Débitmétrie : l’électromagnétique domine, les ultrasons s’affirment

Même si les grands principes de mesure sur lesquels repose la débitmétrie remontent bien loin, les appareils actuels bénéficient à plein des progrès enregistrés ces dernières années dans les domaines de l’électronique et de l’informatique pour le traitement du signal : ils ont apporté précision et finesse d’analyse. Les données recueillies bénéficient de leur côté de nombreux modes de transmission pour nourrir les logiciels qui les exploiteront.

L’éventail des principes de mesure mis en œuvre est large : vortex, pression différentielle, électromagnétique, ultrasons (plusieurs principes possibles), Coriolis, thermique. Les possibilités sont aussi très larges en matière de débits mesurables et de précision sur ces débits : du millilitre jusqu’à des dizaines de milliers de mètres-cube par heure, avec des précisions allant de quelques pourcents à moins de 0,2 % !

Un large spectre d’utilisation

Cette précision peut être essentielle lorsqu’il s’agit par exemple d’eau produite par dessalement d’eau de mer compte tenu de son coût ou lorsqu’il faut assurer la surveillance de rejets dont dépendent la perception de taxes. Les enjeux sont également importants dans le domaine du rendement des réseaux d’eau potable avec la sectorisation où compteurs et débitmètres cohabitent en bonne intelligence. Grâce au traitement des données qu’ils collectent et transmettent, les débitmètres permettent de détecter l’apparition d’une fuite mais aussi de la quantifier. Gros enjeux également au sein des procédés pour le dosage des réactifs – pour assurer le meilleur traitement au moindre coût, sans gaspillage.

Mais on observe également un accroissement de la demande en débitmétrie d’autres usages : sur les cours d’eau pour la prévision des crues, dans le domaine du biogaz pour quantifier la production, sur les réseaux de chaleur pour comptabiliser les calories… etc.

Stéphane Prévost, chef de marché produits pour le marché de l’eau chez ABB est clair : « En eau potable et eaux usées et au sein des procédés de traitement de l’eau, la débitmétrie repose à 80 % sur le principe électromagnétique. Les appareils sont produits en grande quantité à des prix très compétitifs. C’est une mesure très fiable, très précise, et ces débitmètres ne demandent aucune maintenance ». On peut ajouter que leur consommation d’énergie est très faible et qu’on peut les installer de manière autonome sur des réseaux, les batteries fournissant une autonomie avoisinant la décennie. Le maillage accentué des réseaux développe ce marché. Stéphane Prévost remarque aussi la convergence des marchés des débitmètres et des compteurs tels qu’ils sont aujourd’hui proposés par Sensus, Itron ou Diehl Metering depuis l’adoption de la directive européenne MID en 2011 en France. Les débitmètres, sous réserve d’agrément, sont utilisables à des fins transactionnelles (vente).

L’adéquation entre l’appareil et l’application reste primordiale

Comme toujours en métrologie, il n’y a pas de mauvaise méthode ni de mauvais appareil mais plus fréquemment une mauvaise adéquation entre le choix de l’appareil pour un besoin donné. Ensuite, le résultat et sa précision dépendront du choix de l’emplacement de l’appareil dans le circuit hydraulique. Selon le principe utilisé, des longueurs rectilignes sont nécessaires avant et après l’appareil, entre 2 et 5, voire 10 fois le diamètre le plus souvent.

Dans le domaine de l’eau, on distingue deux grandes familles de mesure, les écoulements en tuyauterie sous pression et à surface libre (cours d’eaux, canaux, canalisations d’eau usées). Concernant la première, Régis Visiedo de la Direction de l’eau au Grand Lyon souligne que « la mesure d’un débit est un ensemble complet qui ne se résume pas à un instrument de mesure. Il faut positionner correctement l’instrumentation, disposer de bons profils hydrauliques au niveau des ouvrages. Pour obtenir des mesures justes et fiables, il faut soigner les études, la modélisation, réaliser un bon profil du canal et ainsi bien connaître la loi reliant la hauteur d’eau. »

Les conditions réelles sur place ne permettent pas toujours d'aller au plus simple (détection de hauteur d’eau de l’écoulement et utilisation d'une corrélation) d’où le recours à d'autres principes de mesure comme les ultrasons ou le radar, pour détecter des hauteurs d'eau et des vitesses de flux.

