. L’appareil fournit un diagnostic sur la qualité du fluide et possède une fonction d’autocontrôle garant de son bon fonctionnement. « Le Promag 55S mesure le débit d'un fluide pâteux pouvant atteindre 12 % de solides et, sur application comptage des boues de STEP, il garantit une mesure fiable jusqu’à une concentration de 35 % en matières sèches », précise Cédric.
Risonic 2000 de Rittmeyer : la mesure de débit par le temps de transit des ultrasons de dernière génération
Grâce à des mesures par ultrasons à multipistes et dont la résolution est extrêmement haute ainsi qu’au traitement numérique des signaux (DSP), le Risonic 2000 de Rittmeyer garantit une précision de mesure haute de gamme. Il dispose d’un système de mesure du temps de transit de haute précision pour déterminer le débit volumique. 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. Les perturbations hydrauliques causées par la protrusion des capteurs sont compensées dans le calcul du débit. L’utilisation de nouvelles méthodes d'analyse des signaux (corrélation croisée) permet une reconnaissance sans faute des signaux, même avec un taux élevé de particules en suspension dans l'eau.
Rittmeyer apporte son soutien sous forme de prestations de service, pour aider le client à déterminer l’endroit le plus approprié de l'installation pour la mesure du débit, l’orientation et la disposition optimales des cordes de mesure. Les prestations de service proposées peuvent se limiter à de simples recommandations ou représenter un support important au niveau de l’ingénierie. Rittmeyer met à disposition un large éventail d’outils pour permettre au client d'installer les capteurs par lui-même.
Elle se décline en six gammes, toutes dotées de fonctions d’auto-diagnostic et aussi adaptées à la mesure des débits pulsés.
Les débitmètres électromagnétiques se présentent sous forme de manchon à insérer dans la tuyauterie. Pour être installé, il faut impérativement arrêter la circulation du fluide, vidanger l'installation et, pour l'eau potable, restaurer la qualité hygiénique du réseau. Un inconvénient qu'il n’est pas toujours facile de pouvoir dépasser, d’où l'intérêt pour les techniques de mesure non intrusive comme les ultrasons. Une technique retenue aussi pour les conduites de grand diamètre (> DN 3 000), car elle est moins encombrante et moins onéreuse qu'un capteur électromagnétique. Et contrairement au principe électromagnétique, elle ne dérive pas et ne nécessite donc pas d’étalonnage périodique. Il existe cependant une alternative aux manchettes électromagnétiques : les capteurs EM à insertion, comme le Multi-Mag distribué par Cometec. Via un piquage, un sabre muni de plusieurs électrodes est introduit sur la totalité du diamètre (DN 150 à 3 000). Les multiples points de mesure le long du sabre permettent d'obtenir une bonne précision. Il n'est pas nécessaire d'interrompre l'écoulement pour son installation. Cette technique est à réserver aux liquides clairs ou faiblement chargés (eau potable, circuit de refroidissement…).
Fagot, Chef du marché environnement chez Endress+Hauser.
Avec Optiflux, Krohne propose lui aussi un capteur pour les liquides fortement chargés en solides. Ce débitmètre électromagnétique
Les ultrasons, un principe non intrusif
Les débitmètres à ultrasons utilisent fondamentalement deux principes : l’effet Doppler et la mesure du temps de transit, c’est-à-dire la durée du parcours du son au travers du fluide.
Aujourd’hui, compte tenu de la complexité de mise en œuvre du principe de mesure basé sur l'effet Doppler et de son manque de précision, on lui préfère la mesure du temps de transit. Cometec propose cependant un petit débitmètre portable Doppler, l'UNI P4 (vendu à plus de 300 exemplaires en France) permettant un contrôle rapide des installations de pompage. Quant à la mesure du temps de transit, elle consiste à relever le
Un débitmètre massique thermique pour liquides
Engineering Mesures propose une gamme de débitmètres massiques thermiques pour liquides pour très faibles débits. Le principe de l'appareil est la mesure de transfert calorique d'un fluide à travers une conduite (capteurs non intrusifs). Ce signal est en relation avec le débit masse. Cette conception technologique est unique et brevetée. De bonne précision (+ 1 % de la mesure), pour des diamètres à partir de 1/16", avec transmetteur déporté, pour des températures jusqu’à 260 °C, des dynamiques de mesures de 4 à 100 et des débits à partir de 10 cm³/jour pour liquides sont quelques-unes des caractéristiques de la gamme. Le débitmètre, en ligne, se compose d’un tube droit en inox calorifugé (Hastelloy, Titane, Tantale, Monel... sur option). Sans pièce en mouvement, il occasionne très peu de pertes de charge et peut être utilisé pour certaines applications à la place de débitmètres Coriolis.
