Vers plus de fiabilité dans la débitmétrie en eaux usées

Sécurité de l’installation, optimisation des procédés, protection de l’environnement..., voici quelques aspects qui confirment aujourd’hui la place prépondérante de la mesure de débit dans le traitement des eaux usées. Cette mesure fournit des informations très utiles pour alerter les exploitants lors de dysfonctionnements comme un apport excessif en eau entraînant une surcharge, un raccordement sauvage qui déverse des eaux usées dans le réseau, l’apport d’eaux claires ou une perte d’effluent par une détérioration de conduites. Ce qui offre plusieurs avantages.

D’un point de vue économique, la mesure de débit en regard de la capacité des collecteurs ou de la mise en séparatif des eaux permet d’évaluer le dimensionnement suffisant ou insuffisant des tuyaux et de prévenir des surcoûts d’exploitation pour les stations d’épuration. Elle peut également quantifier les apports d’eaux claires dans les eaux.

usées et estimer les déversements accidentels d’eaux usées dans les eaux claires et dans les rivières. Enfin, la mesure de débit sur le réseau d’eaux usées en séparatif rend possible la quantification de l’effet des pluies et l’identification des mauvais raccordements. Autant d’informations nécessaires à la recherche et à la compréhension des phénomènes, pour ensuite appréhender les incidents et défauts du système.

Le plus répandu, l’électromagnétique

Ces dernières années, la mesure de débit combinée à une commande de process automatisée et à des interfaces de communication modernes, a permis le développement de solutions adaptées aux diverses situations rencontrées. Plusieurs technologies se côtoient aujourd’hui, dont la plus ancienne et la plus utilisée reste la mesure de débit par électromagnétisme. D’après le principe d’induction selon Faraday, une tension est induite dans un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique. Dans le cas du procédé électromagnétique, c’est le fluide en mouvement qui représente le conducteur. Le champ magnétique avec une puissance constante est généré par deux bobines magnétiques agencées des deux côtés du tube de mesure. Perpendiculairement à cela, deux électrodes montées sur la paroi interne de la conduite mesurent la tension produite lors du passage du fluide. La tension induite est proportionnelle à la vitesse d’écoulement et de ce fait au débit volumique.

Ici, le champ magnétique est généré par un courant continu de polarité changeante, ce qui garantit un zéro stable et rend la mesure insensible à des effets dus aux produits multiphasiques, inhomogènes ou à une faible conductivité, autant de situations rencontrées dans les eaux usées ou les boues. Autre atout, les débitmètres électromagnétiques ne gênent en rien l’écoulement du fluide ; par conséquent, ils ne font pas intervenir de pertes de charge dans le système, ils ont une réponse linéaire, avec une large gamme de diamètres de conduite (de quelques mm à 2 m généralement), et ont la capacité de mesurer un écoulement bidirectionnel. Convenant particulièrement aux mesures de débit en conduite fermée, les débitmètres électromagnétiques sont utilisés pour mesurer tous liquides conducteurs (> 1 µS/cm) avec ou sans matières en suspension, y compris des liquides agressifs et corrosifs.

Les débitmètres électromagnétiques sont proposés par de nombreux constructeurs parmi lesquels ABB, Bamo, Emerson, Endress+Hauser, Krohne, Sika France, Siemens Process Instrumentation, Tecfluid, Yokogawa… Ils font l’objet d’améliorations régulières. Récemment, Heinrichs a par exemple présenté son débitmètre électromagnétique à insertion PIT commercialisé en France par Engineering Mesures. L’insertion permet, sans perte de charge, la mesure sur des conduites pouvant aller jusqu’à 4 mètres. Plus la conduite est large, plus cette solution devient économique par rapport à un appareil en ligne. L’ensemble peut être monté et démonté en charge. De conception très industrielle, pour des températures jusqu’à 180 °C et des pressions jusqu’à 40 bar, avec des électrodes en matériau résistant à la corrosion, sans aucune pièce en mouvement, le PIT est adapté à la mesure de débit des liquides corrosifs, visqueux, chargés, chauds… Dans des industries comme la chimie, l’énergie, les eaux usées, les industries agroalimentaires.

