Les techniques de comptage de l'eau

Cette évolution est généralement ressentie comme une contrainte que notre monde impose. Depuis des siècles, les échanges sous formes de troc, puis la vente pure et simple, constituent autant de transferts de propriété entre individus qui sont à l'origine de la création d'unités-étalons auxquelles les objets et les produits sont comparés pour obtenir une valeur qualitative ou quantitative.

Les éléments naturels indispensables tels que l'air et l'eau semblaient devoir échapper à cet aspect mercantile.

Ce fut, et c'est encore pour bien longtemps — sans doute pour toujours — le cas de l'air, dont l'utilisation par l'homme n'est pas contrôlable. Il n'en va pas de même pour l'eau qui doit être maîtrisée, canalisée, comptée avant sa consommation.

Voilà notre propos. L'eau est dorénavant comptée à tous les stades de sa distribution, et cela pour deux raisons dépendantes l'une de l'autre.

La première provient de la nécessité de facturer l'eau dont le coût de production est loin d'être négligeable si l'on considère l'infrastructure indispensable à son pompage, à son traitement et à sa distribution.

La seconde est liée à une notion d'économie, tant au niveau de l'énergie consommée pour les opérations précitées, que pour pouvoir satisfaire au maximum la demande sans cesse croissante notamment dans les périodes de sécheresse comme celle que nous avons connue en 1976.

Une première économie consiste à diminuer les fuites dans les réseaux de distribution (plus de 25 %). Elles représentent un volume global considérable que l'on apprécie en comparant le total de l'eau effectivement distribuée à la quantité produite. Le comptage en plusieurs points des réseaux constitue l'un des moyens d'investigation dont on dispose pour cette comparaison.

L'étude qui va suivre portera sur les différents types de compteurs utilisés entre le captage et le point de soutirage chez l'utilisateur, qu'il soit industriel ou particulier.

Il est tout d'abord souhaitable de rappeler quelques notions relatives à la définition des termes « débit » et « volume ».

La raison de ce rappel tient au fait que la confusion est fréquente entre les compteurs volumétriques et les compteurs dits de vitesse. Nous verrons plus loin à quel niveau elle se situe.

Le volume est l'expression d’une quantité liquide ou solide contenue dans un espace. Le débit est, quant à lui, l'expression d'une quantité en mouvement pendant une unité de temps. C’est donc une grandeur dynamique variant en fonction de la vitesse de l'eau dans la conduite.

Il est important de le savoir pour bien comprendre les différents procédés qui permettent d’obtenir le volume de passage sur un temps donné.

En effet, le principe du compteur d'eau consiste à indiquer le volume s'exprimant généralement en mètres cubes. Pour y parvenir, on utilise soit une chambre que l'on remplit et vide alternativement, comme on le ferait avec un récipient calibré, soit un dispositif qui intègre la vitesse de passage.

Le premier système donne une indication qui correspond exactement à l'opération effectuée. C'est le compteur volumétrique.

Pour le second, une hélice tourne avec une vitesse de rotation proportionnelle à la vitesse du fluide dans la conduite. L'intégration de cette vitesse, soit le comptage du nombre de tours, donne, à une constante multiplicative près, le volume traversé.

Le principe de mesure est donc différent mais la lecture du cadran est identique et s'exprime en volume d'eau.

La confusion entre ces deux types de compteur tient donc au fait que pour certains, le compteur de vitesse est assimilé à un débitmètre, et non pas à un compteur totalisateur du volume passé.

Pourquoi ces deux principes pour obtenir le même résultat ?

Il faut préciser, en premier lieu, que le résultat n'est pas identique si l'on se reporte aux caractéristiques métrologiques de l'un et de l'autre.

Par contre, la simplicité de conception du compteur de vitesse par rapport au compteur volumétrique engendre un écart non négligeable au niveau du coût de production et, par là-même, au niveau du prix de vente.

