debit
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Autosurveillance des stepsTRANSCRIPT
Mesures de débit
Contrôle technique des installations de mesures de débits, étalonnage et jaugeage
Auteur : Alain Wyss - Service des contrôles de l'assainissement de l'Etat de Genève
Table des matières
1. Principes utilisés pour la mesure de débits dans les eaux usées
1.1 Utilisation d’une loi liant directement le débit à la hauteur d’eau Q = f(h)1.2 Utilisation de la loi Q = F * v1.3 Mesures ponctuelles de contrôles
2. Seuils hydrauliques calibrés
2.1 Déversoirs en mince parois2.2 Déversoirs à seuil épais2.3 Canaux jaugeurs à ressaut (Venturi, Parshall et autres)2.4 Canaux calibrés type "H Flume"
3. Limnimétrie (mesure de la hauteur d’eau)
3.1 Limnimètre "bulle à bulle"3.2 Capteurs de pression3.3 Limnimètre à ultrasons3.4 Radar
4. Utilisation de la loi Q = F * V
4.1 Mesure de la vitesse par ultrasons4.2 Débitmètre électromagnétique4.3 Nouveau développement : le Flo-Dar
5. Entretien et contrôles des installations de mesures : recommandations
5.1 Entretien5.2 Contrôles de routine
6. Etalonnage des appareils
6.1 Mesure de la hauteur par ultrasons6.2 Capteurs à pression et des "bulle à bulle"6.3 Mesures de vitesses
7. Contrôle de la précision des débits fournis par une installation de mesure
7.1 But de ce contrôle :7.2 Principe proposé à Genève dans le cadre de l’autocontrôle (projet) :7.3 Comparaison entre 2 débitmètres fixes
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7.4 Jaugeage par établissement d’un profil des vitesses7.5 Jaugeage par l’installation d’un déversoir calibré mobile7.6 Jaugeage par injection d’un volume ou d’un débit connu7.7 Jaugeage chimique par dilution
8. Archivage des données
1. Principes utilisés pour la mesure de débits dans les eaux usées
1.1 Utilisation d’une loi liant directement le débit à la hauteur d’eau Q = f(h)
mise en place d’un seuil hydraulique calibré dans l’écoulement (déversoir, Venturi, ...)mesure de la hauteur d’eau en amonttransformation de la hauteur en débit à l’aide d’une formule hydraulique
1.2 Utilisation de la loi Q = F * v
mesure de la vitesse de l’eaumesure de la hauteur d’eau si la canalisation n’est pas en charge
1.3 Mesures ponctuelles de contrôles
jaugeage volumétriquejaugeage chimique
2. Seuils hydrauliques calibrés
Quatre famille :
les déversoirs en mince paroiles déversoirs à seuil épaisles canaux jaugeurs à ressaut (Venturis, Parshall)les canaux calibrés (type H Flume, ...)
2.1 Déversoirs en mince parois
Conditions de mise en oeuvre :
plaque parfaitement verticale et perpendiculaire aux parois du chenal d’approche, étanche et indéformablecanal d’approche rectiligne, uniforme, rectangulaire et de pente constante sur une longueur > 10 x la largeur de la lame déversante à la charge maximaleniveau d’eau dans le chenal aval suffisamment en dessous de la crête pour assurer un écoulement libre et pleinement aéré
Conditions de maintenance :
dépôts en amont du seuil à éliminer au minimum une fois par jour (surtout pour les eaux brutes d’entrée de STEP), car ils modifient la hauteur de pelle qui influe sur la précision de la mesure.
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Mesures de débit
Déversoir rectangulaire en mince paroi
Avec contraction latérale
Sans contraction latérale
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Mesures de débit
Formule du type :
où C est fonction de la hauteur de pelle, de la hauteur de charge, de la largeur du déversoir et de la largeur du chenal d’approche.
Précision de l’ordre de 1 à 4 % sur le coefficient de débit lorsque toutes les conditions sont respectées.
Déversoir triangulaire en mince paroi
Formule du type :
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Mesures de débit
où l’angle α est compris entre 20° et 100°et C est fonction de l’angle α , de la hauteur de pelle, de la hauteur de charge et de la largeur du chenal d’approchePrécision de l’ordre de 1 à 2 % sur le coefficient de débit lorsque toutes les conditions sont respectées.Permet de mesurer de très faibles débits mais risques de colmatage plus important à la base du V.Moins bonne résolution (∆h/∆Q) que le déversoir rectangulaire.
