Courantomètre (HU) : Différence entre versions

Version du 14 août 2024 à 18:31

Traduction anglaise : current meter

article en chantier

Dernière mise à jour : 27/07/2024

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.

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.

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).

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 mesure 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)) :

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

Sonde à effet Doppler

Il s'agit de l'adaptation, récente en hydrologie, d'une technologie utilisée dans d'autres domaines (par exemple mesurage de la vitesse des gaz, par ensemencement en particules, ou mesurage de la vitesse d'un flux sanguin, par suivi des globules rouges). Le principe consiste à utiliser un faisceau très étroit (faisceau laser) et de très petite longueur d'onde (rayonnement infrarouge) produit par une sonde placée au dessus de l'écoulement. Ce type de rayonnement, très énergétique, peut pénétrer dans la veine liquide et se réfléchir dès qu'il rencontre une particule ou une bulle d'air. La sonde se met alors en mode réception et mesure le temps mis pour effectuer le trajet aller-retour ainsi que le décalage en fréquence entre l'onde émise et l’onde réfléchie. Il en déduit la vitesse locale de l'écoulement qu'il associe à la position et à la vitesse de la particule au point de mesure.

Ce faisceau peut être focalisé dans une direction précise pour mesurer la vitesse des particules à différentes distances (donc à différentes profondeurs si l'on connaît la hauteur d'eau), ce qui permet de reconstituer le profil en travers des vitesses ou de déterminer des grandeurs spécifiques comme, par exemple, la vitesse maximum (figure 4). Le capteur est placé au dessus de l'écoulement qu'il ne perturbe donc pas.

Cette technique de mesurage admet également comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air se déplacent avec la même vitesse que l'eau.

Figure 4 : Différentes possibilités d'utilisation d'un vélocimètre laser à effet Doppler ; Source : https://igz.ch/wp-content/uploads/laserflow-brochure-datasheets-low-res.pdf

Éléments de synthèse

• moulinet hydrométrique : dispositif intrusif, surtout utilisé pour les cours d'eau ;
• 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.

Calcul d'une vitesse moyenne

La connaissance du champ de vitesse a généralement pour but de calculer la vitesse moyenne de l'écoulement (parfois appelée vitesse débitante) et/ou le débit. Le fait de disposer de mesures réparties dans la section permet de calculer directement l'une ou l'autre de ces grandeurs par intégration numérique sur la section mouillée puis d'en déduire facilement la seconde (voir § "Calcul de la vitesse moyenne à partir des vitesses locales").

Difficulté de l'opération

Choix d'un maillage de la section

Figure : Principe du maillage d'une section de cours d'eau : mesure à 3 points par verticale ; Source : Ministère chargé de l’Environnement (2017).

Figure : Principe du maillage de différentes formes de conduite ; Source : Bertrand-Krajewski et al. (2008)

Calcul de la vitesse moyenne à partir des vitesses locales

Bibliographie :

• 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