Technique de mesure de débit

dans les eaux usées

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L´augmentation des redevances d´assainissement, de nouveaux

décrets relatifs à l´autocontrôle, à l´autosurveillance et aux contributions pour eaux usées ainsi que la construction de

nouveaux bassins de retenue et déversoirs, exigent une mesure de débit accrue dans des eaux plus ou moins polluées.

Steffen Lucas

Table des matières

1 Explication de termes.................................................................................... 1

2 Initiation....................................................................................................... 3

2.1 Problèmes rencontrés.................................................................................3

3 Procédés de mesure ...................................................................................... 4

3.1 Mesure dans des conduites pleines............................................................4

3.1.1 Appareils d´étranglement ..........................................................................4

3.1.2 Mesure par compteur volumétrique...........................................................5

3.1.3 Mesure de débit par induction magnétique ...............................................6

3.1.4 Mesure de débit ultrasonique.....................................................................7

3.1.4.1 Procédé ultrasonique „temps de transit“....................................................8

3.1.4.2 Mesure ultrasonique par déphasage...........................................................8

3.1.4.3 Effet Doppler ultrasonique ........................................................................9

3.1.4.4 Procédé Doppler pulsé ultrasonique........................................................10

3.2 Mesure dans des conduites partiellement remplies .................................11

3.2.1 Mesure Q/h (débit/hauteur) sans barrage mécanique ..............................11

3.2.2 Mesures par venturi .................................................................................13

3.2.3 Mesures sur déversoirs ............................................................................15

3.2.3.1 Seuils de déversement .............................................................................16

3.2.3.2 Seuil triangulaire .....................................................................................19

3.2.3.3 Méthodes de mesure spéciales pour les déversoirs .................................20

3.2.4 DEM en conduites partiellement remplies ..............................................22

3.2.5 Procédé ultrason et Doppler ....................................................................23

3.2.5.1 Pénétration en éventail avec formation des statistiques moyennes .........24

3.2.5.2 Emission en éventail avec détermination de Vmax ...................................25

3.2.5.3 Saisie de la vitesse ponctuelle .................................................................26

3.2.5.4 Présentation des techniques de montage .................................................28

3.2.6 Nouveau procédé de mesure – Profil hydraulique ..................................30

4 Index littéraire ............................................................................................ 35

1 Explication de termes

Le débit Q représente le volume d´écoulement, par unité de temps, qui passe par une section transversale définie mathématiquement.

Q = =VolumeTemps

Vt

Les unités de mesure les plus répandues en Europe sont:

l/s - ; - m³/s et m³/h On obtient la même définition du débit en faisant le produit des moyennes de vitesses d´écoulement existantes v et de la section transversale A appliquée verticalement à la direction d´écoulement

Q = v • A

Le volume V représente la quantité écoulée dans un intervalle de temps défini.

V = Q • t

Les unités de mesure utilisées sont le l ou le m³. La vitesse d´écoulement moyenne v est la moyenne calculée sur la vitesse d´écoulement située au-dessus de la section d´écoulement A.

Un écoulement laminaire représente au sens physique un écoulement en couches. Les différentes couches glissent les unes sur les autres, sans se mélanger. La rugosité des parois et la viscosité du milieu freinent et rendent la vitesse d´écoulement sur les parois nulle. Il atteint son maximum, à différents points de la section, selon que la canalisation est pleine ou partiellement remplie et en fonction du profil (circulaire, ovoïde, rectangulaire etc.).

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(Par exemple dans une conduite pleine, le profil d´écoulement est à symétrie de révolution, le maximum se trouvant dans l´axe de la conduite) Voir figures n° 01 et 02.

Figure n° 01; Ecoulement laminaire Figure n° 02; Profil de vitesse d´écoulement Dans le cas d´un écoulement turbulent, les différentes couches d´eau sont mélangées (voir figure n° 03). La rugosité de la paroi a peu d‘influence. L´homogénité du profil de vitesse d´écoulement est caractéristique. (Figure n° 04)

Figure n° 03; Ecoulement turbulent / Figure n° 04; Profil de vitesse d´écoulement

Les écoulements transitoires sont des mélanges entre des écoulements laminaires et turbulents. Cette forme d´écoulement hydraulique est instable et variable. On n´obtiendra pas de profil d´écoulement défini et stable. Les rapports d´écoulement ne peuvent être évalués. (Figure n° 05)

Figure n° 05; Ecoulements transitoires

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2 Initiation

Cette brochure, sous forme compacte, ne répondra que succinctement aux problèmes soulevés par la technique de mesure de débit. Elle n´est nullement complète quant aux nombres de procédés décrits ni aux conditions hydrauliques de compatibilité. Pour plus de renseignements, référez-vous au chapitre 4 ; répertoire de la littérature. Nos techniciens sont à votre disposition pour tout problème technique de mesure non résolu ainsi que pour des applications ambigues non solutionnées.

2.1 Problèmes rencontrés Une mesure de débit en eaux usées est toujours réalisée dans des conditions difficiles. L´eau usée avec son chargement d´immondices (boues, matières solides, fibres, graisses etc.) ainsi que la formation de dépôts et de croûtes d´égout met souvent la technique de mesure installée face à des problèmes extrêmes , pouvant conduire à des erreurs de mesure voir même à l´indisponibilité de la mesure. Certains ouvrages nous mettent en présence de conditions d´écoulement hydraulique difficiles. Le manque d´informations sur l´état de l´écoulement au point de mesure et l´installation de la chaîne de mesure adéquate conduisent souvent au mauvais choix de ces derniers (position du point de mesure et technologie.) Il arrive donc d´avoir, malgré l´utilisation de la meilleure technique, des résultats inutilisables sur certains points de mesure. Le renseignement sur les échelles de mesure nécessaires constituent un autre problème. Elles vont souvent de l´écoulement de temps sec ou nocture avec des hauteurs d´écoulement extrêmement basses , atteignant même le point nul, jusqu´à la mesure pluviale avec des hauteurs d´écoulement extrêment hautes atteignant le remplissage maximum et le trop-plein, avec les vitesses d´écoulement importantes s´y rapportant. Nous pouvons également être en présence d´autres situations comme d´importants niveaux avec de petites vitesses, dans les conditions de stockage notamment.

