Contrôle du débit en canal ouvert : peu d'évolution mais davantage de serviciel
28 février 2021Paru dans le N°439
à la page 67 ( mots)
Rédigé par : Patrick PHILIPON
La “mesure” du débit en canal ouvert ne vit pas de grande révolution technologique. Les fournisseurs de solutions insistent donc sur l’évolution des logiciels et services associés.
Cours d’eau, canal d’amenée, canalisation non remplie, entrées et sorties de STEP : les situations où l’on doit connaître le débit d’un flux à surface libre ne manquent pas. Or un débit ne se mesure pas mais se déduit, par le calcul, de la mesure d’autres grandeurs. Deux cas très différents se présentent. D’une part les ouvrages de géométrie connue où la vitesse d’écoulement est stable. On construit alors facilement une “loi” simple donnant la relation entre hauteur d’eau et débit dans l’ouvrage. Très logiquement, il suffit donc de mesurer cette hauteur pour en déduire le débit, calcul que les appareils font maintenant automatiquement. Il arrive cependant que la géométrie soit plus complexe - voire mouvante dans les cours d’eau – et/ou que la vitesse d’écoulement varie. Il faut alors, en général, mesurer à la fois la hauteur et la vitesse du flux, et parfois en plusieurs points de la section mouillée. Cela requiert une instrumentation plus complexe, et le débit est calculé selon une “loi” établie empiriquement au cas par cas. Ce jaugeage représente une opération en soi, en particulier en milieu naturel.
Le canal Venturi RBC est un instrument simple et fiable utilisé notamment pour la mesure de la quantité d’eau d’irrigation qui s’écoule vers un champ.
Autant de situations, autant de solutions technologiques ? Pas forcément. « En termes de choix technologique, il n’existe pas de différence entre milieu naturel et STEP » affirme Dany Engel, président d’ADCPro. Il rappelle aussi une donnée élémentaire : « quelle que soit le principe et la technologie retenue, une mesure ne sera juste que s’il existe une certaine longueur minimum d’écoulement droit, non perturbé, en amont et en aval de l’appareil ». Placé juste après un obstacle comme une chute ou un coude, le meilleur appareil ne donnera pas de résultat exploitable… « En réseau d’assainissement, j’ai bien souvent vu des cunettes voilées, car coupées avant installation et gauchies au séchage. Cela fausse toutes les mesures » renchérit Olivier Paillard, ingénieur technico-commercial (Sud) chez Cometec.
L’approche de Nivus consiste, de son côté, à adapter la solution technique (profileur hydraulique, vitesse de surface radar, temps de transit) aux conditions hydrauliques : « Chaque point de mesure est singulier et présente rarement des conditions d’écoulements idéales. L’idée est donc de proposer des solutions sur mesure et conformes aux enjeux locaux (multi-capteurs, choix de la mesure technologie, ajustement de la mesure…) » précise Bruno Lejeau, ingénieur technico-commercial de Nivus.
Mesurer la hauteur
Lorsque le flux est contenu dans ouvrage de géométrie simple et que l’écoulement est maîtrisé, on mesure la hauteur. Les technologies ne manquent pas, des simples échelles limnimétriques aux capteurs de pression piézométriques, systèmes bulle à bulle, capteurs ultrasons ou radars. Les capteurs sans contact, placés au-dessus du flux, qu’ils soient à ultrasons ou à ondes électromagnétiques (radars), s’arrogent le gros du marché. Ils mesurent le temps de parcours aller-retour des ondes réfléchies par la surface de liquide.
Flowtherm NT est un appareil portatif multifonctions avec enregistreur de données pour mesurer précisément le débit, la vitesse d'écoulement, la température, la pression et bien d'autres grandeurs de mesure.