Chez Yokogawa, le RXF, destiné aux applications du traitement d’eau, offre un large éventail d’autodiagnostics habituellement présent sur des appareils haut de gamme. La détection de colmatage des électrodes avec visualisation sur l’afficheur et fonction alarme permet aux utilisateurs de planifier

Des actions de maintenance préventives et ainsi éviter une perte inopinée de la mesure. Le RXF dispose également, entre autres, de la détection de tube vide et d'une sélection automatique de quatre étendues de mesure. L'utilisateur peut régler jusqu’à quatre échelles de mesure. L’entrée d'état permet de visualiser sur quelle étendue l'appareil travaille. Cette fonction évite un re-paramétrage systématique de la sortie analogique du débitmètre. De plus, pour une utilisation aisée, l’ensemble des menus du RXF est intégralement en français.

Chez Tecfluid, les capteurs électromagnétiques à insertion Flomat peuvent être montés et démontés en charge sous pression avec le système Flomat-TAP, ce qui permet une maintenance rapide sans interrompre le process.

Autre exemple, le capteur de mesure électromagnétique Optiflux 2000 de Krohne, doté d'un revêtement en PP, est universel et bien adapté aux fluides difficiles : eaux usées, boues, produits chimiques, produits corrosifs ou abrasifs. Chez Endress+Hauser, la gamme Promag W, disponible de DN 25 à DN 2000 est proposée avec différents revêtements en fonction des applications.

Si les améliorations sont régulières, c’est surtout au niveau du traitement du signal et grâce aux nouveaux composants qui accélèrent les capacités de calcul que des progrès sont enregistrés.

Des progrès en traitement du signal

« Si la performance des débitmètres électromagnétiques dépend bien évidemment du capteur, le traitement du signal fait également partie des facteurs clés de la mesure, explique Cédric Fagot, chef de marché Eau et Environnement chez Endress+Hauser. Dans les eaux chargées, un bruit de fond important se superpose au signal que l'on cherche à mesurer, le traitement numérique du signal réduit le temps de réponse et améliore le rapport signal/bruit. » Le concept Promag 55S, développé par Endress+Hauser, est basé sur un traitement du signal spécifique qui consiste à séparer le signal de mesure des tensions parasites et à assurer un point zéro stable. Cette technologie, basée sur l’utilisation d’un champ DC pulsé, permet d'effectuer des mesures sur des fluides fortement chargés en éléments solides avec une très grande stabilité et une très haute précision.

Les débitmètres Fluxus de Flexim présentent également une très haute dynamique de mesure (rapport signal utile/bruit).

Celle-ci est obtenue grâce aux filtres de fréquence automatiquement adaptés aux capteurs connectés. « Une haute dynamique de mesure est indispensable à la mesure sur eaux usées car celles-ci présentent une haute proportion de matières solides ou gazeuses, précise Anne Lessard, Flexim. Même les signaux très faibles doivent pouvoir être reconnus. »

Chez Krohne, la plupart des débitmètres électromagnétiques sont équipés du convertisseur IFC 300 adapté à tous types de capteurs, disposant d’un triple diagnostic : diagnostic de l'instrument, de l'application et de la qualité de mesure. Le Tidalflux est quant à lui un débitmètre électromagnétique destiné à la mesure de débit dans des conduites partiellement remplies. Pour ce faire, l'appareil utilise un système de mesure à induction magnétique classique, associé à une mesure de niveau capacitive intégrée dans le revêtement. L’appareil peut ainsi déterminer simultanément la vitesse et la hauteur de liquide. Les données sont intégrées par un convertisseur IFC 110 PF, qui calcule le débit réel. Le Tidalflux existe pour des diamètres variant entre 200 et 1 000 mm.

Le débitmètre électromagnétique Partimag II d'ABB Instrumentation a également été développé spécifiquement pour fonctionner sur ce type d'application où le niveau d'eau n'est pas constant dans les canalisations. En complément de sa mesure traditionnelle de vitesse, il intègre une mesure de niveau. Puisque la section interne du débitmètre est connue, le processeur de l'appareil déterminera le débit grâce au calcul simple suivant :

Débit = vitesse du fluide x section mouillée du débitmètre.