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3 Procédés de mesure

3.1 Mesure dans des conduites pleines Dans des sections transversales pleines, souvent les canalisations, la surface d´écoulement est connue grâce à la géométrie et aux dimensions et peut, de ce fait, être appliquée comme constante. Ce qui veut dire, que c´est uniquement la moyenne de la vitesse d´écoulement V par rapport à la surface qui doit être calculée. 3.1.1 Appareils d´étranglement Ces mesures sont des procédés classiques. Ils se basent sur la méthode de pression différentielle. Ce qui veut dire, qu´à partir d´une régulation définie, on génèrera à l´amont du régulateur une surpression et à l´aval une dépression. La différence de pression représente une unité de débit (Figure n° 06 et 07). Par exemple: tuyères, diaphragmes, venturi. Ce type d´appareil ne trouve pas sa place dans le domaine des eaux usées. En effet une grande sensibilité à l´encrassement ne permet pas son utilisation. C´est pourquoi nous ne rentrerons pas plus dans les détails.

Figure n° 06; Tracé de l´écoulement sur un orifice de mesure

Figure n° 07; Allure de la pression sur un orifice de mesure

1. Pression différentielle 2. Perte de poussée

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3.1.2 Mesure par compteur volumétrique Pour effectuer une mesure de débit par comptage volumétrique on utilise des compteurs motorisés, l´installation de ces derniers dans une enceinte ouverte ou fermée supprimera le courant ou la pression du milieu. Le chemin ou l´angle parcouru par un piston , un tambour ou une pale d´hélice représente le débit à mesurer. Appareils de mesure typiques: Compteur à tambour (hydraulique), compteur à piston rotatif, compteur à roues ovales, compteur à hélice, etc. Exemple:

Figure n° 08; Compteur à piston rotatif Compteur à piston rotatif: Se compose d´une enceinte (3) avec une arrivée d´eau (1) et un écoulement (4) ainsi que 2 roues dentées ovales (2 et 5) qui s´emboîtent. Entre les roues et les parois extérieures de l’enceinte, se forme ainsi un espace falciforme où circule le liquide sous la stimulation simultanée des roues dans le sens arrivée (1) vers écoulement (4). Le compteur totalisateur est actionné par les roues. Ce type de mesure est inadapté dans les eaux usées, parce que très sensible à l´encrassement.

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3.1.3 Mesure de débit par induction magnétique La mesure de débit par induction magnétique est bien adaptée dans le domaine de l´eau usée. Le principe de mesure est fondé sur la loi d´induction d´après Faraday: On crée un champ d´induction magnétique homogène. Un liquide conducteur d´électricité circule à travers ce champ. Une tension induite se forme grâce au mouvement de ce conducteur électrique (liquide), elle sera proportionnelle à la vitesse d´écoulement moyenne, à la puissance du champ d´induction magnétique et à la distance entre électrodes.

Ue = B • L • v Ue représente la tension induite. Elle est mesurée par deux électrodes en contact avec le milieu. B représente l´induction magnétique. Celle-ci est générée par des bobines inductrices magnétiques, exploitée par un courant alternatif ou une tension continue pulsatoire. L indique la longueur du conducteur. En application des conformités sur l´induction magnétique, cette longueur de conducteur sera définit par rapport à la distance entre les deux électrodes. v représente la vitesse d´écoulement moyenne.

1. Bobines inductrices magnétiques

2. Paroi de la conduite

3. Electrodes

dV Elément volume

B Induction magnétique

v Vitesse d´écoulement

E Intensité du champ

Figure n° 09; Principe de mesurede l´induction magnétique

L´intensité du champ magnétique ainsi que la distance entre électrodes sont des valeurs fixes. Ce qui signifie, que la tension induite et la vitesse d´écoulement sont directement proportionnelles. Conditions pour la réalisation de la mesure: • Conductivité minimale (huiles, graisses et similaires ne peuvent êtres mesurés) • Conditions hydrauliques définies (5….10 x DN distance amont, 3.…5 x DN distance

avale) • Vitesse d´écoulement minimale (normale 1m/s, des appareils plus performants

autorisent une vitesse d´écoulement minimale de 30....50cm/s ). • Conduites pleines (nous traiterons encore des formes de construction spéciale de

l´induction magnétique partielle).

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Avantages • Grande précision, stabilité et linéarité sous respect des conditions d´installation • Homologué pour l´étalonnage • Grande gamme de diamètres disponible (DN 25....1200) • Grande résistance à la pression (jusqu´à 600 Bar) • Pas de réduction de la section • Indépendante de la pression et de la température du milieu Inconvénients • Conductivité minimale nécessaire (supérieure à 1mS) • Electrodes sensibles à l´encrassement par graisse, huile et croûte d´égout (dérive du

point zéro et défaillance de la mesure) • Importants coûts d´ouvrage / siphon & bypass pour nettoyage du DEM • Coûts importants des appareils de mesure (proportionnels au diamètre), très

importants pour les grands diamètres • Vitesse d´écoulement minimale nécessaire (1m/s, cas spéciaux 0,3-0,5m/s, en-

dessous, importante augmentation des erreurs de mesure) 3.1.4 Mesure de débit ultrasonique Les appareils de mesure de débit ultrasonique ont la particularité comme ceux pour la mesure de débit par induction magnétique, de n´avoir pas de pièces mécaniques ou en mouvement dans la canalisation. En principe on distingue la technique „sanglée“ (Figure n° 11) (les capteurs sont attachés sur la canalisation) et la technique „combinée“ (Figure n° 10) (les capteurs sont intégrés à la canalisation en contact avec le milieu).

