Guide technique n°4
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1. U LE Suds Equation 2 S m o U est la composante de la vitesse locale au point d indice 1 qui est perpendiculaire la section travers laquelle on value le d bit et dS est l l ment de surface affect cette vitesse Pour des collecteurs d assainissement U est g n ralement prise gale la composante longitudinale alors que la contribution des composantes transversale et verticale sont n glig es En r alit pour des raisons technologiques la plupart des capteurs de vitesse ne mesurent qu une composante de la vitesse d finie par une direction arbitraire diff rente de l axe de l coulement La mesure int gre donc toutes les composantes de la vitesse sans qu il soit possible de les dissocier autrement qu en consid rant que la vitesse longitudinale est pr pond rante Ce point sera d taill dans la suite pour chaque capteur Les capteurs de vitesse utilis s pour une mesure en continu n chantillonnent pour la plupart d entre eux qu une partie de l coulement De plus cet chantillonnage n est pas limit un plan perpendiculaire l coulement et int gre souvent un ensemble de sections Il faudra donc extrapoler le r sultat brut issu de ces capteurs pour valuer la vitesse moyenne recherch e Cette extrapolation doit prendre en compte la repr sentativit de l chantillonnage r alis par le capteur et le champ de vitesses dans la zone chantillonn e ainsi que dans l2. 1 m s et 20D pour une vitesse sup rieure D d signant le diam tre de la canalisation En pratique il est difficile voire impossible de respecter ces pr conisations La Figure 6 montre un exemple de plan de r seau o on note de tr s nombreuses singularit s coude confluence d fluences et il n y a donc parfois pas d autre solution que d instrumenter en aval de l une d elles et l coulement est alors influenc comme on peut le voir sur les Figures 7 et 8 UNSS j 1 NX A Si Ka Figure 6 Extrait d un plan de r seau d assainissement urbain La Figure 7 montre le champ de vitesses 15 fois la largeur la surface libre en aval d un coude 90 pour une vitesse d coulement de 0 8 m s On voit clairement que le champ de vitesses est encore fortement d cal vers l extrados Nous y reviendrons dans la section 4 De m me la Figure 8 montre l influence d une jonction sur l coulement en aval Il est int ressant de noter l ondulation de la surface signe de la pr sence de fortes turbulences et de perturbation du champ de vitesses Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Hauteur m O LO oO P 0 0 5 1 1 5 Largeur m Figure 7 Champ de vitesses de temps sec observ dans la cunette d un collecteur banquette l a
3. partir de la vitesse radiale par U V cos B Equation 7 O Gest l angle entre la direction de d placement de la particule n et la droite joignant le capteur la particule Pour les conditions de pose classiques en radier l angle A est identifi l angle 6 situ dans le plan de sym trie verticale du capteur qui lui m me est assimil langle d mission du capteur m me si en toute rigueur ceci n est vrai que pour les particules situ es sur l axe du c ne d mission cf Figure 11 La norme internationale ISO 15769 d finit certaines caract ristiques du capteur e angle d mission port e ouverture du faisceau ultrasonore fr quence mission analyse du signal 13 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre La Figure 11 est une vue de profil qui pr cise certains de ces param tres mais ne montre pas que le faisceau ultrasonore mis chantillonne un c ne tridimensionnel qui coupe un ensemble de sections verticales Figure 12 Figure 11 Param tres caract ristiques d un d bitm tre effet Doppler Sch ma adapt de la sp cification technique ISO 15769 Figure 12 C ne ultrasonore tridimensionnel et deux exemples de sections chantillonn es 14 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en conti
4. On observe donc souvent un maximum de vitesse situ en dessous de la surface libre Figure 4b sauf pour les taux de remplissage faible a faible remplissage 33 b fort remplissage 66 Figure 4 Champ de vitesses d velopp dans un ouvrage de section circulaire r sultats exp rimentaux Knight et Sterling 2000 Les plus grands des collecteurs unitaires sont par ailleurs munis de banquettes qui permettent d augmenter la vitesse pour un d bit et une hauteur d eau donn s et donc minimisent les risques de d p t s dimentaire On a alors une section simple pour les faibles d bits avec une vitesse maximale situ e au dessous de la surface et des gradients transversaux et verticaux de vitesse Figure 5a Pour les plus forts d bits la section devient compos e et le champ de vitesses se complexifie on observe notamment la pr sence d un minimum local au dessus de la banquette Figure 5b et un gradient transversal de vitesse tr s marqu proximit de la face verticale de la banquette Champs de vitesse Vi Pendant la mesure hmin 0 72 m hmax 0 74 m Champs de vitesse Vi Pendant la mesure hmin 0 54 m hmax 0 65 m T Variation le niveau d eau vk Variation le niveau d eau EE re ee mb mn nine EE Ka x lt E E 03 503 N N beLa Tie l aa Iw i J 0 li J 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 y ymax y ymax a faible remplissage section simple b fort remplissage section
