S'abonner à un flux RSS
Vélocimètre (HU)
Traduction anglaise : velocimeter
Dernière mise à jour : 11/09/2024
Appareil destiné au mesurage de la vitesse ; en hydrologie on s'intéresse spécifiquement au mesurage de la vitesse des écoulements dans les cours d'eau et dans les réseaux d'assainissement, généralement pour estimer une valeur de débit (voir Débitmétrie (HU))
Cet article fait partie d'une série plus complète sur l'hydrométrie et la débitmétrie dans les réseaux et dans les cours d'eau ; voir en particulier Vélocimètre (HU) et Débitmétrie (HU). En plus des membres de l'association Eurydice, il a bénéficié de la relecture et des contributions de Nicolas Walcker (OTHU), de Mathieu Zug et de Matthieu Dufrene.
Différents types de mesurages de la vitesse
On sait depuis longtemps que la vitesse des filets liquides n'est pas la même en tout point d'une section en travers d'un écoulement (figure 1).
Or, les principes susceptibles d'être mis en œuvre pour le mesurage des vitesses sont très divers ; donc, selon le principe utilisé, le mesurande (c'est à dire la grandeur effectivement mesurée) sera différent. Par exemple :
- un mesurage effectué avec un moulinet hydrométrique ou un autre type de courantomètre fournira une valeur locale de vitesse des filets liquides ;
- le mesurage d'un temps de transit par des sondes à ultrasons fournira une valeur moyenne sur une corde, correspondant à l'intégration des valeurs locales de vitesses sur le trajet suivi par le train d'ondes ;
- l'utilisation d'un vélocimètre immergé à effet Doppler fournira :
- soit une valeur maximale de vitesse dans le cône de mesure,
- soit une valeur moyenne sur une surface, correspondant à l'intégration des valeurs locales sur une partie de la section mouillée ;
- l’utilisation d’un vélocimètre aérien sans contact, radar ou laser, fournira une valeur de vitesse en surface, ou légèrement sous la surface, qui, sauf exception (par exemple dans le cas d'un canal étroit illustre sur la figure 1), s’approchera d’une valeur de vitesse maximale ;
- etc.
Il est donc nécessaire de bien savoir, pour chaque type de technologie, ce que mesure effectivement le vélocimètre, de façon à traiter l'information de façon correcte pour en déduire la grandeur d'intérêt (par exemple une valeur moyenne de vitesse d'écoulement si l'on cherche à calculer un débit).
Éléments d'historique
Les premières mesures de vitesse semblent avoir été réalisées avant notre ère sur le fleuve jaune, à l’aide d’un cheval courant sur la berge à la même vitesse que le courant de surface que l’on suivait par des flotteurs dérivant au fil de la rivière (Lallement, 2021). Les méthodes de mesurage de la vitesse des écoulements se sont longtemps limitées à l'utilisation de flotteurs de diverses natures qui ne donnaient que la vitesse en surface ou à son voisinage immédiat et il a fallu attendre la renaissance pour voir apparaître de nouveaux concepts.
Santorio (1561-1630) a inventé vers 1610 une "balance hydrométrique" pour mesurer la force exercée par le courant sur un obstacle placé au sein de l'écoulement. Ce type de dynamomètre a ensuite été perfectionné par P. Michelotti en 1767 pour permettre la mesure des vitesses à des hauteurs variables. Entre temps, Robert Hooke, inventeur anglais inspiré par la propulsion des bateaux par hélice, aurait proposé vers 1683 de mesurer la vitesse au moyen d'une hélice libre immergée. Mais il ne s'agissait encore que d'une idée sans réalisation concrète. Reprenant les travaux de Robert Hooke (et de Henry de Saumarez), Estavao Cabral (1786), puis Reinhardt Woltman (1790) mettent finalement au point le premier moulinet hydrométrique.
Partant d'un principe différent, Henri Pitot (1695-1771) invente le tube qui porte son nom : une "machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux". Pour ceci, il installe deux tubes piézométriques perpendiculaires dans l'écoulement : le premier est parallèle au courant pour mesurer la pression totale, le deuxième est perpendiculaire au courant et mesure la pression statique. La vitesse de l'écoulement est alors directement proportionnelle à la racine carrée de la différence de pression. C’est avec ce dispositif en particulier, après son perfectionnement par Henry Darcy en 1858, que l’on effectuera des jaugeages sur la Seine à Paris lors de la grande crue de 1910 (Lallement, 2021). Les moulinets hydrométriques resteront cependant le dispositif de référence pour la plupart des jaugeages, même s'ils commencent à être concurrencés par les courantomètres électromagnétiques vers les années 1950, en particulier pour les petits cours d'eau (Reméniéras et Hermant, 1954).
Ce n'est finalement qu'à la fin du XXème siècle que commencent à apparaître des appareils légers et capables de mesurer en continu la vitesse d'un écoulement. Les premiers dispositifs opérationnels sont des sondes à ultrasons, tirant parti de la différence de temps de transit d'une onde selon qu'elle va dans le même sens que l'écoulement ou en sens contraire. On développe ensuite des dispositifs à effet Doppler, soit immergés, soit hors d'eau, utilisant différentes longueurs d'onde. On adapte également aux écoulements à surface libre les vélocimètres électromagnétiques, développés pour les écoulements en charge.