Figure n° 10; Technique ultrasonique „combinée“

Figure n° 11; Technique ultrasonique „sanglée“

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3.1.4.1 Procédé ultrasonique „temps de transit“ Le procédé „temps de transit“ est basé sur le principe physique suivant: La vitesse de propagation d´une onde de choc dans un milieu en mouvement dépend de la vitesse de ce dernier. 1) 2)

Figure n° 12; Principe du procédé ultrasonique „temps de transit“ VR = Vitesse de propagation de l´onde dans un milieu immobile VO = Vitesse d´écoulement (locale) du milieu V1 = Vitesse de propagation de l´onde vers le sens d´écoulement V2 = Vitesse de propagation de l´onde contre le sens d´écoulement α = Angle fermé entre faisceau acoustique (corde) et axe d´écoulement L = Distance entre les deux générateurs d´ondes Il en résulte Vmoyenne

2 • L •cos αV = • (t - t )m

VR2

2 1

Avantages • Montage / démontage aisés (pour la technique „sanglée“) • Interférences hydrauliques à l´intérieur du faisceau acoustique (corde) sont pris en

considération et en compte pour le calcul • Insensible aux graisses et aux huiles • Pas de conductivité minimale nécessaire Inconvénients • Erreurs ou défaillances de mesure dans des canalisations partiellement remplies • Défaillance de mesure pour des liquides chargés en matières solides ou bulles d’air; • Erreurs ou défaillances de mesure dans des canalisations incrustées (technique

„sanglée“) 3.1.4.2 Mesure ultrasonique par déphasage Cette mesure fonctionne de façon semblable à la mesure „temps de transit“. Hormis que ce ne soit pas le temps de transit de l´onde qui soit pris en considération pour la détermination de la vitesse d´écoulement moyenne, mais l´angle de déphasage. On le détermine de telle façon que la position de phase du signal émetteur et récepteur soit définit conte le sens d´écoulement. L´angle de déphasage déterminé est proportionnel à la différence du temps de transit et sera exploité comme décrit ci-dessus.

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3.1.4.3 Effet Doppler ultrasonique L´effet Doppler relève de la théorie: un faisceau ultrasonique avec une fréquence définie et un angle connu est émis dans le liquide. Une partie de l´énergie ultrasonique est reflétée par les particules solides ou bulles d´air contenus dans le liquide. Du fait du déplacement des particules, il se produit une déviation de fréquence ∆f de la réflexion. Ce différentiel de fréquence est directement proportionnel à la vitesse des particules.

C∆ ƒ= 2ƒ • • Vcos α

0p

ƒ = Fréquence d´émission CO = Vitesse de l´onde dans le milieu à mesurer VP = Vitesse des particules α = Angle d´incidence entre faisceau ultrason et sens d´écoulement

Figure n° 13; Principe du procédé Doppler Si la fréquence , l´angle d´incidence et la vitesse de l´onde sont constants, on obtient la vitesse des particules:

VP = K • ∆ ƒ On obtient un spectre de fréquences à partir de la formation du profil d´écoulement ainsi que d´un mombre important de particules reflétées ayant différentes vitesses d´écoulement. Nous traiterons les différentes possibilités d´exploitation de cet amalgame de fréquences au chapitre mesures partielles ultrasoniques.

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3.1.4.4 Procédé Doppler pulsé ultrasonique Le procédé Doppler pulsé ultrasonique est un perfectionnement du procédé bien connu Doppler. A la différence du procédé Doppler normal, où la fréquence d´émission est réglée en continu , le doppler pulsé émet un court faisceau de fréquences ultrasoniques de longueurs définies. A partir de l´angle d´incidence défini et de la vitesse de l´onde également connue (une mesure de température intégrée dans le capteur compense la durée de transit de l´onde), on commutera le capteur au temps t 2 sur réception, après l´émission du faisceau de fréquences ultrasoniques à un temps t 1. Ceci permettra d´attribuer au signal récepteur une fenêtre scannée bien définie. Le différentiel de fréquence du signal ultrasonique émis dans cette fenêtre de mesure, représente la vitesse d´écoulement dominant dans cette fenêtre. La réflexion de particules dans d´autres zones n´a pas d´influences sur la mesure de vitesse.

Figure n°14; Principe du procédé Doppler pulsé Si cette fenêtre de mesure est placée à Vmax (condition: profil d´écoulement à symétrie de révolution), on peut déterminer Vmoyen. A partir de Vmoyen et du diamètre (connu) on obtient le débit Q.

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3.2 Mesure dans des conduites partiellement remplies Il existe deux possibilités de mesure du débit dans les conduites partiellement remplies (conduites à écoulement libre). Soit la mesure du niveau de remplissage ainsi que la vitesse d´écoulement moyenne, soit uniquement la mesure d´une hauteur d´écoulement dans des conditions mécaniques et hydrauliques définies comme la pente, la rugosité, les modifications de la section, des facteurs de correction de déversoir etc. 3.2.1 Mesure Q/h (débit/hauteur) sans barrage mécanique C´est la méthode la plus simple pour effectuer une mesure de débit: Principe de mesure:

Figure n° 15; Principe de la mesure à écoulement libre Le débit Q représente une fonction de Q/h . Il en résulte une attribution du niveau de remplissage h à un débit Q en fonction de la géométrie et des dimensions de la conduite (connues et constantes), de la pente α (souvent connue) ainsi que de la rugosité k dépendante de l’état de surface de la paroi de la conduite et du milieu. La rugosité k a été déterminée expérimentallement pour divers matériaux, elle peut varier ou évoluer au cours de la mesure (érosion du béton = plus rugueux, dépôts de graisses ou croûtes = plus lisse). De ce fait, elle présente un important manque de fiabilité (voir figure 1). Les dépôts ainsi que les reflux provoquent des erreurs de mesure importantes.

