Mesures par ultrasons de vitesse et de concentrations dans les écoulements

Transcription

1 Mesures par ultrasons de vitesse et de concentrations dans les écoulements P. Schmitt Ingénieur de recherche Laboratoire ICube, Département de Mécanique, Strasbourg

2 Laboratoire ICube Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie, sous l'égide du CNRS et de l'université de Strasbourg Laboratoire composé de quatre départements: o Département Informatique Recherche o Département Imagerie, Robotique, Télédétection & Santé o Département Électronique du Solide, Systèmes & Photonique o Département Mécanique => Équipe Mécanique des Fluides CCi Auxerre 28/11/2014 2/45

3 La mesure par ultrasons dans les écoulements Les différents principes CCi Auxerre 28/11/2014 3/45

4 Mesure de débit par ultrasons Mesure non intrusive o ne perturbe pas l écoulement o installations à contraintes réduites Pas de parties mobiles o peu d entretien o pas d enrayement Fonctionne en milieu opaque o large gamme d applications o complémentaire aux méthodes optiques CCi Auxerre 28/11/2014 4/27

5 Mesure de débits par ultrasons Trois principes de mesure basés sur les ultrasons o mesure par temps de transit o mesure par Doppler continu o mesure par Doppler pulsé CCi Auxerre 28/11/2014 5/27

6 Mesures de vitesses par Temps de Transit Mesure de la différence de temps de parcours sur une corde entre deux trajets ultrasonores Sonde Amont Sonde Aval Vitesse moyenne: Sens de l'écoulement A α Vcosα P V B L Sonde Aval Di e v t t t t c = BA AB AB BA L 2cosα Le débit est obtenu par intégration sur la section CCi Auxerre 28/11/2014 6/27

7 Mesures de vitesses par Temps de Transit Mesure de la vitesse moyenne sur une ou plusieurs cordes o paires de transducteurs face à face Extrapolation du débit Avantage: o précision (erreur de 5 à 10% en canal ouvert) Inconvénients o interruption de la mesure quand la charge est trop importante ou en présence de bulles o installation délicate (alignement), à coût important (génie civil) o nécessite une mesure séparée de la hauteur d eau CCi Auxerre 28/11/2014 7/27

8 Mesure de vitesse par Doppler continu Emission continue d'ultrasons avec une sonde à deux transducteurs, l'un émetteur et l'autre récepteur Vitesse moyenne: v = c d 2 f0 1 cosθ Le débit est obtenu par intégration sur la section f CCi Auxerre 28/11/2014 8/27

9 Mesure de vitesse par Doppler continu Mesure de vitesse dans un volume situé à quelques dizaines de cm du capteur Description du volume de mesure dépendant fortement de la charge et de l atténuation du milieu liquide Extrapolation du débit par loi empirique Avantage: o faible coût de l instrument et de l installation Inconvénients: o peu précis (erreur > 10%) o nécessite une mesure séparée de la hauteur d eau CCi Auxerre 28/11/2014 9/27

10 Principe de mesure du Doppler pulsé Écoulement Transducteur β paroi 2 particule B particule A paroi 1 Transducteur ultrasonore : o Émission d un train d ondes o Réception des échos rétro-diffusés Émission Réception Écho d une particule : o Retard Position o Amplitude Concentration o Fréquence Vitesse (effet Doppler) CCi Auxerre 28/11/ /27

11 Principe de mesure La profondeur d exploration est subdivisée en volumes de mesure T PRF Transmit RF Pulse Train t On obtient une signature par volume de mesure pour chaque cycle d émission-réception Successive Backscattered Echoes Beam Doppler Signal 1/B DISTANCE t t 0 Range-gated echo t 0 + T PRF t t 0 + 2T PRF t 0 + 3T PRF V TIME Tracking Fixed CCi Auxerre 28/11/ /27

12 Estimateurs Systèmes Doppler à bande étroite o Système Doppler incohérent Estimation de la fréquence Doppler sur un cycle o Système Doppler cohérent Estimation de la fréquence Doppler à partir du changement de phase observé sur plusieurs cycles Systèmes Doppler à large bande o Estimation du retard temporel entre signatures d un ou de plusieurs cycles CCi Auxerre 28/11/ /27