Cela dit, ABB avec le Parti-Mag II et Krohne avec le Tidalflux ont développé des débitmètres électromagnétiques pour canalisations partiellement remplies.

Les appareils déterminent le débit à partir d’une hauteur correspondant à 10 % de la section du capteur, grâce à deux électrodes mesurant la vitesse du fluide et une mesure de niveau capacitive intégrée aux revêtements et sans contact avec le liquide. Ces deux mesures permettent ainsi de faire un rapport hauteur-vitesse et une mesure dans les deux sens de passage.

Ce marché se développe lentement mais régulièrement d’après Stéphane Prévost lorsque les exploitants d'une station ne veulent pas laisser à l'air libre l'écoulement de sortie pour des raisons esthétiques, d'odeurs possibles ou de mousses, les riverains ne tolérant plus cela.

Pour les canalisations en charge, David Cohen d’Engineering Mesures insiste également sur « la question essentielle de la bonne adéquation de l'instrument à l'application envisagée. Il faut examiner une vingtaine de paramètres, avoir une discussion approfondie avec l'exploitant pour obtenir un maximum d'informations et parvenir à déterminer la solution la plus adaptée. Parmi celles-ci, la précision, la répétabilité, la valeur du liquide (l’eau est bien moins chère que des hydrocarbures ou des liquides alimentaires), les pertes de charge, les conditions géométriques d’installation, les exigences d’entretien etc... ».

Face à la variété des problématiques rencontrées, face à la diversité des fluides à mesurer et à la spécificité des installations des exploitants, Engineering Mesures s’est efforcé de construire une offre composée d'une grande variété d'instruments de mesure adaptés à la plupart des situations rencontrées sur le terrain. C’est ainsi qu’est apparue, peu à peu, l'une des gammes les plus complètes d'instruments de mesure des fluides sur le marché français.

Le débitmètre électromagnétique : une valeur sûre

De fait, le principe le plus utilisé est le débitmètre électromagnétique, particulièrement sur les petits et moyens diamètres (jusqu'à 300 mm), surtout lorsqu’il s'agit d'une nouvelle installation. Insérer une manchette implique l’arrêt de l’installation, la découpe de la conduite avant la pose.

Pour obtenir une bonne précision en électromagnétique, David Cohen insiste sur l’attention qu’il faut porter aux vitesses réelles à mesurer et à la « rangeabilité » utile de l'appareil. Ce qui revient à utiliser un diamètre de manchette électromagnétique inférieur (de 1 à 2 DN) au diamètre de la canalisation pour relever la vitesse de l'eau au point de mesure à une vitesse de 0,3 m/s pour un débit minimum mesurable.

Parmi les références récemment arrivées sur le marché, le Proline Promag 800 d'Endress+Hauser pour des diamètres de 25 à 600 mm, avec une dynamique de mesure de 1 à 1000 (0,01 à 10 m/s) et une reproductibilité de ± 0,2 % de la mesure. Ce débitmètre peut fonctionner sur pile (sectorisation de réseau) grâce à un boîtier intégré (électronique, enregistreur et modem) sur une durée allant jusqu’à 15 ans par l’optimisation du rythme des mesures en fonction des variations de débits. L’appareil a bénéficié d'une reconception qui l’a rendu plus léger de 30 à 40 %, ce qui représente plusieurs