« Nous préconisons les ultrasons en première intention, en particulier sur les canaux de faible largeur, car le cône de mesure est plus resserré. Avec le radar, il faut installer des pièces supplémentaires pour canaliser l’onde électromagnétique » explique Matthieu Bauer, responsable de marché Environnement Energie chez Endress+Hauser. La firme propose par exemple le Prosonic FMU 90, un capteur à ultrasons qui mesure la hauteur, calcule le débit et transmet les données. Endress+Hauser dispose également de radars compacts : les FMR 10 et 20. « Le radar est préférable dans certaines circonstances car les capteurs à ultrasons sont sensibles au vent et à la chaleur. En revanche, les radars n’aiment pas l’humidité, contrairement aux capteurs à ultrasons » précise Matthieu Bauer.
Spécialement conçu pour mesurer le débit dans les rivières et canaux ouverts, l’OTT SVR 100 d’OTT d’Hydromet est un capteur radar positionné au-dessus de la surface de l'eau, à distance des débris flottants, à l'aide d'un support universel pour une installation verticale ou horizontale. Les mesures de vitesse et les informations d'état du capteur, de vibrations et d'inclinaison intégrées sont disponibles via SDI-12 et Modbus RS-485. Une échelle graduée sur la fixation à rotule facilite l'alignement du capteur sur site. Aqualabo, pour sa part, propose, le Mach 3, un débitmètre de précision à ultrasons qui s’installe dans les regards des réseaux.
Pour un usage ponctuel, un dépannage sur le terrain ou pour contrôler des équipements déjà installés (par comparaison), TH-Industrie propose l’anémotremètre Hontzsch Sonde à hélice FA, qui plongé dans l’eau, permet de mesurer précisément le débit à partir de la vitesse d'écoulement. La détection de la vitesse de rotation du moulinet s’effectue par un détecteur de proximité inductif. Les impulsions électriques ainsi obtenues sont transmises aux électroniques, où elles sont, par exemple, transformées en un affichage de vitesse linéaire, strictement proportionnel à la fréquence des impulsions. L’atout majeur du moulinet est sa très faible dépendance aux densités et son indépendance aux pressions et températures des fluides.
Le Tidalflux de Krohne associe un capteur électromagnétique de vitesse à une mesure de niveau intégrée dans le revêtement du capteur pour obtenir la surface mouillée.
L’autre solution offerte par TH-Industrie, s’appuie sur la technologie par ultrason développée par Systec Control. Portable ou fixe, la solution Deltawave s’adapte à la problématique du terrain mais nécessite que les nombreux facteurs d'influence soient étudiés en amont, rappelle Stéphane Coupeau, directeur général de Th Industrie. « D’une manière générale, si la mesure de débit en canal ouvert n’a pas beaucoup évolué, elle nécessite toujours une bonne connaissance et dans le cas de TH-Industrie, nous nous appuyons sur l’équipe technique Systec pour répondre à ces projets. L’avantage de ces solutions, c’est de pouvoir les rendre autonomes avec des panneaux solaires pour alimenter les solutions de mesures ».
Isma fabrique et commercialise toujours son classique DLK 102, lequel sera remplacé durant l’année (2021) par le DLK 104. « C’est un mélange de technologies éprouvées et de numérisation. Nous avons gardé la technologie sans clavier éprouvée sur notre DLK 301. Les paramétrages se feront en WIFI direct via PC, Mac, smartphone... » affirme Christophe Lichtle, gérant d’Isma. La firme vise aussi un marché particulier : la remise à niveau des petites STEP, jusqu’ici non instrumentées. « Cela implique un appareil autonome et une solution complète, clé en main » affirme Christophe Lichtle. Pour cela, Isma commercialise depuis novembre 2020 un ensemble clé en main équipé d’un panneau solaire, le DLK 302. « Nous en avons installé en entrée-sortie d’un camping en Vendée, où l’alimentation électrique était éloignée » précise Christophe Lichtle. Autre marché particulier, celui des appareils nomades destinés aux Satese, bureaux d’étude et, de manière générale, à tous ceux qui se déplacent pour prendre des mesures ponctuelles sur le terrain. Depuis deux ans, Isma commercialise le DLK 301 SATESE, muni de batteries rechargeables et livré en kit, avec valise et accessoires.