Afin de mesurer la vitesse d'eau quel que soit son niveau dans le débitmètre, le Partimag II dispose de quatre paires d'électrodes disposées de part et d'autre de la surface inférieure de son tube de mesure. La mesure de niveau d'eau est, quant à elle, obtenue par un système à ultrasons breveté qui génère un train d'ondes sinusoïdales haute fréquence au travers d'une des paires d'électrodes et qui se reflète sur le ciel de la veine fluide. Le Partimag II permet des mesures de débit de 1 % à 3 % d'incertitude, et ceci dès 10 % de niveau de remplissage. Disponible de DN 150 à DN 2000, sa mesure de débit est bidirectionnelle et il est disponible en version étanche IP 68.

Sur les débitmètres électromagnétiques Rosemount de la Série E, récemment introduits sur le marché, l'accent a été mis sur les diagnostics qui facilitent l'installation et l'exploitation de ces instruments. Les diagnostics standards, fournis dans toutes les versions, incluent les diagnostics d'intégrité au sein de l’instrument et l’identification de l’origine du défaut. Par exemple des défauts comme « Panne bobine » ou « Panne EEPROM » ainsi que la fonctionnalité de détection de tube vide qui est ajustable.

Ensuite, le pack « Diagnostics HART » inclut la détection des défauts de câblage et de mise à la terre, la détection de bruit signal excessif et le contrôle du débitmètre qui facilite le diagnostic de l'état fonctionnel de l'instrument dans les opérations de maintenance.

Mais un nouveau diagnostic est également proposé : la validation d’étalonnage embarquée 8714i. Jean Yvert, Responsable produits débitmétrie et densimétrie au sein de la division Micro Motion & Rosemount Flow chez Emerson Process Management, explique : « Pendant longtemps, les clients qui souhaitaient – ou devaient – vérifier l’étalonnage de leur débitmètre étaient contraints de le démonter de la conduite et de le vérifier par rapport à un étalon local ou de l’envoyer en station d’étalonnage extérieure. D'où des arrêts d’installation, et des coûts de main-d'œuvre pour le démontage, les essais et la remise en place. Ces dernières années, les utilisateurs ont incité les constructeurs à développer des accessoires pour supprimer le besoin de démontage et trouver un substitut à la vérification par rapport à un étalon. Cela a constitué un progrès pour beaucoup d’utilisateurs en leur permettant de satisfaire leurs procédures internes de suivi qualité, voire les exigences environnementales dans le cas des rejets d’eaux usées ou encore les contraintes spécifiques de certaines industries comme la pharmacie. »

La fonctionnalité 8714i va encore plus loin en supprimant le recours à des accessoires externes ainsi que les câblages associés à leur mise en œuvre. Le matériel nécessaire à la validation d’étalonnage du tube de mesure et du transmetteur est intégré dans les cartes électroniques du transmetteur 8732E. De cette façon, la validation de l’étalonnage du débitmètre se réduit à exécuter le diagnostic embarqué 8714i. La fonctionnalité embarquée 8714i fournit une méthode simple et autonome qui donne des résultats chiffrés de validation d’étalonnage. C’est une économie sensible de temps et de coûts, quand on la compare à une vérification par rapport à un étalon ou à un contrôle faisant appel à du matériel complémentaire. L'accès aux données de validation se fait par l’indicateur du transmetteur, l’interface de communication portable 375 ou le logiciel AMS Device Manager. Les données sont consultables par scrutation sur l’indicateur et permettent de remplir manuellement le rapport de validation dont le modèle est présent dans le manuel. Avec AMS, il n’y a besoin d’aucune option logicielle. L’utilisateur fait simplement une copie du dernier écran de la procédure 8714i et l’imprime.

rapport est directement rempli et prêt pour signature et archivage.

Une autre technique se taille la part du lion, surtout sur les conduites de grands diamètres car elle est moins encombrante et moins onéreuse qu'un capteur électromagnétique : les ultrasons.