Depuis quelques années, les Pouvoirs Publics ont chargé le Service des Instruments de Mesure (SIM) du contrôle de qualité des compteurs d'eau. À l'origine, un principe non discutable : tous les produits faisant l'objet d'une facturation doivent pouvoir être mesurés avec précision de telle sorte que la partie acheteuse ne soit pas lésée.

Un cahier des charges fixe les caractéristiques de chaque type de compteur en fonction de son dénominal et les constructeurs doivent s'y tenir rigoureusement pour obtenir l'approbation de leurs modèles.

Ce cahier des charges définit trois classes d'approbation en fonction des courbes métrologiques de chaque compteur.

Elles sont repérées par les lettres A, B et C qui correspondent chacune à un critère de qualité, de précision et de fiabilité. La classe C étant la meilleure.

Les exigences du SIM ont contraint les fabricants à améliorer les caractéristiques des produits de leur gamme en réduisant les tolérances d'usinage et de fonderie et en utilisant des matériaux mieux adaptés.

C'est ainsi que certains compteurs de vitesse sont agréés par le SIM en classe C.

En quoi consistent et à quelles applications correspondent les types de compteurs que nous avons évoqués ?

Ces deux systèmes définis en préambule ne constituent nullement une liste exhaustive. En effet, il existe des procédés de comptage de l'eau non répertoriés et qui font appel à des technologies très particulières : les compteurs proportionnels et les débitmètres électromagnétiques et à ondes acoustiques (ultrasons) par exemple.

I - LES COMPTEURS VOLUMÉTRIQUES

Rappelons que leur méthode de mesure s'appuie sur un principe très simple. Il s'agit d'utiliser un volume qui se remplit et se vide alternativement sous l'effet de la pression de l'eau. Ce volume est constitué par une ou plusieurs chambres d'une capacité déterminée par rapport à l'unité de lecture figurant sur le totalisateur. Le train de démultiplication du mécanisme de transmission du mouvement fait alors le produit du volume unitaire des chambres par le nombre de cycles effectués.

Ces compteurs sont d'une grande précision aussi bien à petit qu'à grand débit et c'est la raison pour laquelle ils sont utilisés presque systématiquement pour le comptage de la première prise, c'est-à-dire au point de mesure servant à la facturation de l'eau. Ils présentent par ailleurs l'avantage de rester fiables longtemps dans des conditions normales d'utilisation.

L'application du principe de la mesure volumétrique peut se faire de différentes façons. Un siècle d'évolution dans ce domaine a vu naître des compteurs à pistons alternatifs, à disques, à palettes, à rotors, à roues ovales et à pistons rotatifs.

Les pistons alternatifs constituent la base même du principe puisqu'ils ont été à l'origine de la constitution du compteur volumétrique.

On peut comparer son fonctionnement à celui d'un moteur à essence dont les quatre cylindres seraient disposés en croix selon un même plan horizontal, avec le vilebrequin situé au milieu, verticalement.

Un distributeur rotatif est entraîné par l’axe du vilebrequin et sa forme permet aux lumières situées sur les cylindres d’avoir alternativement la fonction d’admission et celle d’échappement.

Ces compteurs ne sont plus utilisés. En effet, ils ne peuvent satisfaire les exigences élémentaires des installations courantes, notamment en ce qui concerne l’encombrement et le poids. Par ailleurs, leur prix de revient serait très élevé. Les compteurs à disques et à palettes ont également disparu après avoir connu un grand succès au début de ce siècle.

Compteur volumétrique à piston rotatif.

On trouve par contre des compteurs à roues ovales dans certaines applications industrielles qui nécessitent une grande précision sur de très petits débits.

Restent les compteurs à piston rotatif. Ils constituent la nouvelle génération des compteurs volumétriques commercialisés depuis longtemps certes, mais conservant toujours la confiance des utilisateurs. Leur principe n’a guère évolué au fil des ans, mais des progrès considérables ont été réalisés sur la nature des matériaux utilisés et sur les tolérances d’usinage et de fonderie.

Dans ces compteurs, un piston se déplace selon un mouvement excentrique (fig. 1).