Du nouveau dans le domaine de la débitmétrie

Depuis sa création en 1989, Flow-Tronic S.A., est spécialisée dans la fabrication, la modification et la distribution d'instruments de mesure de débit pour eaux usées. Flow-Tronic s'efforce d'innover en permanence pour rester à la pointe de la technologie. Leader européen en matière de mesure de débit sans contact radar depuis plus de 15 ans, les clients de Flow-Tronic se composent principalement de municipalités, de sociétés industrielles, de compagnies de distribution d'eau, de services hydrologiques ou de stations d'épuration. Ses équipements sont principalement utilisés dans le cadre de l'auto-surveillance, de campagnes de mesure, d'études de capacités, de mesures à l'entrée ou la sortie de stations d'épuration, d'écoulements à faible niveau, à vitesses élevées, etc.

En France, Cometec Sarl, représentant de Flow-Tronic S.A., équipe plusieurs clients tels que les communes de Nice, Le Havre, Lille, Lyon, Evian... avec des appareils dotés de capteurs radar hauteur/vitesse.

Afin de s'adapter aux besoins du marché et dans un esprit d'innovation, l'entreprise s'est investie dans le développement et la production d'un capteur radar de vitesse nouvelle génération de grande qualité et à un prix compétitif : le Raven-Eye.

Le Raven-Eye, dont le nom n'est pas choisi au hasard (« L'œil du corbeau »), se distingue des autres débitmètres grâce à trois atouts principaux : l'intelligence, l'adaptabilité et la durée de vie. L'intelligence car le capteur utilise un radar pour mesurer la vitesse de surface et calculer ensuite la vitesse moyenne en utilisant des algorithmes issus d'années d'expérience sur le terrain et de travaux de recherche. Les effets néfastes découlant de mauvaises conditions hydrauliques, vagues, turbulences, etc. sont supprimés. Le Raven-Eye n'est pas un équipement restreint au laboratoire. C'est un système totalement développé et conçu pour être utilisé en conditions réelles.

L'adaptabilité car le Raven-Eye peut être employé dans pratiquement n'importe quel canal ouvert, à partir d'un diamètre de 100 mm, avec des vitesses allant de 0,15 m/s à 9 m/s, en positif comme en négatif. La communication au standard ModBus et les sorties analogiques permettent une intégration facile à tout système de supervision ou de télégestion existant. Le Raven-Eye peut également être un système autonome avec affichage des mesures, enregistrement des données et transfert vers un serveur internet dédié.

La durée de vie car le Raven-Eye est issu d'années d'expérience de mesure en assainissement. Le capteur est entièrement étanche, moulé et indémontable : aucun joint ni aucune vis d'assemblage n'est utilisée. IP68, il supporte les mises en charge et les atmosphères agressives (zone Atex). Des capteurs internes mesurent le bon état de fonctionnement du système : un auto-diagnostique est donc intégré.

Ce sont ces avantages, combinés à une maintenance pratiquement nulle, qui rendent cet appareil incontournable. De par sa fabrication européenne, le Raven-Eye réduit ses impacts liés au transport. Flow-Tronic S.A. centralise le stockage, l'assistance et le service après-vente, garantissant ainsi l'approvisionnement rapide des appareils et des pièces détachées.

dizaines de kilogrammes sur de gros modèles.

Chez Krohne, les gammes Optiflux et Waterflux regroupent les débitmètres électromagnétiques et couvrent l'ensemble des besoins en appareils alimentés ou autonomes du DN 25 au 3000 pour les Optiflux 2000 et du DN 25 au DN 600 pour les Waterflux, appareils autonomes à section rectangulaire optimisés pour les mesures à très faible vitesse. ABB propose les gammes WaterMaster et AquaMaster. Aqualyse, Sika France, Tecfluid, Fuji Electric, GE Sensing, CT Platon, Isma, C2AI, C2Plus, Vega, Kobold ou encore Siemens proposent également des appareils électromagnétiques à leur catalogue.