Les ultrasons : surtout pour de gros diamètres

Les débitmètres à ultrasons reposent sur deux principes : l’effet Doppler et, plus utilisé, la mesure de temps de transit, c'est-à-dire la durée du parcours du son au sein du fluide.

Une ou plusieurs paires de capteurs montées sur la conduite émettent et reçoivent simultanément des impulsions ultrasoniques. Sans débit, le temps de parcours aller-retour est identique, il n'y a pas de différence de temps de transit. Lorsque le fluide est en mouvement, le temps de transit dans le sens d'écoulement est réduit et celui à contre-sens est augmenté. La différence de temps de transit alors mesurée est directement proportionnelle à la vitesse d’écoulement et de ce fait au débit volumique. Deux types de capteurs différents permettent à l'utilisateur de mesurer des débits au cours de son process de manière économique, rentable et astucieuse – quand et où bon lui semble. La principale caractéristique des capteurs clamp-on est qu'il est possible de les monter à tout moment sur l’extérieur de conduites existantes. Leur champ d’application couvre de ce fait les utilisations dans l’industrie de l’eau jusqu’aux procédés industriels. Leur mise en œuvre ne demande pas d'intervention sur la tuyauterie, donc pas d’arrêt du process, ni de vidange pour être mis en place et réaliser la mesure.

Pour réaliser cette mesure de nombreux appareils sont présents sur le marché. Les Fluxus de Flexim de type AMD 7407 permettent la mesure sur les conduites de 6 à 6 500 mm et ce sur presque tous types de conduites. Les débitmètres Optisonic 6300 de Krohne, Prosonic Flow d’Endress+Hauser peuvent mesurer les débits sur tous types de conduite avec une mise en service très rapide. Tout comme les Minisonic d'Ultraflux qui existent en versions portables ou en versions fixes, industrielles ou anti-déflagrantes (certification ATEX) pour zones dangereuses. Ces débitmètres s’associent en particulier à des sondes externes adaptées aux très petites (à partir de 10 mm) et aux grandes conduites (~3,3 m) et à tout type de fluides transparents aux ultrasons. Les modèles fixes sont aussi proposés avec des sondes intrusives ou des manchettes pour des diamètres à partir de 4 mm. Ils sont disponibles en version mono ou bicordes. De son côté, Flexim propose par exemple un débitmètre économique à ultrasons conçu pour une utilisation fixe dans le secteur de l'eau et des eaux usées. La mesure est effectuée sans intrusion grâce au système clamp-on. Les capteurs sont étanches à l'eau et équipés d'un câblage fixe. La mise en service peut avoir lieu durant l'exploitation. Le processeur numérique de signal (DSP) et l'algorithme sophistiqué de traitement du signal garantissent des résultats stables et fiables, même dans des conditions de mesures difficiles.

Cependant, là aussi, c’est la partie électronique et notamment le traitement du signal qui évolue. Ainsi, dans sa gamme Minisonic, Ultraflux intègre une carte électronique intégrant les dernières avancées en matière de traitement numérique et analogique du signal. Ce qui permet des ressources accrues : dynamique d’amplification de 89 dB, contrôle permanent des signaux, amélioration de la précision sur la mesure des temps... Les Portaflow-X (portable) et Time Delta (montage fixe) de Fuji Electric sont dotés d'une électronique performante à microprocesseur 32 bits qui permet une précision de ±1 % de la mesure, un temps de réponse de 1 seconde maxi et une bonne immunité à la formation de bulles d’air (système ABM) et aux variations de pression et de température du fluide (calcul permanent de la vitesse sonique de l'ensemble).

De son côté, la gamme Prosonic Flow d’Endress+Hauser est dotée, en plus des sorties analogiques traditionnelles, d'une interface avec les bus de terrain lui permettant d’intégrer quasiment tous types de système contrôle-commande. Le modèle Prosonic Flow 93 autorise la mesure simultanée du débit sur deux tuyauteries ou sur la même avec deux chemins ultrasoniques différents. On signalera également l’existence d'autres types de débitmètres dont le prix reste encore relativement élevé et l'usage encore marginal dans le domaine de l'eau. C’est le cas du débitmètre Coriolis qui offre, par rapport à un débitmètre électromagnétique, une mesure multivariable et précise du débit massique et de la densité.

