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Limnimètre (HU) : Différence entre versions
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| + | * Utilisation d’un seuil avec une courbe d’étalonnage et calage d’un coefficient – M1 | ||
| + | * Une relation de Manning-Strickler – M2 | ||
| + | * Mesure de la hauteur couplée à un capteur vitesse fixé de manière temporaire – M3 | ||
| + | * Utilisation de la modélisation hydraulique et d’une ou deux mesures de hauteur d’eau – M4 | ||
==Intégration du limnimètre dans une station de mesures== | ==Intégration du limnimètre dans une station de mesures== | ||
Version du 22 juin 2024 à 11:00
Traduction anglaise : Limnimeter, Staff gauge
article en chantier
Dernière mise à jour : 21/06/2024
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.
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).
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 et c'est ce type de dispositif que nous décrirons en détail dans les § suivants. Un § spécifique sera également consacré aux appareils utilisant les ondes radar.
Dans le cas des sondes à ultrasons de mesure de hauteur, 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).
Éléments de technologie des sondes à ultrasons
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 $.
- 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 $ d_c $ joue également sur la directivité des ondes ultrasonores.
Cas des capteurs aériens
Installation
Le choix d'une sonde aérienne (figure 5) 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 6). 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.
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. Pour les appareils du commerce correctement installés, l'incertitude de mesure est de l'ordre de 1 % de l’étendue de mesure de l'appareil, mais reste au mieux égale à 1 cm si l'étendue de mesure est inférieure à 1 m. (Bertrand-Krajewski et al., 2008).
Cas des capteurs immergés
Dans le cas d'un capteur immergé, la sonde est placée au fond, ou près du fond, de l’ouvrage (voir Figure 7).
Cette solution présente plusieurs avantages:
- l’onde se propage dans l’eau, milieu dans lequel l’amortissement des ondes ultrasonores est beaucoup plus faible que dans l’air, ce qui permet d'utiliser des sondes émettant avec des fréquences plus élevées et d'améliorer la résolution tout en réduisant la zone morte (qui peut être ramenée à moins de 10 cm, même si la même céramique est utilisée en émission et en réception).
- les variations de température de l'eau sont plus faibles que celles de l'air et la compensation en température est plus efficace.
D'autres éléments peuvent cependant perturber les mesures :
- présence de sels dissous (en particulier sels de déverglaçage) dans l'écoulement qui peuvent modifier la vitesse de propagation des ondes dans le milieu ;
- écoulements très chargés en débris provoquant des échos parasites ;
- risques d'envasement du capteur, d'ailleurs amplifiés par la présence même de l'appareil (ces risques peuvent être réduits en installant ce dernier un peu au dessus du fond, voir figure 7).
- vulnérabilité au passage des outils de curage des collecteurs ou des personnels ;
- risque d'accrochage de sacs plastiques, filasses, ou autres objets susceptibles de fausser les résultats de mesure ;
- plus grande difficulté de maintenance.
Limnimètre utilisant les ondes radar
En hydrologie on peut également utiliser des limnimètres fonctionnant avec des ondes radar. Les ondes radar sont caractérisées par une grande fréquence (supérieure au GH) qui assurent une grande vitesse de suivi et une très petite zone morte. Les limnimètres qui utilisent ce type de technologie en hydrologie sont de type aérien (figure 8). Les appareils de ce type sont plus encombrants que les appareils à ultrasons.
Pour en savoir plus : Fiche GRAIE-OTHU Hauteur-radar
Mesurage de la hauteur d'eau en utilisant le mesurage indirect de la pression
Principes de fonctionnement
La technique du "bulle à bulle", est la plus ancienne pour mesurer en continu les hauteurs d'eau. Elle consiste à envoyer un débit d’air constant, au moyen d’un compresseur, dans un tube immergé de faible diamètre (type Rilsan de 4 à 6 mm) plongé dans l’écoulement. On mesure la pression de l’air envoyé qui équilibre exactement la pression de la colonne d’eau située au-dessus de l’extrémité du tube immergé (Figure 9). On règle généralement l’appareil pour un débit d’air de 1 à 2 bulles par seconde.