Ce sont principalement ces différentes techniques qui vont être décrites dans les paragraphes suivants.
Mesurage par moulinet hydrométrique
Principes de la méthode
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 2). 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.
Il existe différents types d'appareils, plus ou moins lourds ou imposants, et donc plus ou moins susceptibles de perturber l'écoulement (saumon, micro-moulinet, etc.) (figure 3).
Calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement à partir de la valeur mesurée
La valeur mesurée par un moulinet est une valeur locale. En multipliant les mesures en différents points de l'écoulement il est donc possible d'établir des profils de vitesse et d'en déduire la valeur de la vitesse moyenne. Les principes mis en œuvre pour calculer cette valeur de vitesse moyenne à partir des différentes mesures locales sont présentés dans l'article courantomètre.
Avantages et inconvénients
Les moulinets sont principalement utilisés pour réaliser des jaugeages et ainsi établir des courbes de tarage pour des sections de contrôle en rivières. En hydrologie urbaine, et plus particulièrement en réseau d’assainissement, les moulinets sont plus difficiles à utiliser, d'une part en raison des divers objets et matières transportés par l’écoulement et susceptibles de bloquer l’hélice et d'autre part du fait des difficultés d'accès et du caractère intrusif et perturbateur du dispositif.
Pour en savoir plus : Moulinet (HU).
Mesurage par courantomètre électromagnétique
Principes de la méthode
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)).
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 4).
Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées
La valeur mesurée par un courantomètre est une valeur locale. En multipliant les mesures en différents points de l'écoulement il est donc possible d'établir des profils de vitesse et d'en déduire la valeur de la vitesse moyenne. Les principes mis en œuvre pour calculer cette valeur de vitesse moyenne à partir des différentes mesures locales sont présentés dans l'article courantomètre.
La plupart des dispositifs de ce type sont donc portables et mis en œuvre pour des opérations de tarage ou de calibration d'un autre type de vélocimètre. Il est cependant possible d'utiliser des sondes fixes utilisant ce principe et positionnée au fond ou en paroi (voir le § Vélocimètre électromagnétique).
Avantages et inconvénients
Ce type de sonde, peu intrusive du fait de sa petite taille et très légère (quelques centaines de grammes), est bien adaptée pour mesurer des champs de vitesse dans des conduites d'assainissement ou dans les petits cours d'eau. L'absence de pièces mobiles limite le risque de perturbations dues aux déchets transportés dans l'écoulement. L'eau pure étant un très mauvais conducteur, ce type de solution fonctionnera d'autant mieux que l'écoulement sera chargé en sel dissous.
L'étendue de mesure, variable selon les modèles, commence généralement à quelques cm/s et peut aller jusqu’à 6 à 10 m/s. Elle est généralement suffisante, sauf pour les écoulements très rapides. La précision est de l'ordre de 1% et l'étalonnage est très stable dans le temps. Le cycle de mesurage étant généralement inférieur à 1 seconde, la vitesse de poursuite est largement suffisante.
Mesurage du temps de transit par des sondes à ultrasons
Principes de la méthode
Le principe consiste à mesurer la différence de vitesse d'une onde ultrasonore selon qu'elle se déplace dans le sens de l'écoulement (dans ce cas la vitesse de l'eau s'ajoute à la vitesse de l'onde) ou en sens contraire (dans ce cas la vitesse de l'eau se retranche à la vitesse de l'onde). Pour ceci on place deux sondes face à face, alignées suivant une droite parallèle à la pente du fond et biaise par rapport à l’axe principal (figure 5). Ces sondes sont alternativement émettrices et réceptrices et on compare le temps mis par l'onde dans le sens amont-aval ($ t_1 $) avec le temps mis par l'onde dans le sens aval-amont ($ t_2 $). On désigne cette méthode sous le nom de "méthode du temps de transit" ou de "méthode du temps de vol".
Comme la distance est la même dans les deux sens, le temps de parcours est inversement proportionnel à la vitesse de transmission du signal. Connaissant la distance entre les deux sondes et l'angle $ α $ entre la corde joignant les deux sondes et l'axe de l'écoulement, on peut donc facilement en déduire une vitesse moyenne de l'écoulement le long du trajet suivi par le train d'ondes, soit par la relation (1), soit par la relation (2).
Avec :
- $ V $ : vitesse moyenne de l'écoulement dans la direction moyenne de l’écoulement (m/s) ;
- $ L $ : distance entre les deux sondes (m) ;
- $ α $ : angle entre l'axe du train d'onde et la direction moyenne de l’écoulement, généralement parallèle aux bords de la conduite ou du canal :
- $ t_1 $ : temps mis par l'onde dans le sens amont-aval (s) ;
- $ t_2 $ : temps mis par l'onde dans le sens aval-amont (s) ;
- $ Δt = t_2-t_1 $ : différence de temps de transit entre les deux sens de propagation (m/s).
