Limnimètre (HU) : Différence entre versions

Version du 20 juin 2024 à 09:47

Traduction anglaise : Limnimeter, Staff gauge

article en chantier

Dernière mise à jour : 20/06/2024

Appareil permettant de mesurer une hauteur d'eau dans un écoulement ou dans un plan d'eau, utilisé pour déterminer des débits.

Il existe de très nombreux types de limnimètres mettant en œuvre des principes et des techniques très divers : les plus anciens sont des échelles graduées (échelle limnimétrique, voir figure 1), des appareils à flotteurs ou "bulle à bulle". Aujourd'hui on utilise plutôt des capteurs piézorésistifs, des sondes capacitives ou des capteurs à ultrasons.

Figure 1 : Echelle limnimétrique sur le Vidourle ; crédit photo Patrick Savary.

Intérêt de la connaissance de la hauteur d'eau

En hydrologie, la connaissance de la hauteur d'eau peut être intéressante en tant que telle, par exemple :

• pour connaître le degré de remplissage d'un ouvrage hydraulique (barrage, bassin de retenue, etc.) ;
• pour évaluer le risque de déversement au dessus d'un seuil (digue ou déversoir d'orage) ;
• pour évaluer la gravité d'une inondation ;
• pour piloter un ouvrage de gestion automatique (démarrage d'une pompe, fermeture d'une vanne, etc.) ;
• etc.

Cependant l'utilisation la plus fréquente de cette information consiste à permettre l'estimation d'un débit. Cet aspect est traité dans le § "Passer de la hauteur d'eau au débit", et dans l'article débitmétrie.

Qualités à attendre d'un limnimètre et critères à prendre en compte pour son choix

Comme tout appareil de mesure, un limnimètre est caractérisé par des éléments propres à l'appareil lui-même ; les principaux sont les suivants :

• son domaine d’emploi ou étendue de mesure (EM), caractérisée par les valeurs minimale et maximale que peut prendre la hauteur d’eau à mesurer.
• son incertitude maximale tolérée qui dépend elle-même de 3 éléments :
  • la linéarité, caractérisée par la déviation maximale de la courbe d’étalonnage par rapport à une droite et exprimée en pourcentage de l’étendue de mesure ;
  • l'hystérésis, qui rend compte de l’aptitude du capteur à fournir les mêmes valeurs du mesurande lorsque la hauteur d’eau augmente ou diminue ;
  • la vitesse de poursuite, qui correspond à l’aptitude du capteur à suivre les variations de la hauteur d’eau mesurée et doit être appréciée en fonction du contexte de mesure local.

Les critères de choix de l'appareil doivent également tenir compte de son aptitude à conserver ses caractéristiques de fonctionnement nominales dans les conditions réelles d’utilisation. En hydrologie, et particulièrement dans les réseaux d'assainissement, ou lors de situations brutales, comme les crues, de nombreux éléments, tels que la température, l’humidité, la concentration de l’eau en matières dissoutes ou en suspension, les perturbations électromagnétiques, etc., peuvent altérer les qualités du capteur et/ou affecter le mesurage.

Enfin, les limnimètres, comme tous les dispositifs métrologiques utilisés en hydrologie, doivent satisfaire à plusieurs contraintes importantes :

• ne pas perturber l’écoulement ;
• être faciles à installer et à maintenir (facilité d'accès, possibilité d'alimentation électrique, possibilité de télétransmission des données, etc.) ;
• ne pas être trop exposés au vandalisme ;
• être résilient vis-à-vis des conditions parfois difficiles rencontrées lors des événements climatiques intenses (foudre ou surcharge électrique, vent violent, montée brutale de l'eau, présence de débris dans l'écoulement, etc.).

Classification des appareils de mesure de la hauteur d'eau

En dehors de la lecture directe du niveau sur une échelle graduée (voir figure 1), différentes techniques permettent le mesurage des hauteurs d’eau. Bertrand-Krajewsjki et al. (2008) proposent de les classer en deux catégories principales :

• les techniques de mesurage direct de la hauteur d’eau :
  • par flotteur ;
  • par palpeur ou par plongeur (cités ici pour mémoire car très peu utilisés en hydrologie) ;
  • par mesurage du temps de transit d’une onde ;
• les techniques de mesurage indirect, avec lesquelles on détermine une grandeur reliée à la hauteur d’eau :
  • par mesurage indirect de la pression ;
  • par mesurage direct de la pression.