Temps nécessaire à l’onde ultrasonore pour faire un parcours aller-retour sur le diamètre de la conduite. Cette mesure permet de réaliser une intégration du profil des vitesses le long du trajet acoustique puisque les ultrasons traversent complètement la veine liquide pour accéder à la vitesse avec une précision de mesure de l’ordre de 1 %. Pour obtenir ce résultat, il faut toutefois éviter la concentration des bulles d’air et des particules en suspension et vérifier qu'elle ne dépasse pas 2 % du volume. Les débitmètres à ultrasons sont proposés en montage manchette à insérer dans la tuyauterie ou en montage externe. Cette dernière solution ne nécessite pas le perçage du tuyau ni l’arrêt de l’installation pour être mise en œuvre. Ici, la mise en œuvre du capteur externe est simple, rapide et ne nécessite aucune maintenance. Elle est aussi essentielle pour conserver la précision. « C’est notamment le cas pour les modèles externes travaillant sur un petit nombre de faisceaux où il faut prévoir une longueur droite entre 10 et 50 diamètres nominaux pour garantir la précision de la mesure » explique Jean-Marie Montel de Krohne.
Pour augmenter la précision, une autre astuce consiste en la multiplication des cordes. Cette solution est aujourd'hui proposée par quasiment tous les constructeurs et concerne aussi bien les débitmètres à manchette que les capteurs externes. La gamme Minisonic est proposée en mono ou bi-cordes. Elle est compatible avec des capteurs externes (on parle dans ce cas de cordes croisées) ou avec des capteurs à insertion. Ultraflux propose également la gamme UF 322 qui peut mesurer le débit à partir de 6 cordes. Le capteur Risonic 2000 de Rittmeyer mesure le temps de transit des ultrasons sur plusieurs cordes. Krohne, sur son UFM 3030, travaille à l'aide de 3 faisceaux et annonce une incertitude de 0,5 % et une répétabilité de 0,2 % de la mesure. Dernièrement, Engineering Mesures a lancé sur le marché français un débitmètre à 8 cordes parallèles ou croisées développé par Accusonic. Accusonic garantit une incertitude de + 0,5 % de la mesure en conformité avec la norme IEC 41.
Certains débitmètres ultrasons de conception récente annoncent des précisions plus importantes sur liquides chargés ou faibles débits, sans pour autant multiplier les cordes, au travers de divers développements.
Le débitmètre à insertion HydrINS d’Hydreka est adapté à toute mesure sur des canalisations en charge transitant de l'eau potable ou brute : comptage sur réservoir, sortie de station de traitement, réseaux d’irrigation ; sectorisation de réseaux, enregistrement de débits nocturnes ; contrôle de compteurs ou de débitmètres existants.
Technologiques intrinsèques.
C’est par exemple le cas du Vegaflux qui continue à mesurer avec une fiabilité comprise entre 1 et 3 %, y compris pour des fluides chargés jusqu’à 20 % de solides ou 10 % de bulles d’air.
Depuis quelques années, les fabricants de capteurs proposent aussi des débitmètres ultrasons pour les applications sur site, par exemple la détection de fuites. C’est le cas d’Hydreka, de Neotek, de Vega ou encore de Cometec qui propose un petit débitmètre portable Doppler, l’UNI P4, qui permet un contrôle rapide des installations de pompage.
CT Platon, Endress+Hauser et son Prosonic, Ultraflux et Minisonic P, Vega et son Vegaflux-US ADM 6725 offrent une solution de mesure de débit et de totalisation portable pour le diagnostic de réseau.