Figure n° 16; Erreur de mesure due aux dépôts

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Figure n° 17; Erreur de mesure dûe au reflux

Nature de la paroi de conduite M in m1/3/s k in mm

Verre, Piacryl, surface métallique polie > 100 0...0,003Matières plastiques (PVC, PE)Tôle neuve, avec couche de protection soignée; enduit au ciment lisse

≥ 1000,05

0,03...0,06Tôle bitumée; béton, tôle ou coffrage à vide, continu, lissage soigné Bois raboté, exempt de chocs, neuf; amiante-ciment

90...100 0,1...0,3

Béton lisse, enduit lisseBois raboté, joints bien faits

85...900,40,6

Béton, bien coffré, grande teneur en ciment 80 0,8Bois, non raboté, canalis. béton 75 1,5Brique réfractaire, joints bien faits;Pierre taillée ou maçonnerie en pierre de taille, belle finition;Béton à partir de coffrage sans joints

70...75 1,5...2,0

Revêtement en asphalte coulé laminé 70 2Maçonnerie en pierres brutes, belle finition; conduites tôles modérém.incrustées; béton brut, coffrage bois; pierres non taillée; bois ancien;Maçonnerie en mortier de ciment

65...70 3

Béton brut; coffrage en bois; maçonnerie sans joints, enduit au cimentMaçonnerie pierres non taillées, moins soignée

60 6

Béton de coffrage en bois, vieux, attaqué 55 10Maçonnerie grossière; talus perré, radier de sable et de gravier;Plaques en béton; vieux béton mal coffré, avec joints ouverts

45...50 20

Canalisations enterrées sans charriage, gravier moyen 40Gravier fin, gravier sablonneuxGravier fin à moyenGravier moyen à cailloux

305075

Gravier moyen à gros; canal. enterrrées avec faible prolifération de végétaux. Charriage et affouillement

35 90

Lit de rivière naturelle avec galets;Rivière avec charriage important; canal. enterrées avec mottes d´argile;Bord de rivière avec végétations

30

Terre avec charriage modéréGravier moyen à galets moyens

...200

Ruisseaux de montagne avec gros galets, canalisations enterréesAvec imp. prolifération de végétaux, amoncellement de terre

25 ...400

Enrochements grossiers;Rochers retouchés

≤ 20...500

(max. 0,4 R)Ruisseau de montage avec important charriage;Galets irréguliers

< 20...650

(max. 0,4 R)

Ruisseau tumultueux < 20...900

(max. 1,0 R)

Roche de grosseur moyenne < 20...1 500

(max. 0,4 R)Ruisseau tumultueux avec important charriage;Canalisations enterrées avec importante prolifération de végétaux

<20...1 500

(max. 1,0 R)

Roche, extrêmement grossière <20...3 000

(max. 0,8 R)* Des recherches sur les rugosités absolues k, pour des surfaces extrêment rugueuses, ne sont à ce jour pas assez

approfondies.

Liss

eLé

g.ru

gueu

xR

ugue

uxT

rès r

ugue

uxEx

trêm

emen

t rug

ueux

*

Tableau 1: Rugosités

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Avantages • économique • simple , ne nécessite pas de modification au moment du montage Inconvénients • Incertitudes de mesure extrêmes • Inadaptée à beaucoup de points de mesure • Nécessite impérativement des conditions hydrauliques connues et constantes. • Etalonnage et entretien important (réétalonnage) 3.2.2 Mesures par venturi Les mesures par venturi sont des mesures de débit réalisées dans un canal d´écoulement de forme spécifique, possédant un étranglement latéral défini. Cet étranglement génére dans un écoulement libre un changement de vitesse, d´un écoulement rapide nous passons à un écoulement jaillissant. Il existe des canaux fixes en béton mais également des pièces préfabriquées à implanter dans le canal . Les formes géométriques sont très diverses, en effet ce procédé de mesure est connu depuis longtemps (p. ex. canaux Parshall, canaux Palmer-Bowlus et d´autres formes spéciales proposées par d´autres fabricants). Les plus utilisées sont le canal Khafagi et le canal venturi classique (DIN 19559). Pour plus d´informations référez-vous à ces normes. Fonctionnement: Grâce à cet étranglement, une retenue du milieu à mesurer se forme devant le venturi. Dans le venturi se crée un état transitoire allant de l´écoulement rapide à un écoulement jaillissant (ressaut hydraulique). Cet état hydraulique défini, permet de négliger la rugosité ainsi que la pente du venturi, la hauteur de retenue en amont du venturi est en relation directe avec le débit.

Figure n° 18; Vue en coupe d´un canal venturi

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Figure n° 19; Vue de dessus d´un canal venturi

B = Largeur du canal b = Largeur de la contraction ho = Niveau d´eau amont hu = Niveau d´eau aval L1 = Distance entre convertisseur et début venturi L´installation des mesures venturi nécessite le respect des consignes suivantes: Le débit minimal mesurable dans les eaux usées brutes se situe à environ 5 l/s. La relation Qmax à Qmin se situe normalement à10:1; les venturis sont conçus pour un ratio maxi. 20:1. Il est important que la retenue se fasse en toute liberté. Ce qui veut dire, que le niveau d´eau en amont h0 ne doit pas être influencé par le niveau d´eau en aval hu . Le convertisseur doit être installé à 1,5 - 2 x ho max. du début de l‘étranglement. Si vous souhaitez mesurer des débits dans la plage maxi du venturi, la distance devra être augmentée à 3 - 4x ho . Le point zéro du convertisseur se rapporte au point zéro dans le venturi , et non pas au point zéro de la mesure!!!