2.2 Déversoir à seuil épais
Les seuils épais peuvent être :
à profil rectangulaireà profil trapézoïdalà profil triangulaire
Conditions d’écoulement : permanent, uniforme et dénoyé
Précision :
2 à 5 % sur le coefficient de Q dans les conditions d’emploi de la norme.résolution (∆h/∆Q) nettement moins favorable que les autres dispositifs
Avantages :
Différence de niveau entre l’amont et l’aval relativement faibleAutocurage par accélération de la vitesse due à la forme de l’ouvrage
Gamme de débits
Type de déversoir à utiliser Lame d'eau correspondante Observations
Mini Maxi Mini Maxi
0.2 l/s 35 l/s Triangulaire type ¼tg(α /2) = ¼ (α = 28.1°)
5 cm 40 cm
0.4 l/s 70 l/s Triangulaire type ½tg(α /2) = ½ (α = 53.1°)
5 cm 40 cm H pelle > 45 cm,
⇒ H canal > 85 cm
1 à20 l/s
70 < Qmax <140 l/s
Triangulaire type 90°tg(α /2) = 1 (α = 90°)
5 cm pour1 l/s
40 cm pour140 l/s
> 20 l/s 200 l/s Rectangulaire L = 0.3 m 10 cm 40 cm H pelle > 40 cm
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50 l/s 500 l/s Rectangulaire L = 1 m 10 cm 40 cm H canal > 80 cm
100 l/s 1000 l/s RectangulaireL = 1 à 2 m
15 cm à10 cm
65 cm à45 cm
H canal > 1.3 m
H canal > 90 cm
Choix d’un déversoir en mince paroi : critères selon la gamme des débits
2.3 Canaux jaugeurs à ressaut (Venturi, Parshall et autres)
Généralités :
contraction latérale de la section d’écoulement (+ évent. contraction verticale selon les types)passage d’un régime fluvial amont à un régime torrentiel au droit de la section de contrôle
Conditions de mise en œuvre :
ouvrage parfaitement horizontal dans les 2 directionscanal d'approche rectiligne, uniforme, rectangulaire et de pente constante sur une longueur minimale de 5 à 10 fois la largeur de la surface de l’eau au débit maximalrégime fluvial en amont avec une vitesse à débit max. < 1 m/sconditions d'écoulement en aval complètement libres jusqu'au débit maximal à mesurer(si ce n’est pas le cas, il est possible de quand-même déterminer le débit en mesurant le taux de submersion par une seconde mesure dans la section de contrôle)
Précision :
de manière générale, environ 2 à 5 % sur le coefficient de débit dans les conditions normaliséesla plus grande incertitude se retrouve sur les faibles débits de la plage de mesure
Avantages :
très bon autocurage par accélération de la vitessenécessite très peu de différence de niveau entre l’amont et l’avalintéressant lors de faible pentevaste étendue de la plage de mesurepour une taille similaire, permet de mesurer de plus grands débits qu’un déversoir
Désavantages :
plus cher qu’un déversoirdélicat à installer s’il doit être coulé sur place
Canal jaugeur : British Standard (VENTURI classique)
Caractéristiques :
fond plat
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Mesures de débit
peu de dépôtscontraction rectangulaireplage de mesure étendue (1 à 100 pour un ouvrage de dimension moyenne)Qmin de l’ouvrage le plus petit (b = 10 cm) = 2 l/sQmax de l’ouvrage le plus grand (b = 67 cm) = 3’600 l/s
Canal jaugeur Parshall
Avantages :
plus grande accélération de la vitesse qu’un Venturimeilleur autocurageplus large étendue de la plage de mesure globale (0.2 l/s à 10 m3/s)
Désavantages :
plus difficile à réaliser qu’un Venturiplus chermoins bonne résolution (∆h/∆Q) qu’un Venturi
2.4 Canaux calibrés type "H Flume"
Avantages :
construction simplecompromis entre un déversoir triangulaire à mince paroi et un Venturibonne précision pour les faibles débitspeu sujet à l’engravement (fond plat et retrécissement)
plage de mesure très étendue (∼ 1 à 1000 pour un ouvrage de dimension moyenne et 0.004 l/s à 3.3 m3/s pour toutes les dimensions)
Désavantages :
quand-même des dépôts, mais pas directement sous la sondenécessité d’une chute à la sortie
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Mesures de débit
moins bonne résolution (∆h/∆Q) que les autres canaux jaugeurs
Canal d’approche :
rectangulaire de même profondeur et largeur que le H Flumelongueur de 3 à 5 fois la hauteur du H Flume
Ouvrage Avantages Inconvénients Précision sur coeff. de Q
