La mesure de débit sur canal ouvert est une mesure indirecte consistant à mesurer une hauteur d'eau créée en amont d'un organe déprimogène. Déversoirs et canaux venturi sont les plus répandus. Leurs conditions d'installation sont régies par des normes ISO/afnor, qui ont été établies pour mesurer avec précision des débits plutôt élevés. Pour la mesure des bas débits, plusieurs solutions technologiques existent quoique non normalisées. Quel que soit l'organe déprimogène choisi, la hauteur d'eau est le plus souvent mesurée à l'aide de capteurs à ultrasons.
La mesure de débit sur canal ouvert est devenue monnaie courante dans le domaine de l’eau. D'abord utilisée de façon confidentielle il y a 30 ans dans quelques grandes stations d’épuration afin de suivre notamment le transfert d’eau entre bassins, cette technologie a connu un fort développement au début des années 2000 avec la loi sur l’autosurveillance imposant de connaître les volumes de charge polluante entrante et sortante des stations d'épuration.
Pour la collecte des eaux usées et eaux pluviales, où là encore les écoulements se font
À surface libre, la mesure de débit à ciel ouvert a également nettement progressé dans le cadre d’un dispositif réglementaire plus contraignant visant à optimiser la gestion des ressources en eau. Ainsi, alors que la législation ciblait au départ des installations de grande taille, des sites plus petits sont aujourd’hui concernés, qu’ils soient gérés par des industriels ou des collectivités locales (STEP équivalents à 2 500 à 5 000 habitants). Résultat, la demande a évolué ces dernières années vers la mesure de faibles débits (quelques m³/heure) alors qu’elle était auparavant plutôt axée sur de grands débits (jusqu’à 25 000 m³/heure).
Dès lors, comment réalise-t-on ces mesures en canal ouvert ? Peut-on les effectuer à l’aide de capteurs électromagnétiques comme cela est traditionnellement réalisé en conduite en charge ? En canal ouvert, la mesure est indirecte : on mesure la hauteur d’eau provoquée en amont d’un organe déprimogène. Cet ouvrage crée une contraction dans la veine fluide qui entraîne une élévation du niveau d’eau proportionnelle au débit passant dans le canal, selon une loi de variation connue à l’avance de par la géométrie des ouvrages utilisés. La mesure de débit en canal ouvert comporte donc un canal d’approche, un organe déprimogène, une sonde de mesure (pression, ultrasons, bulle à bulle, etc.), un canal de dégagement et un système de traitement des données.
Nombre de systèmes déprimogènes (jaugeurs) existent. Les plus répandus sont les déversoirs et les canaux Venturi, proposés par plusieurs spécialistes de la débitmétrie en canal ouvert comme Aqualyse, Bamo, Burkert, Endress+Hauser, Cometec, CT Platon, Engineering Mesures, Hydreka, Hydrologic, Tecfluid, Isma, Ponsel ou encore Nivus, OTT, Vega, etc.
Or, fait notoire, le choix de l’une ou l’autre solution de même que les modalités de sa mise en œuvre, les conditions de son emploi, ainsi que la formulation mathématique reliant le débit à la hauteur d’eau, sont régis par des normes ISO/Afnor, définies suite à des essais d’expérimentation.
80, afin de mettre en place des outils de contrôle homogènes. La norme NF X 10-313, version française de l’ISO 4359, prévoit les conditions d’installation des canaux Venturi ; la norme NF X 10-311 (ISO 1438) celles des déversoirs en mince paroi ; et la norme NF X 10-312 (ISO 4360) celles des seuils jaugeurs, ouvrages ayant la forme d’une marche au fond de l’eau. Le choix des jaugeurs dépend notamment des plages de débits, de la nature des écoulements et de la préci-
Canaux venturi, seuils et déversoirs : une question de débits
Les canaux venturi se composent d’une amenée d’eau et d’un rétrécissement (étranglement dans la largeur et, éventuellement, seuil dans la hauteur), c’est-à-dire d’un dispositif pré-étalonné. Respectant la norme ISO 4359, de tels canaux préfabriqués peuvent mesurer le débit, dans les rivières et canaux artificiels à régime permanent et variation lente. Leur longueur est suffisamment courte pour que les pertes par frottement entre la section d’entrée et la section contractée de l’écoulement soient négligeables. Trois types de canaux sont préconisés par la norme NFX-313 (ISO 4359) : le venturi à col rectangulaire, à col trapézoïdal ou à col en forme de U (parois verticales, fond en demi-cercle).