Figure n° 20; Installation du convertisseur Il est important de surveiller le canal d´amenée. Il est important que l´écoulement soit rapide. Si l´écoulement est jaillissant, la transition nécessaire dans la zone rapide est de 20 x B en amont du rétrécissement. Dans la zone 10 x B en amont du rétrécissement, il est important de respecter les points suivants:

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• Pente constante sur tout le parcours d´amenée • Ligne droite de l´axe central de la canalisation d´amenée vers le venturi • Diamètre de la canalisation constant • Pas de canalisation d´arrivée ou de sorties supplémentaires • Pas de chicanes, déformations ou inégalités sur la paroi ou sur le radier Avantages • Pas de pièce en mouvement • Appropriée pour des mesures dans les eaux usées • Bonne stabilité et bon contrôle de la mesure • Maintenance facile Inconvénients • Importants frais d´ouvrage • Encombrement important • Absence d’influences avales impératives • Faible étendue de mesure entre Qmin et Qmax • Qmin ≥5 l/s 3.2.3 Mesures sur déversoirs Les mesures sur déversoirs sont en réalité des ouvrages de débit et de retenue. Ces ouvrages modifient le tracé du radier de telle manière, qu´une retenue se forme dans les eaux amont. Une cohérence de la technique de mesure entre eau amont = lame de déversement peut être établie à partir de conditions hydrauliques définies et de la conception de l’ouvrage (dimensions).

hü = Hauteur de déversement b = Largeur de déversement

Figure n° 21; Principe de la mesure sur déversoir

Q = ƒ (h ) • kü

k est dépendant de la forme et de la largeur du seuil, de la viscosité etc..

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3.2.3.1 Seuils de déversement Les seuils de déversement sont prioritairement installés sur des bassins de retenue et les ouvrages séparatifs d´assainissement pour permettre le déversement de grosses quantités lors d´importantes précipitations. La formule suivante s´applique au calcul du volume de déversement:

23

232 hgbQ •••••= µ

µ représente le facteur de correction de déversement. Ce facteur est adimensionnel et dépend de la forme du seuil et en partie de la hauteur de déversement (voir également tableau 2). b représente la largeur du seuil (largeur du déversement). h représente la hauteur du déversement également dénommée hü . Le point zéro relatif à cette hauteur se situe très exactement au point de départ du déversement. g est l´accélération due à la gravité et représente 9,1m/s² Les crêtes de déversement les plus rencontrées sur des installations de traitement d´eaux pluviales sont: Crête arrondie

Ou crête à rebord

Ou à arête vive (ou paroi mince)

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Tableau 2: Facteurs de correction de déversement

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Grâce à la grande précision du facteur de correction de déversement, à une réalisation non problématique de la stabilité dimensionnelle et à la possibilité d´installation ultérieure sur des seuils béton non précis et à crêtes arrondies, le seuil à crête vive s´est imposé, il est recommandé par la ATV A111. Le seuil est à dimensionner comme suit:

Figure n° 22; Réalisation d´un seuil à arête vive

Le seuil doit être ajusté de niveau (à installer p. ex. avec des trous oblongs) pour éviter tout dérèglement ou déplacement. Il est important que l´écoulement contre le seuil se fasse de façon perpendiculaire et que du côté déversement, il ne se crée pas de retenue. En présence d´ écoulements affectés par des retenues ou remous, une mesure unique du niveau amont est insuffisante! Avantages • Pas de pièce en mouvement • Adaptation ultérieure sur des bassins existants • Technique de mesure réalisable à un prix avantageux Inconvénients • Uniquement appropriée pour des mesures de débit importantes • Relativement imprécise • Erreur de mesure supplémentaire en cas de charge due à la poussée du vent • Non adaptée en cas d´écoulements tangantiels et de mise en charge du cours d‘eau

récepteur (influences avales)

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3.2.3.2 Seuil triangulaire De forme spéciale, le seuil triangulaire est également connu sous le nom de seuil-Thomson ou seuil d´après Gourley. Ce seuil est caractérisé par une plaque de seuil à découpe triangulaire et arête vive, installé perpendiculairement à la direction de l´écoulement. La hauteur de retenue en amont du seuil est directement proportionnelle au débit d´écoulement. De part sa découpe spécifique , le seuil triangulaire est surtout adapté pour des mesures de petits débits (0,05 l/s ...........30 l/s). Des encrassements au niveau des arêtes du seuil faussent de façon importante les mesures. Ce type de mesure convient donc uniquement pour la mesure dans les milieux propres comme des écoulements de source ou de petites stations, mais également pour des mesures de débit d´eaux d´infiltration dans des décharges. Dans ce dernier cas il est important que les matières dissoutes ne soit pas enclin à la sédimentation ou à la formation de croûtes. Les conditions d´installation suivantes sont à respecter:

Figure n° 23; Principe du seuil triangulaire

hü min = 3 cm En-dessous, la mesure n´est plus possible, en effet le rayon „colle“. hü max ne devrait pas dépasser 30 cm . La vitesse d´écoulement ne devrait pas dépasser 5 cm/s. Installez éventuellement des tôles-guide, pour éviter un écoulement direct. Liberté de retenue nécessaire!

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Avantages • Faible coût d’installation de l‘instrumentation • Mesure précise (également à faible débit) Inconvénients • Installation mécanique plus lourde pour respecter les conditions hydrauliques. • La mesure est impossible dans le cas d’effluents chargés. • Les débits très importants ne sont pas mesurables. 3.2.3.3 Méthodes de mesure spéciales pour les déversoirs La retenue en amont influence la hauteur d’eau sur le seuil et de surcroit la mesure de débit. Pour effectuer une mesure exacte il faut installer une technologie à 2 composantes (hauteur-vitesse) à l’aval dans le canal ou bien mesurer et intégrer le niveau inférieur et le niveau supérieur au droit du déversoir.

Figure n° 24: Mesure sur un déversoir noyé Du fait du comportement entre le niveau inférieur et le niveau supérieur il résulte un coefficient c.

nhh

co

u )(1−=

n = 2 seuil à bords angulaires n = 3 seuil à bords arrondis n = 4 seuil à bords rectangulaires

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Pour pouvoir mesurer un débit sur un déversoir noyé dans les règles, il faut toujours qu’il soit muni d’une tôle à bords angulaires !

Le coefficient c qui dépend de la retenue doit être calculé en permanence et intégré dans la formule de Poleni pour les déversoirs rectangulaires.