5. ensemble de la section mouill e consid r e Ce document vise pr ciser la repr sentativit des capteurs de vitesse couramment utilis s temps de transit et capteur effet Doppler et de quelques autres capteurs apparent s afin d aider les ma tres d ouvrage valuer des projets d quipement Il donne galement des indications pour la v rification et la r ception de ces appareils Pour cela nous rappellerons les notions de base avant de pr senter les mesures qu il est raisonnablement possible de faire Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre avec des capteurs de mesure en continu puis avec ceux utilisables lors de contr le ou d op rations ponctuelles Le propos est centr sur les m thodes utilisables en assainissement urbain et adapt es aux mesures en continu du d bit d coulements surface libre sur des sites permanents ou temporaires 2 UN PEU D HYDRAULIQUE Un coulement surface libre peut tre sch matis comme sur la Figure 1 avec des parois solides un coulement de hauteur h avec une interface eau air dont la largeur appel e largeur au miroir sera not e B Le sch ma pr sente un collecteur clos car le propos est ax sur les r seaux urbains enterr s mais nos propos restent globalement valables pour les canaux ciel ouvert Paroi du collecteur Surface libre O coulem
6. L Laplace D Joannis C Chebbo G 2001 Quelles mesures pour quels objectifs TSM Vol 2 pp 45 56 ISO 2010 BS ISO15769 Hydrom trie Lignes directrices pour l application des compteurs acoustiques de vitesse utilisant l effet Doppler et la corr lation d chos ISO 2010 ISO 15769 2010 Hydrom trie Lignes directrices pour l application des compteurs acoustiques de vitesse utilisant l effet Doppler et la corr lation d chos Jeanbourquin D Sage D Nguyen L Schaeli B Kayal S Barry D A Rossi L 2011 Flow measurements in sewer based on image analysis automatic flow velocity algorithm Water Sciences and Technology 64 5 pp 1108 114 s Larrarte F Bardiaux J B Battaglia P Joannis C 2008 Acoustic Doppler flow meters a proposal to characterize their technical parameters Flow Measurement and Instrumentation 19 2008 pp 261 267 Larrarte F Fran ois P 2012 Attenuation of an ultrasonic beam by suspended particles and range of acoustic flow meters in sewer networks Water Science amp Technology 65 3 pp 478 483 Lepot M LipemeKouyi G Bertrand Krajewski J L 2011 V rification des mesures de d bit en r seau d assainissement par tra age la Rhodamine WT La Houille Blanche n 4 2011 p 43 48 Mignot E Bonakdari H Knothe P Lipemekouyi G Bessette A Rivi re N Bertrand krajewski J L 2011 Experiments and 3D simulations of flow structures in junctions and of their
7. ce un COACHS Guide Technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Auteurs Fr d rique Larrarte Claude Joannis l Institut Fran ais des Sciences et Technologies des Transports de l Am nagement et Des R seaux IFSTTAR Groupement pour l Evaluation des Mesures en Continu dans les Eaux et en Assainissement GEMCEA Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Ce guide technique est un livrable du projet COACHS COmputations and their Applications in Channel Hydraulics for Sewers financ par le Minist re de l Ecologie du D veloppement Durable des Transports et du Logement dans le cadre de la Convention de subvention n 10MGC S 004 notifi e le 1 avril 2010 obtenue en r ponse Appel Projet C2D2 2009 Date 27 05 2014 Contact frederique larrarte ifsttar fr claude joannis ifsttar fr Le projet COACHS est un partenariat entre e l IFSTTAR Institut Fran ais des Sciences et Technologies des Transports de l Am nagement et des R seaux Laboratoire eau et Environnement e INSA de Lyon Laboratoire de G nie Civil et l Ing nierie Environnementale e l ICUBE Laboratoire des Sciences de l Ing nieur de l Informatique et de l Imagerie Equipe M canique des Fluides e Le GEMCEA