Le principe électromagnétique est également utilisé sous forme de sonde par intrusion dans le flux. Une solution intéressante si l'on veut faire des mesures en un endroit non prévu à l'origine. Comme Primayer avec PrimeProbe2, Hydreka s'en est fait une spécialité comme le souligne Pierre Bossy, responsable marché qui précise que « ces sondes HydrINS peuvent se poser en charge et détectent de très faibles vitesses : 2 cm/s à ± 2 mm/s. C'est très utile en sectorisation où l'on compare d'une nuit sur l'autre les débits pour détecter des fuites ». Ces appareils sont utilisés de manière temporaire ou bien à demeure, le provisoire pouvant devenir définitif lorsque l'on contrôle une manchette et que l'on s'aperçoit de sa défaillance. L'arrivée récente des sondes sur le marché (vers 2000)

explique leur faible part de marché surtout en Europe, déjà bien équipée en métrologie. Mais Pierre Bossy souligne le succès de ces sondes sur les marchés export où il faut instrumenter des réseaux déjà en place en raison du faible coût d'installation. Le modèle HydrINS mini a été développé pour les faibles diamètres (de 70 à 300 mm).

Autre raison de ce succès, la possibilité de louer ces appareils pour des mesures temporaires et le fait qu’en cas de problème sur une sonde, il est très facile de la remplacer le temps d'un ré-étalonnage. Hydreka a d’ailleurs développé un service contractuel de maintenance et étalonnage, ainsi qu'un service d’hébergement des données entièrement sécurisé (data center professionnel) avec un des leaders des télécommunications. Les données sont accessibles facilement par l’interface Webfluid.

Les ultrasons : des avantages parfois décisifs

L'autre principe utilisé est la mesure par ultrasons dont l'avantage principal reste la non-intrusion puisque les capteurs sont placés à l’extérieur de la canalisation. La précision de mesure sera plus ou moins bonne selon la connaissance de cette canalisation : épaisseur, matériau, couche éventuelle de corrosion. Pour s’affranchir de ce problème il existe des sondes intrusives fixées dans la canalisation. L'ultrason ouvre la possibilité d’appareils portables comme le ChronoFLO Pocket + d’Hydreka (lancé début 2013), l’UNIP 5 de Cometec et le Fluxus F601 de Flexim (avec autoreconnaissance des sondes, mode de mesure Hybrid Trek pour les liquides chargés) et le FG 608 sorti mi-2012 (utilisable en zone Atex). Pour les canalisations de plus de 1000 mm de diamètre, Hydreka propose des sondes adaptées en fréquence. Aqualyse propose de son côté le DébitSonic qui utilise la technique d’analyse de spectre large.

Regain d'intérêt d’après certains experts non impliqués dans la production d’appareils.

En ultrason, deux principes de mesure sont utilisés : temps de transit ou effet Doppler (si taux de matières solides élevées ou bulles de gaz). Dans le premier cas, un faisceau d’ultrasons est envoyé d’une sonde à une autre avec un certain angle par rapport au flux. Le débit est calculé par la différence des temps de transit selon que le faisceau accompagne le flux ou le remonte. Dans le second, c’est la variation de fréquence du signal réfléchi sur les particules ou les bulles accompagnant le flux qui est utilisée.

Pour accroître la précision de la mesure du débit par temps de transit en tenant compte de la réalité de l’écoulement sur une section de canalisation, on utilise plusieurs paires de capteurs chacune définissant une « corde », c’est-à-dire un trajet. Un calculateur assure la synthèse des mesures et délivre la valeur du débit qui peut être très précise.