5,1•2••••32 hgbcQ µ=

Les fonctions décrites ci dessus sont déjà programmées dans le Calculateur Hydraulique NIVUS. Il ne reste plus qu’à brancher les deux niveaux sur les deux entrées analogiques correspondantes. Le second cas spécifique montre le déversement tangentiel sur un seuil. On retrouve ce cas d‘application très souvent dans les bassins d’orage. Le déversement tangentiel sur le seuil forme une surface parabolique qui n’est pas parallèle à l’arête du seuil. Il est difficile de définir l’endroit exact de mesure où l’on va déterminer le volume moyen, car il se modifie en permence en fonction de la quantité d’eau amenée. Dans le cas de ce déversoir il est conseillé d’installer 2 mesures de niveau pour calculer la hauteur moyenne déversée.

Figure n° 25; Déversement tangentiel sur un seuil

Le calcul se fait grâce à la hauteur de déversement moyen hü-m :

)(32

ouomü hhhh −+=−

La valeur hü-m est exploitée comme avec un seuil de retenue avec h dans la formule de Poleni. Le calculateur hydraulique NIVUS intégre cette formule.

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3.2.4 DEM en conduites partiellement remplies Les DEM fonctionnent sur le même principe en conduites partiellement remplies que ceux en conduites pleines. (voir chapitre Nr. 3.1.3). La tension induite est mesurée grâce à plusieurs couples d’électrodes qui sont disposés à des niveaux différents sur le pourtour intérieur du débitmètre, contrairement à ceux des conduites pleines.

Figure n° 26; Principe du DEM en conduites partiellement remplies

On détermine la hauteur d’eau instantanée par la commutation permanente du champ magnétique. La caractéristique du champ magnétique à différentes hauteurs est programmée dans le convertisseur de mesure. A l’aide d’un calcul de correction, en fonction des différentes hauteurs il en résulte un signal proportionnel au débit. Avantages • Plus grande précision à des hauts niveaux et dans des liquides relativement peu

chargés • Peu de sensibilité à la répartition asymétrique des vitesses Inconvénients • La mise en œuvre plus onéreuse, car proportionnelle aux diamètres > DN 300 • Vitesse minimum de 50 .. 100 cm/s • La conductivite du liquide doit être plus élevée que pour les DEM sur conduites

pleines • Mesure impossible en dessous de 10 % du niveau de remplissage • L’erreur augmente proportionnellement à la baisse de niveau • La dérive augmente dans le temps lorsque les électrodes s’encrassent principalement

dans les eaux usées (pellicule de graisse) qui peut à la longue priver totalement de mesure de débit (caractérisé par un écoulement permanent, indépendamment des débits diurnes ou nocturnes) = coût plus élevé de l‘intervention pour le nettoyage et la maintenance dans les milieux très chargés.

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3.2.5 Procédé ultrason et Doppler Le procédé est composé de 2 mesures. La hauteur instantanée et la surface mouillée sont mesurées par un capteur de pression ou mieux encore par un ultrason aérien précis, sans contact, sans maintenance et sans dérive. La vitesse est mesurée par un système Doppler (voir chapitre 3.1.4.1).

Figure n° 27; Configuration d’un procédé ultrason et Doppler

L’exploitation d’un signal Doppler avec détermination de la vitesse moyenne peut s‘effectuer de plusieurs façons différentes.

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3.2.5.1 Pénétration en éventail avec formation des statistiques moyennes Cette méthode permet d’émettre un signal continu dans le milieu. Le cristal récepteur monté parallèlement dans le même angle, capte tous les signaux auréolaires diffusés par réflexion Doppler.

Figure n° 28; Interprétation des valeurs moyennes Ce qui caractérise cette méthode est qu’il est impossible de connaître les coordonnées tridimensionnelles des signaux reçus. Dans certains milieux peu chargés, le signal peut pénétrer jusqu’à la surface de l‘eau. Dans les milieux plus chargés cette pénétration est limitée et indéfinie. La surface de l’eau reflète un signal idéal. Sur les vagues qui s’y forment dans certaines circonstances, la valeur du signal est supérieure à celle mesurée en général. La valeur statistique moyenne des vitesses mesurées ne représente alors pas la moyenne totale, et de ce fait, il faut la multiplier par un facteur de correction. L‘ application mathématique d‘un facteur de correction général ne peut pas être utilisée pour toutes les canalisations. En fonction des applications ce facteur doit être déterminé de façon empirique en établissant des comparaisons de mesures. En général, le coût d’une calibration dans les mesures de débit fixes et constantes est acceptable. La calibration dans certaines applications de canaux est souvent impossible voir très onéreuse.

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3.2.5.2 Emission en éventail avec détermination de Vmax Le procédé d’émission et de réception du signal est décrit dans le chap. 3.2.5.1. Les signaux Doppler sont évalués grâce à une fréquence d‘analyse (ex. Transformation de Fourrier). Le spectre de fréquence se compose d’une grande quantité de vitesses, dans lequel on détermine une vitesse maximale.

Figure n° 29; Modèle à partir de vmax La vitesse maximale déterminée dans une canalisation est multipliée par un facteur inférieur à 1 (c <1) pour obtenir la vitesse moyenne.

Q = A • c • vmax Ce facteur est connu dans les applications de conduites pleines ainsi que dans les conduites sous pression. a) écoulement laminaire: c= 0,5 (BLASIUS) b) écoulement turbulent (conduite lisse et rug<45000): c=0,817 (ECK) c) écoulement turbulent dans des conduites rugueuses (cas le plus fréquent):

C = 1 + 1,326 • = 0,316/Re • (pour Re<10000) = 0,0032 + 0,221 / Re

λλ λ

(PRANDTL)(BLASIUS)(NIKURADSE)

1/2

4

0,237

Des études sont réalisées pour que la formule de ce facteur puisse être reportée au domaine des conduites partiellement remplies ainsi que dans d’autres formes de canalisations. Des recherches et des thèses sont en cours pour trouver le moyen d’améliorer les calculs de mesure de débit dans les différentes formes de canalisations. La vitesse maximale est mesurée mais on ne sait pas de quelle espace ni de quelle couche elle provient. Une vérification de plausibilité par le seul spectre de fréquence s’avère difficile. Des influences importantes comme la pénétration du signal dans l’eau ainsi que les réflexions dues à la surface et aux vagues sont décrites dans le chap. 3.2.5.1. peuvent mener à des données erronées.

