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Mesure de débit : des pistes pour abaisser les couts du point de mesure ?
Antoine Bonvoisin de GROUPE ROUGE VIF 31 octobre 2019 Paru dans N°425 - à la page 79

Bien que les principes de mesure utilisés en débitmétrie n’aient que peu évolué ces dernières années, certains développements permettent aujourd’hui de réaliser des économies non négligeables. Ces économies s’expriment essentiellement en gain de temps au niveau de l’installation et du paramétrage, en termes de précision et de gestion des mesures collectées, ainsi que dans le domaine de la maintenance des appareils exploités. La multiplication de paramètres mesurés modifie également sensiblement le statut du débitmètre et permet d’optimiser les coûts d’exploitation au niveau des process. Explications.

Les principes de mesure utilisés en débitmétrie sont aujourd’hui bien établis et n’ont pas sensiblement évolué ces dernières années. Dans le domaine de l’eau, qu’il s’agisse d’eaux brutes, d’eau potable ou d’eaux usées, la débitmétrie repose largement sur l’électromagnétique et les ultrasons, même si la gestion des boues, notamment, fait appel à des principes de mesure différents.
Le nouveau débitmètre électromagnétique MIS de Kobold se situe à mi-chemin entre les gammes MIM (jusqu’au 2") et le modèle plus haut de gamme EPS. Il associe les manchettes à brides (DN80 et DN100) du modèle EPS avec l’électronique conviviale et intuitive du MIM.

Encore faut-il faire le bon choix ce qui, sur certaines applications, ne relève pas toujours d’une évidence absolue.

« Tout d'abord, et c'est fondamental, il convient de connaître précisément tous les détails de l'application, de façon à identifier complètement les besoins, explique Jacques Marionneau chez Kobold Instrumentation. La nature du fluide à mesurer (composition, densité, viscosité, concentration, chargé ou non, …), les conditions d'environnement (pression, température, zone explosive ou non, ..), l'échelle de mesure souhaitée et la rangeabilité, les contraintes de montage (vertical, horizontal, type de tuyauterie, longueurs droites disponibles, …), les fonctions souhaitées pour le débitmètre (indicateur, contrôleur, transmetteur, compteur, doseur,…) et la précision souhaitée. Avec ces éléments, on peut s'orienter vers une technologie ou une autre ».
Le débitmètre électromagnétique à insertion FPI Mag® (Full Profile Insertion) de McCrometer, commercialisé en France par Engineering Mesures, associe précision, facilité d’installation et économie en revendiquant une précision de ± 1 %.

De nombreuses solutions existent : des manchettes électromagnétiques fournies par Krohne, Endress+Hauser, Engineering Mesures, Kobold, Tecfluid, Flow Lab Technologies, CT Platon, très précises, jusqu’au débitmètres à ultrasons développés par Ultraflux, C2AI, Aqualyse, Endress+Hauser, Krohne, Hydreka, ifm electronic, Magnetrol ou Isma, en passant par les solutions Vortex, Coriolis ou des débitmètres à différentiel de pression fabriqués par Eletta. « Pour de l'eau filtrée, s’il n'y a pas besoin d'une grande précision, un débitmètre à flotteur, à palette, à turbine ou rotor pourra répondre au besoin à moindre coût par rapport à un débitmètre électromagnétique, précise Jacques Marionneau chez Kobold Instrumentation. De même, pour la mesure d'un mono produit à densité fixe, un débitmètre volumétrique (roues ovales, engrenage) pourra rendre les mêmes services qu'un débitmètre massique Coriolis et ce à moindre coût. Un débitmètre à insertion aura un coût d'installation moindre. Un débitmètre à ultrason non intrusif, pourrait s'avérer intéressant grâce à son coût d'installation négligeable et la non-nécessité d'un arrêt de la ligne pour son installation ».

Ce qui est vrai pour le principe de mesure, l’est tout autant sur le type d’installation choisi : en ligne, à brides, à vis, à insertion, clamp-on… ? Les sondes à insertion telles que les HydrINS d’Hydreka, Primeprobe3+ de Primayer, Flomat de Tecfluid, 8045 de Burkert ou Flo-Pipe de Cometec, constituent dans bien des cas une alternative intéressante.