Chez Endress+Hauser, « quatre modèles de canaux venturi à section rectangulaire “normés” sont proposés pour les débits de 30 m³/heure à 2200 m³/heure », indique Tarik Mechaouat, Chef produit débitmétrie. « En fonction de la largeur du canal et des conditions de débit, nous proposons le modèle adéquat. Ainsi le modèle HQI 415 est indiqué pour les largeurs de col de mesure de 150 mm, le HQI 425 pour 250 mm, le HQI 430 pour 300 mm, le HQI 450 pour 500 mm et le HQI 480 pour 800 mm. Les canaux sont disponibles en fibre de verre (plus de 80 % des applications en sortie de STEP ou de complexes industriels) ou en inox pour les effluents comportant des traces de produits chimiques corrosifs. »
Chez Bamo, la gamme de canaux venturi préfabriqués à section rectangulaire Débitflow se compose de six modèles en matière composite pour les débits de 7 à 2500 m³/h.
De son côté, Aqualyse offre également une gamme de canaux venturi préfabriqués en polyester armé fibre de verre à section rectangulaire dite « AQUA VENTURI », mais aussi un autre type de jaugeur unique en son genre : AQUASEUIL.
« En respect des normes avec leur forme de marche à profil triangulaire, ils remplacent les venturi pour les débits très élevés. Il existe des réalisations de l’ordre de 20 000 m³/heure », souligne Daniel Engel, Consultant technique chez Aqualyse.
Hydrologic propose de son côté une large gamme de canaux venturi allant de 0,02 l/s mini à 370 l/s maxi. La société propose aussi des seuils jaugeurs, des Contraflux et Pollubac qui sont aussi des émflumètres pour la mesure des débits en canaux et collecteurs.
L’avantage des canaux venturi est leur faible perte de charge par rapport au débit passant. La précision d’une chaîne de mesure est évaluée à ± 2 à 5 %. Ils sont par nature autonettoyants.
Pour autant les canaux venturi présentent aussi des limites comme leur coût à l’achat et leur difficulté d’installation. La technique présente un autre inconvénient : sa faible résolution pour mesurer les faibles débits. « En réduisant la largeur du col en dessous de 100 mm, elle pourrait être améliorée mais les faibles vitesses engendrées favorisent la formation d’un biofilm. Aussi, pour les faibles débits, l’emploi des déversoirs ISO 1438 est recommandé. »
Simple tôle en acier inoxydable d'une épaisseur de quelques millimètres, installée en travers du chenal d’approche, les modalités d’installation des déversoirs sont régies par la norme NFX 10-311 (1438). La norme permet pour les petits débits l’utilisation de déversoirs ayant une échancrure rectangulaire ou triangulaire, aménagée au centre de la tôle. Les déversoirs à échancrure triangulaire (de forme plus progressive que les déversoirs à section rectangulaire) permettent de mesurer avec plus de précision de faibles débits (jusqu’à 0,5 à 3 m³/h) que les déversoirs à échancrure rectangulaire. Ainsi, selon la norme NFX 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 échancrure triangulaire.
Plusieurs entreprises proposent des déversoirs : Bamo avec le Débitbac, produit lancé il y a plus de dix ans, Endress+Hauser ou encore Aqualyse avec l’Aquabac. L’avantage du déversoir est son faible coût d’achat et la simplicité de sa mise en place. Il présente néanmoins l’inconvénient de nécessiter une maintenance régulière pour enlever les solides retenus au pied de la plaque. Il a tendance à obstruer le chenal et donc à altérer la mesure.
Ainsi se pose le dilemme des faibles débits. Que faire lorsque les déversoirs de forme triangulaire ne conviennent pas ? Faut-il suivre les normes imposées et prendre le risque de mesures imprécises ou adopter d’autres solutions non normalisées mais plus précises comme le proposent plusieurs entreprises ?
Solutions pour débits faibles et de grande variabilité
« Pour les petits débits, l’enjeu est d'utiliser un ouvrage créant la plus grande hauteur d’eau possible afin d’obtenir des données métrologiques précises sans toutefois entraîner des hauteurs énormes lorsque le débit augmente pour éviter la construction d’ouvrages démentiels », explique Daniel Engel. « Pour relever le défi, le seul moyen est d’utiliser un canal venturi ayant une forme progre… »
Ainsi Aqualyse a mis au point le Furtiflo, un canal venturi préfabriqué ayant une forme conique en V. D’où sa performance à bas débit. En outre, son entrée de forme conique ascendante a été conçue pour soulever les débris et les évacuer par le flot, évitant ainsi le colmatage. Ce canal préfabriqué en acier inoxydable est disponible en six modèles standards, mais peut aussi être réalisé sur mesure. Le Furtiflo, non conforme aux normes, utilise néanmoins les mêmes
lois hydrauliques que celles-ci et est certifié sur banc métrologique.
