Mesure du débit des eaux usées
Il y a environ 20 ans, STEBATEC a commencé à s’intéresser de près à la technologie de mesure pour les égouts. Les questions récurrentes concernant la précision d’une mesure de débit dans les différentes plages de mesure et le prix approprié, le système qui offre au client un rapport coût/bénéfice optimal et la conception des points de mesure pour qu’ils puissent être bien entretenus, ont été déterminantes. En tant que société d’automatisation, STEBATEC a également toujours eu pour tâche de limiter les débits et de commander des organes de régulation sur la base des signaux de débit.
Dans les années 90, les autorités ont imposé de nouvelles exigences à la technologie de mesure dans les stations d’épuration. À l’époque, on utilisait presque exclusivement des systèmes de mesure Venturi pour enregistrer les débits et le mythe était largement répandu selon lequel, pour avoir au moins le même comportement en cas d’erreur à tous les points de mesure, il fallait toujours utiliser la même méthode de mesure. Au fil des années, il s’est avéré que pour obtenir des résultats de mesure satisfaisants, il fallait utiliser la méthode de mesure la plus appropriée en fonction des différents facteurs tels que la pente du réseau d’égouts, la plage de mesure, les débits minimaux et la sensibilité à la pollution. Idéalement, les instruments de mesure ne devraient pas être influencés par les tolérances de construction et les systèmes devraient être capables de s’auto-contrôler après l’étalonnage initial, par exemple en comparant les signaux partiels individuels, ce qui nécessite des systèmes de mesure qui mesurent et enregistrent au moins deux paramètres (par exemple le niveau et la vitesse d’écoulement).
Chez STEBATEC, on a donc cherché intensivement des solutions permettant de mesurer des résultats meilleurs et plus constants avec des systèmes de mesure beaucoup moins coûteux. Beaucoup de choses proposées sur le marché ont été essayées, mais sans succès, car les améliorations promises n’ont pas pu être tenues. On peut citer comme exemple la mesure partiellement remplie avec le système de mesure MID. Les inconvénients étaient tout simplement trop importants dans la phase d’exploitation. La dynamique de mesure limitée en termes de niveau minimum et de vitesse d’écoulement, le manque de stabilité du point zéro et la dérive ne sont que quelques-uns des points qui posent des problèmes au système MID partiellement rempli.
La solution consistait à étendre le système MID à l’aide d’un simple coude de manière qu’il puisse toujours mesurer à pleine capacité. Après des années de travail de persuasion, le système a finalement pu être mis sur le marché et une solution satisfaisante a été présentée aux clients, qui était en outre beaucoup moins coûteuse qu’une construction Venturi complète. Les données de mesure étaient fiables et robustes à partir de ce moment-là, mais le refoulement permanent nécessitait une maintenance plus importante et donc un potentiel d’optimisation. Peu à peu, les systèmes ont été améliorés et de nouvelles technologies ont été développées, comme la mesure LDM.
| Illustration : Le laboratoire hydraulique au siège de STEBATEC à Brügg près de Bienne, avec la possibilité de générer en permanence des débits en continu jusqu’à 1600l/s. Une visite de site vaut vraiment la peine. |
Le laboratoire hydraulique de STEBATEC, qui s’est développé au fil des années et a été optimisé en permanence, permet aujourd’hui d’étalonner et de tester des débitmètres à remplissage partiel ou total jusqu’à un débit maximal de 1600l/s. Le laboratoire hydraulique en tant qu’installation d’essai a permis d’optimiser en permanence les méthodes de mesure et de développer de nouvelles fonctions. Il est par exemple possible de simuler des encrassements, de les détecter et de les signaler à un stade précoce grâce à l’évaluation des signaux, avant que la précision de la mesure ne soit affectée.
Exigences multiples pour les mesures de débit
L’expérience montre que les mesures de débit sont sélectionnées et définies pour les besoins actuels, mais que les données mesurées sont ensuite utilisées de manière polyvalente pour d’autres évaluations, qui exigent par exemple une plus grande précision dans d’autres domaines de mesure ou qui posent des exigences totalement différentes. Que ce soit « seulement » pour calibrer des modèles hydrodynamiques sur la base desquels des ouvrages et des canaux sont dimensionnés, ou pour déterminer les quantités d’eaux parasites afin de prioriser les mesures de réhabilitation.
STEBATEC s’est donc donné pour mission de ne construire que des points de mesure qui fournissent des résultats solides et fiables sur toute la plage de mesure et qui répondent également aux exigences futures.