Le rapport des pignons d’entraînement du mécanisme totalisateur assure une correspondance précise entre le volume de la chambre mesurante et l’unité de lecture choisie (litre ou m³). Ce rapport de démultiplication doit tenir compte d’un léger débit de fuite au point de tangence entre le piston et la paroi de la chambre. En effet, il n’est pas possible,

compte tenu des très faibles pertes de charge qu’un compteur doit occasionner, de concevoir une étanchéité parfaite à ce niveau. Pour que la sensibilité du compteur reste bonne il faut, par conséquent, que le frottement entre le piston et la chambre soit très réduit, voire inexistant.

Ce débit de fuite serait totalement négligeable si l’on pouvait obtenir un parfait équilibre des pressions entre l’amont et l’aval du compteur et cette condition ne peut être remplie.

La qualité de ces compteurs dépend pour une large part du choix des matériaux utilisés pour la réalisation de la chambre et du piston. La nécessité que nous avons soulignée d'obtenir et de maintenir un balayage sans frottement du piston sur la paroi de la chambre donne la pleine mesure de l’importance que l’on doit attacher à la recherche de matériaux supportant bien les variations de pression et de température avec un minimum de déformation.

Ce problème a été parfaitement résolu par les fabricants du moins pour des écarts de température relativement faibles tels que peut en subir l’eau froide en fonction des conditions climatiques ou du chauffage des locaux. C’est néanmoins pour cette raison que les compteurs volumétriques pour eau chaude sont très peu répandus hormis dans les installations industrielles pour lesquelles on a conçu des compteurs entièrement métalliques ou faisant appel à des matériaux composites coûteux.

Il semblerait toutefois que DEVELCONTER, organisme de recherche et de développement de techniques nouvelles en matière de comptage auquel adhèrent plusieurs constructeurs européens, ait récemment trouvé un produit de synthèse dont les propriétés permettent de fabriquer des compteurs volumétriques pour l’eau chaude à un prix raisonnable.

L’un des seuls inconvénients du compteur volumétrique réside dans le fait qu’au-delà des calibres courants, il n’est plus possible d’utiliser des matériaux de synthèse modernes dans la fabrication de ces composants. Cela entraîne une augmentation rapide du poids au fur et à mesure que l’on monte dans l’échelle des calibres. Par ailleurs, pour pallier l’accélération du régime de rotation à grand débit, ce qui provoquerait une usure prématurée du piston, il est nécessaire de considérer la dimension de la chambre en fonction du débit. C’est la raison pour laquelle l’encombrement et le prix des compteurs de gros calibres sont souvent incompatibles avec les possibilités d’installation et d’implantation sur les réseaux.

Rappelons qu’en ce qui concerne la transmission du mouvement de rotation entre le piston et le totalisateur, le couplage est magnétique, ce qui permet d’assurer une étanchéité parfaite. Cela n’était pas le cas avec les presse-étoupe sujets à usure. Cette remarque est d’ailleurs valable pour tous les autres types de compteurs.

II - LES COMPTEURS DE VITESSE

Il s’agit en fait de débitmètres si l’on se réfère à leur principe de fonctionnement.

Les tubulures d’entrée et de sortie des compteurs étant soigneusement calibrées, le produit de la vitesse de passage par la section nous donne un volume pendant le temps de la mesure. On saura de ce fait qu’un tour de turbine correspond à un volume donné. La démultiplication du train de transmission du dispositif de lecture effectuera cette opération de conversion.

De nombreux types de compteurs utilisent le principe d’une turbine comme composant de base de la mesure.

1) Les compteurs à jet unique.

Ils constituent la plus simple version de l’utilisation de la turbine.

Ils fonctionnent de la même façon qu’un moulin à eau dont la roue multi-pales est entraînée par un courant.

Dans le cas du compteur, la turbine effectue un mouvement rotatif sous la poussée de l'eau qui traverse la chambre de part en part selon un axe défini par la position des tubulures d’entrée et de sortie (fig. 2).