Il faut noter que ces relations ne font pas apparaitre de façon explicite la vitesse de propagation des ondes dans l'eau ; les valeurs de vitesse ainsi calculées sont donc en théorie indépendantes de cette vitesse de propagation, donc de la température de l'eau.
Cette méthode est décrite dans la norme NF ISO 6416-2017.
Calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement à partir de la valeur mesurée
Comme indiqué précédemment, cette méthode fournit une valeur de vitesse moyenne de l'écoulement le long du trajet suivi par le train d'ondes. Ce mesurande n'est pas directement utile car il ne correspond seul à aucune valeur d'intérêt, et, en pratique, on essaye surtout d'utiliser cette information pour calculer la vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite.
Si les deux sondes sont bien installées à la même profondeur, la valeur mesurée intègre des valeurs de vitesses d'écoulement qui peuvent varier de l'amont vers l'aval (entre les deux sondes, figure 6), mais également sur la section transversale à l'écoulement (figure 7)
On peut le plus souvent faire l'hypothèse que les profils en travers des vitesses sont voisins dans toutes les sections droites d'écoulement situés entre les deux sondes. En effet, les deux sondes sont généralement assez proches et on cherche à les installer sur une portion de bief sur laquelle l'écoulement reste sensiblement homogène.
En revanche, les valeurs des vitesses varient, à une même profondeur, selon la position dans la section transversale et le rapport entre la moyenne des vitesses sur une corde et la moyenne des vitesses dans une section droite dépend de la profondeur de la corde (voir aussi figure 7). La relation entre le mesurande et la valeur d'intérêt est donc compliquée et variable selon la hauteur d'eau dans la conduite ou le canal, et donc le débit.
D'autre part, pour obtenir une bonne relation, il serait souhaitable que la corde de mesure soit située juste sous la surface libre de façon à passer par la zone où la vitesse est maximum (figure 7). Mais il n'est pas possible de placer les sondes trop haut car sinon elles seraient hors d'eau pour les faibles débits.
Une solution possible consiste à installer plusieurs paires de sondes à différentes hauteurs de façon, d'une part à toujours avoir des sondes immergées, et, d'autre part, à calculer des vitesses moyennes transversales à différentes profondeurs. Cette solution, associée à une mesure de la hauteur d'eau est efficace mais nécessite des installations plus compliquées et plus couteuses. La norme ISO 6416 fournit des recommandations pour ce type de mesure.
Avantages et inconvénients
La méthode des temps de transit est une méthode ancienne et très bien maîtrisée. Les incertitudes sur le mesurande sont faibles, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante.
Les principaux inconvénients de cette technique sont les suivants :
- incertitudes associées au calcul de la vitesse moyenne à partir de la vitesse mesurée sur une corde (voir § précédent) ;
- difficulté d'installation des sondes (surtout dans les grands collecteurs d'assainissement ou les cours d'eau), en particulier associée à la difficulté à bien aligner les sondes ;
- perte ou dispersion du signal en cas d'écoulement très chargé en matières en suspension ou de la présence de bulles d'air ;
- risque de salissure des sondes lorsqu'elles ne sont pas immergées en permanence.
Mesurage par 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.
Nota : Il est bon de garder à l’esprit que la vitesse du son dans l’eau (1 500 m/s, soit environ 5 400 km/h) est plus de 4 fois supérieure à celle dans l’air (344 m/s, soit environ 1 240 km/h).
En hydrologie, ce principe peut être utilisé de trois façons différentes, utilisant des longueurs d'onde (inverses de la fréquence) variées, pour mesurer la vitesse d'un écoulement :
- soit ce sont les particules en suspension ou les bulles d’air transportées par l’écoulement qui constituent les objets réfléchissants et on peut mettre en œuvre :
- soit une sonde ultrasonique, le plus souvent immergée (figure 8),
- soit une sonde laser aérienne , émettant, généralement dans l'infra-rouge, un rayonnement très fin et suffisamment énergétique pour pénétrer dans le liquide (figure 9) ;
- soit on utilise la rugosité de la surface du liquide pour réfléchir le faisceau d'onde et on met en œuvre une sonde radar aérienne émettant des ondes radio de longueurs d'onde millimétriques ou centimétriques (figure 10).
Ces trois solutions techniques sont présentées dans les § suivants.
Mesurage par sonde ultrasons immergée
Principes de la méthode
La sonde, qui fonctionne alternativement en émission puis en réception, est toujours immergée, généralement face à l'écoulement (c'est à dire tirant de l'aval vers l'amont). Elle peut être fixée (voir figure 12) :
- sur le radier de la conduite ou du canal, c'est le cas le plus fréquent ;
- sur la paroi, parfois juste au-dessus du radier (par exemple dans le cas de présence de dépôts), ou parfois beaucoup plus haut ;
- sur un dispositif flottant ; la mesure est alors faite à partir de la surface, voir figure 11 et figure 15 ainsi que le nota.
Nota : La solution de pose de la sonde sous flotteur a été testée à Marseille dès le milieu des années 1990 et a fait l'objet du dépôt d'un brevet à l’INPI (SERAM et Laplace, 1995) (brevet maintenant expiré).