La réalité est que la solution universelle n’existe pas, chaque application étant unique. Tous les spécialistes en conviennent, la précision de la mesure et son coût dépendent d’abord et avant tout du degré d’adaptation de l’appareil par rapport au process considéré. Matthieu Bauer, Responsable de marché Environnement Energie chez Endress+Hauser France, distingue deux grandes catégories de coûts : « le CAPEX, ou coût d’achat initial, et l’OPEX, le coût à l’exploitation des instruments ». Pour le premier, un montage sans modification de la tuyauterie (0 DN) peut permettre de réduire la facture lors de l’installation de l’appareil. Pour le second, de nombreux facteurs entrent en jeu.

Jacques Marionneau insiste sur « l’importance de bien prendre en compte le coût global du débitmètre, comprenant : son coût d'acquisition propre, le coût d'installation et le coût de son utilisation ou sa maintenance ».

Choisir un appareil adapté au process considéré

Isma a développé des applications spécifiques pour ses débitmètres portables et fixes qui permettent aux exploitants de gagner du temps, lors du paramétrage, en exploitation et en maintenance.

Spécialisée dans l’instrumentation de mesure, notamment en débitmétrie, Engineering Mesures propose une large gamme d’appareils en sélectionnant les technologies les plus appropriées pour un client donné. « Un débitmètre doit s’adapter aux process et non l’inverse, explique David Cohen, dirigeant de l’entreprise. Dans la proposition transmise au client, nous éliminons ce qui ne peut pas fonctionner et nous ne conservons la technologie la plus adaptée. On propose ainsi l’appareil qui convient le mieux à celui qui va l’exploiter, sachant que l’on rencontre des exigences différentes, en fonction de l’installation, et de la maintenance. Nous nous occupons de la sélection des appareils, de la vente des instruments, de la mise en service, et éventuellement des maintenances à faire, mais nous ne faisons pas l’installation ».

Bürkert travaille sur la présentation d’une nouvelle gamme de débitmètres reposant sur la technologie SAW, susceptible de concerner directement le domaine de l’eau, bien au-delà des eaux industrielles…

Pour satisfaire l’ensemble des besoins, l’entreprise examine toutes les technologies disponibles sur le marché. Celle basée sur le DeltaP avec aujourd’hui l’utilisation de capteur de DP multivariables permettant d’intégrer la mesure de pression et de température pour avoir une sortie corrigée en masse, emploie des appareils permettant de mesurer la différence de pression entre deux points en amont et en aval de l’instrument afin de connaître le débit.

Chez Tecfluid, Flomid® et Flomat® sont dotés d’un autodiagnostic et d’une surveillance en permanence  du capteur et des circuits électroniques du convertisseur permettant à l’utilisateur de détecter par lui-même 
une éventuelle anomalie.

Eletta propose des débitmètres à différentiel de pression (Delta P) depuis plus de 70 ans. Cette technologie éprouvée représente une part importante des débitmètres installés à travers le monde. « Nos débitmètres à différentiel de pression fonctionnent sur de très nombreux fluides y compris les fluides non conducteurs tels que les huiles ou l’eau désionisée », souligne Stéphane Morlat chez Eletta. La technologie à delta-P à laquelle se rattache le débitmètre Série M, permet de n’avoir aucune pièce en mouvement dans la section de canalisation. Il intègre deux capteurs de pression mesurant respectivement la pression amont et la pression aval de part et d'autre de la plaque à orifice, et un micro-processeur logé dans l'unité de contrôle de l'appareil, qui va retranscrire le différentiel de pression en signal, 2 fils, 4-20 mA proportionnel au débit. 