L'avantage évident de ce procédé est sa simplicité, gage de fiabilité et raison de son prix très bas.

Ce compteur manque de précision à tout petit débit. C'est pourquoi il n'est guère utilisé en première prise mais plutôt dans les applications divisionnaires qui ne servent qu’à établir une répartition des charges entre plusieurs utilisateurs d'un même immeuble.

Il faut néanmoins noter que si ce compteur peut parfois être approuvé par le SIM en classe C, il n’en demeure pas moins vrai que sa précision sera sérieusement affectée dans le temps. L'explication en est simple. L'indication de volume fournie par le compteur étant fonction de la vitesse et du diamètre de passage, la diminution de ce dernier par entartrage réduira d'autant la quantité d'eau effectivement passée pour une indication identique. On dira, alors, qu'il y a surcomptage.

Par contre, il présente l’avantage d'être parfaitement adapté, moyennant l'emploi de matériaux légèrement différents, au comptage de l’eau chaude.

Il supporte, d’autre part, ce qui n'est pas le cas du compteur volumétrique, les eaux légèrement chargées de particules en suspension.

Il est important de noter qu'il existe deux types de tête sur ces compteurs. Le cadran sec et le cadran noyé.

Le premier est, en général, un peu plus cher que le second mais présente l'avantage de ne pas être sensible aux eaux fortement ferrugineuses qui finiraient par rendre la lecture de l'index difficile. Il risque, par contre, de se former de la condensation sur la face interne de la glace lorsque des écarts se produisent entre la température ambiante et la température de l'eau. Cet inconvénient est souvent considéré comme mineur.

La différence entre ces deux types de cadran est obtenue par la position du dispositif d’étanchéité qui, dans un cas se situe en dessous du totalisateur et dans l'autre, au niveau du joint entre le couvre-voyant et le corps du compteur.

Une mention particulière doit être faite en ce qui concerne les cadrans dits humides. Le bon sens voudrait qu'on les considère comme étant presque secs. Et pourtant, non. Ils sont totalement remplis d'eau. Ne cherchez pas la différence avec les cadrans noyés : il n'y en a pas.

2) Les compteurs à jets multiples.

Ces compteurs sont très voisins des jets uniques en ce sens qu’ils utilisent également une turbine à axe vertical et qu'ils existent dans les mêmes versions eau chaude et à cadran sec ou noyé.

Néanmoins, dans le but d'augmenter la précision dans les petits débits, une chambre de mesure, percée de trous à sa périphérie, est insérée dans le corps du compteur.

La figure 3 montre bien la disposition de ces trous.

L'eau remplit l’espace annulaire situé entre le corps et la chambre puis vient agir sur les pales de la turbine en autant de petits jets qu'il y a de trous. L’eau passe ensuite par le bas de la chambre pour sortir du compteur.

Ce type de compteur assure une bonne précision à tous les débits et bénéficie souvent d'une approbation en classe C.

On lui reprochera quelquefois d'être plus sensible à l'entartrage qu'un compteur à jet unique du fait de la faible dimension de chacun des trous de la chambre. L'expérience prouve cependant que sa précision n'est que peu altérée par le temps.

3) Les compteurs Woltmann.

Ils se rapprochent en de nombreux points des compteurs de vitesse à jet unique mais la différence

La différence fondamentale réside dans la forme du corps qui permet d'utiliser une turbine en hélice dont la dimension est très voisine du diamètre réel de passage, le sens de passage de l'eau étant parallèle à l'axe de la turbine et non perpendiculaire.

Il convient de noter qu'il existe deux types de compteurs Woltmann : les uns sont à hélice axiale, les autres à hélice verticale.

a) Les Woltmann à hélice axiale (fig. 4).

C'est la version la plus simple puisque le passage de l'eau se trouve dans l'axe de la canalisation.