La sonde émet une onde ultrasonore sinusoïdale (pour la plupart des produits commerciaux de fréquence comprise entre 300 kHz et 2 Mhz), avec un angle généralement compris entre 30° et 65° par rapport à la direction de l’écoulement. Cette onde se propage en formant un cône qui définit le volume de mesure exploré, lequel dépend de la puissance et de la position de la sonde, de l'angle solide dans lequel le faisceau est émis, mais aussi de la charge en matières en suspension, etc. (voir figure 12).
L’onde ultrasonore est réfléchie vers le capteur, principalement par les particules en suspension ou les bulles d'air transportées dans l'écoulement (voir Nota 1). Or, la vitesse de l'écoulement varie dans une section transversale ; l'onde réfléchie va donc être décalée en fréquence de façon différente selon la position des particules qui l'ont réfléchie. De plus, l'eau et les particules absorbent et diffusent une partie de l'énergie, celle-ci diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la sonde (figure 13).
L’information brute recueillie par le capteur se présente donc sous forme d’un spectre d’énergie reçue en fonction de la vitesse (en réalité de la fréquence) (figure 14). Cette information complexe nécessite un traitement numérique et statistique pour la rendre exploitable et la convertir en une valeur unique de vitesse. En effet, les spectres varient en fonction de très nombreux facteurs : débit, géométrie du collecteur, volume exploré, concentration en matières en suspension, granulométrie et répartition des matières en suspension, etc. Les diverses méthodes employées par les fabricants reposent sur des techniques d’analyse spectrale et de transformées de Fourier (Bertrand-Krajewski et al., 2008). Elles conduisent à un résultat qui peut être, selon les cas :
- la vitesse moyenne observée dans le volume de mesure ;
- la vitesse la plus fréquente observée dans le volume de mesure ;
- la vitesse maximale observée dans le volume de mesure.
Chaque fabricant a développé et mis au point une technique de traitement du signal, laquelle est généralement brevetée. De ce fait, elle n’est pas publiée ni expliquée en détail à l’utilisateur. Ce dernier est donc contraint de "faire confiance" au fabricant (Bertrand-Krajewski et al., 2008), ou, à défaut, de procéder lui-même à un étalonnage (voir § calcul de la vitesse moyenne à partir du mesurande).
Nota 1 : Cette technique de mesure admet donc comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air, qui constituent l'obstacle sur lequel se réfléchit le train d'ondes, se déplacent avec la même vitesse que l'eau.
Nota 2 : Il existe également des dispositifs fonctionnant sur le principe du Doppler pulsé. Dans ce cas le train d’ondes ultrasonores est émis sous la forme d'impulsions de durée courte et espacées dans le temps. Lorsque le capteur fonctionne en réception, il ne reçoit que les échos générés par une impulsion particulière, le temps de retour étant proportionnel à la distance entre la source et les particules ayant réfléchi le signal. Si, en plus, le signal est émis dans un cône d'angle solide fermé, chaque impulsion explore alors un petit volume d’eau, à la fois en termes de distance et de surface. Cette technique par Doppler pulsé est utilisée par certains courantomètres. On peut ainsi procéder au mesurage de vitesses "ponctuelles" et échantillonner le champ de vitesse.
Nota 3 : la plupart des fabricants fournissent avec la valeur dite de vitesse, un indicateur de qualité de cette même vitesse (souvent exprimée sous la forme de %), mais les modalités du calcul ne sont généralement pas publiées. Certains produits fournissent plusieurs indicateurs, généralement basés sur une notion de SNR (pour Signal Noise report, soit Rapport Signal Bruit) caractérisant le rapport entre la puissance reçue et la puissance émise ou encore la portion du spectre reçu pouvant être exploitable.
Nota 4 : une sonde de température permet généralement de tenir compte de cette variable et de corriger automatiquement la vitesse du son dans l’eau ; en théorie il faudrait également tenir compte de la conductivité et/ou de la salinité, mais l'influence de ces variables reste la plupart du temps négligeable.
Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées
Comme indiqué précédemment, ce type de dispositif fournit un spectre d’énergie reçue en fonction de la vitesse (figure 13). Ce signal fait tout d'abord l'objet d'un premier traitement pour produire une grandeur représentative de la vitesse à l'intérieur du volume de mesure (vitesse moyenne dans le volume observé, vitesse la plus fréquente ou vitesse maximale). Il est ensuite nécessaire de traiter cette grandeur représentative pour en déduire la valeur de la vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite. Ce traitement est encore plus délicat que le précédent, ceci pour deux raisons principales:
- selon la hauteur d'eau et les conditions d'écoulement, la répartition des vitesses dans un même volume exploré peut varier de façon importante ; la relation entre la grandeur représentative choisie pour un même volume exploré et la valeur moyenne de la vitesse d'écoulement n'est donc pas constante ;
- la distance à laquelle va parvenir le faisceau incident dépend en particulier de la concentration en matières en suspension ; le volume exploré varie donc également en permanence en fonction de cette concentration.