8. compos e Figure 5 Champ de vitesses d velopp dans un ouvrage de section complexe Les Figures 4 et 5 correspondent des coulements uniformes c est dire dans une section loign e de toute singularit Dans ces conditions le champ de vitesses est assez pr visible et peut tre extrapol partir des mesures de capteurs implant s dans des conditions standardis es C est pourquoi les constructeurs de d bitm tres donnent des recommandations en terme de distance minimum l aval d une singularit partir de laquelle l coulement Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre n est plus influenc Par exemple pour les capteurs effet Doppler le guide d installation Teledynelsco 2009 stipule que le capteur doit tre install assez loin des perturbations coude jonction pour que l coulement soit stabilis Les pr conisations de N otek Ponsel sont plus pr cises et indiquent que la sonde doit tre fix e 6 10 fois le diam tre distance des coudes intersections organes g n rant des turbulences Le fabricant NIVUS 2003 indique que pour assurer une mesure optimale le capteur doit tre install une distance minimale par rapport la sortie d une d viation en fonction de l angle a Pour un angle sup rieur 45 la distance minimum est de 10D pour une vitesse inf rieure
9. de tir de 15 et d angle d ouverture 17 avec une zone morte de 20 cm plac dans une canalisation circulaire de 1 5m de diam tre l aval d un coude 90 de rayon 10 m Six contextes hydrauliques ont t d finis en faisant varier ind pendamment la vitesse et la hauteur de remplissage 19 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre La Figure 16 montre que dans toutes les configurations la perturbation du champ de vitesses par le coude a un effet sensible et d autant plus marqu que le point de mesure est proche de la singularit on peut atteindre un cart de 25 30 pour un capteur situ 5B l aval du coude alors qu on ne d passe pas 15 pour un capteur situ 20B Pour une position donn e du capteur cet effet d pend du contexte hydraulique le taux de remplissage et la vitesse semblent avoir un effet important sans que des tendances se d gagent Il sera donc difficile de corriger cet effet NB dans ces simulations les variations de taux de remplissage pour une vitesse donn e sont obtenues en faisant varier la pente du radier Les variations de pente de la ligne d eau induites par une influence aval n ont pas t tudi es V 0 5 m s V 2m s 25 e 25 H K H EE N v 15 pE ett ___ P G l K S 10 S 10 5 8 x B 5 5 x B 5 BR x B 20 x B 20 0 0 0 25
10. des contr les ponctuels que les r sultats obtenus sont acceptables en gardant l esprit que ces contr les sont galement affect s d incertitude La mesure de d bit par tra age encore peu utilis e est sans doute celle qui est la plus adapt e ce type de contr le en particulier en termes de gamme accessible 24 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre 7 R F RENCES AFNOR 2001 Norme NF P15 900 2 Services publics locaux Lignes directrices pour les activit s de service dans l alimentation en eau potable et dans l assainissement Partie 2 gestion d un r seau d assainissement 46 pages AFNOR 2005 Norme NF EN ISO 6416 Hydrom trie Mesure du d bit l aide de la m thode ultrasonique acoustique 62 pages AFNOR 2008 Norme NF EN 752 R seaux d vacuation et d assainissement l ext rieur des b timents 106 pages AFNOR 2009 Norme NF EN ISO 748 Hydrom trie Mesurage du d bit des liquides dans les canaux d couverts au moyen de moulinets ou de flotteurs 57 pages AFNOR 2009 Norme NF ISO 9555 1994 Mesure de d bit des liquides dans les canaux d couverts M thodes de dilution en r gime permanent utilisant des traceurs Bertrand Krajewsky J L Laplace D Joannis C Chebbo G 2000 Mesures en hydrologie urbaine et assainissement Tech and Doc Paris Bertrand Krajewski J
11. e des appareils qui distinguent la vitesse des r flecteurs en fonction de leur distance Ils reconstituent ainsi un profil vertical de vitesses U Figure 14 Le calcul du d bit s effectue alors par une m thode des aires quation 5 en faisant l hypoth se que la vitesse est la m me dans toute la largeur ou en appliquant un coefficient de pond ration pour tenir compte du ralentissement pr s des parois 16 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre U I h U U d ef profileur GE Figure 14 Sch ma de principe d un profileur de vitesse 3 4 Mesure de vitesse de surface La mesure de vitesse en surface permet de mettre en uvre des capteurs situ s au dessus de la surface libre et sans contact avec l effluent sauf mise en charge du site de mesure Cela pr sente des avantages d cisifs en termes de maintenance mais l extrapolation de la mesure brute la valeur moyenne dans la section est plus d licate Les mesures de vitesse en surface utilisent g n ralement des ondes radar mais des techniques d imagerie vid o sont galement en cours de d veloppement Il faut donc pour calculer le d bit disposer d informations permettant de d terminer la vitesse moyenne en fonction de la vitesse la surface Les sites des constructeurs indiquent d ailleurs parfois explicitement que la v