Les exigences les plus courantes sont indiquées ici :
- Mesures des eaux parasites à des fins statistiques, de planification des mesures ou de répartition des coûts
- Relevés pour le dimensionnement et la planification générale du drainage
- Relevé des quantités dans les associations communales de traitement des eaux usées
- Mesure de débit comme aide à l’orientation pour la gestion des débits
Pour illustrer les avantages et les exigences dans la pratique, STEBATEC présente ici quelques projets réalisés avec leurs particularités respectives.
Décompte des coûts d’exploitation selon le principe du pollueur-payeur dans le périmètre de la station d’épuration de Court
Les eaux usées des communes de Champoz, Valbirse, Sorvilier et Court sont acheminées vers la station d’épuration de Court. Grâce aux nouveaux points de mesure de STEBATEC, les taxes d’assainissement sont désormais facturées en fonction des volumes réels.
| Illustration : point de mesure compact avec MID entièrement rempli |
Chaque ouvrage avait ses propres exigences et critères concernant le choix du système de mesure à utiliser.
En raison de l’espace restreint, un point de mesure MID pour le remplissage complet a été choisi à Champoz. Elle s’intègre facilement dans le puits et fournit des résultats de mesure précis et durables en cas de remplissage complet grâce à la technique de mesure MID robuste.
Comme la pente du canal est suffisante, l’accumulation de fond générée par le coude de décharge ne pose pas de problème. Grâce au système développé par STEBATEC, le point de mesure peut être monté sur un adaptateur de plaque de vanne et ne nécessite donc aucun point de fixation supplémentaire. Grâce aux points de levage, l’appareil peut être facilement soulevé du puits à l’aide de sangles à des fins de maintenance, puis remonté.
L’ouvrage de Valbirse a pu être équipé d’une mesure fixe de la différence de temps de transit TF, car l’espace disponible était beaucoup plus grand. Le système mesure en état de remplissage partiel et ne génère pas de retenue. Dix sections de mesure de la vitesse d’écoulement réparties sur l’ensemble de la section assurent une précision maximale de la mesure du débit. Grâce à la disposition avantageuse des capteurs, même les petits débits et les niveaux de remplissage peuvent être mesurés avec précision. La structure avec canal sec et canal pour temps de pluie garantit des résultats de mesure précis sur une grande plage de mesure. Le système TF a été conçu ici à titre préventif avec un couvercle, de sorte qu’un clapet de régulation (PNA) puisse être ajouté ultérieurement si nécessaire.
| Illustration : Mesure de débit stationnaire TF partiellement remplie avec système de mesure de la différence de temps de transit et canal sec / pluvial pour un enregistrement précis des débits sur une large plage de mesure. |
| Illustration : Mesure de débit fixe partiellement remplie avec un clapet de régulation à commande pneumatique |
Pour la mesure de ce qui arrive à la STEP de Court, une mesure fixe de la différence de temps de transit a été installée, comme à Valbirse. La conception ouverte permet un nettoyage et un contrôle faciles par le haut.
Toutes les données de mesure sont transmises au système de contrôle de processus ARAbella, qui a également été installé par STEBATEC, y compris la communication des données. Le décompte des quantités est effectué directement dans le système de contrôle des processus. Cela permet de réduire les frais administratifs.
| Illustration : Point de mesure d’entrée de la STEP de Court. La construction ouverte est particulièrement avantageuse pour le nettoyage et la surveillance optique. |
La possibilité constructive d’adapter le point de mesure exactement à la structure existante permet d’éviter des coûts de construction supplémentaires, car l’intégration dans le canal en béton peut se faire sans adaptations structurelles.
| Illustration : Coupe transversale du canal de mesure, qui peut être monté dans le canal en béton sans travaux de construction supplémentaires. |
Une technologie de pointe pour l’Institut d’ingénierie hydraulique et de recherche sur les cours d’eau (IWA) de Vienne
L’Université de l’agriculture de Vienne (BOKU) est l’une des principales universités de sciences de la vie en Europe. Pour le laboratoire moderne d’ingénierie hydraulique de l’Institut de recherche sur les cours d’eau de la BOKU, STEBATEC a pu apporter une contribution à la recherche future.
| Illustration : Clapet de régulation en action, l’eau du Danube est régulée avec précision à un débit donné. |
Grâce à la différence de niveau d’eau de 3 m entre le Danube et le canal du Danube, jusqu’à 10.000 l/s s’écoulent à travers le laboratoire hydraulique sans pompage et donc sans énergie extérieure, ce qui est unique au monde. STEBATEC a été impliqué très tôt dans la planification pour assurer la fiabilité de la régulation du débit.
| Illustration : Clapet de régulation à commande pneumatique d’un mètre de diamètre. Les possibilités de paramétrage ouvrent de nouvelles perspectives de recherche pour le laboratoire de génie hydraulique de Vienne. |
Le dimensionnement de la régulation pneumatique de l’écoulement (PNA) a été effectué en DN1000, ce qui nécessite le traitement de forces considérables à une pression d’eau de 3 mètres. Les exigences en matière de précision de régulation sont très élevées, les débits sont approchés par le PNA en continu sur toute la plage de débit avec des temps de réglage très courts.