Côté communication, le débitmètre peut aussi être utilisé en mode numérique Modbus RTU : dans ce cas, les informations suivantes sont disponibles : pression amont, pression aval, température du fluide et, bien entendu, débit. Cette solution se révèle très économique en réduisant le nombre de capteurs à installer. Le débitmètre est compact, les parties mesure et prise de pression (plaque à orifice) sont intégrées à l'appareil ce qui simplifie l'implantation. Les orifices calibrés sont interchangeables, ce qui permet, en cas d’erreur dans le choix des orifices ou d’augmentation de la production, de faire évoluer l’appareil en changeant uniquement l’orifice. Dans certains cas, les utilisateurs n’ont aucune idée du débit de leur application. Eletta propose alors de réaliser une estimation en fonction du DN et de la pompe, puis livre l’appareil avec un orifice déterminé : en cas de sur ou sous-dimensionnement, le fabricant échange l’orifice pour rendre l’appareil adapté à l’application.

Le Waterflux 3070 de Krohne intègre 
des capteurs de pression et de température en plus de ses électrodes permettant de mesurer le débit.

Le débitmètre Série M peut être installé sur des canalisations verticales, horizontales ou avec toute autre orientation. Sa précision est de 1 %. Il est disponible avec des raccordements taraudés (1/2" à 1 1/2") ou entre brides (DN15 à DN 500) en version acier inoxydable ou alliage de cuivre. Un montage déporté de l'unité de contrôle lui permet d’être installé sur des applications avec de fortes vibrations ou fortes températures.

La technologie Heartbeat, désormais intégrée dans la quasi-totalité des appareils de mesure Endress+Hauser, fournit des diagnostics clairs indiquant ce qui doit être fait pour maintenir le parc installé. Elle ouvre ainsi la voie à une maintenance prédictive et assure l’exploitant de la fiabilité opérationnelle et de la sécurité du process.

« Le principe le plus connu dans le domaine de l’eau aujourd’hui, c’est celui de la mesure électromagnétique, sous réserve que l’eau soit conductrice, explique David Cohen. C’est le principe de mesure le plus répandu, avec de très bonnes incertitudes, sans perte de charge, et disponible à un coût peu élevé. Dans ce domaine, notre spécialité est de proposer un débitmètre à insertion électromagnétique. Le FPI de McCrometer, par exemple, dispose 6 points de mesure, ce qui lui confère une précision quasi comparable aux débitmètres en ligne. Un simple piquage dans la tuyauterie permet d’insérer l’appareil directement ». L’avantage ? Une installation à un coût nettement inférieur à celui d’un débitmètre en ligne, qui nécessite de couper la canalisation pour le poser. Le débitmètre à insertion ne requiert qu’un piquage de 50 mm, avec cet avantage de pourvoir être monté et démonté sans qu’il soit nécessaire d’arrêter le process. Au-delà des économies réalisées lors de l’installation, ce type d’équipement permet également de limiter les coûts lorsqu’il faut réaliser des calibrations, la pose de vannes n’étant pas requise. Le principe de l’insertion n’est en revanche économiquement intéressant que lorsque les canalisations dépassent un certain diamètre. Les 300 mm sont le seuil le plus fréquemment cité.

Le choix d’un appareil permettant d’alléger les contraintes d’installation en ne nécessitant pas de longueur droite amont aval peut également être source importante d’économies. Krohne avec le Waterflux, Endress+Hauser avec les Promag 10W et W 400 et ABB avec Aquamaster et Engineering Mesures avec le Cone Meter de McCrometer, proposent ce type d’appareil. Les coûts de montage s’en trouvent réduits, de même que les coûts associés à la réalisation des chambres de montage.

Le débitmètre à ultrasons Optisonic 7300 de Krohne dédié à la mesure de biogaz embarque également, en plus de la sonde de température standard, un capteur de pression disponible en option et fourni monté sur le tube de mesure.

En eaux industrielles, d’autres technologies sont parfois requises. Pour les eaux déminéralisées, par exemple, Engineering Mesures propose le vortex, en ligne ou à insertion. Cette technique repose sur l’analyse de tourbillons générés par un perturbateur de flux, permettant de mesurer le débit.

Dans le domaine de l’eau, Engineering Mesures exploite également largement les possibilités offertes par les ultrasons, avec deux principes différents, temps de transit ou effet doppler, « selon que l’on se trouve en présence d’eaux claires ou d‘eaux chargées » comme le précise David Cohen.
Le design du débitmètre SM2000 d’ifm electronic lui confère un encombrement réduit sur les canalisations rapprochées sur des skids. Le traitement en numérique via IO-Link permet la collecte du débit, comptage et température avec un seul câble.