12. erreurs en particulier pour le capteur Doppler puisqu ils sont calcul s sur des valeurs brutes et ne pr jugent pas du traitement de ces donn es que ce soit par l appareil de mesure ou en post traitement Ils donnent n anmoins une id e de l erreur commise en l absence de campagnes d talonnage pouss es 4 1 Mesure par temps de transit l aval d un coude Le Tableau 2 pr sente les r sultats obtenus partir des simulations pour une canalisation circulaire de 1 5 m de diam tre l aval d un coude 90 de rayon 10 m pour vitesse d entr e 0 5 m s Les mesures effectu es par les cordes sont peu influenc es par le coude En effet celui ci a surtout pour effet de modifier les profils transversaux de vitesse en d portant la zone de vitesse maximum vers l extrados en sortie de courbe Or les cordes appr hendent de mani re tr s correcte la vitesse moyenne sur une transversale De plus les carts calcul s sont les m mes une distance 5B du coude et une distance 70B ils ne sont donc pas dus la perturbation du champ de vitesses absente 70B mais plut t au calcul d une moyenne pond r e par des surfaces Tableau 2 carts obtenus avec un d bitm tre cordes de vitesse 5B et 70B l aval d un coude Remplissage 25 Remplissage 50 Remplissage 75 1 corde 2 cordes 3 cordes 42 Mesure par effet Doppler l aval d un coude L tude porte sur un capteur Doppler d angle
13. et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Le d bit est calcul en affectant une surface chaque corde et en appliquant le cas ch ant des coefficients k correcteurs aux vitesses mesur es par les diff rentes cordes quation 5 n f Q gt ES Equation 5 o U et Si sont respectivement la vitesse mesur e par la code et la surface mouill e correspondante Les coefficients k ne sont diff rents de 1 que pour l l ment de surface inf rieur fond et sup rieur voisinage de la surface libre La norme NF EN ISO 6416 propose deux m thodes pour affecter des surfaces aux cordes 3 2 D bitm trie effet Doppler Un v locim tre effet Doppler est un appareil qui met des ondes ultrasonores la fr quence fs en g n ral entre 0 5 et 1 MHz Lorsqu elles rencontrent un contraste d imp dance acoustique donc de densit constitu en pratique par des particules pouvant tre solides ou gazeuses les ondes sont r fl chies avec une fr quence f fp i o fpi est proportionnelle la vitesse de la particule n en direction du capteur vitesse radiale Vr soit C V e Io r 2 fs Equation 6 O c est la c l rit des ultrasons dans l eau f la fr quence d mission fp n la diff rence entre les fr quences d mission et de r ception La grandeur que l on cherche mesurer tant la vitesse U dans l axe de l coulement celle ci est calcul e
14. influence on location of flowmeters Water Science amp Technology 66 6 pp 1325 1332 Neotek Ponsel 2008 Fiche technique d bitm tre site internet Nguyen L S Schaeli B Sage D Kayal S Jeanbourquin D Barry L D A Rossi L 2009 Vision based system for the control and measurement of wastewater flow rate in sewer systems Water Sciences and Technology 60 9 pp 2281 2289 Nivus 2003 Manuel d instructions 25 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Sterling M Knight D W 2000 Resistance and boundary shear in circular conduits with flat beds running par full Proclnstn Engrs Water amp Mar Engng 142 dec 229 240 Teledyne Isco 2009 2110 Ultrasonic Flow Module and sensor Installation and operation guide 26
15. partition des d bits amont Mignot ef al 2012 5 V RIFICATION DE LA VITESSE MOYENNE Avant d installer un point de mesure fixe mais surtout afin de v rifier les r sultats obtenus une fois le mat riel en place il est n cessaire d effectuer des mesures compl mentaires La norme SO 15769 2010 pr cise galement que tout capteur effet Doppler et apparent doit faire l objet d un talonnage in situ pour une gamme de d bits et le cas ch ant une gamme de hauteurs Si cela peut tre envisag pour des stations de jaugeages de cours d eau il n en est pas de m me pour les mesures en collecteurs et on s en tiendra le plus souvent une v rification Deux m thodes principales peuvent tre utilis es une v rification directe par chantillonnage des vitesses locales dans une section ou une v rification indirecte partir d une mesure ponctuelle du d bit 5 1 Exploration du champ de vitesses Une mani re relativement simple tout au moins en terme de mat riel mettre en uvre consiste chantillonner les vitesses locales dans l ensemble de la section de mesure avec un courantom tre portable Figure 18 Il existe des courantom tres ultrasons ou lectro magn tiques beaucoup plus adapt s aux mesures en assainissement que les moulinets utilis s 21 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface li