De son côté, Siemens A&D Process Instrumentation a présenté sur le marché français le premier compteur de débit ultrasonique avec 2 fils, alimenté par batterie d’une durée de vie de 6 ans minimum. Le Sitrans FUS380 est parfaitement adapté pour des applications dans l’eau, comme l’irrigation, la distribution, la surveillance ou encore la mesure de l’eau distillée.
Malgré leurs possibilités, ces deux techniques ne permettent pas de couvrir l’ensemble des besoins, notamment sur les boues et en dosage où la débitmétrie massique fait actuellement une percée.
La débitmétrie Coriolis fait une percée
Actuellement, l’élimination des boues est un problème crucial. Le coût de leur destruction est tel qu’il devient important de réduire au maximum la quantité d’eau qu’elles contiennent pour en réduire le volume. Il est alors intéressant de connaître le pourcentage de matières sèches contenu dans la boue. Seule la débitmétrie massique Coriolis permet d’accéder à ce paramètre rapidement.
Lorsqu’une masse en mouvement est mise en vibration perpendiculairement au sens d’écoulement, elle génère des forces de Coriolis dont l’intensité est fonction du débit massique. C’est ce principe qui est utilisé dans le débitmètre massique Coriolis. Sur ce type de capteur, ce sont les tubes de mesure qui sont mis en vibration. Si un produit (donc une masse) circule dans ces tubes, cela génère des forces de Coriolis dont la fréquence de résonance varie en fonction de la densité du produit. Ces valeurs sont mesurées et exploitées par le système. Elles permettent d’accéder simultanément au débit massique, à la densité, à la température, à la viscosité du produit mesuré.
À partir de là, il est possible de calculer le pourcentage de matière sèche.
La nouvelle gamme de débitmètres à effet Coriolis Rotamass de Yokogawa permet par exemple de mesurer avec un seul appareil le débit massique (de 0,1 kg/h à 300 t/h), la densité, la concentration et la température. Utilisable aussi bien sur des liquides que sur des gaz, le Rotamass peut se transformer en véritable station de contrôle du process.
Une autre application de la débitmétrie massique est le dosage des produits de conditionnement « Notamment les fluides non conducteurs de faible débit comme les composés organiques ajoutés comme coagulants et qui n’ont pas de conductivité », pré-
Débitmètres électromagnétiques Rosemount, gagnent maintenant en présence dans l’industrie de l’eau du fait de l’intégration de Mobrey au sein du groupe Emerson. La débitmétrie massique est également utilisée pour optimiser les procédés d’aération. Cette mesure est couramment utilisée en Grande-Bretagne, mais beaucoup moins en France, où elle commence seulement sa percée.
Débitmètre thermique pour la mesure des gaz
Pour cette application, Endress+Hauser propose Proline T-mass, un débitmètre massique dont le principe thermique (calorifique à fil chaud) permet de travailler sur les gaz basse pression à faible vitesse d’écoulement (0,2 m/s). Cet appareil de troisième génération connaît de grosses évolutions. Ainsi, il embarque dans son électronique gaz engine toute une base de connaissances sur les gaz. Ceci permet à l’utilisateur de sélectionner et programmer son gaz à partir de 20 gaz purs industriels, ou, comme dans le cas du biogaz, de créer simplement via l’interface utilisateur son propre mélange gazeux.
Cédric Fagot précise : « Nous travaillons alors sur de très petits diamètres. »
Fluid Component International (FCI), distribué par Engineering Mesures, propose un débitmètre thermique destiné à tous les gaz, y compris le biogaz.
Pour conserver la précision de ces équipements, il convient, comme pour tout débitmètre hors technologie Coriolis, de disposer de longueurs droites suffisantes pour limiter les perturbations de l’écoulement. Il est possible de réduire cette distance minimale d’entrée à 5 diamètres en employant un tranquillisateur de débit spécifique qui sera étalonné avec l’appareil.
Débitmètre Coriolis spécialement destiné à la chimie avec des tubes en acier très spécifiques tels que tantale, titane, zirconium, hastelloy B et C22.
Au printemps 2006, Emerson a lancé le modèle 1500 de sa gamme Micro Motion. Dédié au dosage, il assure un dosage précis par pilotage de la masse à mieux que ± 0,1 % près.