13 Doppler cohérent Extraction de la fréquence Doppler f 0 T N = 2*d/c Pour chaque volume: f 0 + f d CCi Auxerre 28/11/ /27

14 Mesures de vitesses par Doppler pulsé Mesures possibles dans des conduites en charge ou à surface libre Fourni un profil de vitesse Permet d accéder au champ de vitesse par mesure multicordes Permet de détecter conjointement une hauteur d eau dans les canaux à surface libre Avantages: o bonne précision (erreur < 5%) o coût d installation faible o possibilité d installation sans arrêt du process CCi Auxerre 28/11/ /27

15 La mesure ultrasonore dans l assainissement Applications de la mesure Doppler CCi Auxerre 28/11/ /27

16 Contexte Du réseau d assainissement aux rivières Milieux complexes avec des caractéristiques variables Station d épuration Réseau Rivière CCi Auxerre 28/11/ /27

17 Problématique θ surface Mesure de la vitesse radiale v r : Écoulement Transducteur v r v r particule B particule A o Vitesse: v = c d 2 f0 1 cosθ o Problème des courants secondaires => hypothèse sur l angle θ f Émission Réception CCi Auxerre 28/11/ /27

18 Mesures multicordes Mesure de vitesse ponctuelle 3D - Mesure bistatique sur un seul volume - Principe Doppler pulsé cohérent - Méthode fortement intrusive - Utilisé pour des campagnes de mesures - Nécessite un balayage manuel de la section pour effectuer une mesure du débit - Peu remplacer avantageusement le moulinet CCi Auxerre 28/11/ /27

19 Mesures multicordes Mesure de vitesse 3D sur couches stratifiées de liquides - Mesure monostatique d un profil de vecteurs vitesse - Méthode Doppler incohérente et cohérente - Détection du fond ou de la surface d eau - Hypothèse d homogénéité des vitesses dans des cellules de grande taille => erreur de mesure croissante avec la distance d exploration - Méthode utilisée pour du jaugeage CCi Auxerre 28/11/ /27

20 Mesures multicordes Mesure de profil de vitesses débitantes - mesure monostatique du profil de vecteurs 2D projetés dans un plan - suffisant pour le calcul de débit (projections longitudinales) - possibilité de mesure conjointe de la hauteur d eau - hypothèse d homogénéité des vitesses => erreur de mesure croissante en fonction de la profondeur CCi Auxerre 28/11/ /27

21 Positionnement des systèmes Positionnement latéral o Pas d information sur le champ de vitesse vertical o Avantageux en cas de profil dissymétrique (sortie de coude) o Nécessité d une mesure complémentaire de la hauteur d eau o Inadapté aux variations importantes du niveau Positionnement au fond du canal o Bonne représentativité du champ de vitesse vertical o Possibilité d une mesure conjointe de niveau o Risque d envasement Positionnement en surface o Bonne représentativité du champ de vitesse vertical o Risque d accrochage des flottants CCi Auxerre 28/11/ /27

22 La mesure ultrasonore de matières en suspension Applications de la mesure d amplitude CCi Auxerre 28/11/ /27

23 Comment suivre les sédiments? Par prélèvement o Dépendance temporelle o Possible évolution de l échantillon o Concentration totale calculée à partir du dépôt solide Intervalle de temps entre prélèvement et analyse interdit toute action en temps réel CCi Auxerre 28/11/ /27

24 Comment suivre les Mesure de Turbidité (mesure optique) o Sensible à l emplacement de mesure o Perturbée par la présence de grosses particules o Sensible à la présence de colorants o Nécessite une calibration Nombreux paramètres pouvant fausser la relation turbidité/concentration sédiments? CCi Auxerre 28/11/ /27

25 Comment suivre les sédiments? Analyse acoustique o Signal acoustique fonction de la nature et de la forme des particules o Développée sur des matériaux témoin o Deux types d approches : Quantitative : nécessite l inversion des données Qualitative : se déduit directement de l évolution du signal CCi Auxerre 28/11/ /27

26 Principe de mesure par ultrasons pulsés - rappel Écoulement Transducteur β paroi 2 particule B particule A paroi 1 Transducteur ultrasonore : o Émission d un train d ondes o Réception des échos rétro-diffusés Émission Réception Écho d une particule : o Retard Position o Amplitude Concentration o Fréquence Vitesse (effet Doppler) CCi Auxerre 28/11/ /27