Il présente l'avantage d’accepter de très grands débits sous une perte de charge relativement faible, mais il est par contre sensible aux turbulences. Les constructeurs conseillent toujours de respecter une partie droite dépourvue de vannes, réductions et autres obstacles d'une longueur égale à 10 ou 15 fois le diamètre en amont et 3 fois le diamètre en aval. Si ces conditions ne peuvent être remplies, l'installation d’un stabilisateur d'écoulement est indispensable.

Dans les gros diamètres, afin de faciliter les interventions d'entretien et de réparation, ces compteurs sont proposés en version à mécanisme amovible, ce qui évite la dépose totale du compteur. Ce principe devrait prochainement disparaître puisque le SIM exige que l'étalonnage sur banc des compteurs réparés se fasse avec le mécanisme monté dans son propre corps.

b) Les Woltmann à hélice verticale (fig. 5).

Contrairement au Woltmann axial, l'hélice se trouve placée verticalement.

Son mécanisme de transmission est donc plus simple, mais le corps n'a plus sa forme de tubulure horizontale : l'eau doit suivre un circuit montant puis descendant pour entraîner la turbine.

Il est pratiquement insensible aux turbulences et sa précision est bonne aux petits débits.

Sa limite d'utilisation aux grands débits intervient plus rapidement que sur le Woltmann axial, compte tenu de la forme du corps.

4) Les compteurs combinés.

Comme leur nom l'indique, il s'agit de la combinaison de deux compteurs. En fait ils se composent de trois éléments : un compteur woltmann vertical ou axial, un compteur de petit calibre de type vitesse ou éventuellement volumétrique et un dispositif d'inversion.

Le principe de ce dispositif consiste à laisser passer l'eau par le petit compteur tant que le débit est faible, ce qui assure une bonne précision.

Dès que le débit augmente et atteint la capacité limite du petit compteur, le dispositif d'inversion agit pour libérer le passage sur le compteur woltmann.

Nous avons dit que les compteurs volumétriques devenaient chers et encombrants dans les gros calibres.

L'utilisation d'un combiné permet d'obtenir la précision sur une gamme de débit très importante.

L'étendue de sa courbe et son faible volume, en comparaison du compteur volumétrique de gros calibre, devraient permettre le développement considérable de ce type de compteur dans les années à venir.

III - Les compteurs proportionnels

Un diaphragme placé dans la tuyauterie permet d'obtenir une différence de pression. Un petit compteur d'eau installé de part et d'autre de cet obstacle a un débit approximativement proportionnel au débit dans la conduite principale. Il suffit alors de connaître la valeur du diaphragme pour avoir la proportion d'eau effectivement détournée du circuit principal.

Le rapport sera effectué par le train de démultiplication du petit compteur pour fournir une lecture correspondant au volume total d'eau qui aura traversé l'ensemble.

Contrairement à une idée largement répandue, ce type de compteur, bien qu'offrant un passage libre de tout mécanisme, crée des pertes de charge plus importantes qu'un woltmann axial puisque son principe de fonctionnement s'appuie précisément sur leur existence.

Par contre il est capable d'accepter de très grands débits sans risque pour le mécanisme, ce qui le rend parfaitement adapté aux circuits incendie, aux piscines et aux industries grosses consommatrices. Sa précision est néanmoins faible.

IV - Les débitmètres

Il n'est pas question, sous ce titre, de passer en revue la totalité des appareils servant à mesurer les débits instantanés.

Deux types de débitmètres sont néanmoins utilisés comme compteurs totalisateurs : les débitmètres électromagnétiques et les débitmètres à ondes acoustiques (ou à ultrasons).

1) Les débitmètres électromagnétiques.

Ils sont basés sur le principe d'un champ électromagnétique établi perpendiculairement à l'axe d'écoulement de sorte que le liquide le traverse. Il faut, pour cela, que la tuyauterie soit réalisée dans un matériau non conducteur. Il s'établit alors dans le liquide des courants induits présentant des tensions mesurables dont les valeurs sont sensiblement proportionnelles au débit.

Ces tensions sont recueillies par deux électrodes affleurant à l'intérieur de la conduite et placées sur un diamètre correspondant à l'endroit où le champ est à son intensité maximum.