En pratique, on cherche souvent une relation linéaire entre les deux grandeurs (mesurande et vitesse moyenne recherchée). Les meilleures relations semblent celles qui font intervenir la vitesse maximale dans le volume exploré. La plupart des fabricants dont les produits mesurent la vitesse maximale dans le cône de liquide, utilisent simplement un coefficient de pondération empirique pour en déduire une vitesse moyenne.
Pour une relation de ce type, positionner la sonde sur un flotteur à la surface de l'écoulement semble la meilleure solution (figure 15). En effet, comme la vitesse maximale dans une section droite est souvent proche de la surface, cette position donne les meilleures chances que la vitesse maximale mesurée dans le volume exploré soit voisine de la vitesse maximale dans l'écoulement, ceci quelle que soit la hauteur d'eau (voir aussi figure 12).
Les incertitudes sur la valeur finale recherchée, à savoir la vitesse moyenne, restent cependant importantes (souvent plus de 10 %, et parfois même beaucoup plus). L’appareil de mesure doit être fourni avec un certificat d’étalonnage ou un constat de vérification établi dans les règles de l’art et dans des conditions de mesure précisées. Un étalonnage in situ utilisant une autre méthode (pour peu qu’il soit réalisable) peut permettre d'améliorer la qualité de la relation entre la grandeur représentative choisie et la grandeur recherchée (vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite) ; la norme ISO 15 769 indique dans ce cas une incertitude sur le débit de l’ordre de 5% à 10%.
Avantages et inconvénients
Cette technologie est ancienne est bien maîtrisée par de nombreux fabricants. L'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Les sondes peuvent être intégrées avec une sonde mesurant la hauteur d'eau, sur des supports préfabriqués dont les gabarits s'adaptent à la forme des conduites, ce qui facilite leur pose. Le coût de l'appareil et de son installation sont donc réduits. Les opérations de maintenance sont facilitées et, le capteur étant immergé en permanence, le contrôle de son fonctionnement in situ est toujours possible.
Dans le cas des systèmes d’assainissement, ce type de dispositif est particulièrement adapté pour les sites pour lesquels il n’existe aucune relation entre la hauteur et le débit (ce qui est très souvent le cas des sites de diagnostic permanent pour lesquels il n’existe en général aucune section de contrôle hydraulique), ou pour les sites pour lesquelles le comportement hydraulique est inconnu. En permettant d’accéder à la fois à la vitesse et à la hauteur, ce type de sonde constitue un très bon moyen d’acquérir des données pour une analyse hydraulique.
Cependant, outre l'incertitude importante sur la valeur déduite de vitesse moyenne que nous venons d'indiquer, elle présente plusieurs inconvénients :
- elle ne peut fonctionner que si la concentration en matières en suspension est suffisante (aucune mesure n'est possible en eau claire) ; les indicateurs de qualité tenant compte du nombre d'échos reçus peuvent donc fournir des indications intéressantes ;
- elle n'explore qu'un volume restreint, ce qui est rédhibitoire lorsque la section mouillée ou la largeur de la surface libre devient grande ;
- la sonde est vulnérable lors d’opération de curage ou d’hydrocurage lorsqu’elle est implantée en radier ou en paroi ;
- la sonde est soumise à l’ensablement lorsqu’elle est implantée en fond d’écoulement.
Elle ne convient donc pas au mesurage de la vitesse dans les cours d'eau.
Cette technique peut en revanche être souvent préconisée en réseau d'assainissement, pour les sites de mesure provisoires comme pour les sites permanents.
Mesurage par sonde laser aérienne
Principes de la méthode
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 (figure 9). 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 15). Le capteur est placé au-dessus de l'écoulement qu'il ne perturbe donc pas. La profondeur à laquelle ces ondes peuvent pénétrer dépend de la constante diélectrique du liquide ; dans les réseaux d'assainissement la profondeur de pénétration dans l’eau est estimée entre 15 et 20 cm.
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.
Calcul de la vitesse moyenne
Comme la technologie est capable d'explorer le champ de vitesse dans une section transversale, le calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement dans cette section peut se faire de façon satisfaisante. Il est important de noter que ces traitements nécessitent de connaître la profondeur de chaque point de mesure et donc un mesurage de la hauteur d'eau en parallèle à celui du champ de vitesse. Les fabricants proposent donc des capteurs intégrés (vitesse-hauteur) qui permettent le calcul direct du débit, la section mouillée pouvant être déduite de la valeur de la hauteur d'eau.
Nota : Pour les systèmes intégrés de mesure du débit, certains fabricants proposent de mettre en œuvre une troisième sonde, permettant le mesurage de la vitesse par une autre technologie, et utilisable lorsque la conduite est en charge et que la sonde laser est noyée.
Avantages et inconvénients
Il s'agit d'une technologie relativement récente et avec encore assez peu de retours d'expériences opérationnelles, même si les premiers essais ont commencé au début des années 2010.
Cette solution n'est pas intrusive et ne perturbe donc pas l'écoulement. Les incertitudes sur le mesurande sont très faibles, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Le calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement, à partir des mesures locales effectuées, peut se faire dans de très bonnes conditions (voir article Courantomètre (HU) pour le principe des calculs).