Le gain de productivité est le premier argument mis en avant par les fournisseurs grâce à la réduction des temps d’arrêt (maintenance, nettoyage) et à l’augmentation des cadences. Pour cela, les fournisseurs se tournent vers un traitement numérique du signal qui améliore le temps de réponse. Autre mesure très utilisée dans le domaine des eaux usées, la mesure de débit en canal ouvert.

En canal ouvert, de nombreuses solutions

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, le plus souvent un déversoir ou un canal venturi.

Le déversoir est une tôle rectangulaire placée en travers du chenal d’approche.

Une encoche en V aménagée au centre de la tôle peut être créée pour les petits débits. Avantage, son faible coût à l’achat et à la mise en place dans un chenal d’approche. Inconvénient, il génère une perte de charge et nécessite une maintenance suivie pour enlever les solides retenus au pied de la plaque. 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.

La norme impose des limites dimensionnelles spécifiques pour ces déversoirs, limites parfois méconnues et de ce fait non respectées entraînant des erreurs de mesure. Pour des débits inférieurs à 25 m³/h, Aqualyse réalise des bacs préfabriqués complets en PVC, avec potence capteur et déversoir inox rapporté, assurant le respect des conditions imposées par la norme.

Le canal Venturi se présente de son côté sous la forme d'une amenée d'eau et d'une contraction latérale, c’est-à-dire un dispositif pré-étalonné permettant la mesure de débit. Ces canaux préfabriqués doivent respecter la norme NF X 10-313, un texte qui concerne tous les canaux jaugeurs (avec ou sans 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 canaux retenus dans ce texte bénéficient d’une reconnaissance unanime et n'ont pas besoin d'être étalonnés sur place. 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. Mobrey Emerson, Aqualyse, Bamo, Endress+Hauser, Hach-Lange, Hydrologic, ISMA, ou encore Nivus représenté en France par Engineering Mesures, commercialisent des canaux Venturi conformes à cette norme. Chez Endress+Hauser par exemple, les canaux ont une largeur de 150 mm à 1 600 mm et mesurent des débits allant de 1 m³/h à 14 500 m³/h. Faciles à mettre en œuvre, ils sont en inox ou en fibres de verre selon la nature des effluents.

Les gammes « Aqua-Venturi » de Aqualyse et « DébitFlo » de Bamo se composent d'une dizaine de modèles en matières composites pour des gammes de débits de 0 à 7 m³/h jusqu’à 0 à 2 500 m³/h.

Selon la norme NF X 10-313, la précision de conversion Delta P en débit sur un canal jaugeur est de ± 1 à 3 %. La précision d'une chaîne complète étant estimée à ± 2 à 5 %. Avantages de la technique, sa faible perte de charge, ainsi que son caractère autonettoyant. Inconvénients, sa moindre précision, surtout à bas débits, en comparaison des déversoirs décrits précédemment. Ils nécessitent aussi une pose surveillée et contrôlée : l'implantation à l’extrémité du canal d'approche ne souffre pas les déformations qui seraient nuisibles à la précision de la mesure.

Des solutions conciliant les avantages du déversoir en V et du venturi sans leurs inconvénients respectifs ont récemment vu le jour. Aqualyse par exemple réalise des venturis « hybrides » livrés avec certificat d'étalonnage permettant une bonne précision aux petits débits (réponse exponentielle comme les V) en conservant la faible perte de charge et le caractère autonettoyant des venturis.

ISMA propose ces canaux venturi dits « exponentiels ». Ce sont des organes déprimogènes destinés à mesurer des débits d'écoulement en canal ouvert rectiligne. Lorsque les conditions d'écoulement (non turbulent) sont respectées à l’amont de la contraction venturi, et le dénoyage assuré à l'aval (écoulement libre sans contraintes de mise en charge), alors la lame d'eau à l'amont de la contraction (h ; charge hydraulique) est directement liée au débit en transit (Q).