Kobold développe également une très large gamme de technologies en matière de débitmètres : flotteur (KSM, BGN, V31), palette en ligne ou en insertion (DWD, TSK, …), rotor en ligne ou en insertion (DOT, DOR, DPL, DRG, …), roues ovales (DON), électromagnétique en ligne ou en insertion (MIM, MIS, EPS, PIT), massique coriolis (HPC, TMU, …), massique thermique en ligne ou en insertion (KES, MAS, KEC, KMT,…), vortex en ligne ou en insertion (DVZ, DVH, DVE), ultrason (DUK, DUC), oscillation (DOG), Pression différentielle (PAD + ANU ou KPL). « C’est ce qui nous permet, en identifiant le besoin d'un client au-delà même de sa propre demande, d'optimiser librement le choix du débitmètre, notamment en termes de coût global », souligne Jacques Marionneau.

Quand la mesure se fait plus précise…

Bürkert développe des débitmètres à ailettes, qui, insérés dans une canalisation, fonctionnent comme un compteur d’eau en comptabilisant un nombre de rotations effectuées par secondes. L’entreprise exploite également largement les technologies électromagnétiques et ultrasons. Mais sa spécificité reste la technologie SAW (Surface Acoustic Waves) sur laquelle repose le débitmètre FLOWave. « Nous sommes les seuls du marché à l’exploiter, souligne Olivier Bertrand, Responsable de Marché Eau en France. Le principe repose sur un tube autour duquel sont adjoints des piezo à la fois émetteurs et récepteurs, qui permettent d’envoyer des trains d’ondes sur des fréquences de l’ordre du gigahertz. Contrairement à la technologie ultrasons qui utilise des ondes de l’ordre du MegaHertz, cette technologie permet de mesurer des débits avec des précisions de l’ordre de 0,4 %. C’est le principe des ondes de surface acoustiques : on envoie un train d’impulsions qui se propagent le long de la tuyauterie et le fluide mesuré. Les ondes rebondissent contre les parois de la canalisation et traversent plusieurs fois le liquide, ce qui permet de déterminer le débit, mais aussi le sens de circulation du fluide. Il est même possible de savoir quelle typologie de fluide passe dans la canalisation ». 

Une mesure précise donc, mais également des informations complémentaires, potentiellement précieuses pour certains process de production et/ou de nettoyage, concernant la nature du fluide mesuré et son sens de circulation. A l’origine, la technologie, disponible depuis trois ans, a été principalement développée pour des applications très exigeantes en matière d’hygiène, notamment en industries pharmaceutiques et agroalimentaires, ainsi que pour des applications véhiculant des liquides de conductivité faible ou nulle. Mais Bürkert travaille sur la présentation d’une nouvelle gamme de débitmètres reposant sur la technologie SAW, susceptible de concerner directement le domaine de l’eau, bien au-delà des eaux industrielles…

Plus autonomes, communicants et plus conviviaux

L’appétence des exploitants pour les équipements autonomes, sans fil et communicants a porté le marché de la débitmétrie ces dernières années, pas seulement pour satisfaire la voracité en datas de l’usine connectée ou de l’industrie 4.0. Le développement de certaines applications, comme par exemple l’instrumentation des réseaux d’eau potable mais aussi d’assainissement, ont dopé les besoins. « L’optimisation s’est faite principalement sur la partie électronique » explique Christophe Lichtle, Gérant chez ISMA. 
Torpee-Mag de Cometec est un capteur électromagnétique qui s’insère dans une conduite en charge et réalise plusieurs mesures de vitesse du fluide à des points précis. Il permet de mesurer la vitesse d’un liquide conducteur sur une large gamme avec une bonne précision, même à faible vitesse. Chaque paire d’électrodes réparties sur toute la section du conduit mesure la vitesse locale. La vitesse moyenne dans le conduit est obtenue en faisant la moyenne des vitesses mesurées (<0,5%). Cette conception garantit une meilleure précision qu’une sonde à un seul point, le résultat obtenu est proche d’une manchette électromagnétique.