Même si les techniques de mesurage par flotteur sont encore utilisées (en particulier dans les cours d'eau), elles tendent cependant à devenir anecdotiques par rapport aux autres.

Mesurage de la hauteur d'eau par flotteur

Un limnimètre à flotteur est un appareil équipé d'un flotteur, placé dans un tube perforé à l'aval, qui suit les fluctuations du niveau d'eau. Le flotteur est relié à un câble qui va déplacer un curseur de façon proportionnelle au déplacement du flotteur ; ces déplacements vont être mesurés par un capteur de position (figure 2).

Figure 2 : Schéma de principe d'un limnimètre à flotteur : le flotteur est placé dans un tube perforé dans lequel le niveau de l'eau est proche du niveau moyen de l'écoulement ; il est relié par un câble à un capteur de position placé dans un tube étanche et capable de suivre, d'enregistrer et de télétransmettre les déplacement du flotteur et donc les niveaux moyens de l'eau.

Il s'agit d'un dispositif mécanique très simple qui peut avoir une grande étendue de mesures (pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres) et une incertitude réduite (de l'ordre de 0,5% à 5 % de l'étendue de mesure, soit, en valeur absolue, de quelques mm à quelques cm dans les cas courants). Cependant, même si le flotteur est théoriquement protégé des débris transportés par l'eau, il est possible que certains parviennent à s'introduire dans le tube (souvent en période de basses eaux) et viennent gêner les déplacements du flotteur, voire le bloquer totalement.

Mesurage de la hauteur d'eau en utilisant le temps de transit d'une onde

Principes de fonctionnement

Le principe consiste à mesurer le temps mis par une onde pour effectuer un aller-retour entre sa source et la surface de l'eau. Différentes longueurs d'onde peuvent être utilisées :

• ondes acoustiques de fréquence inférieure à 20 kHz ;
• ondes ultrasonores de fréquence supérieure à 20 kHz ;
• ondes radar (ou micro-ondes) de fréquence supérieure au GHz ;
• ondes lumineuses de type laser.

Les plus employées en hydrologie sont les ondes ultrasonores. L'émetteur et le récepteur sont généralement placés dans le même appareil (écho-sondeur). L'appareil émet par intermittence un faisceau d'ondes ultrasonores qui se propagent vers la surface de l’eau. Lorsqu’elles rencontrent l’interface air-eau, une partie de ces ondes est réfléchie vers le capteur qui fonctionne alors en réception et permet ainsi le mesurage du temps de transit aller-retour de l’onde. La distance séparant le capteur de la surface de l’eau est directement proportionnelle au temps de transit de l’onde et dépend de la célérité des ultrasons dans le milieu. Connaissant la géométrie du collecteur ou du cours d'eau et la position de l'appareil, on en déduit la hauteur d'eau. La source peut être aérienne (mesure du haut vers le bas, c'est le cas le plus fréquent) ou immergée (mesure du bas vers le haut) (figure 3).

Figure 3 : Schéma de principe d'un limnimètre à ultrasons : le même appareil sert à la fois d'émetteur et de récepteur ; il peut être placé au fond de la conduite ou du cours d'eau (on mesure alors le temps de transit dans l'eau) ou à l'intrados de la conduite (ou sur un mât au dessus du cours d'eau) (on mesure alors le temps de transit dans l'eau).

Éléments de technologie

Les sondes à ultrasons sont constituées de céramique rendues piézo-électriques et capables d'émettre des ultrasons lorsqu'elles sont soumises à une excitation électrique. Elles se présentent généralement sous forme de disque (Figure 4) et sont définies par deux caractéristiques principales : l’épaisseur $ e_c $ et le diamètre $ d_c $.