L’interaction entre un point de mesure correctement calibré et une régulation de débit paramétrable dans les moindres détails au moyen d’un clapet de régulation pneumatique est responsable d’une alimentation en eau parfaite. Grâce à notre laboratoire hydraulique interne et certifié au siège de Brügg (Suisse), même ces dimensions peuvent être calibrées et testées avec précision.
Le clapet de régulation est alimenté en air comprimé et amené par un actionneur pneumatique dans la position requise par le débit d’eau. Les valeurs de consigne sont fournies par le système de contrôle du laboratoire, qui est connecté via Modbus, ou peuvent être saisies sur l’écran tactile du PNA. Le menu utilisateur intuitif est facile à utiliser et la visualisation permet de lire les paramètres et les valeurs de mesure actuels.
Les données de mesure sont enregistrées en permanence et sont disponibles pour l’institution sans interruption et pendant des années.
Exigence spéciale pour la station de mesure sous fluviale Walperswil
La construction sous-fluviale de Walperswil a offert à notre service d’ingénierie la possibilité de développer une solution spéciale pour le client.
Grâce au « canal de temps sec » sur le débitmètre fixe partiellement rempli, le niveau d’eau et la vitesse d’écoulement restent mesurables même lorsque le débit nocturne est minimal. Le dimensionnement du canal de temps sec a été effectué sur la base de calculs des débits maximums à mesurer ; dans ce cas concret, des débits allant jusqu’à 200 l/s peuvent être mesurés avec une variation moyenne maximale de 0,9%, ce qui correspond également à la capacité d’écoulement maximale du siphon situé en dessous. Dès que le passage en siphon atteint sa capacité de débit, des volumes d’eau supplémentaires sont retenus, la mesure est submergée et déchargée par les grilles latérales situées en amont de la mesure.
| Illustration : Canal de mesure protégé par une tôle d’acier chromé dans la construction sous-fluviale de Walperswil. |
Association de protection des eaux de la région du lac de Zoug
Le nouveau point de mesure LDM dans l’ouvrage Schmittli, en aval d’Ägeri, du GVRZ a été utilisé pour obtenir une grande précision de mesure et une grande fiabilité, en particulier pour les faibles débits de nuit. Le LDM, d’un diamètre nominal de 500 mm, enregistre avec précision et fiabilité le débit à partir d’une hauteur de remplissage de 26,1 mm. Dix sections de mesure de la vitesse d’écoulement réparties sur toute la section, dont les signaux sont enregistrés pendant plusieurs années dans l’enregistreur de données intégré du transmetteur, assurent une précision maximale de la mesure du débit. Grâce à l’enregistrement et à la mise à disposition de tous les signaux des tubes, tels que le niveau de remplissage, les vitesses d’écoulement et l’intensité des signaux, le système s’autocontrôle en permanence et permet une vérification à tout moment.
Nettoyage à la demande
Grâce au système robuste et résistant à la pollution, qui présente également d’excellentes propriétés contre l’abrasion, les frais de maintenance et d’entretien sont réduits au minimum. Une caractéristique importante de la technologie de mesure de débit STEBATEC est la détection automatique de la pollution du système, qui est évaluée par la qualité du signal. Cela permet aux systèmes de n’être nettoyés que lorsqu’ils émettent un message de pollution – la sensibilité de ce message est réglée en usine de manière à déclencher un nettoyage avant qu’une éventuelle dégradation de la qualité de mesure ne se produise.
| Illustration : L’ouvrage de mesure et d’étranglement Schmittli du GVRZ. Les signaux de mesure sont transmis au système de contrôle des processus de la station d’épuration. L’interface web intégrée au transmetteur permet par exemple d’accéder à l’enregistrement des données sur plusieurs années de tous les signaux bruts de mesure. |
Une grande plage de mesure avec une précision constante à Matzendorf
La STEP de Falkenstein effectue depuis longtemps des mesures de débit dans le réseau d’égouts. Pour diverses raisons, elle a cherché un nouveau débitmètre qui ne provoque pas de refoulement, qui garantisse une grande plage de mesure et qui soit facile à utiliser.