La pression du gaz envoyé par le système pneumatique est mesurée par diverses techniques : capsule anéroïde, balance de pression ou, plus récemment, capteur piézo-résistif (voir le § suivant).
Le tube de mesure de pression, situé dans le collecteur, conduit au capteur de pression qui doit être placé à une cote fixe et constante par rapport au radier.
Installation
Les dispositifs bulle à bulle s’installent relativement facilement aussi bien sur un cours d'eau naturel que dans un réseau d'assainissement. Dans ce dernier cas on peut les positionner dans un regard ou en extérieur, sans travaux particuliers, y compris dans les collecteurs de petits diamètres, en raison de leur faible encombrement.
Les principales précautions à prendre concernent le tube de bullage. Il faut en particulier veiller :
- à ce que son extrémité soit biseautée et positionnée de telle sorte que la bulle quitte le tube dans la direction de l’écoulement ;
- à ce que son extrémité soit placée :
- au-dessus du niveau connu ou prévisible des dépôts :
- mais suffisamment profondément dans l'écoulement pour qu'il soit en permanence immergé.
Avantages et inconvénients
L'étendue de mesure de ce type de technologie dépend de la pression d'air que peut fournir le compresseur. Celle-ci doit en effet être supérieure à la pression exercée par la colonne d’eau lorsqu’elle atteint la hauteur maximale que l'on souhaite mesurer.
La vitesse de poursuite est assez faible car il faut un certain délai pour que la pression du gaz soit en équilibre avec celle de la colonne d’eau. En cas de montée rapide du niveau, l’eau pénètre à l’intérieur du tube de bullage et il y a sous-estimation temporaire de la hauteur d’eau. L’inverse se produit en cas de descente rapide. Aussi les fluctuations rapides du niveau d’eau ne peuvent-elles pas être observées par le capteur. Pour éviter ce problème, il faut que la vitesse maximale de l’air dans le tube de bullage soit supérieure à la vitesse maximale de variation de la hauteur d’eau. On peut limiter cet inconvénient en augmentant la vitesse de bullage.
Les mesures peuvent également être perturbées en cas d’écoulement à forte vitesse (plus de 1m/s) avec une hauteur d’eau faible (moins de 5 cm). Dans ce cas, il peut se produire un phénomène d’aspiration des bulles d’air par le courant, ce qui fausse les résultats de mesure.
L’incertitude de mesure moyenne est généralement comprise entre 4 et 10 mm.
Mesurage de la hauteur d'eau en utilisant le mesurage direct de la pression
Principes de fonctionnement
Le principe consiste à mesurer directement la pression hydrostatique de la colonne d’eau en utilisant un capteur de pression immergé. Le capteur comprend une membrane souple qui se déforme sous l’effet du poids de l’eau qui la surplombe. Cette déformation mécanique est transformée en grandeur électrique par un transducteur de pression relié mécaniquement ou hydrauliquement à la membrane. Les transducteurs les plus utilisés en hydrologie sont de type piézo-résistif même si d'autres types de transducteur existent (capacitif, résistif, piézo-électrique, transformateur différentiel, etc.). On convertit ainsi une pression en signal électrique.
Installation
Avantages et inconvénients
Passer de la hauteur d'eau au débit
4 méthodes (dont 3 « simples » notées ci-dessous M1, M2 et M3) permettent de calculer le débit à partir de une ou deux mesures de hauteur d’eau, à savoir :
- Utilisation d’un seuil avec une courbe d’étalonnage et calage d’un coefficient – M1
- Une relation de Manning-Strickler – M2
- Mesure de la hauteur couplée à un capteur vitesse fixé de manière temporaire – M3
- Utilisation de la modélisation hydraulique et d’une ou deux mesures de hauteur d’eau – M4
Intégration du limnimètre dans une station de mesures
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
- https://publications.gc.ca/collections/collection_2021/eccc/en37/En37-274-2019-fra.pdf