Après amplification, les tensions reçues sont intégrées pour fournir une indication de volume. L'avantage fondamental de ce type d'appareil est l'absence totale de perte de charge puisqu'aucune pièce fixe ou mobile ne se trouve à l'intérieur de la tuyauterie.

Ses inconvénients sont que l'intérieur est en matériau composite : fonte et ébonite ou Teflon ; le prix

est élevé, le poids est important et la consommation d'énergie est importante surtout pour les très gros diamètres.

2) Les débitmètres à ultrasons acoustiques.

Le procédé est connu depuis plus de vingt ans mais son application au comptage de l'eau est relativement récente. Son principe de fonctionnement s'appuie sur le fait que la vitesse de propagation des ondes varie en fonction du mouvement du fluide qu'elles traversent. Pour appliquer cette notion à la mesure en canalisation fermée, il faut disposer sur cette dernière deux sondes alternativement émettrices et réceptrices de sorte que l'on puisse apprécier la différence de vitesse suivant que l'on émet dans le sens de l'écoulement du fluide ou dans le sens contraire.

Figure 6.

La figure 6 nous montre que les sondes A et B étant placées selon un écart longitudinal (E) approprié, l'axe émission-réception fournira un angle donné avec la canalisation.

Si l'on considère que l'eau se déplace de la gauche vers la droite, la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore sera plus grande de A vers B que de B vers A.

Il en résulte une différence de temps proportionnelle à la vitesse de passage de l'eau. Un calculateur mesure alors cette différence pour la convertir en débit ; on obtient le volume par intégration.

L'avantage principal de ce type d'appareil réside dans sa grande facilité d'installation, notamment sur les conduites de grandes sections où l'utilisation d'un compteur classique pose d'importants problèmes de mise en œuvre et de génie civil.

La multiplicité des procédés de comptage de l'eau peut rendre perplexe au moment du choix. En fait, il n'en est rien. Chaque type correspond à des exigences particulières.

Les débits risquent-ils de varier considérablement ou, au contraire, doivent-ils être assujettis à un régime de tout ou rien (après une pompe, par exemple) ?

Peut-on prévoir une longueur droite exempte de vannes, réductions ou autre élément perturbateur ?

Le compteur sera-t-il installé verticalement ou horizontalement ?

L'eau est-elle parfaitement claire ou contient-elle des particules en suspension ?

Voilà quelques questions parmi celles qu'il faut se poser avant de déterminer le type de compteur adapté. En tout état de cause, il est important de savoir que les récentes réglementations concernant les caractéristiques métrologiques des compteurs constituent en elles-mêmes une forme de label de qualité qui devrait rassurer l'utilisateur.

Il n'existe en principe plus de mauvais produits sur ce marché.

Quant à l'avenir, comment peut-on le voir ?

Tout d'abord par les améliorations technologiques dues aux nouveaux matériaux et procédés de fabrication.

Changement au niveau de l'affichage par cristaux liquides comme sur les calculatrices.

Compteur statique sans pièces en mouvement ou quasi-statique avec juste une hélice en mouvement.

Relevé plus facile pour la concentration des index du compteur électrique, du compteur d'énergie thermique, des compteurs d'eau froide et chaude à l'extérieur des appartements.

Télétransmission de tout un ensemble de mesures soit dans un local technique soit dans les locaux même des organismes gestionnaires. Transmission pouvant se faire sur des lignes téléphoniques.

L'électronique, qui a déjà apporté tant de nouveautés, notamment sur les bancs d'essais, peut-elle remplacer tous les dispositifs mécaniques ?

Bien que s'intéressant aux techniques nouvelles, il est à penser que les utilisateurs préféreront les dispositifs éprouvés depuis longtemps. Il ne faut donc pas s'attendre à une révolution immédiate ; cela est d'ailleurs préférable pour les constructeurs car la recherche et le développement en matière de compteur d'eau demandent des investissements qu'il est nécessaire d'amortir au niveau européen et même international.