L'originalité de ces canaux est de cumuler les avantages des canaux venturi classiques (libre passage sans seuil) et de pouvoir répondre également aux grandes variations de débits (flancs inclinés). En effet, la contraction est de section parabolique, le col s’évasant de la base au sommet. Cette particularité permet la mesure de faible débit avec précision, puisque l'écoulement réduit, transite par une section étroite, base de la forme parabolique. Le débit augmentant, la section

s'élargit jusqu’au sommet libérant progressivement une section mouillée importante suivant l’équation : y = f (x) avec y = Kxⁿ.

De ce fait, ce type de venturi permet la mesure précise de débits variant dans un rapport extrême de 1 à 100. Par exemple pour la taille V : la possibilité de mesure continue s’étend de 3,6 m³/h à 360 m³/h. Ce rapport n'est en général que de 1 à 20 pour les canaux venturi classiques.

Cette faculté répond à la demande des concepteurs ou des industriels. Il est intéressant pour la mesure de rejets soumis à de grandes variations de débit, soit en débit instantané (vidange rapide de déversoirs de stockage), sans risque de débordement préjudiciable à l'activité industrielle, soit en réseau unitaire des collectivités lors de pointe de débit (pluie d’orage).

La gamme de ces canaux dits “exponentiels” est composée de 7 types différents, permettant la mesure par plages étagées de 0,22 m³/h à 1.440 m³/h. Réalisés en polyester renforcé fibre de verre, ils présentent un coefficient de rugosité extrêmement réduit, une résistance aux effluents agressifs et chargés, une solidité assurée par des raidisseurs transversaux permettant leur implantation directe en coffrage.

En canal ouvert, une autre solution peut être utilisée : c'est le système multicordes qui est utilisé pour mesurer par différence du temps de transit comme le propose Rittmeyer avec Risonic 2000 ou Nivus avec Nivuchannel. Mais cette mesure n’est possible que si la hauteur d’eau est définie. Il faut donc associer les sondes ultrasoniques à un capteur limnimétrique pour définir la section mouillée. La mesure d’écart de fréquence est semblable au précédent mais l'on mesure la différence de fréquence au lieu de mesurer une différence de temps de transit. La vitesse peut également utiliser l'effet Doppler, en mesurant la vitesse des particules par mesure d'une variation de fréquence d'une onde ultrasonique émise et réfléchie comme le font les équipements de Nivus et OCM FM. Le FloPro de CT Platon fournit aussi une mesure directe de la vitesse de l’écoulement par ultrasons à effet Doppler. Le capteur, immergé au fond du canal, s’adapte à tout type de canalisation même sur des profils non géométriques. Plus besoin d'installer de déversoir, canal venturi ou génie civil spécifique. L’installation est simple, rapide et économique. Le FloPro mesure le niveau pour déterminer la section de passage du fluide et non pour faire une interpolation et en déduire un débit. Cette section de passage combinée à la mesure de la vitesse réelle de l’écoulement offre une mesure de débit d'une grande précision. La mesure n'est pas influencée par les éventuelles mousses en surface ou tout autre corps flottant.

Autre possibilité, la technologie Radar comme chez Cometec qui propose avec Flo-Dar une solution de mesure basée sur cette technique. Le débitmètre combine une mesure de vitesse de surface par technologie radar. Le faisceau de l’onde radar transmis sur la surface du liquide est réfléchi produisant un signal de fréquence différente. On obtient une variation proportionnelle à la vitesse de l’écoulement en comparant la fréquence transmise et la fréquence reçue. La technique est à choisir en fonction des caractéristiques de l’écoulement. Un système par cordes est plus utilisé dans des canaux à fortes largeurs et fortes hauteurs. En moyenne, il faut un minimum de 15-20 cm de hauteur d'eau pour les cordes et un minimum de 5-7 cm pour les sondes doppler ou corrélation.