Isma propose de son côté des canaux venturi ayant une contraction latérale de forme semi-elliptique, sans seuil permettant un dégagement des débris éventuellement véhiculés par l’eau.
« Cette contraction permet la mesure de débit avec précision puisque l’écoulement réduit transite par une section étroite, base de l’ellipse », souligne Jean-Paul Forêt. « Le débit augmentant, la section s’élargit jusqu’au sommet libérant progressivement une section mouillée importante. La technique permet de mesurer des débits variant dans un rapport de 1 à 100. »
L’équipement est destiné notamment à la mesure de rejets soumis à de grandes variations de débit instantané comme les déversoirs de stockage. « Nous proposons 7 modèles de venturi préfabriquées pouvant mesurer de 0,22 m³/h à 1500 m³/h. »
Restituant une précision de mesure exceptionnelle (erreur moyenne maxi 1,2 %), ils sont certifiés par l’École nationale du génie de l’eau et de l’environnement de Strasbourg (ENGEES).
De son côté, Endress+Hauser vient également de développer, en lien avec l’ENGEES, un canal venturi à col trapézoïdal, dit HQI 520. « Sa forme particulière lui confère une rangeabilité importante couvrant une plage de débit de 1,5 m³/h à 90 m³/h », note Tarik Mechaouat.
L’HQI 420 n’est certes pas prévu dans la norme 4359. « Il répond toutefois aux lois hydrauliques de la norme. »
Alors que les canaux communément utilisés pour la fabrication des canaux à ciel ouvert sont le PPH, l’acier inox et la fibre de verre, « dans un souci d’éviter les risques de déformations liées à la dilatation des matériaux et à une mauvaise installation pouvant modifier les dimensions de la contraction, nous avons opté pour un
HQI en fibre de verre, ayant la particularité d’auto-nettoyabilité et d’une faible rugosité au niveau du lit. Si le canal et la mesure de niveau sont parfaitement installés, l'abaque fournit une incertitude résiduelle sur le débit de ± 3 % de la mesure.
Mesurer la hauteur d’eau
Plusieurs approches peuvent être envisagées : échelle visuelle limnimétrique, système par ultrasons, technologie bulle & bulle, capteurs de mesure de niveau par pression hydrostatique, etc. Le principe de mesure est choisi en fonction de la nature des effluents (charge des eaux résiduaires, température, présence de flottants, etc.) et de l'environnement dans lequel le matériel de mesure va être installé. Reste que la solution la plus utilisée est la méthode par ultrasons représentant près de 80 % des applications. Sans pièces mécaniques, sans contact avec le fluide, et ne nécessitant aucune maintenance, les capteurs émettent les ultrasons qui vont se réfléchir sur la surface et en retour détecter les ondes réfléchies. De la mesure du temps de parcours aller/retour de l’onde ultrasonique se déduit la mesure de niveau. Cette mesure doit être automatiquement compensée en température (vitesse du son liée à la température de l’air). Une absence de compensation entraînerait des erreurs inacceptables en matière de mesure de débit sur canal ouvert.
Ainsi Aqualyse propose deux appareils (MACH 3 et Visa 460), mesurant par ultrasons la distance entre le capteur et la surface de l'eau. « Le Visa 460, conçu dès le départ pour être un instrument de référence, dispose d’un système de compensation de température découplé du corps de l'appareil monté sur une tige fine et donc protégé des rayonnements solaires directs qui peuvent influencer la température de l'air. Grâce à ce système de compensation externalisé, l'appareil compense très rapidement les variations de température de l’air et restitue des mesures de plus grande précision que ceux ayant un système de compensation à l'intérieur du corps du capteur tels, entre autres, le MACH 3 », indique Daniel Engel. Un point très important lorsqu’il s’agit de mesurer de faibles hauteurs d’eau et donc de faibles débits. Le Visa 460 peut recevoir jusqu’à 4 capteurs ultrasons avec une option de mémorisation interne et plusieurs options de transmission numériques directes ou par modem, ou analogiques.
De son côté, ISMA propose son débitmètre DLK 102 qui peut recevoir, lui aussi, jusqu’à 4 capteurs ultrasons avec une capacité de mémorisation interne de 60 000 valeurs. Endress+Hauser propose sa gamme Prosonic S, un capteur à ultrasons pour la mesure de niveau associé à un enregistreur intelligent capable de calculer les débits et les transmettre à un centre de supervision. Bamo dispose pour sa part du capteur à ultrason Echotrek relié à un calculateur de débit (Bamophox) dont les données peuvent être converties en signal 4-20 ou enregistrées sur un système de datalogger intégré à l'appareil.