16. 50 75 100 0 25 50 75 100 taux de remplissage taux de remplissage Figure 16 Ecarts entre les mesures fournies par un capteur Doppler l aval d un coude et le m me capteur non soumis l influence du coude pour deux distances deux vitesses et trois taux de remplissage Mesure par profileur l aval d une confluence 4 3 Mesure par profileur l aval d une confluence Les coulements au voisinage et l aval d une jonction 90 de canaux rectangulaires surface libre ont t simul s avec diff rentes r partitions de d bits entre les deux canaux en maintenant un d bit total fix 4 l s Des erreurs tr s lev es peuvent tre observ es pour certains rapports de d bits l aval imm diat de la jonction mais la distance d influence la plus longue correspond au cas o l apport lat ral Qy est gal au quart de l apport total avec une erreur de l ordre de 15 une distance gale 8 fois la largeur du canal 20 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre 7 6 5 Q cl 4 S O DE Sem 2 2 0 0 F2Us 0 Ls HSH 4 HSH 4 A 1 3 5 7 9 Distance au raccordement aval des canaux exprim e en x B Figure 17 Valeurs apparentes mesur es pour un mesurande de 4 L s en fonction de la distance du capteur l aval d une jonction 90 et de la r
17. Groupement pour l Evaluation des Mesures en Continu dans les Eaux et en Assainissement LDIFSTTAR HINSR ILL GEMCEA Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Sommaire INTRODUCTION sseassnessatecemeccebesveeesennesceneeduscteceneeebente concerne t enesentoteendecceesvi erseatescenens 5 UN PEU D HYDRAULIQUE senssssessseosssoessocsssscossocssssoessccossssosssosesssoossocsssssossocesssoossocessseessocesssosssocessssesssoee 6 REPR SENTATIVIT DES MESURES DE VITESSE EFFECTU ES PAR DIFF RENTS CAPTEURS ee 11 3 1 MESURE PAR TEMPS DE TRANSIT sosnesdnacceos cesse demenaaesnecen area doecunboesaeetensanedonanedatise desde 11 3 2 DEBITMETRIE A EFFET DOPPLER EEN 13 3 3 MESURE PAR PROFILS VERTICAUX DE VITESSE sn sssessnesseessessesseesorsserrsersserseereserssrrsorrsereserssersoresrssereserseereeeser 16 3 4 MESURE DE VITESSE DE SURFACE 17 EXEMPLES D INFLUENCE DE SINGULARIT S SUR LES D BITS MESUR S PAR DIFF RENTS TYPES DE CAPTEUR E NT E E de E E A A E 18 4 1 MESURE PAR TEMPS DE TRANSIT A L AVAL D UN COUDE 19 4 2 MESURE PAR EFFET DOPPLER AU AVAL D UN COUDE ssssesesesesessesesesesesesesrsreresesesesesrerrrererrereseseresreresesesesesenereers 19 4 3 MESURE PAR PROFILEUR AU AVAL D UNE CONELUENCE 20 V RIFICATION DE LA VITESSE MOYENNE AANEREN 21 5 1 EXPLORATION DU CHAMP DE VITESSES uses mencemeneemen
18. bre traditionnellement pour ce type de mesure Il est pr f rable que le site de mesure soit am nag pour permettre cette v rification en permettant le d ploiement d une passerelle sur laquelle l op rateur pourra travailler relativement confortablement et sans interf rer avec l coulement Pour des raisons d accessibilit et de s curit ce type de v rification reste limit la gamme basse des d bits mesurer De plus le r sultat du contr le reste entach d incertitudes Il permet cependant de d celer de grosses anomalies dans le champ de vitesses voire des erreurs de param trage du d bitm tre poste fixe Figure 18 Mise en uvre d un courantom tre pour l exploration du champ de vitesses dans un collecteur 5 2 Mesures de d bit par tra age Le d bit transitant dans une section peut tre d termin par tra age Pour cela 1l faut disposer d une section suffisamment longue pour assurer le bon m lange du traceur sel colorant avec l ensemble de l coulement ce qui se traduit par une concentration constante du traceur en tout point de la section de pr l vement Cette m thode peut tre mise en uvre selon deux variantes injection continue ou instantan e NF ISO 9555 1 L injection instantan e est la plus simple mettre en place on injecte une masse M de traceur et on enregistre l volution de sa concentration C t l aval Le d bit Q suppos constant est la soluti