Déversoir rectangulaire en mince
paroi
Bon marché
Relativement facile àmettre en place
Dépôts en amont du seuil
Chute nécessaire
Plage de mesure peu étendue
1 à 4%
Déversoir triangulaire en mince paroi
Idem rectangulaire
Permet de mesurer de très faibles Q
Large plage de mesure
Idem rectangulaire
Colmatage à la base du V
Moins bonne résolution ∆h/∆Q
1 à 2%
Déversoir à seuil épais Moins sujet à l'engravement
∆h amont-aval faible
Nettement moins bonne résolution ∆h/∆Q
2 à 5%
Canal Venturi Large plage de mesures
Bon autocurage
Possible avec faible pente
Cher et délicat à installer
Moins bonne précision sur les bas débits
2 à 5%
Canal Parshall Idem Venturi
Autocurage encore meilleur
Plus délicat à réaliser que le Venturi
2 à 5%
Type "H Flume" Construction simple
Très large plage de mesure par ouvrage
Combinaison des avantages du dév. en V et du Venturi
Dépôts en amont, mais moins importants que pour les déversoirs
Chute nécessaire
Similaire au déversoir en V
Seuils hydrauliques calibrés : avantages et inconvénients
3. Limnimétrie (mesure de la hauteur d’eau)
Principes utilisés avec les eaux usées :
limnimètre "bulle à bulle"
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Mesures de débit
capteur de pressionlimnimètre à ultrasonsradar
3.1 Limnimètre "bulle à bulle"
Principe :
insuffler un débit constant d’air dans un petit tuyau débouchant sous la surface de l’eaupression de l’air équilibrée par la colonne d’eaumesure de la hauteur d’eau = mesure de la pression d’air fournie
Conditions d’installation
extrémité du bullage située sous le niveau minimal d’eau et au-dessus des dépôts possiblestuyau d’air : absence de coude et longueur limitée à quelques mètres (pertes de charge)éviter les grandes vitesses de l’eau (forces d’aspiration pouvant fausser notablement la mesure)
Précision :
selon fournisseur : ± 2 à 3 mm jusqu’à 1.5 m de hauteur d’eaumais, système sensible aux obturations dues aux MES et aux modifications de la températureen réalité, ± 5 à 10 mm
3.2 Capteurs de pression
Principe :
sonde immergéemembrane élastique du capteur se déformant sous l’effet de la pressiontransformation de cette déformation en grandeur électriquemesure de pression différentielle avec la pression atmosphérique grâce à une cellule reliée à l’air libre par un tube rigidedifférentes technologies utilisées :capteurs piézo-résistifs (les plus utilisés dans les eaux usées)capteurs piézo-électriquesjauges de contraintes
Conditions d’installation :
éviter que le capteur immergé ne perturbe l’écoulement (création de tourbillons créant des surpressions et des sous-pressions)implantation du capteur dans un forage débouchant à proximité du radier du canaldifficile à réaliser dans les canalisations existantes, installation dans ce cas d’une sonde apparente au fond du collecteur (à éviter avec un courant rapide et une faible hauteur d’eau)
Précision:
dépend de la technologie employée
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sujet à l’hystérésis (non linéarité du capteur en fonction de la hauteur) et à une dérive dans le temps, surtout pour les anciens capteurs (étalonnage et contrôle périodique nécessaire)± 2 à 3 mm selon fournisseur, ± 1 cm en réalité
3.3 Limnimètre à ultrasons
Principe :
émission d’une onde ultrasonore réfléchie sur la surface de l’eaucaptage de l’écho et mesure du temps de parcours
Conditions d’installation :
respecter la zone dite morte à proximité du capteur (30 à 60 cm selon les sondes)
Précision :
dépend de la température (normalement correctement compensée)dépend des turbulences de l’air et du taux d’humiditédépend des corps flottants et des vaguelettesvieux appareils sujets à une dérive dans le temps (contrôle périodique nécessaire)± 1 à 9 mm selon fournisseurs, ± 5 à 10 mm en réalité
Avantages :
pas de contact avec les eaux uséesfacile à installerfacile à contrôler
3.4 Radar
Principe
similaire au limnimètre à ultrasonsutilisation d’une onde lumineuse infrarouge
Précision :
@ 0.5 % de la distance mesurée@ ± 5 à 10 mm dans la plupart des cas
Avantage sur l’ultrasons :