Nivus, représenté en France par Engineering Mesures est spécialisé sur les débitmètres hauteur/vitesse et utilise une technologie unique par ultrasons à corrélation de temps, qui permet d’intégrer en continu la courbe de profil dans la conduite. Le nouvel OCM Pro CF est basé sur le principe d’échos par ultrasons : la hauteur d’écoulement (niveau) dans le milieu est mesurée soit du radier vers le haut ou à partir du haut par ultrasons aériens. Dans les deux cas, la surface de l'eau est identifiée et le temps de parcours du son entre capteur et surface de l’eau mesuré. Ce procédé de mesure se caractérise par sa précision et sa stabilité dans le temps. Mousses ou autres substances flottantes n’influencent nullement le résultat de mesure. Lors d’une installation latérale du capteur combiné ou en présence de milieux à forte absorption d’ultrasons, une mesure de niveau est également disponible grâce à une mesure hydrostatique intégrable au capteur.
Mesure de débit sans ouvrage : une approche réfléchie et globale est indispensable
L'installation d’un système déprimogène nécessite de connaître les valeurs mini et maxi du débit à mesurer. Lors des déversements au milieu naturel (déversoir d'orage), les valeurs maxi sont souvent difficiles à appréhender et le mini est souvent proche de 0. Cela nécessite donc de trouver d'autres solutions.
La loi physique Q = S x V (section mouillée x vitesse moyenne) est universelle et utilisée par tous les débitmètres dits « hauteur-vitesse ».
Les technologies pour mesurer la hauteur d'eau (convertie ensuite en surface mouillée) sont connues et maîtrisées. En revanche, les différentes technologies permettant de mesurer la vitesse le sont beaucoup moins.
– La mesure d'une vitesse ponctuelle : capteur effet Doppler, capteur électromagnétique, radar de surface… – La mesure de vitesse multipoint : Doppler pulsé, corrélation croisée, temps de transit (mono ou multicordes)…
« Ce choix influence de manière importante le calcul de la vitesse moyenne et par conséquent la précision de la mesure de débit. En effet, la conversion de la (ou des) vitesse(s) mesurée(s) en vitesse moyenne fait appel à des calculs (plus ou moins) complexes et parfois à la modélisation : plus le nombre d'informations (vitesses) et leur représentativité sont importants, meilleure sera la précision de la mesure », indique Fabien Georget, Nivus.
Ceci est d’autant plus sensible lorsque les conditions d’écoulement sont variables. Les dimensions et la géométrie des canaux sont également des critères à prendre en compte, et en dernier les coûts d'installation et de maintenance.
Aucune technique ne répond à tous ces critères réunis, de même qu'il n'existe aucun venturi couvrant toutes les applications. « Seule l'approche réfléchie et globale d'une application permettra d'obtenir un résultat techniquement et économiquement satisfaisant à court et moyen terme », souligne Fabien Georget.
Autre technique utilisée : le bulle à bulle.
Elle est retenue dans 20 % des cas. Endress+Hauser et son bulle à bulle HMB, Bamo avec son Bamobul, Hydrologic avec son capteur bulle à bulle à mémoire LPN8 ou avec son nouveau capteur Hydro 1000, ou ISMA avec le DLK 102 proposent cette technologie. Elle repose sur la mesure de pression nécessaire pour entretenir un débit d’air bulle à bulle à travers un tube débouchant directement dans un effluent. Un débit assurant une à deux bulles par seconde sous une hauteur d'eau de 1 m suffit pour enregistrer sans décrochement les fluctuations de niveau. La mesure de niveau est envoyée dans un intégrateur qui transmet un débit.
La mesure bulle à bulle est reconnue pour son extrême fiabilité, l'absence d’instabilité occasionnée par les turbulences, la présence de mousse à la surface, ou de vent. Elle est le plus souvent utilisée en milieu industriel sur des liquides agressifs comme les liquides soufrés. « Dans les faits, la maintenance d'un système bulle à bulle est relativement facile à assurer. Il s’agit d'un système simple dans son principe et facile à mettre en place, alors que la technologie ultrasonique, en cas de mesures erronées liées par exemple à des échos parasites ou à des perturbations climatiques, est plus difficile à régler », estime Michel Froger, de Bamo Mesures.