Les instruments n’évoluent que lentement sauf en matière de communication. Les exploitants sont devenus friands de communication sans fil, et c’est surtout dans ce domaine que l’on peut faire des économies. Il n’est plus nécessaire ni de tirer des câbles, ni de se déplacer pour collecter les données, ni de perdre du temps pour réaliser certains calculs. Les applications, conçues pour les professionnels qui connaissent les lois physiques liées à la débitmétrie restent simples à utiliser et n’impliquent ni connaissances spécifiques, ni connaissances particulières ». Wifi, Bluetooth, GSM… permettent une installation simplifiée, une configuration à distance et une remontée facile des données mesurées, réduisant ainsi les coûts de mise en service et d’exploitation. « On peut également aujourd’hui utiliser un même transmetteur pour plusieurs capteurs, et donc réaliser des économies à l’achat ainsi que sur la maintenance, souligne Christophe Lichtle. Il est désormais possible d’exploiter de 4 à 12 capteurs pour un même transmetteur ».

Le MAG 8000 de Siemens est un compteur doté de fonctionnalités de mesure et d’affichage intelligentes. Simple à installer, il offre des avantages certains en matière de coûts d’exploitation et de convivialité de service. Son module de communication sans fil 3G/UMTS, qui peut être installé dans un MAG 8000 existant (selon version soft) permet aux clients de recevoir des données en toute flexibilité par mail, FTP/FTPS ou SMS et de les transférer aux systèmes de surveillance.

Comme dans d’autres domaines de l’instrumentation, le Smartphone est devenu l’allié incontournable de l’exploitant, autant pour la mise en service et le paramétrage que pour la consultation ou la récupération des données. « Nous avons développé pour ceci des applications spécifiques, commercialisées depuis un an et demi. Elles concernent l’ensemble de nos instruments, aussi bien en débitmétrie portable qu’en débitmétrie fixe, ce qui permet aux exploitants de gagner beaucoup de temps, en exploitation autant qu’en maintenance ». La partie applications, qui modifie la façon d’appréhender l’appareil et de l’exploiter, évolue ainsi bien plus rapidement que la partie hardware. « Nous faisons bien plus de développements en software qu’en électronique », confirme Christophe Lichtle chez Isma.

Autre piste pour réaliser des économies, le développement de cartes électroniques standardisées, susceptibles de convenir à tous les appareils avec une programmation spécifique en fonction du matériel. Cette piste est à l’étude chez Isma pour optimiser les coûts de fabrication de ses différents modèles.

De la mesure quantitative à la mesure qualitative ?

Krohne exploite également les principes de mesure les plus courants en débitmétrie. L’entreprise est à l’origine de plusieurs développements essentiels et certains de ces équipements comme par exemple le Tidalflux pour la mesure de débit en conduites partiellement remplies font figure de référence. 
La part la plus importante, dans le prix d’un capteur d’assainissement, est le coût d’exploitation et d’entretien. Le Raven Eye de Cometec, grâce à sa technologie sans contact, rend les coûts d’exploitation pratiquement nuls. Sa technologie lui permet de calculer les débits sans aucun contact avec l’effluent, ni installation d’organes déprimogènes tels que déversoir ou venturi.

« Depuis deux ans, nous avons ajouté des capteurs de pression et de température sur nos appareils : en réseau d’eau potable, la pression est un paramètre essentiel souvent révélateur de fuites, et la température est également un paramètre important pour suivre la qualité de l’eau. Cette avancée évite l’installation de capteurs supplémentaires et surtout leur raccordement, pas toujours évident. Cela permet à l’exploitant d’être alerté plus rapidement et d’être ainsi plus réactif et plus efficient », explique Damien Jacquier, Energy, Water and Environment division manager chez Krohne. Le Waterflux 3070 de Krohne intègre ainsi des capteurs de pression et de température en plus de ses électrodes de mesure du débit. Son débitmètre à ultrasons Optisonic 7300 pour la mesure de biogaz embarque également, en plus de la sonde de température standard, un capteur de pression disponible en option et fourni monté sur le tube de mesure. Les variations possibles de la teneur en méthane du biogaz, peuvent rendre nécessaire, pour la bonne exploitation du process, de connaître précisément sa teneur en méthane dans le cadre d’un mélange méthane/CO2. Dans ce cas, une sonde de température, en combinaison avec la vitesse du son mesurée, permet une mesure directe, par le calcul de la masse molaire, de la teneur en méthane. 

