Courantomètre (HU) : Différence entre versions

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Traduction anglaise : current meter

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Dernière mise à jour : 11/09/2024

Appareil permettant le mesurage d’une vitesse locale au sein d’un écoulement ; les vélocimètres de ce type sont généralement portables et mis en œuvre pour des opérations de jaugeage permettant par exemple d'établir une courbe de tarage dans une section de contrôle ou de calibrer d'un autre type de vélocimètre fonctionnant en continu.

[modifier] Différents types de courantomètres

Les courantomètres utilisent différents principes physiques :

• l'existence d'une relation entre la vitesse et l'énergie mécanique de l'écoulement : moulinet hydrométrique ;
• le différentiel entre la pression statique et la pression dynamique : tube de Pitot ;
• le principe de Faraday : courantomètre électromagnétique ;
• l'effet Doppler : sonde laser, radar ou autre à effet Doppler.

Les différents types d'appareil sont rapidement décrits dans les paragraphes suivants, avec, pour certains, un renvoi vers un article spécifique proposant une description plus détaillée.

[modifier] Moulinet hydrométrique

Un moulinet hydrométrique est composé d’une hélice mobile fixée au bout d'une tige et que l'on plonge dans l'écoulement. La vitesse de rotation de l'hélice est reliée à la vitesse de l’eau dans son voisinage (Figure 1). La vitesse de rotation de l’hélice est mesurée grâce à un compteur à impulsions, électrique, magnétique ou optique selon les modèles. Les formes de l’hélice et de son support sont étudiées pour perturber le moins possible l’écoulement et en particulier pour éviter de modifier la vitesse que l'on souhaite mesurer. Les moulinets font l'objet de la norme NF ISO 2537-2007 qui définit en particulier les modalités de leur étalonnage.

Figure 1 : schéma de principe d'un moulinet à hélice ; Source : Bertrand-Krajewski et al. (2008).

Il existe différents types d'appareils, plus ou moins lourds et donc plus ou moins susceptibles de perturber l'écoulement (saumon, micro-moulinet, etc.)

Pour en savoir plus : Moulinet (HU).

[modifier] Tube de Pitot

La charge spécifique totale d’un écoulement s'exprime traditionnellement en hauteur d'eau de la façon suivante (relation (1)).

Avec :

• $ H_S $ : charge spécifique totale (m) ;
• $ H_{ST} $ : charge spécifique statique (m) ;
• $ V $ : vitesse locale de l'écoulement (m/s) ;
• $ p $ : pression (Pa ou N/m²) (nota : en général, on ne tient pas compte de la pression atmosphérique et on raisonne en pression relative en considérant une pression nulle en surface) ;
• $ ρ $ : masse volumique (kg/m³) ;
• $ g $ : accélération de la pesanteur (m/s²).

Un tube de Pitot (figure 2) mesure en un même point la charge spécifique totale et la charge spécifique statique.

Figure 2 : Principe du mesurage de la vitesse par un tube de Pitot.

La valeur du différentiel de pression ($ H_S-H_{ST} $) par un manomètre différentiel donne donc accès directement à la valeur de la vitesse (relation (3)) :

[modifier] Courantomètre électromagnétique

Les courantomètres électromagnétiques reposent sur le principe qu'un liquide conducteur traversant un champ magnétique crée une différence de potentiel proportionnelle à la vitesse d'écoulement. Les appareils de ce type utilisent donc un champ magnétique d'intensité constante, généré par une bobine intégrée dans l'appareil. La tension produite est mesurée par deux électrodes également moulées dans la sonde.

Comme indiquée, cette tension est proportionnelle à la vitesse de déplacement du fluide conducteur, mais également à la puissance du champ magnétique et à la distance séparant les électrodes, ce qui permet d'ajuster la sensibilité (voir relation (4)).

Avec :

• $ V_m $ : Vitesse mesurée (m/s) ;
• $ E $ : Différence de potentiel mesurée aux électrodes (V) ;
• $ H_m $ : Intensité du champ magnétique (T) ;
• $ L $ : Distance entre les électrodes (m) (généralement égale au diamètre $ D_c $ de la conduite) ;
• $ K $ : coefficient de proportionnalité (sans dimension, théoriquement égal à 1).