Après consultation des données de mesure historiques, un LDM d’un diamètre nominal de 300 mm a été installé. Avec cette taille, il est possible de mesurer des débits garantis à partir d’un niveau de 30 mm. La plage de mesure est comprise entre 3 et 100 l/s. Avec une pente de moins de 1%, l’exigence minimale est atteinte sans problème. Pour la maintenance, une ouverture de maintenance a été placée à proximité du capteur. Elle permet de voir l’intérieur de la canalisation et d’enlever facilement les impuretés.
| Illustration : L’ouvrage de Matzendorf a été équipé d’un point de mesure LDM avec une ouverture de maintenance. L’accès aux capteurs est ainsi garanti à tout moment. |
Avant que les débitmètres ne quittent l’usine de STEBATEC, ils sont étalonnés dans notre propre laboratoire hydraulique. Celui-ci est en mesure de tester et d’étalonner tous les débitmètres – indépendamment de leur fabricant – avec la précision requise. Le débit généré dans le laboratoire permet d’obtenir n’importe quel débit jusqu’à 1600l/s maximum.
Toutes les données recueillies au cours du processus de vérification et d’étalonnage sont enregistrées pour une traçabilité ultérieure et conservées pendant la période requise par la loi. L’ensemble du contrôle est documenté électroniquement dans un certificat de contrôle qui est joint à la documentation de l’installation.
L’étalonnage est basé sur la valeur de mesure de référence par rapport à une mesure de débit en série.
La précision d’une mesure de débit dépend fortement des conditions hydrauliques. Une reproduction de l’écoulement hydrodynamique est donc la base d’un contrôle de précision adapté à la pratique, car les différentes vitesses d’écoulement dans l’appareil de mesure modifient également l’hydraulique. C’est pourquoi la section d’entrée est adaptée aux conditions sur site.
Une mesure de débit doit fournir des résultats précis sur toute la plage de mesure. Une erreur ne doit en aucun cas s’accumuler à chaque étape de mesure et influencer les mesures suivantes. C’est pourquoi notre laboratoire effectue un contrôle en deux étapes afin de s’assurer de la plausibilité des résultats.
Afin de collecter des données précises sur l’ensemble du spectre de mesure, le contrôle s’effectue en deux étapes:
Étape 1 / Analyse de secteur en hausse
Parcours de zones de mesure individuelles, en partant d’un débit minimal qui couvre encore la paire de capteurs la plus basse avec de l’eau, jusqu’à un maximum de 1600 l/s.
Étape 2 / Analyse de secteur en baisse
Parcours des différentes zones de mesure, en descendant du débit maximal de 1600 l/s jusqu’au minimum qui recouvre encore la paire de capteurs la plus basse avec de l’eau.
La ville de Winterthur équipe trois bassins pluviaux de TF et PNA
En aval du bassin pluvial de Dättnau, situé dans le périmètre du réseau d’assainissement de la ville de Winterthur, des surcharges de la canalisation se produisaient lors de fortes pluies, bien que le bassin pluvial de Dättnau, situé en amont, ne soit presque jamais rempli. Les exigences en matière de régulation pneumatique de l’écoulement étaient les suivantes:- Mesure et régulation fiables du débit, et technique de mesure dans le bassin
- Conception conforme à la norme ATEX
| Illustration : Régulation pneumatique de l’écoulement faisant partie de toute une infrastructure dans la construction, qui fonctionne ensemble dans une commande ALLinONE. |
| Illustration : Vue 3D du point de mesure. La régulation de débit avec mesure LDM convainc par sa conception compacte. |
Conclusion
Grâce à sa longue expérience, STEBATEC a optimisé la technologie de mesure et a développé des produits qui répondent aux exigences actuelles et futures. Des données de mesure précises, un accès transparent à l’ensemble de la chaîne de mesure ou aux données brutes et une interface utilisateur conviviale sont des éléments importants. Mais une construction robuste, durable et facile à entretenir ne doit pas non plus être négligée. STEBATEC apporte son soutien depuis la recherche d’idées jusqu’à la réalisation d’installations de mesure et de régulation, l’interprétation et l’évaluation des données et le service après-vente à long terme.Analyse de chaque mesure dans les moindres détail
Exemple d’enregistrement d’un LDM avec l’enregistreur de données, qui fournit des courbes de réponse à haute résolution. Pour une meilleure visualisation, un seul chemin de mesure (v1) est affiché ici.