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3.2.5.3 Saisie de la vitesse ponctuelle Du fait de la disposition angulaire des cristaux émetteurs et récepteurs, il se forme un point de rupture de la réception du signal dans la zone proche du capteur. C’est au niveau de cette rupture que l’intensité du signal est la plus forte. La distance indéfinie de cette rupture est fonction du diamètre du cristal (env. 10mm). Pour cette raison il faut parler de vitesse ponctuelle. Le déphasage de fréquence mesuré dans cette zone varie avec l’algorithme de la vitesse qui se situe au niveau de cette rupture.

Figure n° 30; Saisie de vitesse ponctuelle La vitesse recherchée se situe dans la zone proche de la sonde, elle sera calculée par une relation mathématique.

V = N • g ½ • M • In [N • h • ( )]1,49 • R • V

P60,031

n

P1/16

(PARR, JUDKINS, JONES)

Les conduites pleines seront calculée d‘après NIKURADSE: N = 29,7 M = 2,5 n = Rugosité de MANNING Vp = Vitesse d’écoulement ponctuelle (ft/m) hp = Hauteur à la vitesse d’écoulement ponctuelle (ft) Comme le coefficient de MANNING est différent pour les conduites partiellement remplies, l’Université de Maryland a complété l’égalité du haut pour que celles ci soient aussi prises en compte. De ce fait les coefficients „M“ et „N“ ont été redéterminés. Les coefficients des conduites partiellement remplies sont basés sur le diagramme de CAMP c’est pour cette raison qu’ils ont du être modifiés.

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En programmant la relation de ce diagramme dans un calculateur, il en résulte la formule suivante: nt/n = 0,8194 + 2,0355 (h/D) - 6,1305 (h/D)² + 7,074 (h/D)³ - 2,991 (h/D) 4

nt = rugosité dans une canalisation partiellement remplie d’après Manning Pour „M“ et „N“ on trouve les valeurs suivantes: Circulaires: M = 1,55 N = 3953.224 e (-0 , 44xD) Rectangulaires: M = 1.3 N = 3300 En incluant une courbe de vitesse point par point dans la formule précédente, il est possible de calculer la vitesse moyenne dans le milieu de l’axe vertical.

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3.2.5.4 Présentation des techniques de montage Schéma de montage d’une manchette de mesure

Figure n° 31; Montage d’un OCM sur une manchette de mesure La mesure et la régulation typiques se compose de: - OCM avec régulateur PID (Type: OCM/DR) - NivuMaster - Alimentation NT3 - DS4 (obligatoire uniquement en zone Ex) - Capteur P-6 (Ex) - Capteur de vitesse DER (Ex) - Barrière Zener (obligatoire uniquement en zone Ex) - Manchette de mesure Brides, pièces mécaniques de raccordement, vanne manuelle et vanne régulée.

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Schéma de montage dans les canalisations ouvertes

Figure n° 32; Mesure en canal ouvert Résumé: Pour fonctionner, l’ultrason à effet Doppler nécessite une certaine quantité de particules de taille et de volume minimum. Sans ces particules il n’y aurait pas de réflexion ultrasonique. Les bulles d’air ou de gaz suffisent déjà pour que la technique NIVUS fonctionne bien. On mesure aussi bien dans des applications d‘entrées de STEP, pompage d’eau de nappe phréatique, que dans des conduites de boues ou de pompage d’eaux usées industrielles etc… Par contre il est impossible d’obtenir des résultats dans les eaux de sources ou des eaux filtrées. Avantages • pas de rétrécissement du diamètre de la conduite • installation aisée sur canalisation existante. • mesure à partir de 30mm de hauteur et 1cm/s de vitesse d‘écoulement

(Données: sur les électroniques NIVUS) • pas de dérive

• aucun défaut si le capteur est recouvert d’une pellicule de graisse Inconvénients • choix minutieux du point de mesure

• étalonnage obligatoire dans les cas nécessitant une meilleure précision et ceux où les conditions hydrauliques sont mauvaises

• impossible de mesurer des liquides propres.

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3.2.6 Nouveau procédé de mesure – Profil hydraulique Le développement toujours plus rapide et la performance de plus en plus accrue des composants et processeurs conduisent à la réalisation de capteurs dans le domaine de la technologie, encore impensable et irréalisable il y a quelques années. NIVUS suit le chemin de la recherche et du développement sur la technique de mesure de débit depuis plusieurs années et travaille activement sur la mise en pratique de ces nouveaux procédés. Grâce à cette continuité NIVUS a réussit à transposer ce procédé lequel permet aujourd’hui de réaliser de nouvelles mesures dans des conditions hydrauliques compliquées. NIVUS s‘est fixé d’apporter ce nouveau procédé convivial de la famille de l’OCMPro, en série sur le marché avant fin 2000. Procédé de mesure: L‘OCM Pro fonctionne avec un capteur combiné de nouvelle génération qui mesure à la fois la hauteur et la vitesse. Dans cette optique on a fabriqué un capteur muni de 2 cristaux piézoélectriques fonctionnant individuellement en temps qu’émetteur et récepteur.

Figure n° 33; Structure d’un capteur combiné du type „Pro“ pour montage radier Le cristal piézoélectrique se compose d’un alignement d’une grande quantité de petits cristaux cylindriques qui oscillent tous en même temps pour émettre et recevoir simultanément (cristal-composite).