procédé indépendant de la température, du taux d’humidité et de poussière
4. Utilisation de la loi Q = F * V
4.1 Mesure de la vitesse par ultrasons
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Mesures de débit
Principe
vitesse du son plus rapide dans le sens de l’écoulement et plus lent dans le sens contraire
Procédés utilisés :
Effet DopplerMesure de la différence du temps de transitMesure par différence de fréquence
Mesure de la vitesse par effet Doppler
Principe :
émission d’ondes ultrasonores réfléchies par les particules en suspension dans l’eaucaptage de l’écho et déterminationde la différence entre les fréquences émises et reçuescensé fournir la vitesse moyenne des particules présentes dans le spectre
Limites :
les particules n’ont pas toujours la même vitesse que l’eau et ne sont pas toujours uniformément réparties
Mesure de la vitesse par différence de temps de transit
Principe :
mesure de la différence du temps de propagation d’une impulsion ultrasonore se déplaçant dans le sens de l’écoulement et en sens contraire2 sondes A et B disposées sur un axe horizontalfournit la vitesse moyenne intégrée sur la longueur du trajet acoustique
Limites du procédé :
absorbtion des ondes émises dans des eaux très chargées et lors de distances trop longuesremous et tourbillons faussent les mesuresidem pour les dépôts (réduisent la section mouillée et "aveuglent" les sondes situées à proximité du radier)
Conditions d’installation :
distance droite depuis un coude :10 x diamètre D pour les conduites en charge30 à 50 x D pour les canalisations en écoulement librevitesses recommandées :min. 0.3 m/s avec de fréquentes pointes > 0.6 m/s (dépôts)max. 3 m/s
Avantages :
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pas d’obstacle à l’écoulement (pas de pertes de charges)utilisable pour des écoulements en charge et des conduites partiellement remplies (pour autant que l’on mesure la hauteur)utilisable lorsque l’écoulement aval n’est pas libre (avant une station de relevage par exemple) moyennant une diminution de la précisioncoût peu dépendant du diamètre de la canalisation
Précision :
de l’orde de 2 à 5 % dans des conditions idéalespeut facilement atteindre 10% dans la réalité, surtout dans le cas du capteur unique situé sur le radierprécision de la mesure de débit dépend de la vitesse et de la hauteur d’eauprécision sur le débit ≅ 3 à 5 % dans les meilleurs cas, peut atteindre 15 à 20% dans les moins bons cas
Débitmètre à cordes
Principe :
mesures de vitesse par des paires de sondes à ultrasons disposées à différents niveauxdétermination de la vitesse moyenne (précision dépend de l’espacement entre les cordes)mesure de la hauteur d’eau en parallèle
4.2 Débitmètre électromagnétique
Principe :
loi d’induction de Faradayune tension est induite lorsqu’un fluide conducteur traverse un champ magnétiquetension induite directement proportionnelle à la vitesse moyenne d’écoulementmesure de la tension et détermination du débit par formule empirique
Limites :
conçu pour des écoulements en charge (possible pour des conduites partiellement remplies, mais nécessite la détermination de la section mouillée : mesure de la hauteur ou parfaite connaissance du profil des vitesses)dépôts faussent les mesures
Conditions d’installation :
V > 0.3 à 0.5 m/s, idéal = 1 m/séviter les champs magnétiques ou électriques extérieurs (proximité de moteurs électriques, lignes haute tension, émetteurs d’ondes radio, ...)by-pass vivement recommandé pour l’entretiencf. recommandations du fournisseur pour les dispositions constructives
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Avantages :
idem que pour les mesures de vitesse par ultrasonsindépendant de la charge et de l’opacité de l’eau uséemeilleure précision£ 1 % pour les conduites en charge (avec conditions idéales)3 à 5 % pour les conduites partiellement remplies (avec conditions idéales)
Inconvénients :
coût élevédifficile à mettre en place sur une installation existante
Installation Conditions hydrauliques Précision à attendre