Mesurage par sonde radar aérienne
Principes de la méthode
La sonde radar est positionnée au-dessus de l'écoulement. Elle émet un faisceau d'ondes radio (longueur d'onde millimétrique ou centimétrique) dans un cône d'une ouverture de l'ordre de 10° et faisant un angle de 30° à 60° par rapport à l'axe de l'écoulement (Figure 9). La surface illuminée par le faisceau se présente sous la forme d'une ellipse. Elle réfléchit une partie de l'énergie du fait de la rugosité de surface et de la différence de densité entre l'eau et l'air. La sonde se met alors en mode réception, mesure le décalage de fréquence entre le flux émis et le flux reçu et en déduit la vitesse moyenne de surface sur la zone échantillonnée.
Les vélocimètres de ce type sont généralement couplés à un limnimètre permettant le mesurage de la hauteur dont on déduit la section mouillée et donc le débit.
Nota : La fréquence actuelle la plus utilisée est de 24 Ghz. Il est également possible d'utiliser d'autres longueurs d'onde, en particulier dans le visible, les infrarouges ou les ultraviolets (sondes lidar).
Les fabricants fournissent généralement un kit de montage avec un support pour fixer l'appareil (vélocimètre et limnimètre associé) (figure 15).
Pour que le mesurande (vitesse moyenne de surface sur la zone échantillonnée) soit représentatif de la vitesse moyenne de surface, il est important que le petit axe de l'ellipse illuminée par le faisceau soit suffisant par rapport à la largeur de la surface libre, sans cependant que les bords du faisceau ne soit trop proches des parois. La largeur de ce petit axe varie en fonction de l'angle d'ouverture du faisceau, de l'angle d'inclinaison du faisceau par rapport à l'axe de l'écoulement, mais également de la distance entre la sonde et la surface libre. Or cette distance dépend de la hauteur d'eau dans la conduite ou dans le cours d'eau. Il faut donc bien choisir les conditions d'implantation de la sonde pour que les mesures obtenues soient représentatives de la grandeur recherchée, ceci pour la plage de remplissage de la conduite (ou la hauteur d'eau dans le canal) désiré. A titre d'exemple, le tableau de la figure 16 indique les valeurs du petit axe de l'ellipse pour un angle d'ouverture du faisceau de 10°, différentes inclinaisons de l'axe du faisceau et différentes distances verticales entre la sonde et la surface de l'écoulement.
Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées
La vitesse moyenne dans une section transversale de l'écoulement est liée par une relation relativement stable à la vitesse moyenne de surface, en particulier dans les réseaux d'assainissement.
On retient généralement une relation de la forme :
Avec :
- $ V $ : vitesse moyenne de l'écoulement (m/s) ;
- $ V_s $ : vitesse moyenne de surface (m/s) ;
- $ H $ : hauteur d'eau (m) ;
- $ K(H) $ : coefficient de proportionnalité fonction de la hauteur d'eau (sans dimension).
Les fabricants proposent généralement des valeurs pour le coefficient $ K(H) $. Il est cependant préférable de faire un calage sur place de façon à ajuster ce coefficient, si possible pour différentes valeurs de hauteur d'eau (soit par traçage, soit avec un autre type de dispositif, courantomètre par exemple, voir § suivant).
Avantages et inconvénients
Cette technique présente l'intérêt de ne pas être intrusive. Elle ne modifie donc pas l'écoulement et comme l'appareil n'est pas immergé il se salit moins et sa maintenance est facilitée. Les appareils installés en voûte dans un réseau d'assainissement sont cependant proéminents et risquent d'être détériorés, par exemple lors de l'entretien des collecteurs par les outils de curage ou en cas de mise en charge du réseau.
Les incertitudes sur le mesurande sont acceptables, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Il est cependant nécessaire que la surface de l'eau ne soit pas lisse pour que ce type de mesure soit efficace (la hauteur des vaguelettes doit créer une rugosité apparente au moins de l'ordre du mm).
Nota : Les radars de surface existent également en version portable, ce qui est particulièrement pratique pour effectuer des mesures de contrôle des installations fixes.
Mesurage par dispositif électromagnétique
Principes généraux de la méthode
Les vélocimètres électromagnétiques, comme les courantomètres électromagnétiques présentés plus haut, reposent sur le principe qu'un liquide conducteur traversant un champ magnétique crée une force électromotrice (fem) proportionnelle à la vitesse d'écoulement (relation (4)). Les appareils de ce type utilisent donc un champ magnétique d'intensité constante, généré par une ou plusieurs bobine(s). Deux électrodes mesurent la tension générée lorsque le fluide circule dans ce champ.
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).