Figure n° 34; Construction d’un cristal émetteur/récepteur

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La forme spécifique du cristal a l’avantage de présenter un alignement et une focalisation très précise ainsi qu’une courte durée de post oscillation (lobe d’émission de 3°). (Post oscillation mécanique après l’impulsion émise). Il faut attendre une fraction de seconde t après l’émission pour que le cristal joue le rôle de récepteur. Si cette fraction de seconde n’était pas respectée, la post oscillation mécanique serait enregistrée, traitée, et détectée comme erreur de mesure. Grâce au comportement de ses courtes oscillations il est possible de fabriquer des piézos dont le seuil de la zone morte se situe à une distance de 15mm. Le capteur horizontal mesure la hauteur d’eau d’après la vitesse ultrasonique dans l‘eau bien connue. On mesure le temps entre l’émission et la réception d’une impulsion qui est réfléchie par l’interface entre l’eau et l’air. Comme l’ultrason fait un aller et retour h2 (à partir du cristal vers la surface de l’eau et retour) on obtient la fonction suivante

2•

2ltc

h =

c = vitesse du son tl= durée entre le signal émis et le signal reçu.

Figure n° 35; Principe de mesure de niveau dans des canalisations

Figure n° 36; Moyenne de la vitesse du son

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La vitesse du son dans l’eau est connue avec exactitude. Elle est de 1480m/s à 20°C. Elle est tributaire de la température et sa dérive est de 0,23% par °Kelvin. Pour obtenir une mesure de hauteur millimétrique elle doit être déterminée en permance pour être corrigée dans le calcul. La valeur h2 est déterminée en lui ajoutant la valeur fixe h1 qui correspond à l’épaisseur du capteur. Il en résulte la valeur du niveau total h. L’avantage de mesurer le niveau à partir du radier est qu’il ne sera pas influencé par la mousse se trouvant à la surface. (Contrairement à la mesure ultrasonique aérienne dont le résultat pourrait être faussé ou même perdu.) Un capteur combiné H/Vest installé dans le fond d‘une canalisation partiellement remplie à l’aide d’un manchon soudé. Aucune autre modification mécanique n’est plus nécessaire. (Manchette de mesure avec réhausse).

Figure n° 37; Principe de mesure de hauteur dans une canalisation partiellement remplie Un cristal piezoélectrique incliné à un angle défini face au courant hydraulique joue le rôle de capteur de vitesse. Pour la première fois dans le domaine de la mesure pour l’assainissement on intègre la reconnaissance digitale de l’échantillonnage des réflexions sur les particules laquelle est couplée au procédé de corrélation en vue d’une organisation précise de fenêtres de mesure dans un champ acoustique. Le principe de mesure repose sur les bases physiques suivantes: Une séquence d’impulsions ultrasoniques est émise dans le milieu pendant un laps de temps. Toutes les particules (d’air ou de déchets) qui se trouvent dans l’angle de mesure reflètent une infîme partie du signal ultrasonique. Chaque particule, en fonction de sa dimension et de sa forme va réfléchir une petite partie du signal ultrasonique émis juste avant. La quantité des signaux réfléchis exprimera une sorte d’échantillonnage (voir figure n° 38a). Cet échantillonnage est chargé dans un puissant processeur (DSP) de signaux.

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Figure n° 38a; Situation d‘une réception d’un premier signal Au bout d’une durée définie, une deuxième impulsion ultrasonique est émise dans le milieu. A des hauteurs différentes se trouvent des vitesses variables. Les particules réfléchies se sont déplacées loin du premier point de mesure. De cet échantillonnage, il en résulte une image déphasée (Figure n° 38b). D’autres réflexions apparaissent dans le même temps: certaines particules ont subi une rotation et présente une surface différente, certaines particules ne se trouvent plus dans la fenêtre de mesure et d’autres y sont entrées.

Figure n° 38b; Situation d‘une réception d’un second signal Les deux échantillons reçus sont moyennés dans le DSP grâce au procédé de correlation qui compare mathématiquement leur similitude. Tous les signaux différents sont rejetés pour que les échantillons équivalents soient sélectionnés. Le système ouvre des fenêtres sur les 2 images (16 dans l’OCM Pro) et dans chaque fenêtre le décalage de temps ∆t des échantillons est moyenné. (Figure n° 37).

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Figure n° 39; Image des échos + traitement

L’amplitude et la largeur de chaque fenêtre sont définies d‘après la mesure de niveau prise auparavant. Le moment du début et de la fin de chaque fenêtre est le résultat de l’angle d’émission et de la vitesse de pénétration des ultrasons dans le milieu hydraulique. A partir de l’angle d’émission, de l’intervalle entre les deux émissions et de la différence du signal de base, on pourra déterminer dans chaque fenêtre la vitesse d´écoulemement correspondante. De la succession mathématique de chacune des vitesses d’écoulement calculées, on définit un profil de vitesse issu d’une consigne acoustique.

Figure n° 40; Moyenne du profil d‘écoulement Si la distance de tranquilisation à partir du point de mesure est respectée, alors il est possible de calculer sur la base des données géométriques du canal, la répartition des vitesses d’écoulement en 3 dimensions.

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Figure n° 41; Calcul du profil hydraulique en 3 dimensions Résumé: La procédé de calcul par le profil hydraulique nous ouvre de nouveaux horizons dans le domaine de l’aissainissement. Le procédé se valorise par sa grande précision, par son absence de dérive, par sa reproductibilité des mesures et son installation aisée dans les applications de canalisation etc. Les limites de cette technologie devront être validées par de nombreux tests pratiques sur site. 4 Index littéraire

- ATV A 111 - DIN 19559 Teil 1 und 2 - Fachwissen des Ingenieur, Band 5, FBV Leipzig - Technische Hydromechanik, Band 1, Preisler / Bollrich, Verlag für Bauwesen Berlin - Abwasserhydraulik, W. H. Hager, Springer- Verlag Berlin & Heidelberg - Durchflussmesstechnik für die Wasser- und Abwasserwirtschaft, Heinz G. Erb, Vulkan Verlag Essen - Hydraulik im Wasserbau, Prof. Dr. -Ing. R. Rössert, R. Oldenburg Verlag München/Wien 15.03.2001 NIVUS GmbH

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