Les débitmètres électromagnétiques Tecfluid sont disponibles avec le convertisseur MBC-1 alimenté par 
2 ou 4 piles 3.6v 19 Ah avec une autonomie de 5 ans ou 10 ans respectivement.Une alimentation 12.30Vdc est également disponible.

Le Prosonic Flow B200 d’Endress+Hauser permet de mesurer en temps réel de la teneur en méthane intégrée, ce qui constitue une donnée essentielle pour piloter la réinjection dans le réseau de gaz naturel. Cette multiplication des paramètres mesurés n’est pas neutre. Elle permet d’optimiser l’exploitation du process en réduisant les coûts et constitue un pas supplémentaire vers une mesure, non plus seulement de la quantité de produit, mais également de sa qualité.

La transmission des données en temps réel vers un système d’automatisme via des protocoles de communication fait également l’objet d’optimisations régulières. Objectif : limiter les coûts d’exploitation au quotidien. « Nous développons pour ceci des protocoles de communication à basse consommation permettant d’améliorer la collecte des données et la remontée des informations. Le but est d’éviter tout décalage entre les valeurs locales, mesurées sur l’appareil, et les données remontées en supervision », précise Damien Jacquier chez Krohne.

Maintenance : uniquement lorsque c’est nécessaire

Pour David Cohen, chez Engineering Mesures, les évolutions les plus importantes concernent en grande partie l’analyse des défaillances des débitmètres. « Les débitmètres deviennent de plus en plus intelligents, ils sont capables de recueillir et d’analyser les datas liées à leur fonctionnement, ce qui permet d’initier des opérations de maintenance ou de prévoir d’éventuelles interventions en fonction des données recueillies et des changements affectant les mesures, explique-t-il. L’exploitant n’est plus obligé de contrôler les appareils de façon systématique, ceux-ci étant désormais capables de fournir des indications précises sur leur état de fonctionnement. Il dispose ainsi de toutes les données pour analyser le fonctionnement de son parc d’appareils et repérer ainsi les éventuelles dérives. Le fait que les appareils soient connectés permet aujourd’hui d’optimiser la plupart des coûts ».
La sonde du débitmètre Doppler Greyline DFM-5.1, commercialisé par Anhydre, est installée à l’extérieur de la conduite et ne se trouve donc pas éprouvée par un liquide abrasif ou très corrosif. Ce montage ne crée ni obstruction ni restriction dans l’écoulement.

« En matière de coûts d’exploitation, les principaux postes de coûts sont liés à la maintenance et au contrôle de bon fonctionnement des débitmètres, qui peut être effectué aujourd’hui sans démontage de l’instrument grâce à la technologie Heartbeat, installée sur la plupart des instruments Endress+Hauser en mesure débit mais aussi de niveau, ainsi qu’en analyse physico-chimique, confirme Matthieu Bauer, chez Endress+Hauser France. Cette technologie permet de visualiser l’état de santé du capteur directement sur l’afficheur, d’éditer des rapports de fonctionnement de l’instrument, et de rapatrier les données directement sur la supervision ». L’ensemble de ces fonctionnalités donnent une vision prédictive de la maintenance à effectuer sur les capteurs et permettent ainsi d’anticiper les pannes et les défauts, et ainsi de réduire considérablement les coûts d’exploitation des débitmètres ». Pour les contrôles obligatoires, Heartbeat Verification examine le fonctionnement de l’appareil et génère automatiquement un procès-verbal. Sur certaines installations, Endress+Hauser propose les sondes de température TrustSens qui effectuent un auto-étalonnage traçable, permettant d’accroître la disponibilité des équipements.

Outre des mesures précises, les débitmètres fournissent ainsi quantité d’informations sur l’appareil et le process. En plus d’un diagnostic en temps réel, une fonction monitoring permet de détecter de façon précoce les facteurs ayant une influence négative sur les performances des capteurs ouvrant ainsi la voie à une maintenance prédictive.