L'eau pure étant un très mauvais conducteur, cette solution fonctionnera d'autant mieux que l'écoulement sera chargé en sel dissous (ce qui est facilement vérifié dans les réseaux d'assainissement). Ce type de dispositif a été développé à l'origine pour les écoulements en charge (conduites d'eau potable en particulier). Son application a été étendue aux écoulements à surface libre avec différents types d'adaptation :
- Mesurage d'une (ou de plusieurs) vitesse(s) locale(s) à l'aide d'un ou plusieurs courantomètre(s) fixé(s) au fond et/ou sur les paroi(s) (figure 17) ;
- Mesurage direct d'une vitesse moyenne en insérant un vélocimètre sous la forme d'un tronçon spécifique de même diamètre que (ou de diamètre inférieur à) la conduite (cette solution n'est possible qu'en réseau) (figures 18 et 19) ;
- Mesurage direct d'une vitesse moyenne en insérant un dispositif adaptable en bas du profil de la conduite ou du canal (figure 20).
Ces trois solutions sont présentées ci-dessous.
Mesurage d'une ou de plusieurs vitesses locales
Le mesurage de la vitesse locale est effectué au moyen d’un capteur électromagnétique à électrodes affleurantes, dont la forme générale est semblable à celles des sondes Doppler. Fixé sur le radier ou la paroi du collecteur, le capteur détermine la vitesse locale à son voisinage immédiat (figure 17).
Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées
La valeur moyenne est déterminée à partir de la valeur locale de la vitesse et d’un mesurage conjoint de la hauteur d’eau en faisant une hypothèse sur la forme du profil vertical de vitesse au droit du capteur (on adopte généralement un profil logarithmique) (figure 17). Comme la zone échantillonnée par ce type de technologie est très réduite et très proche du radier ou de la paroi, la vitesse locale est souvent très faible et l'incertitude sur la vitesse moyenne est très grande.
Avantages et inconvénients
En plus de l'incertitude sur la vitesse moyenne, cette solution présente un autre inconvénient important, en particulier si le capteur est positionné au radier : Les électrodes s'encrassent rapidement, ce qui perturbe le mesurage et nécessite des nettoyages très fréquents. De plus, la sonde implantée en radier est soumise à l’ensablement et elle est vulnérable lors d’opération de curage ou d’hydrocurage. Cette solution n'est donc pas conseillée.
Mesurage avec une section spécifique
Cette solution est directement inspirée des techniques utilisées dans les conduites fonctionnant en charge. Elle consiste à insérer dans la canalisation une section spécifique qui se présente sous la forme d'une manchette compacte constituant le vélocimètre (figures 18 et 19). Deux solutions sont possibles pour adapter le dispositif aux écoulements à surface libre.
Dans le premier cas on utilise le même dispositif que pour les écoulements en charge. Le champ magnétique d'intensité constante est généré par deux bobines, une de chaque côté du tube de mesure. Deux électrodes situées sur la paroi intérieure du tube détectent la tension générée lorsque le fluide circule dans ce champ. Le tube de mesure et les électrodes sont isolés électriquement du fluide par un revêtement non conducteur (par exemple en caoutchouc, téflon, etc.) (https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique) (figure 18). La mesure de la différence de potentiel permet de déterminer une valeur de vitesse moyenne dans la section de l'écoulement. On complète le mesurage de la vitesse par un mesurage de la hauteur d'eau mettant en œuvre une autre technologie.
Dans le second cas, la paire unique d’électrodes sur un diamètre est remplacée par trois paires d’électrodes sur la moitié inférieure de la conduite. Les forces électromotrices induites varient avec le remplissage, ce qui permet de déterminer à la fois la vitesse et la hauteur d’eau.
Nota : Le schéma d'installation proposé par la figure 19 est souvent peu efficace. En effet, l’engouffrement dans la conduite 2 conduit en général à un écoulement torrentiel qui se maintient jusqu’au débitmètre et qui rend la mesure très imprécise (faible hauteur, surface libre agitée).
Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées
La vitesse des filets liquides varie selon leur position dans la section (voir figures 1, 8 ou 12). Comme la force électromotrice induite est proportionnelle à la vitesse, chaque filet liquide produit donc un courant électrique avec une différence de potentielle différente. La force électromotrice globale mesurée par les deux électrodes résulte donc de la combinaison de l'ensemble de ces forces électromotrices élémentaires. Si le champ magnétique est parfaitement homogène dans la section mouillée (ce qui est le cas pour les bons appareils du commerce), et du fait de la relation linéaire entre fem et vitesse, la force électromotrice mesurée est également directement proportionnelle à la vitesse moyenne de l'écoulement. Il est cependant nécessaire que celui-ci soit monodimensionnel et symétrique par rapport à l’axe du collecteur. Cette condition impose d'avoir une longueur droite égale, au minimum (voir nota), à 10 fois le diamètre à l’amont et 5 fois le diamètre à l’aval de l'appareil. En pratique la qualité du mesurage est cependant peu affectée par le profil de vitesse. L'utilisation des vélocimètres électromagnétiques dans les conduites fermées est régie par la norme NF EN ISO 20456
Nota : Dans le cas des écoulements à surface libre, une longueur droite égale à 10 fois le diamètre à l'amont de la sonde est souvent insuffisante pour stabiliser l'écoulement et permettre une mesure correcte du débit.