2G Métrologie a développé de son côté le Limn’air, un capteur bulle à bulle alliant mesure de niveau et de débit. En version fixe ou portable, il est utilisé pour la mesure de niveau et de débit en canal ouvert. Très basse consommation grâce à ses deux circuits indépendants de mesure et de pression, il peut être installé avec une alimentation solaire. Ni l'électronique ni les éléments sensibles ne sont en contact avec le liquide, ce qui élimine tout risque de corrosion ou d’agression. Le Limn’air intègre son propre générateur d’air avec une réserve et une régulation. Son filtre antipoussière assure une excellente stabilité dans le temps du bullage. Sa précision lui permet de mesurer de très faibles niveaux donc de petits débits. « Contrairement aux capteurs ultrasons, le Limn’air est totalement insensible aux différences de température entre le capteur et la surface du rejet », assure Olivier Gras, 2G Métrologie. Dans sa version simple il peut être interfacé sur n’importe quel calculateur ayant une entrée analogique, au même titre qu'un capteur piézo, avec une excellente fiabilité.
Mesurer le débit sans ouvrage
Lorsque la largeur des canaux transportant les effluents est trop importante pour pouvoir envisager la construction de déversoirs et canaux venturi, d’autres solutions peuvent être envisagées. « Le Flodar peut mesurer un débit sans aucun contact avec l’effluent, ni installation d’organes déprimogènes », signale Stéphane Saccani, chez Cometec. L'instrument est constitué de deux transducteurs : une source radar pour la mesure de vitesse de surface et un limnimètre à ultrasons pulsés pour la mesure de niveau. Le faisceau de l’onde radar transmise est réfléchi sur celle-ci, produisant un signal de fréquence différente. La différence de fréquence entre l’onde émise et l’onde reçue est proportionnelle à la vitesse de l’écoulement. Selon l’application, la mesure de débit est reliée à une supervision, enregistrée ou envoyée via modem.
Autre alternative pour les mesures de débit sur des écoulements à surface libre, le débitmètre à ultrasons par temps de transit. C’est un ensemble métrologique incluant une mesure de niveau (piézométrique, radar ou bulle à bulle) et un conver-
tisseur débitmètre monocorde ou multicordes.
Le principe de cette technique ultrasonique par temps de transit est le suivant : le trajet acoustique entre l’émission et la réception sur 2 sondes dépend de la distance entre celles-ci et de la vitesse de propagation du son dans le milieu, ce trajet sera plus court dans le sens d’écoulement du fluide que dans le sens inverse. Cette différence de temps, associée à la hauteur d’eau et au profil de l’ouvrage permet la mesure fiable, précise et répétable du débit.
La mesure de la différence de temps de transit est plus communément appelée mesure par corde de vitesse. Ces cordes peuvent être implantées à différentes hauteurs afin de connaître plusieurs vitesses moyennes, on parle alors de systèmes multicordes.
Ultraflux, société française spécialisée depuis plus de 35 ans dans l’ultrason temps de transit vient de lancer le débitmètre UF 831 CO, une nouvelle génération d’appareils dédiés à la mesure de débit sur des écoulements à surface libre (canaux, égouts ou rivières). « L’instrument permet de mesurer jusqu’à 8 vitesses. Il permet aussi une mesure sur deux canaux simultanément, d’où une réduction d’achat du matériel. Il peut en outre intégrer une mesure de vitesse externe – (doppler par exemple) en tant que corde externe », souligne Laurent Bonfils chez Ultraflux. « Nous sommes intervenus dernièrement pour des mesures de débit sur la Seine et sur de gros ouvrages au sein de la STEP de Valenton ». Seul inconvénient, cette solution High Tech, facile d’installation, sans génie civil et capable de résultats précis, stables et fiables même dans des conditions de mesure extrême, est plus coûteuse que la traditionnelle mesure sur canal ouvert.
De son côté, pour la mesure des débits sans ouvrage, Aqualyse propose les capteurs à effet Doppler utilisant les dernières technologies de la société Sontek. Installé aisément sur une seule rive et donc moyennant un coût très réduit, le capteur mesure simultanément la hauteur et 10 vitesses dans la largeur du canal ou du cours d’eau (jusqu’à 120 mètres). La forme étant préalablement entrée lors de la programmation, ce courantomètre peut indiquer et/ou transmettre vitesses, débits et volumes via ses sorties numériques (RS 232, RS 422, Modbus, radios) ou analogiques.
Pour les petits cours d'eau il existe aussi un modèle, de mêmes caractéristiques, à poser en fond de canal. En outre ces capteurs dernier cri ne nécessitent aucun réétalonnage périodique.