Associé à une unité de traitement des données Vegamet 841 (ou 842), le radar de hauteur VegaPuls C21, de Vega, a une précision de ± 2 mm.
Après des tests concluants en 2020, Isma se prépare également à lancer un nouveau boîtier communicant. « Il peut faire remonter des donnés de toutes natures, pas forcément en provenance d’appareils Isma, et est compatible avec toutes les technologies de communications, anciennes ou nouvelles » affirme Christophe Lichtle. L’idée est de tout remonter sur un Cloud Isma. « Les clients se connectent de n’importe quel terminal et récupèrent les données qu’ils ont paramétrées ». Un service à part entière, donc. D'autres fabricants, comme Endress+Hauser, réfléchissent également à des services Cloud à associer à leurs appareils.
Vega propose toujours ses radars de hauteur. « La tendance est d’aller vers le radar car les prix ont beaucoup baissé, et c’est la seule technologie sans contact insensible aux conditions extérieures » affirme Christelle Boisramé, chef de produit chez Vega. Et ce même si la firme dispose de solutions à ultrasons, et en fait de tous les principes de mesure (bulle à bulle, piézo…). Les courbes hauteur-débit des canaux venturis les plus courants du marché sont installées par défaut dans les radars, et on peut y injecter n’importe quelle loi existante. Particularité : lorsque l’ouvrage n’est pas normé, les radars Vega peuvent même “apprendre” une loi hauteur-débit. « On la construit alors expérimentalement, point par point. Nos radars acceptent jusqu’à 32 points de mesure pour construire une courbe « maison ». Nous pouvons aider l’exploitant à le faire » affirme Christelle Boisramé.
Les radars en eux-mêmes restent inchangés. Pour la détermination d’un débit, Vega préconise le Vegapuls C21, d’une précision de +-2 mm. Lorsque la distance de “tir” devient importante, par exemple sous un pont, mieux vaut se tourner vers le Vegapuls C23. « Les radars ne dérivent pas par principe mais il est possible de lancer à distance des contrôles électroniques lorsque l’on fait de l’auto-surveillance » ajoute Christelle Boisramé. L’évolution chez Vega se situe dans l’unité de commande et de traitement des données. Les Vegamet 841 et 842 peuvent afficher plusieurs données simultanément, mettre les résultats en mémoire à pas de temps choisi, et exporter le tout en en Bluetooth ou sur une carte SD. On peut aussi associer aux appareils l’unité de transmission Plicsmobile, un data logger qui permet l’accès au Cloud. « Le Plicsmobile peut transmettre les informations et/ou envoyer une alerte en cas de dépassement d’un seuil choisi » précise Christelle Boisramé. Une version totalement autonome, avec panneau solaire, est également disponible.
DLK 302 ISMA : une solution de mesure complètement autonome et livrée clé en main et préassemblée en atelier.
Pour des conduites partiellement remplies, Krohne propose le système Tidalflux qui mesure le niveau grâce à des plaques capacitives et la vitesse par le biais de deux électrodes de mesure. Les sondes de niveau intégrées sous le revêtement n’ont aucun contact avec le liquide et sont par conséquent insensibles aux huiles et aux surnageants graisseux à la surface du liquide. Un réducteur à parois minces peut être installé entre la conduite et le tube de mesure pour assurer un passage en douceur du fluide et empêcher des accumulations de graisses. Le Tidalflux assure une mesure fiable pour des hauteurs de remplissage comprises entre 10 % et 100 % de la section de la conduite.
Soulignons que cet appareil peut être installé parallèlement à un canal venturi que les effets du temps auraient endommagé. Il présente ainsi une meilleure répétabilité dans le temps et l’absence d’entretien contrairement aux canaux venturis.
Pour un industriel en Ile-de France, Aqualabo a fourni et installé une solution complète comprenant un canal venturi muni d’un capteur de hauteur à ultrasons (Mach3), ainsi qu’un préleveur d’échantillons, un capteur de pH et un transmetteur, installés dans une armoire.