Avantages et inconvénients
L’étendue de mesure en vitesse va de 0,2 à 12 m/s et est généralement satisfaisante. L’incertitude de mesure sur la vitesse moyenne est un peu plus forte que pour les conduites en charge mais reste très faible (généralement inférieure à 0,5 %) à la condition que la hauteur d'eau dans la conduite soit au moins égale à 10% du diamètre. Même s'il est possible, lorsque les hauteurs d'eau sont plus faibles, de réduire la section du manchon inséré dans le réseau, celle solution n'est pas préconisée, en particulier pour les réseaux unitaires. Les fabricants fournissent généralement des tableaux ou des abaques permettant à l’utilisateur de choisir le modèle adapté à ses besoins.
Ce type d'appareil doit être installé à demeure et nécessite une intervention lourde sur le réseau. ll est par exemple recommandé d’aménager la chambre de mesures avec des regards de visite, des vannes ou des tampons permettant de réaliser facilement les opérations d’exploitation de ces ouvrages :
- vanne murale en amont pour isoler le point de comptage avec aménagement éventuel d’un by-pass vers l’aval ;
- regard avec piège à cailloux qui permet de l’aspiration des déchets de la surface avec un camion autocureur ;
- tampon de contrôle de la hauteur ou de nettoyage a l’aval immédiat de la manchette (GRAIE, 2014b).
Par ailleurs elle n'est pratiquement utilisable que pour les conduites circulaires de petits diamètres (moins de 500 à 600 mm).
Pour en savoir plus : https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique
Mesurage avec un profilé
La solution précédente n'est pas utilisable pour les cours d'eau, les canaux ouverts ou les conduites de grande dimension. Dans ce cas une solution consiste à installer les bobines et les électrodes sur un profilé que l'on positionne dans la partie basse du canal (figure 20).
Cette solution est citée ici pour mémoire car elle est très peu utilisée.
Autres dispositifs
Mesurage par imagerie de surface
L'idée consiste à mesurer la vitesse de l'écoulement en surface par le suivi automatique des éléments flottants. Les images captées par une caméra sont télétransmises et traitées par un logiciel capable de suivre automatiquement le déplacement des objets flottants et d'en déduire une vitesse de surface. Ce type de suivi est généralement associé à celui du niveau en installant une échelle limnimétrique dans le champ de la caméra.
L'avantage principal de cette solution est que, en cas d'alerte, un opérateur humain peut venir contrôler l'image et confirmer la mesure en temps réel, ce qui est difficile avec les autres dispositifs. La sensibilité de ce type de solution dépend de la qualité de l'image télétransmise (la sensibilité étant égale à la taille du pixel), et de la distance entre la caméra et l'écoulement. Elle nécessite la présence de flottants.
Ces installations ne posent pas trop de difficultés pour les cours d'eau. En revanche elles sont plus compliquées à installer dans une conduite fermée, avec un risque d'arrachage de la caméra en cas de mise en charge. De plus elles nécessitent souvent de mettre un éclairage pour pouvoir effectuer des mesurages pendant la nuit, ce qui impose une alimentation électrique.
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 en utilisant une relation d’étalonnage semi-empirique (figure 21).
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).
Synthèse et éléments sur les incertitudes
Voir la norme NF ISO 25377
Bibliographie :
- Birgand, F., Benoist, J.-C., Novince, E., Gilliet, N., Saint-Cast, P., Le Saos, E (2005) : Mesure des débits à l‘aide de débitmètres ultrasoniques Doppler ; Cas des petits cours d‘eau ruraux ; Ingénieries eau-agriculture-territoires, 2005, 41, p. 23-38 ; disponible sur https://hal.science/hal-00476108/document.
- GRAIE (2009) : Fiche Technique n°5 : Mesurage de la vitesse d’écoulement par effet Doppler ; disponible sur http://www.graie.org/graie/graiedoc/reseaux/autosurv/FT5_vitessedoppler-v4.pdf.
- GRAIE (2014a) : Fiche Technique n°7 : Mesurage de la vitesse sans contact par radar ; disponible sur http://www.graie.org/graie/graiedoc/reseaux/autosurv/FT7_vitessehauteurRadarvfin4-vf.pdf
- GRAIE (2014b) : Fiche Technique n°8b : Mesurage d'un débit en conduite non pleine par un débitmètre électromagnétique ; disponible sur https://asso.graie.org/portail/fiche-technique-n8b-mesurage-dun-debit-conduite-non-pleine-debitmetre-electromagnetique/
- Hauet, A. (2006) : Estimation de débit et mesure de vitesse en rivière par Large-Scale Particle Image Velocimetry ; thèse en Hydrologie ; Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG) ; 322p. ; disponible sur https://theses.hal.science/tel-00116889/file/main_these.pdf.
- Reméniéras, G., Hermant, C. (1954) : Mesure électromagnétique des vitesses dans les liquides ; La houille blanche ; N° spécial B/1954 ; pp 732-746 ; disponible sur https://www.shf-lhb.org/articles/lhb/pdf/1954/02/lhb1954018.pdf
- SERAM, Laplace, D. (1995) : Dispositif de mesure du débit d'un écoulement à surface libre tenant compte des variations du niveau d'eau ; France ; brevet INPI n° 93 12 241.
- https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique
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