Figure 4 : Schéma d’une céramique ultrasonore ; Source : Bertrand-Krajewsjki et al. (2008).

• L’épaisseur $ e_c $ de la céramique détermine la fréquence des ultrasons émis, laquelle conditionne la résolution du capteur et la directivité des ondes ;
• Le diamètre $ dc $ joue également sur la directivité des ondes ultrasonores.

Cas des capteurs aériens

Installation

Le choix d'une sonde aérienne constitue la solution la plus fréquente car l'appareil est moins exposé aux risques d'érosion ou d'ensablement ; de plus il y a généralement peu d'obstacles mobiles au dessus de la surface (même si des flottants peuvent parfois perturber la mesure).

Lorsque la même céramique est utilisée en émission et en réception, il existe une distance de mesure minimale, comptée depuis la surface de l'appareil, de l’ordre de 30 à 50 cm, appelée "zone morte" ou "zone d’ombre". Cette distance est due au temps d’amortissement de la vibration de la céramique après son émission, temps nécessaire avant de pouvoir travailler en réception. Ce problème est très gênant en hydrologie urbaine. L’utilisation de céramiques distinctes pour l’émission et la réception permet de l’éviter et réduit la zone morte à moins de 1 cm. Une autre solution, dans le cas des réseaux d'assainissement, consiste à placer l'appareil dans une cheminée (à condition qu'elle soit centrée sur le collecteur). Cette solution permet également le mesurage des hauteurs d'eau atteintes en cas de mise en charge. L'interprétation des mesures est cependant difficile du fait de la grande variabilité des niveaux en cas de mise en charge.

Dans les réseaux souterrains différents éléments constructifs (échelons dans un regard, banquette(s), parois des collecteurs étroits, etc.) peuvent provoquer des échos parasites, sources d'erreurs. Ces échos parasites peuvent être réduits en choisissant un cône d’émission le plus étroit possible, et donc une fréquence d’émission élevée. Certains capteurs possèdent également des fonctions d’étalonnage et de filtrage in situ permettant de les éliminer.

Une autre cause de mauvais fonctionnement provient de l’interface air-eau qui peut ne pas être plane ou parallèle au capteur. Dans ce cas le faisceau réfléchi peut ne pas atteindre correctement le capteur, ce qui provoque une atténuation voire une perte du signal (figure 5). Ce phénomène peut se produire si la sonde est mal installée (problème de parallélisme), lorsqu’il y a des vagues à la surface de l’eau ou lorsque la pente de la ligne d’eau fluctue fortement.

Figure 5 : Risque d'atténuation ou de perte du signal en cas de non parallélisme entre le capteur et la surface de l'eau ; Source : Bertrand-Krajewsjki et al. (2008).

Incertitude due à la température

Une cause importante d'incertitude est associée au fait que la célérité des ultrasons dans l'air augmente avec la température (relation 1). Il est donc conseillé de rajouter un capteur de température est d'effectuer une correction (ce que font la plupart des appareils du commerce).

avec :

• $ C_{us-air} $ : célérité des ultrasons dans l'air (m/s) ;
• $ θ $ : température (°K).

Qualité globale à attendre

La distance maximale mesurable est de l’ordre de 30 m, ce qui permet de couvrir toutes les étendues de mesure généralement souhaitées en hydrologie urbaine

Cas des capteurs immergés

Mesurage de la hauteur d'eau en utilisant le mesurage indirect de la pression

Mesurage de la hauteur d'eau en utilisant le mesurage direct de la pression

Passer de la hauteur d'eau au débit

Pour en savoir plus :

• Bertrand-Krajewski, J.-L., Laplace, D., Joannis, C., Chebbo, G. (2008) : Mesures en hydrologie urbaine et assainissement ; ed. tec et Doc, Lavoisier, Paris ; 292p. (épuisé).
• Ministère chargé de l’Environnement (2017) : Charte qualité de l’hydrométrie, Guide de bonnes pratiques, janvier 2017, 82 p. ; disponible sur https://www.eaufrance.fr/sites/default/files/documents/pdf/Schapi_Charte_hydro_P01-84_BasseDefinition_5Mo_.pdf