AnHydre, enfin, propose trois techniques de mesure sur les canaux à surface libre : la mesure de niveau par ultrasons ou radar en association avec un ouvrage primaire créant une relation stable entre niveau et débit ; et la mesure composite associant une mesure de niveau par sonde immergée ou sans contact avec une mesure de vitesse d'écoulement, également soit en immersion soit sans contact.
Le débitmètre radar Sommer SQ-R proposé par AnHydre associe la mesure de niveau par radar à faisceau étroit et bande morte réduite, avec la mesure de vitesse par radar Doppler 24GHz, le tout complété par un calcul du débit sans électronique externe. C'est une combinaison actuellement unique pour les mesures en réseau d'assainissement, sur les aqueducs, sur les canaux d'irrigation… Le logiciel associé permet de créer facilement la géométrie de la section transversale du point de mesure mais aussi de concrétiser simplement la relation complexe entre la vitesse mesurée localement et la vitesse moyenne dans l'écoulement, et finalement d'obtenir avec précision le débit recherché. Le débitmètre offre également une fonction de SelfCheck qui valide le paramétrage entré par l'utilisateur, épaulée par des diagnostics objectifs sur le fonctionnement de l'instrument.
Sortie de STEP : un cas particulier
En sortie de STEP, les exploitants sont légalement tenus de contrôler le débit des effluents rejetés. Solution la plus simple, et généralement retenue : créer un écoulement parfaitement régulé grâce à un canal venturi, un déversoir mince paroi ou un seuil jaugeur, et mesurer la hauteur. « Les agences de l’eau insistent sur ces techniques connues et normalisées. Pour étalonner les autres, il faudrait recourir à des bancs d’étalonnage » explique Dany Engel (ADCPro). Les systèmes déprimogènes les plus répandus sont proposés par les spécialistes de la débitmétrie en canal ouvert comme Bamo, CT Platon, CVenturi, Hydrologic, ou encore Nivus, OTT etc. Ces fabricants proposent des gammes étendues afin de couvrir toutes les plages de débit.
Cette configuration lui permet, quelles que soient les variations d’écoulement, de déterminer en continu le vrai profil des vitesses. Ceci sur toute la hauteur et pour chaque « cellule d’eau » sur le trajet de chaque faisceau.
Endress+Hauser propose une gamme complète de canaux venturi, dont cinq “classiques”, à parois verticales et bénéficiant de la norme Iso 4359. « Nous couvrons toute la gamme de 1,5 à 2.200 m³/heure » affirme Matthieu Bauer. A cela s’ajoute le HQI 520, un canal muni d'un col trapézoïdal, développé en collaboration avec l'ENGEES (École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg). Avantage : « une rangeabilité record » affirme Matthieu Bauer. Autrement dit des mesures fiables sur une grande plage de débit.
CVenturi affiche le même objectif de rangeabilité et des sujétions d’installation minima, grâce aux différents bacs jaugeurs avec déversoirs à échancrure triangulaire. Outre une gamme de dix canaux venturi normalisées jusqu’à 2.500 m³/h, CVenturi conçoit également des déversoirs sur mesure ou des seuils ISO permettant une adaptation simple et rapide aux sites existants.
En sortie de STEP, Endress+Hauser propose des solutions combinant un canal venturi normé (Iso 4359), un capteur de niveau à ultrasons Prosonic FMU 90 – qui calcule le débit – et un boîtier communicant pour la transmission des données.
« Nous vendons de plus en plus de nos canaux venturi exponentiels. Ils sont adaptés aux petites STEP à faible débit. Ils ne sont pas nécessairement instrumentés : les contrôleurs passent régulièrement vérifier » affirme pour sa part Christophe Lichtle (Isma). Cometec fabrique quant à lui, des canaux venturi conformes à la norme ISO4359, et des seuils jaugeurs conformes à la norme ISO5390.