La sonde, à laquelle on donne une forme hydrodynamique pour perturber le moins possible l'écoulement, est de taille réduite (quelques centimètres de diamètre et une dizaine de cm de longueur). Pour effectuer les mesures, on la fixe à l'extrémité d'une tige graduée qui permet de connaître sa profondeur dans l'écoulement (figure 3).

Figure 3 : Exemple de courantomètre électromagnétique portable ; Source : https://www.valeportwater.co.uk/content/uploads/2021/06/Valeport-Model-801-EM-Flowmeter-Datasheet_FR.pdf

[modifier] Courantomètres à effet Doppler

Les vélocimètres à effet Doppler sont bien connus des automobilistes puisque c'est ce type de technologie qui est utilisé par les radars installés au bord des routes pour contrôler la vitesse des véhicules. Le principe de ce type de mesurage est assez simple : on envoie une onde de fréquence connue vers un objet en mouvement et on mesure la fréquence de l'onde retour qui s'est réfléchie sur l'objet. Celle-ci va être raccourcie ou augmentée selon que l'objet se rapproche ou s'éloigne de la sonde. La vitesse de l'objet est directement liée au décalage de fréquence entre l'onde émise et l'onde réfléchie.

Ce principe peut être utilisé de deux façons différentes pour mesurer la vitesse locale de l'eau en utilisant des longueurs d'onde (inverses de la fréquence) différentes :

• soit on utilise un rayonnement ultrasonique avec une sonde immergée (figure 4) ; on parle alors de courantomètre acoustique à effet Doppler (on utilise souvent l'un des sigles anglais : ADV, pour Acoustic Doppler Velocimeter ; ADCP, pour Acoustic Doppler Current Profiler ; ADVP, pour Acoustic Doppler Velocity Profiler) ;
• soit on utilise un rayonnement laser, généralement dans l'infra-rouge, avec une sonde aérienne ; ce rayonnement très fin est en effet suffisamment énergétique pour pénétrer dans le liquide (figure 5) ; ce type de longueur d'onde est encore peu répandu, les fabricants proposant principalement des appareils à installer à poste fixe (voir Vélocimètre (HU)) ;
• soit on utilise une sonde radar (longueur d'onde millimétrique ou centimétrique) pour mesurer la vitesse en surface ; dans ce cas on ne peut obtenir qu'un profil de vitesse de surface sur la largeur de l'écoulement (figure 6) ; dans ce cas on parle de SVR (pour Surface Velocity Radar) (Dramais et al., 2013).

Dans les deux premiers cas le faisceau est réfléchi par les particules ou les bulles d'air en suspension dans l'eau ; cette technique de mesurage admet donc comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air se déplacent avec la même vitesse que l'eau. Dans le dernier cas le faisceau est réfléchi par les aspérités de surface.

Figure 4 : Principe de fonctionnement d'un courantomètre Doppler à ultrasons ; la sonde est fixée sur un bras télescopique qui permet d'ajuster précisément sa profondeur.

Figure 5 : Principe de fonctionnement d'un courantomètre Doppler laser ; les ondes sont émises par bouffées très courtes (ondes pulsées) ; le temps mis pour effectuer le trajet aller-retour permet de connaître la distance entre la sonde et la zone d'intérêt ; le décalage de fréquence permet de connaître la vitesse des particules dans cette zone.

Figure 6 : Principe de fonctionnement d'un courantomètre Doppler radar de surface : les ondes sont réfléchies par les aspérités de surface (flottants, mousses, vagues, etc.) ; le décalage de fréquence permet de connaître la vitesse moyenne de l'eau dans la zone éclairée.

[modifier] Courantomètres profileurs

Les courantomètres Doppler à ondes pulsées, quelle que soit la longueur d'onde utilisée (ultrasons ou laser), permettent de sonder l'écoulement à différentes profondeur et donc d'établir un profil de vitesses le long du faisceau ; on parle alors de profileur de vitesses.

Dans le cas des courantomètres profileur à ultrasons (souvent nommés ADCP), l'appareil est le plus souvent positionné juste sous la surface, fixé sur une bouée, ou embarqué à bord d'un navire ; il peut également être installé au fond avec une cage de protection.

Nota : Certains appareils sont même équipés de plusieurs sondes avec des faisceaux émis dans des directions différentes. Il est alors possible de mesurer le champ de vitesse à partir d'une seule position de l'appareil (figure 7) ; on est alors plus proche d'un vélocimètre que d'un courantomètre au sens strict.