19. eneemeneemeneemeneemenecncemeneemencemenceeeneemeeceeeneeeescemeeeeeseeseeee 21 5 2 MESURES DE DEBI PAR TRACE a a a ee ao et Do de 22 CONCESSION D dede de ae id de dde 2 ben ae doi DD D ecole 24 REFERENCES de cs tue 25 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre 1 INTRODUCTION Le contexte r glementaire arr t s interminist riels du 22 d cembre 1994 et du 22 juin 2007 et normatif NF EN 752 NF P15 900 2 demande incite les gestionnaires surveiller les r seaux valuer leurs performances intervenir rapidement en cas de dysfonctionnements ponctuels informer le ma tre d ouvrage sur les am nagements souhaitables pour am liorer les performances et augmenter la fiabilit de la collecte Cette note porte sur les techniques permettant la mesure en continu du d bit dans des canaux surface libre lorsqu on a choisi de d terminer le d bit partir de la vitesse moyenne U et de la surface mouill e Sm Q D Equation 1 La vitesse U est la moyenne des vitesses de toutes les particules fluides qui passent travers une section un instant donn Cette vitesse moyenne peut tre approch e en chantillonnant n points r partis dans la section cf NF EN ISO 743
20. ent Partie immerg e de la section droite surface mouill e S Figure 1 D finitions des principaux param tres Le profil vertical de la vitesse longitudinale peut tre repr sent comme sur la Figure 2 avec une vitesse qui cro t du fond vers la surface et des parois vers le plan m dian de l coulement En fait cette sch matisation correspond au cas de canaux larges caract ris s par un facteur d aspect Ar sup rieur 5 o Ar est le rapport de la largeur au miroir B par le tirant d eau h Pour les canaux larges la vitesse maximale est au niveau de la surface Figure 3a Pour les canaux troits Ar lt 5 la distribution des vitesses pr sente un dip phenomenon ph nom ne de plong e c est dire que la vitesse maximale est situ e au dessous de la surface libre Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre d Figure 2 Distribution des vitesses longitudinales dans une section h Umax dip phenomenon 0 4 h BS SE LD 00 a Canaux larges b Canaux troits Figure 3 Profils de vitesse au centre d un canal distance de toute singularit Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Les collecteurs de sections circulaires ou ovo des ont un facteur d aspect inf rieur 5
21. ion en continu du d bit d un coulement surface libre 6 CONCLUSION La vitesse moyenne d un coulement surface libre n est pas mesur e directement par les capteurs utilis s comme d bitm tres En fonction du champ de vitesses dans la section de mesure et de la mani re dont ce champ est chantillonn par le capteur la mesure brute obtenue sera plus ou moins facile extrapoler pour valuer la vitesse moyenne de l coulement Lorsque le point de mesure est loign d une singularit la r partition des vitesses est pr visible et l extrapolation la vitesse moyenne est assez ais e pour des sections de forme simple collecteurs circulaires Dans le cas de sections de forme complexe section compos es collecteurs banquette l extrapolation peut n cessiter des jaugeages d talonnage Il faudrait en toute rigueur que ces talonnages couvrent toute la gamme des d bits et des taux de remplissage En effet l utilisation d un capteur de vitesse se justifie si un capteur de hauteur d eau ne suffit pas ce qui suppose qu un m me d bit puisse tre observ avec diff rents taux de remplissage Mais la sensibilit des champs de vitesses une influence aval n a pas t tudi e Dans ce contexte les capteurs de vitesse sans contact pr sentent de nombreux avantages en termes de mise en uvre mais du fait de leur chantillonnage limit aux vitesses de surface ils posent avec une ac
22. itesse mesur e est convertie ensuite en vitesse moyenne l aide d algorithme Quelles que soient les conditions qui ont pr valu l tablissement de ces algorithmes 1l appartient chaque utilisateur de v rifier son ad quation avec son site de mesure 17 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Us l l l h I dp phenomenon I l l 04h d LU LOL Figure 15 Mesure de la vitesse de surface et vitesse moyenne Ni Quoi qu il en soit ces techniques de mesure de vitesse en surface sont en d veloppement rapide non seulement en rivi re mais aussi en collecteur Nguyen et al 2009 4 EXEMPLES D INFLUENCE DE SINGULARIT S SUR LES D BITS MESUR S PAR DIFF RENTS TYPES DE CAPTEUR Comme nous l avons rappel dans la section 2 il n y a parfois pas d autre choix que d instrumenter proximit d une singularit Dans cette ventualit chaque cas n cessite une tude sp cifique au site mais dans le cadre du projet COACHS nous avons cherch appr hender sur quelques exemples quel pouvait tre l ordre de grandeur de l erreur ainsi introduite Pour y parvenir nous avons tudi par simulations num rique l effet d une singularit sur la distribution des vitesses en aval puis nous avons simul le r sultat de l chantillonnage de cette distribution par un capteu