Aqualabo dispose lui aussi de plusieurs modèles. Tout d’abord les classiques Aquaflow (normés Iso 4359) en fibre de verre-polyester. Pour les regards ou conduites circulaires, il existe l’Aqua UV, un canal venturi circulaire avec seuil en V. « Il n’est pas normé mais construit selon les exigences de la norme » souligne Emilie Renou, chef de produit chez Aqualabo. Les industriels ont eux aussi besoin de mesurer leurs effluents. « Il s’agit en général de petits débits, avec des eaux assez claires. Nous proposons un système n’exigeant pas de génie civil : l’Aquabac. C’est une solution tout-en-un comprenant un canal en PVC muni d’une lame déversoir en inox 316. Le tout est instrumenté avec un capteur à ultrasons » explique Emilie Renou.
SDEC propose de son côté une gamme de courts canaux venturi portables, en inox, utilisables sur de petits cours d’eau, des fossés, et canaux d’irrigation (de 0,36 à 520 m3/h). Une fois le canal posé horizontalement, la mesure se fait par échelle limnimétrique ou par sonde piézo reliée à une centrale d’acquisition des données. Le canal Venturi RBC a été spécialement conçu pour une utilisation dans des petits cours d’eau ou fossés (canaux d’irrigation, sillons, rigoles, etc.).
Les cas complexes
Dans les situations moins maîtrisées – grosse conduite de forme “originale”, canal d’amenée voire cours d’eau – il faut mesurer à la fois la hauteur et la vitesse du flux… après avoir construit une loi ad hoc pour en déduire le débit. Les mêmes techniques (piézo, bulle à bulle, ultrasons ou radar) reviennent pour la hauteur. La mesure de la vitesse est dominée par les ADCP (acoustic doppler current profiler) ou courantomètres à effet doppler. Ces appareils immergés mesurent la variation de fréquence entre l’onde sonore (en général des ultrasons) émise et celle revenant après réflexion sur des particules entraînées par le courant. Il existe également des radars de vitesse, placés au-dessus du flux, qui se repèrent sur les vaguelettes.
Le débitmètre à ultrasons FLT10 CO proposé par Flow-Lab Technologies utilise le principe de la différence de temps de transit pour mesurer très précisément la vitesse d’écoulement du fluide.
Cette mesure est réalisée par une ou plusieurs cordes ultrasonores. Dans le même temps, le débitmètre va réaliser une mesure de la hauteur de l’écoulement par l’intermédiaire d’un télémètre ultrasons ou radar. D’une grande précision, le FLT10 CO est pratiquement insensible à la salissure et n’utilise pas dans son calcul de coefficient d’ajustement. Il est doté d’un logger interne d’une capacité de 80.000 évènements, de sorties MODBUS RTU et TCPIP.
Le nouveau transducteur ultrasonique DCO-7526 de Prisma est conçu pour être placé au fond du canal d’eau pour une mesure en amont. Profilé pour réduire les perturbations de l’écoulement et les signaux électroniques, la vitesse de l’eau est mesurée par le principe de Doppler à ultrasons à l’aide des particules en suspension ou des bulles d’air dans l’eau qui réfléchissent le signal du détecteur à ultrasons. La profondeur de l’eau est mesurée à l’aide d’un capteur de pression hydrostatique, en référence à la pression atmosphérique.
Le couple hauteur/largeur du canal configuré préalablement par l'utilisateur dans le convertisseur FLT10 CO, permet de calculer avec une grande précision le débit.