bonnes conditions conditions médiocres, souvent rencontrées en pratique
Déversoir rectangulaire
en mince paroi
Chute nécessaire
Pertes de charge
Dépôts en amont du seui
Plage de mesure peu étendue
3 à 5% 4 à 5 % pour plage supérieure
peut dépasser 10% pour plage inférieure
Déversoir triangulaire en mince
paroi
Idem rectangulaire
Permet de mesurer de très faibles débits
Large plage de mesure
Colmatage à la base du V
2 à 5% 5 à 8 % pour plage supérieure
peut atteindre 20% pour plage inférieure
Canaux jaugeurs (Venturi, Parshall)
Large plage de mesures
Bon autocurage
Possible avec faible pente
2 à 6% 4 à 6% pour plage supérieure
peut dépasser 10% pour plage inférieure
Hauteur-vitesse par ultrasons
Aucune perte de charge
Ecoulement en charge et partiellement rempli
3 à 5% 15 à 20%
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Mesures de débit
Induction magnétique
Possible si écoulement influencé par l'aval
Dépôts faussent les mesures
< 1% (conduites en charges)
3 à 5% (conduites partiellement remplies)
Tableau récapitulatif des caractéristiques des installations de mesures des débits
4.3 Nouveau développement : le Flo-Dar
Principe :
mesure de vitesse de la surface de l’eau par radardétermination empirique de la vitesse moyennemesure de hauteur par ultrasonsQ = F*v
Limites :
profil de vitesses constantécoulement libre non influencé par l’aval
5. Entretien et contrôles des installations de mesures : recommandations
5.1 Entretien
Déversoirs
nettoyage du seuil et élimination des dépôts en amont au minimum 2 fois par semaineles déversoirs situés en entrée de STEP peuvent nécessiter un nettoyage quotidien
Canaux jaugeurs (Venturis, Parshall, ...)
inspection et nettoyage du seuil si nécessaire au minimum une fois par semainecertains ouvrages situés en tête de STEP peuvent nécessiter une inspection plus fréquente
Débitmètres hauteur-vitesse en canal ouvert
nettoyage hebdomadaire du radier, voire plus dans certains cas
Débitmètres pour conduites en charge
normalement aucun entretien
5.2 Contrôles de routine
Vérification de la hauteur d’eau mesurée :
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Mesures de débit
vérification hebdomadaire à l’aide d’un double-mètre ou d’une réglette graduée et comparaison avec la hauteur mesurée par l’appareil (demande un abaque de conversion si l’appareil ne fournit que le débit)cas d’un déversoir : mesure par rapport à un point de référencemesure souvent difficile :recommandé d’installer une échelle limnimétrique où la conversion en débit peut être indiquéeattention au nettoyage fréquent de l’échelle limnimétrique
6. Etalonnage des appareils
6.1 Mesure de la hauteur par ultrasons
Contrôle de l’étalonnage directement sur le site :
un contrôle de la mesure de hauteur sur toute la gamme de mesure peut facilement et rapidement être réalisé à l’aide d’une cible de calibration montée sur un tube gradué
6.2 Capteurs à pression et des "bulle à bulle"
Etalonnage par variation des niveaux d’eau dans un cylindre gradué
6.3 Mesures de vitesses
Canal hydraulique étalonnage des sondes en faisant varier un débit connu dans un canal hydraulique (EPFL, EHS, ...) en déterminant la vitesse réelle par :mesure avec des moulinets calibréscalcul sur la base du débit pompé et de la forme du canal
Canal d’étalonnage du SHGN
chariot se déplaçant au-dessus d’un plan d’eau fixe de 140 m de longvitesse entre 0 et 10 m/s avec une incertitude de 0.02%accrédité EN 45’000idéal pour moulinets
7. Contrôle de la précision des débits fournis par une installation de mesure
7.1 But de ce contrôle :
mettre en évidence d’éventuels écarts entre les débits fournis et la réalité provenant d’une autre cause qu’une éventuelle dérive de la mesure de hauteur :contrôle de la courbe de tarage hauteur-débit dans le cas des seuils hydrauliques calibréscontrôle indirect de la mesure de vitesse pour les débitmètres hauteur-vitesse et pour conduites en chargeces écarts peuvent provenir de :malfaçon lors de la construction des ouvragesconditions d’installation non remplies (turbulences, écoulement non libre, etc.)