23. l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Tableau 1 Caract ristiques de divers capteurs Doppler Larrarte ef al 2008 me Ju Le Fr quence MHz 1 0 0 5 1 0 Port e m gt 3 5 0 8 KS En r alit la port e r sulte de l att nuation des signaux re us en fonction de la distance essentiellement par des effets g om triques En effet des exp rimentations en laboratoire ont montr que les eaux us es aux concentrations rencontr es en r seaux urbains soit inf rieures 1 g l n att nuent pas les ultrasons Larrarte et Fran ois 2008 et donc n ont pas d influence sur la port e Cet effet g om trique est d la r partition de l nergie ultrasonore sur une calotte sph rique de surface proportionnelle au carr de la distance entre le transducteur et le r flecteur l aller puis au retour Ainsi la valeur moyenne donn e par le capteur est SH V 1 di al cos 0 gt e U Equation 8 o V est la vitesse radiale locale d un r flecteur 1 et d la distance entre le capteur et le r flecteur 1 Lorsque le terme Lid devient trop petit le signal correspondant devient trop faible par rapport au bruit ou s il ne l est pas le poids des vitesses correspondantes devient n gligeable 3 3 Mesure par profils verticaux de vitesse Pour corriger l effet d att nuation g om trique pr sent e dans le paragraphe pr c dent 1l existe depuis une dizaine d ann
24. mposantes transversales et verticales la mesure mesur e par la corde est convertie en vitesse longitudinale par application du coefficient 1 cos La vitesse mesur e U par le capteur entre AB s exprime par b t U B SE 2 1 Equation 3 2 cos t t ag est tr s proche de la vitesse de l coulement U apg moyenn e sur la transversale AB quation 4 e ra L cos r Te Equation 4 V cos f dl Ud U L cos L k Le segment AB est appel corde au sens g om trique du terme Une corde permet un chantillonnage horizontal homog ne du profil transversal de vitesses un niveau donn Figure 10a 11 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre 7 Figure 9 Sch ma de principe d une corde de vitesse vue en plan montrant les diff rentes composantes des vitesses En pratique on compl te cet chantillonnage horizontal par un chantillonnage vertical en installant plusieurs cordes de vitesse chelonn es des niveaux diff rents Figure 10b La zone chantillonn e est donc un plan faisant un angle avec l axe du collecteur et la direction principale de l coulement a quip d une corde de vitesse b quip de plusieurs cordes Figure 10 Vues en coupe d un collecteur 12 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse
25. nu du d bit d un coulement surface libre S1 l coulement est quasi uniforme le champ de vitesses dans des sections voisines variera peu et la zone chantillonn e peut tre assimil e la projection du c ne sur un plan perpendiculaire l axe de l coulement Elle varie selon l angle de tir l ouverture du c ne et la port e Figure 13 SK SZ X 2 A gi S H K d d lt X Figure 13 Variations de la zone chantillonn e par un capteur Doppler en fonction de la port e et de l angle de tir Sch ma adapt de la sp cification technique ISO 15769 Pour valuer les param tres caract ristiques de capteurs Doppler Larrarte et al 2008 ont mis au point un banc d essais et ont montr que ces param tres varient consid rablement selon les capteurs Tableau 1 Lors de ces essais la port e a t d finie en disant que la port e maximale est atteinte lorsque le capteur n est plus capable de lire avec une pr cision acceptable 20 la vitesse d un coulement contr l localis dans un tube transparent aux ultrasons et immerg dans une cuve d eau immobile une distance donn e du transducteur Doppler C est donc une d finition arbitraire qui refl te partiellement les capacit s r elles de mesure in situ mais permet des comparaisons objectives entre diff rents appareils 15 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur
26. on de l quation 11 ci dessous M OC Equation 11 avec C qoh C t dt ett ts instants de d but et de fin de passage de l onde de Lt 1 i f concentration 22 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Cette m thode peut tre utilis e pour des forts d bits condition qu ils soient relativement constants Les points sur lesquels 1l faut porter l attention sont e une distance suffisante entre le point d injection et le point de contr le pour assurer le bon m lange une distance de l ordre de 100 fois la largeur de l coulement est recommand e e l optimisation de la masse injecter pour que la vague de concentration soit compatible avec la gamme de mesure de l appareil qui assure le suivi de la concentration On se reportera Lepot ef al 2011 pour plus de d tails re O Zones d erreurs OO D J cD OH OH Len Le E Bruit de fond et intervalle de confiance 95 wh Concentration en Rhodamine WT corrig e en ppb 08 53 30 08 54 00 08 54 30 08 55 00 08 55 30 Heure 08 52 30 08 53 00 Figure 19 Exemple d enregistrement d une onde de concentration de traceur color Rhodamine WT dans un collecteur Lepot ef al 2009 23 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuat
27. r en fonction de ses caract ristiques et de sa distance la singularit Nous avons ensuite calcul la moyenne LI de ces vitesses chantillonn es Selon le cas il s agit d une moyenne brute ou pond r e par des surfaces dans le cas des cordes Enfin nous avons compar cette moyenne une valeur de r f rence pour valuer l impact de la singularit sur les mesures effectu es l aval Le choix d une r f rence peut toujours tre discut et la r f rence utilis e a vari au cours du projet 18 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre Pour l influence d un coude sur un d bitm tre effet Doppler la r f rence est la vitesse mesur e par le m me capteur une distance de 70B situ e hors de la zone d influence des singularit s U cart 1 en 100 0 Equation 9 u 0 Pour l influence d un coude ou d une confluence sur respectivement les mesures effectu es avec un d bitm tre par temps de transit et un d bitm tre mesurant une moyenne sur un profil vertical de vitesse la r f rence est la vitesse moyenne U dans la section de mesure obtenue en divisant le d bit donn e d entr e de la simulation par la surface mouill e calcul e par la simulation cart 2 en 100 Equation 10 C Ces carts ne sont pas proprement parler des
28. uit particuli re la question de l talonnage Pour les capteurs immerg s on peut am liorer la repr sentativit des mesures de vitesse en impl mentant plusieurs capteurs dans une m me section notamment pour les sections compos es Cette option est assez syst matiquement mise en oeuvre pour les d bitm tres temps de transit Elle peut tre transpos e aux capteurs Doppler Enfin les profileurs permettent aussi d am liorer la repr sentativit de l chantillonnage en compensant l effet g om trique d att nuation par la distance Les singularit s tels que coudes chutes confluences perturbent le champ de vitesses Cela peut augmenter sensiblement l incertitude des mesures qui seraient r alis es l aval en particulier pour les faibles taux de remplissage de la conduite Ce guide pr sente quelques exemples de ce type d influence tudi s par des simulations hydrodynamiques 3D du champ de vitesses coupl es des simulations des r ponses des capteurs Ces r sultats montrent qu un talonnage physique ou num rique visant corriger l effet des singularit s sur la mesure de vitesse serait souvent tr s lourde mettre en uvre En r gle g n rale on s en tiendra aux principes suivants e loigner au maximum les points de mesure des singularit s e choisir des capteurs de vitesse dont la repr sentativit spatiale est adapt e aux perturbations potentielles sur le site consid r e v rifier par
29. val d un coude 90 une distance de 15 fois la largeur la surface libre Figure 8 Influence d une confluence sur l coulement en aval 10 Guide technique n 4 Repr sentativit des capteurs de vitesse et impact sur l valuation en continu du d bit d un coulement surface libre 3 REPR SENTATIVIT DES MESURES DE VITESSE EFFECTU ES PAR DIFF RENTS CAPTEURS 3 1 Mesure par temps de transit Le principe de cette m thode repose sur l mission d ondes ultrasonores entre deux sondes qui doivent tre au m me niveau et install es selon un angle prescrit par le constructeur Soient deux metteurs r cepteurs et B immerg s dans un fluide anim d une vitesse moyenne U Figure 9 On appelle L la distance s parant A et B a l angle form par la direction moyenne de l coulement et la ligne AB Les vecteurs V repr sentent le champ de vitesses Les vecteurs V sont leurs projections sur la corde de vitesse et les vecteurs U leurs projections dans la direction de l axe de la canalisation On suppose que les capteurs A et B sont alternativement metteurs et r cepteurs Soit t le temps mis par un signal acoustique issu de A pour atteindre B et inversement tz celui allant de B A La mesure par temps de transit appr hende les vitesses d coulement par leurs projections V sur le segment AB En consid rant que les composantes parall les l axe du collecteur sont pr pond rantes sur les co
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