Figure 7 : Principe de fonctionnement d'un courantomètre profileur Doppler ; dans le cas d'une sonde ultrasons, la sonde est généralement fixée sur un support flottant ; dans le cas d'une sonde laser, elle est fixée à une hauteur conne par rapport au fond.

Certains courantomètres acoustiques possèdent deux sondes décalées et inclinées, ce qui permet le mesurage de deux composantes de la vitesse (selon la position de l'appareil) (figure 8).

Figure 8 : Si le triplet de transducteurs est orienté dans un plan vertical, parallèle à la direction principale du flux, on mesure la vitesse du flux dans le sens du courant et verticale ; pour mesurer les vitesses du flux dans le sens du courant et latérales, les trois transducteurs doivent être placés dans un plan horizontal ; Figure 7 : ubertone.com.

[modifier] Règles à jauger

Le principe des règles à jauger (ou perches à charge dynamique transparente) consiste à mesurer la différence de niveau d’eau entre l’amont et l’aval d’une planche opposée à l’écoulement et d'en déduire la vitesse moyenne dans un plan vertical en utilisant une relation d’étalonnage semi-empirique (figure 9).

Figure 9 : Règle à jauger INRAE ; Source : https://riverhydraulics.riverly.inrae.fr/outils/instrumentation/regles-a-jauger.

Il s'agit d'un outil de jaugeage peu coûteux (de l'ordre de 200€), facile et rapide à utiliser, fournissant des débits fiables dans les bonnes conditions d’application (vitesse supérieure à 20 cm/s sur la majeure partie de la section, stabilité de la règle dans l’écoulement). Comme dans le cas des courantomètres Doppler radar de surface ce type de mesurage fournit une valeur unique de vitesse pour chaque plan vertical de mesure.

[modifier] Éléments de synthèse

• moulinet hydrométrique : dispositif intrusif, surtout utilisé pour les cours d'eau ;
• tube de Pitot : dispositif intrusif, risque de colmatage ; difficile à utiliser pour les écoulements chargés (cas des réseaux) ;
• courantomètre électromagnétique : dispositif intrusif, utilisable aussi en réseau ;
• sondes laser à effet Doppler : dispositif non intrusif, utilisable en réseau ou pour les cours d'eau ; possibilité de mesurer un profil de vitesse ; possibilité d'en mesurer en même temps deux composantes ;
• sondes ultrasons à effet Doppler : dispositif peu intrusif, utilisable en réseau ou pour les cours d'eau ; possibilité de mesurer un profil de vitesse ; peu répandu ;
• sondes radar à effet Doppler : dispositif non intrusif, utilisable pour les cours d'eau ou les grands collecteurs ; ne fournit que les valeurs de vitesse en surface ;
• règles à jauger : dispositif intrusif, très peu couteux, utilisable pour les cours d'eau ou les grands collecteurs ; ne fournit que les valeurs moyennes de vitesse sur un axe vertical ;

Bibliographie :

• Dramais, G., Le Coz, J., Le Boursicaud, R., Hauet, A., Lagouy, M. (2013) : Jaugeage par radar mobile ; Protocole et résultats ; In: 35es journées de l’hydraulique de la Société Hydrotechnique de France. Hydrométrie 2013 ; Paris, 15-16 mai 2013.
• Le Coz, J., Larrarte, F., Saysset, G., Pierrefeu, G., Brochot, J.F., Marchand, P. (2009) : Mesures hydrologiques par profileur à effet Doppler (aDcp) en France : application aux cours d'eau et aux réseaux urbains ; La Houille Blanche - Revue internationale de l’eau ; 2009 ; n°3 ; p. 115 - 122 ; disponible sur https://hal.science
• https://www.artois-picardie.eaufrance.fr/qualite-et-quantite-des-eaux/situation-hydrologique-hydrogeologique-et-pluviometrique/article/les-jaugeages-dans-le-bassin
• https://web.archive.org/web/20111215222559id_/http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/54/75/81/PDF/LY2009-PUB00026555.pdf

Pour en savoir plus :

• Bernard M. (coordinatrice) (2019) : Guide d’échantillonnage à des fins d’analyses environnementales ; cahier 7 : Méthodes de mesure du débit ; Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec ; 321p. ; disponible sur https://www.ceaeq.gouv.qc.ca/documents/publications/echantillonnage/debit_conduit_ouvc7.pdf.
• 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