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Mesures de débit
7.2 Principe proposé à Genève dans le cadre de l’autocontrôle (projet) :
Etablissement et transmission au SCA d’une fiche d’identité des caractéristiques du système de mesuresVérification de la géométrie du seuil, des conditions hydrauliques et de l’adéquation entre l’ouvrage et la courbe de tarage utiliséeMesures en parallèle tous les 4 à 5 ans par un bureau, une entreprise ou un service spécialisé pour 4 cas de fonctionnement répartis dans la plage de mesuresSi les écarts observés sont en-dehors de la limite de tolérance fixée à 10%, un nouvel étalonnage de l’appareil devra être effectué dans l’année et un nouveau contrôle sera fait l’année suivante (Note : le canton de Berne a fixé la limite de tolérance à 5 %)Transmission au SCA des PV de ces contrôles et étalonnages
7.3 Comparaison entre 2 débitmètres fixes
Principe :
lorsqu’une STEP possède plus qu’un débitmètre (par exemple entrée + sortie)enregistement en continu des 2 débits et comparaison des valeurs lorsqu’il n’y a pas de déversement ou d’apports entre les 2si, après réglage, les différences sont supérieures à 10% et que l’on ne sait pas lequel est le bon, alors un jaugeage par une méthode différente sera imposé
7.4 Jaugeage par établissement d’un profil des vitesses
Principe :
chaque canal à son propre profil de vitessesmesure du profil de vitesse en plusieurs points verticaux et horizontaux (fonction de la dimension du canal)mesure par micromoulinet (attention aux eaux trop chargées) ou mesure par sonde à effet Doppler ou à induction magnétiqueattention aux fluctuations du débit lors de l’établissement du profil
7.5 Jaugeage par l’installation d’un déversoir calibré mobile
Exemple du Flow Poke :
déversoir calibré en V ou circulaire à insérer dans la canalisationmesure de la hauteur par un manomètrelecture directe du débit sur une règle graduéedisponible seulement pour les petits diamètres (15 à 30 cm)précision annoncée : 5%
7.6 Jaugeage par injection d’un volume ou d’un débit connu
Principe :
by-pass des eaux uséesinjection en amont de l’installation à tester :
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Mesures de débit
soit d’un volume connu par vidange d’un réservoir ou d’un bassinsoit d’un débit connu par pompage et réglage à l’aide d’une vanne et d’un débitmètre à induction magnétique
7.7 Jaugeage chimique par dilution
Principe :
mesurer la dilution d’un traceur injecté dans l’écoulement suffisamment en aval pour avoir une dispersion totaledétermination du débit par une formule du type : Q = K x Doù : K = facteur de dilution du traceurD = paramètre dépendant de la méthode d’injection2 méthodes :injection à débit constantinjection instantanéeattention à éliminer les effets d’éventuels "bruits de fond"choix d’un traceur adapté aux eaux usées (le chlorure de lithium semble être le plus adapté)
Comparaison des 2 méthodes :
injection à débit constant :avantage : meilleure précision (grand nombre d’échantillons analysés)inconvénients : temps d’installation du matériel d’injectionprélèvements et analyses de nombreux échantillonsinjection instantanée :avantages : matériel simple, gain de temps et de traceur, peu d’analysesinconvénients : moins bonne précision (difficulté d’évaluer le temps de passage et d’avoir un échantillon moyen caractéristique)
Mesures "on line" de la concentration du traceur
exemple du "Salinomadd" d’Etrelec :traceur = sel de cuisine (NaCl)mesures on line par une sonde et transformation directe en débitconçu avant tout pour les jaugeages de cours d’eauattention à la concentration en NaCl non négligeable dans les eaux usées
8. Archivage des données
Recommandations :
archivage des données sous forme numérique et format informatique sur un pas de temps d’une heure au minimumgrande utilité pour :visualiser une période particulière posant problèmecalcul des chargesdiagnostic du réseau
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