Le nombre de cordes, remarque Laurent Bonfils de la société Ultraflux, dépend beaucoup des budgets alloués et de l’incertitude de mesure demandée. Le calcul de rendement d’une centrale hydro-électrique, dont les enjeux financiers sont très importants, se mesure à l’aide de débitmètres 4 cordes et 8 cordes par exemple. Il est à noter que la société Ultraflux vient de sortir 2 nouveaux produits : l’UF 811 (pour conduite en charge) et l’UF 811 CO (pour écoulement à surface libre). Ces appareils répondent à une demande croissante du secteur : le choix des entrées/sorties est personnalisable afin d’optimiser les coûts et des fonctions mathématiques de type polynôme du 5ᵉ degré sont possibles. De plus, tous les débitmètres de la gamme peuvent fonctionner soit avec des sondes externes soit avec des sondes intrusives.

Bronkhorst France a présenté de son côté sa nouvelle série Sonic-View de débitmètres à ultrasons dédiée aux mesures de procédés. L’instrument, compact, fonctionne sur la base de deux transmetteurs ultrasons montés sur la surface externe d’un tube en acier inoxydable. Son capteur est protégé dans un boîtier IP54. Ces débitmètres sont disponibles dans des tailles nominales DN 10 et DN 20 pour les gammes de mesure respectives de 1,5…30 l/min et 5…110 l/min. Les deux versions disposent d’une sortie analogique proportionnelle au débit et en plus d’une sortie alarme. Avec son débitmètre à ultrasons 8081, Bürkert propose également un appareil très compact capable de mesurer des eaux légèrement chargées. Il se compose d’un module électronique et d’un raccord en laiton avec tube de mesure intégré.

Les ultrasons sont aussi une méthode de choix pour la débitmétrie en canal ouvert par mesure de la hauteur d’eau (niveau) et de la vitesse du courant.

Hydreka propose le Mainstream 4G (nouvelle version à l’automne prochain), Aqualyse le IQ (avec 4 faisceaux Doppler pour les vitesses sur la section plus un vertical et un capteur de pression pour le niveau).

Les ultrasons trouvent également un nouvel débouché avec le développement de

La méthanisation pour le comptage du biogaz, notamment en sortie de fermenteur, la difficulté étant la faible pression et la faible vitesse du gaz ainsi que le caractère amortissant du gaz carbonique toujours présent en fermentation. Le Prosonic Flow B200 d'Endress+Hauser, lancé mi 2012, mesure le débit et le pourcentage de méthane contenu dans le mélange en s'affranchissant du taux d'humidité. Un vrai progrès aux dires de ce spécialiste du domaine.

Krohne a lancé de son côté début 2012 l'Optisonic 7300 pour le même usage. Sur le Prosonic le capteur de température est intégré, mais le capteur de pression est en option. Krohne les propose en option, sachant que ces grandeurs sont généralement disponibles par ailleurs sur l'installation.

Kobold propose de son côté son débitmètre à oscillation DOG. Grâce au principe de fonctionnement à « oscillations » et ses prises de mesure généreusement dimensionnées, ce débitmètre résiste bien à l'encrassement et comporte même un effet d'auto-nettoyage, ce qui est crucial pour un fluide comme le biogaz. Comme ce débitmètre n'a aucune partie en mouvement, la perte de charge peut être maintenue au niveau minimum. On peut s'attendre à quelques bar, avec un maximum de 50 mbar à pleine échelle. Il est livré avec la certification ATEX II GEx ia IIC T4 pour une application en zone dangereuse.

Les caractéristiques principales de ce débitmètre DOG sont une peinture anticorrosion, un orifice en inox, une rangeabilité de 100 : 1, une précision de 1,5 % de la mesure au-delà de 10 % de l'échelle environ, de façon à obtenir une mesure optimale. De plus, afin de prendre en compte la pression et la température du procédé dans le calcul, Kobold a installé un transmetteur de pression PAS et un transmetteur de température TWL dont les sorties sont raccordées au calculateur externe, tout comme la valeur de sortie du débitmètre mentionné. On peut ainsi obtenir en sortie de l'électronique la valeur du débit du biogaz corrigée, à la fois en débit (Nm³/h) et volume (Nm³). ■