Pour mesurer la hauteur d'eau, les capteurs les plus utilisés sont les systèmes à ultrasons (Cometec utilise par exemple les ultrasons pulsés). Le radar peut également être mis en œuvre comme le propose Krohne avec son Radar Optiwave 7300 C ou Vega avec une nouvelle version de capteur radar développée spécialement pour ces applications aux contraintes modérées usuellement réalisées à l'aide de capteurs ultrasoniques. Le Vegapuls 61 grâce à une antenne encapsulée ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation du principe radar dans le secteur de l'eau. Le principe de mesure radar offre certains avantages. En effet, au-delà du fait qu'il est monté hors eau et donc à l'abri des risques d'arrachement et autres problèmes d’ensablement et prolifération de végétaux, son principe de mesure à hyper-fréquences le rend totalement insensible à la température, aux conditions climatiques, à la densité et aux ciels gazeux et conditions climatiques (vents, précipitations, dérive par ensoleillement direct). Cette mesure de hauteur doit être conjuguée avec une mesure de vitesse.

De l’importance de la réglementation

Aujourd’hui, la fiabilité des mesures de débit conditionne celles de l’autocontrôle. En effet, la bonne connaissance des débits ou volumes écoulés permet d'asservir un échantillonneur, de calculer des charges polluantes, d'effectuer des bilans d'exploitation représentatifs des conditions de fonctionnement des installations et de dimensionner des ouvrages lors de réhabilitations ou d'extensions. C'est pourquoi la législation impose l’autosurveillance des systèmes d’assainissement collectifs (arrêté du 22 décembre 1994 et circulaire du 6 novembre 2000) et des installations classées (arrêté du 2 février 1998). D’où la mise en place de dispositifs de maintenance avant tout préventifs, qui permettent d’optimiser la fiabilité et la disponibilité des mesures et d’être en conformité avec les besoins réglementaires.

« Il ne suffit pas qu’un appareil soit performant, il faut aussi qu’il s’intègre dans un suivi métrologique », indique Cédric Fagot. « Chaque appareil doit donc disposer d'un plan de maintenance en conformité avec les données constructeurs, les besoins de l’exploitant et les contraintes locales ». Seul un étalonnage régulier permet de garantir la précision de la mesure. Cela suppose qu'une

Combiner mesure de vitesse par radar et mesure de niveau par ultrasons

Le FLODAR est un débitmètre hauteur-vitesse dédié aux écoulements gravitaires. La particularité de cet équipement est que le capteur s’installe au-dessus de l’écoulement. Il est donc sans contact avec l’effluent avec tous les avantages qui en résultent : installation du capteur sans descendre dans l’ouvrage, aucun encrassement, aucun entretien.

La mesure de niveau est confiée à un système à ultrasons. La mesure de vitesse est inédite, il s’agit d’un radar regardant la surface liquide. L’étalonnage du capteur sur site consiste à caler la mesure de niveau et à définir un coefficient multiplicateur de la vitesse mesurée pour obtenir la vitesse moyenne.

Application d’Achères Nitrification

Des essais menés conjointement avec OTV et le SIAAP sur la station d’épuration d’Achères ont permis de vérifier la précision du FLODAR sur un grand canal de 5 m de large. Avec un coefficient de correction de vitesse = 1, l’erreur sur 3 semaines de débit cumulé était < 2 %.

Problèmes rencontrés à la mise au point

Les vitesses faibles

La mesure de vitesse par radar repose sur l’effet Doppler des ondes électromagnétiques (24 GHz), comme tout système Doppler la mesure de vitesse faible pose problème. Le FLODAR a été capable de réaliser des mesures jusqu’à environ 20 cm/s. Durant la phase de mise au point, des débits trop faibles (inférieurs à ceux du cahier des charges) n’ont pu être comptabilisés.

Mouvement parasite

Un phénomène imprévu a nécessité l’utilisation de nouvelles fonctions sur le paramétrage des débitmètres. Les canaux étant en communication en aval, lorsque l’un des deux est à l’arrêt, il conserve un niveau d’environ 2,8 m. Le FLODAR correspondant mesure néanmoins une vitesse de surface de 20 à 30 cm/s. On observe également qu’à régime faible, le FLODAR hésite entre deux vitesses.