ADCPro distribue toujours l’Argonaut IQ de SonTek. « C’est le seul doppler immergé avec cinq faisceaux, qui plus est, en mode doppler pulsé : quatre à l’avant (un dans veine centrale, deux sur les côtés, un vertical pour la hauteur d’eau) et un derrière » souligne Dany Engel. L'Argonaut IQ standard a une portée de 1,5 m et le IQ Plus porte jusqu’à 5 mètres. Sans proposer de nouveauté en termes de capteurs, ADCPro continue à faire évoluer les logiciels et algorithmes, qu’ils soient internes aux appareils ou installés dans l’automate de pilotage. Les mises à jour régulières sont téléchargeables par les clients. « Les évolutions se basent sur les besoins des clients, la dernière mise à jour portait, entre autres, sur de nouvelles possibilités d’indexation des vitesses et sur un transfert des données accéléré. On nous a demandé, au-delà des vitesses moyennes systématiquement calculées, de disposer des médianes pour les intégrer dans des modèles hydrographiques. Nous le proposerons lors de la prochaine mise à jour en 2021 » poursuit Dany Engel. Dans la “querelle” entre radar et ultrasons, ADCPro en tient fermement pour le second. « Nous avons en gamme un radar, le RadV, qui porte à 1,5 mètre. Mais le radar, outre la hauteur, ne mesure que la seule vitesse de surface, alors que l’IQ, grâce à sa technologie Doppler pulsé, mesure l’ensemble des vitesses dans la majeure partie de la section mouillée. Le profil des vitesses ainsi mesuré est beaucoup plus vrai que le profil extrapolé par le Radar à partir de la simple vitesse de surface. Nous proposons le radar quand l’ADCP ne peut convenir » soutient ainsi Dany Engel.
Cometec est spécialisé depuis 30 ans dans la mesure de la vitesse, associant ses produits à des capteurs de hauteur, loggers et automates d’autres fabricants ou vendeurs. Cometec est le représentant exclusif du Belge Flow-Tronics, lequel propose des courantomètres doppler (Beluga) et des radars (Raven-Eye et Phoenix). « Étant donné la baisse des prix, les doppler à ultrasons n’ont plus tellement d’avantage par rapport au radar. Nous sommes les seuls à proposer deux technologies radar différentes » confie Olivier Paillard. En effet, le Raven-Eye, muni d'une antenne très sensible, est adapté au milieu relativement contrôlé et restreint que constitue un réseau d'assainissement. Avec une nouveauté depuis le début de l'année 2021 : le Raven-Eye, jusqu'ici un pur capteur de vitesse en mode autonome, calcule désormais le débit et l'envoie sur sortie 4-20 mA. « En milieu naturel, il faut une antenne plate qui “tire” plus largement que le Raven-Eye et ne soit pas aussi sensible, pour ne pas être perturbée par la pluie ou le vent » explique Olivier Paillard. D'où le recours au radar Phoenix.
Le débitmètre hauteur - vitesse Pulsar Greyline AVFM est équipé d'un enregistreur interne (mini, maxi, totalisation...) dont les données sont récupérées avec une simple clé USB.
Pour les jaugeages et contrôles d’équipement, Cometec propose également une gamme de courantomètres et de pistolets radar portables. Son courantomètre électromagnétique Fluvia est un appareil nouvelle génération permettant de mesurer les vitesses d’écoulement de l’eau en rivière et également d’en calculer directement les débits. Son large écran tactile IP67 permet de visualiser directement les différents profils mesurés en temps réel.
Autre référence dans le domaine utilisée par de nombreux BE , le courantomètre à induction magnétique OTT MF Pro qui s’adapte aisément à toutes les vitesses d'écoulement ou à un taux élevé de particules en suspension.
Le courantomètre Fluvia fournit immédiatement des mesures précises et fiables pour tout type d’application : jaugeage des rivières et cours d’eau, des canaux d’irrigation, des canaux d’amenée, de débit en conduit d’assainissement et toute autre application en canal ouvert.
Le canal jaugeur circulaire Palmer Bowlus, est, quant à lui, principalement employé sur des conduits accessibles à partir d’un regard partiellement rempli. A partir de la relation hydraulique connue hauteur/débit, la simple mesure de ce niveau donne directement le débit.
AnHydre, propose de son côté le débitmètre Doppler Pulsar Greyline AVFM qui associe la double mesure hauteur-vitesse par ultrasons en une seule sonde immergée, avec le calcul du débit sans électronique externe et trouve sa place autant en réseau d'assainissement qu'en eaux brutes ou sur petits canaux d'irrigation… L'interface écran - clavier permet de choisir facilement la géométrie du canal au point de mesure et de paramétrer facilement et rapidement les sorties de recopie analogique ou numérique, les relais. Équipé d'un enregistreur interne (mini, maxi, totalisation…), il permet de récupérer les données avec une simple clé USB.
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