Echantillonnage spatial réalisé par les capteurs de vitesses et représentativité des vitesses.

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1 Echantillonnage spatial réalisé par les capteurs de vitesses et représentativité des vitesses. 1

2 Rappel : L arrêt de 2007 dit : «mesurer en continu les débits» Aucune technique ne mesure directement des débits (i.e. des m 3 /s) En continu on mesure des hauteurs (m) des vitesses (m/s) 2

3 Débit : cas où une mesure de vitesse est nécessaire La théorie : une répartition en continu dans l espace Q = s U (x, i y)ds La pratique : une sommation discrète Q(t) = (U (t)s ) i i Souvent écrite : Q = S U 3

4 Comment déterminer la vitesse moyenne instantanée? Exemple de semi de points de temps sec et des vitesses locales U = 1 S m. U.dS i i

5 Quelle moyenne? On doit donc au sens strict mesurer la vitesse moyenne U dans la section. Un capteur mesure une vitesse moyenne dans sa zone de mesure. Û Comment passer de à U? Û A quoi correspond? Û 5

6 Echantillonnage «global» : capteur électromagnétique Ue (V) bobine Champ magnétique B Utilisation de la loi de Faraday Û = k Ue B.L écoulement électrodes Généralement mesurée dans la partie basse de l écoulement (cf doc constructeurs). L Quel lien entre cette moyenne et LA vitesse moyenne? 6

7 Capteur électromagnétique : Aspect pratiques 7

8 Echantillonnage 1D : Mesure par temps de transit 1 vitesse (m/s) Moyenne arithmétique sur une horizontale 8

9 théorie Û AB = 2. L cos( α ) t2 t. t2. t 1 1 B V 3 U 3 U 3 L β 3 V 3 V 2 β 2 U 2 U 2 V 1 β 1 V 1 V 2 α U 1 U 1 A 9

10 Echantillonnage vertical : utilisation de plusieurs cordes Le débit est calculé par : = n i = Q α.ˆ U. S 1 i i i norme NF EN ISO 6416 propose 2 choix «mid section method» «mean section method» (méthode de la section moyenne) (méthode du milieu de la section : pas de saut de vitesse) Surface libre, hauteur H s Corde 3, vitesses v 3, hauteur H 3, largeur W 3 Corde 2, vitesses v 2, hauteur H 2, largeur W 2 Corde 1, vitesses v 1, hauteur H 1, largeur W 1 10

11 Echantillonnage plus complexe : débitmètre à effet Doppler Données : 1 hauteur donc 1surface mouillée (m 2 ) 1 vitesse (m/s) 11

12 théorie V cosθ n = c f 2 D,n f s Schéma issu de la spécification technique ISO :

13 capteur Doppler 1 volume 3D pour une mesure dans une section

14 capteur Doppler Donc: volume 1 mesure indirecte dans une section droite, à partir d un spectre de fréquences, Section droite représentant le champ de vitesses dans un volume mal défini 14

15 Paramètres caractéristiques : portée angle d émission angle d ouverture pondération d échos 15

16 Angle d ouverture Capteur Vu de dessus Angle grand : meilleur échantillonnage sur la largeur

17 Angle d émission Surface libre Prise en compte de tout le profil de vitesses 30 Vmax 15 profil de vitesse radier

18 Influence de la portée Surface libre B C Profil de vitesses Vm capteur q Prise en compte de tout le profil de vitesses

19 Portée 2,50 vitesse mesurée par le capteur (m/s) 2,00 1,50 1,00 0,50 80% de la valeur réelle capteur A capteur C capteur D 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 distance (m) 19

20 Quelques cas concrets Capteur A C D Marque et modèle Sygma 950 Isco 4250 Mainstream Fréquence 1 MHz 0,5 MHz 1 MHz Angle d émission ( ) Angle d ouverture ( ) Portée (m) > 3,5 0,8 1,2 20

21 Pondération des échos

22 Pondération des échos

23 Pondération des échos A l aller : L énergie par unité de surface diminue comme 1/d 2 d

24 Pondération des échos A l aller : L énergie par unité de surface diminue comme 1/d 2

25 Pondération des échos A l aller : L énergie par unité de surface diminue comme 1/d 2

26 Pondération des échos A l aller : L énergie par unité de surface diminue comme 1/d 2 Le nombre de particules situées dans le cône augmente comme d 2 Les deux effets se compensent: l énergie globalement réfléchie est constante d

27 Pondération des échos Au retour L énergie reçue par le capteur depuis les particules situées à une distance d diminue comme 1/d 2 Les vitesse mesurées à une distance d sont globalement pondérées par 1/d 2 dans la moyenne d

28 Dit autrement Courbes d isovaleur de Vi / capteur A (Vm) Vmax Capteur C (Vm) Quel est le volume insonifié? Quelle est l énergie reçue par le capteur Que mesure réellement le capteur? Intérêt de la simulation numérique 28

29 Influence du type et du positionnement du capteur 29

30 Conclusion (1/2) : les techniques en continu ne permettent pas une évaluation directe de la vitesse moyenne dans une section les cordes mesurent des vitesses moyennes arithmétiques sur des horizontales mais il faut les interpoler verticalement les débitmètre à effet Doppler effectue un échantillonnage plus hétérogène, et introduisent des pondérations non-documentées l effet de l échantillonnage dépend du champs de vitesse, et donc de la géométrie et de l hydraulique du site. 30

31 Conclusion (2/2): L hydraulique du site peut être classé en 3 cas de figure : Section simple : étalonnage constructeur à vérifier Section complexe : étalonnage sur site Section sous influence : étalonnage numérique? 31

32 On devrait peut être chercher un autre site? Merci de votre attention 32

33 Echantillonnage 2D : norme NF EN ISO texte plein de recommandations utiles pour l évaluation de la vitesse moyenne instantanée dans une section. Pour le choix du site, Pour la mesure de section Les matériels Le nombre et l emplacement des points Le calcul du débit

34 Influence des MES Rappel : on mesure la vitesse des particules 34

35 U with particles ( r) Ln( ) = α p U ( r) without particles r 35

36 (Duran, 2003) D 10 (µm) D 50 (µm) D 90 (µm) < 100 (µm) % U avec particulesà r / U sans particules à r brut mg/l brut mg/l < 500 microns mg/l < 500 microns mg/l exp(-0,05r) exp(-0,131r) 1,10 Théorie : si d = 1,2, diamètre 100 microns : C = 100 mg/l : α = 0,3 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 distance entre les sondes (m) 36

37 Eaux usées 1,10 U avec particules à r/ Usans particules à r 1,00 0,90 0,80 eaux usées brutes à 223 mg/l exp(0r) eaux usées brutes à 514 mg/l 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 distance entre les sondes en cm 37

38 2 Capteur type A 3 4 ->Angle d émission = 15 ->Portée = 3,5 m ->Ouverture du faisceau =

39 2 Capteur type D 3 4 ->Angle d émission = 14 ->Portée = 1,3 m ->Ouverture du faisceau =