Ces phénomènes sont causés par un effet de pompage qui n’est pas toujours visible à l’œil nu, il s’agit d’un mouvement vertical du plan d’eau vu par le radar comme une vitesse d’écoulement faible (20 à 30 cm/s). Ce pompage est dû, en aval, à un effet aval : déversoir, rétrécissement, raccordement avec un autre conduit…

Cette vitesse fictive est ignorée par le capteur si la vitesse réelle de l’écoulement produit un signal plus fort. Sinon le débitmètre donne un débit bien inférieur à la réalité.

Le spectre de vitesse ci-dessus montre le pic de vitesse réel en jaune et le pic parasite en vert.

Il faut réussir à ne pas tenir compte de ces pics parasites tout en pouvant faire des mesures à faible vitesse. La solution consiste à définir au niveau du capteur, des limites de vitesse haute et basse utilisées lorsqu’un spectre présente plusieurs pics.

Les mousses

La présence de mousse en surface s’avère gênante pour la mesure de niveau ultrasonique (absence d’écho de retour). Pour pouvoir fonctionner le plus souvent possible, le seuil de niveau d’écho minimum est abaissé.

La fonction consistant à conserver en cas de défaut la dernière mesure correcte durant un certain nombre de minutes peut être employée sur une dizaine de minutes pour combler des trous de mesures de niveau.

Précision de mesure

L’erreur engendrée par le calage de niveau est minime sur des ouvrages de cette taille, en effet avec un niveau moyen de 3 m, une erreur de calage de 1 ou 2 cm est acceptable.

Comme lors des essais effectués auparavant, le coefficient de vitesse est fixé à 1.

L’un des canaux recevant des débits auparavant mesurés par un Venturi, il a pu être constaté une bonne corrélation des mesures. La précision de mesure souhaitée était de 5 %, elle est atteinte.

Suite à ces essais, deux débitmètres ont été installés sur la nouvelle usine d’Achères Nitrification. Les deux canaux parallèles larges de 7,5 m et 4,2 m, ayant une longueur droite supérieure à 100 m présentent de bonnes conditions hydrauliques.

Les capteurs FLODAR sont installés à environ 5 m au-dessus du radier. Les gammes de débit sont de 12 à 50 m³/s et 3 à 30 m³/s pour une hauteur d’eau comprise entre 1,35 m et 3,6 m.

La solution pour le démontage du débitmètre a été prévue à la conception (bypass, débitmètre de remplacement, manchette…). En complément de l’étalonnage, Endress+Hauser préconise un contrôle annuel sur site. Le technicien délivre alors un certificat de bon fonctionnement avec un relevé de mesure. Cette prestation est réalisable pour la plupart des marques de débitmètres à l’aide du simulateur adéquat. La vérification de la mesure de niveau en canal ouvert s’effectue sur site. Un technicien spécialisé procède à un contrôle dimensionnel de l’organe déprimogène et à l’étalonnage de la mesure ultrasons à l’aide d’outils spécifiques (potence & compteur incrémenté et multimètre numérique).

ABB propose CalMaster2, un ensemble d’outils autonomes local pour la vérification des débitmètres électroniques de sa gamme, qui permet de tester leur intégrité. La vérification comprend un grand nombre de routines de test indépendantes. Un rapport s’affiche après chacun des tests confirmant le résultat de la vérification et les performances du débitmètre en cours de vérification.

Mais ces techniques d’autodiagnostic arrivent timidement sur le terrain. « Nous ne bénéficions pas encore de ce genre de matériel, précise Jean-Luc Garcia, responsable de service usine chez Veolia Eau, auprès de plusieurs stations d’épuration. Pour l’heure, ce sont les constructeurs qui sont le mieux placés pour étalonner leurs produits, tandis que le Satese vérifie chaque année notre matériel ».

Conclusions

Avantages :

• - Aucun contact avec l’effluent
• - Nécessite une hauteur d’eau minimum de 5 mm
• - Installation simple du capteur au-dessus de l’ouvrage
• - Vitesse mesurée proche de la vitesse moyenne
• - Bonne précision de mesure

Inconvénients :

• - Coût à l’achat
• - Nécessite un minimum de vitesse d’écoulement
• - Ne détermine pas le sens d’écoulement

A. Quigueur