27 Diffusion acoustique incohérente Amplitude correspond à la racine du signal rétrodiffusé mesuré Vrms = kskt M rψ 1 2 e 2αr o r: distance le long du faisceau (m) o k t : constante liée au système de mesure o k s : propriétés de rétrodiffusion des particules o ψ: correction de champ proche o M: concentration en sédiment o α: atténuation du milieu CCi Auxerre 28/11/ /27

28 Diffusion acoustique incohérente Expression de la turbidité acoustique T = V r rms ψ 1 2α wr 2 2α sr e = ksm e kt Amplitude rétrodiffusée et turbidité acoustique ont les mêmes variations à une distance donnée r Amplitude rétrodiffusée = première approche de la turbidité acoustique CCi Auxerre 28/11/ /27

29 Profil d amplitude typique Pas de correction de champ proche Prise en compte de la zone exponentielle décroissante Amplitude => [C] Zone de champ proche Amplitude (µv) Fond de l écoulement Série Depth (m) Atténuation exponentielle => αs CCi Auxerre 28/11/ /27

30 Exemples de mesures de matières en suspension Mesures en laboratoire et sur sites CCi Auxerre 28/11/ /27

31 Estimation granulométrique en laboratoire Mesures sur solutions homogènes et de décantabilité Mesures acoustiques: exploration verticales par rétrodiffusion CCi Auxerre 28/11/ /27

32 Evaluation de la turbidité acoustique Echantillons prélevés sur 24h à la station de Maxéville Mesures effectuées par UB-Lab à 2 et 4MHz Prélèvement à 12h Prélèvement à 3h CCi Auxerre 28/11/ /27

33 Evaluation de la turbidité acoustique Echantillons prélevés sur 24h à la station de Maxéville Mesures effectuées par UB-Lab à 0,8 et 1MHz Prélèvement à 12h Prélèvement à 14h CCi Auxerre 28/11/ /27

34 Mesures sur sites Interface web UB-Flow Boîtier submersible AC/DC CCi Auxerre 28/11/ /27

35 Entrée de station d épuration CCi Auxerre 28/11/ /27

36 Entrée de station d épuration Instrument fixé sur une bouée, tirant vers le bas Ecoulement complexe Station de Maxéville (Nancy, p.) CCi Auxerre 28/11/ /27

37 Analyse des données Turbidité acoustique à 3,125MHz Variation significative en temps o Turbulent en matinée o Nuit calme CCi Auxerre 28/11/ /27

38 Analyse des données Comparaison aux mesures de concentration de MES obtenus par échantillonnage et mesure de turbidité optique Différences de mesures par échantillonnage et turbidité optique en début de mesure: o Possibilité de présence de particules de taille importante o Supposition confirmée par les pics présents dans la mesure acoustique CCi Auxerre 28/11/ /27

39 Analyse des données Evolution de la hauteur d eau sur 6 jours Variation journalière clairement identifiable Différence de mesure dans la hauteur due à une couche de sédiments CCi Auxerre 28/11/ /27

40 Mesures dans un collecteur Instrument fixé sur une plaque, placé au fond du collecteur et tirant vers le haut Ecoulement complexe Site «Duchesse Anne» à Nantes (centre ville), en collaboration avec l IFSTTAR CCi Auxerre 28/11/ /45

41 Mesure de concentration de particules en suspension Suivi sur 24h de la concentration moyenne de particules en suspension Mesures ultrasonore, optique et échantillonnage Dépend: o Du placement des sondes o De l horaire o Des conditions météorologiques CCi Auxerre 28/11/ /45

42 Mesure de concentration de particules en suspension Suivi sur 24h par temps de pluie Variation de débit et de concentration De particules spécifiques Variation de taille de particules CCi Auxerre 28/11/ /45

43 Mesures sur une rivière Instrument fixé en surface, tirant vers le bas Etude de transport de sédiments en rivière Site: rivière Couesnon près du Mont St Michel CCi Auxerre 28/11/ /45

44 Mesures sur une rivière Observation de la corrélation entre variation du profil de vitesse et remise en suspension de particules CCi Auxerre 28/11/ /45

45 Conclusion Mesure par ultrasons: peu intrusif et fonctionnant en milieu opaque Mesures de débit obtenues à partir de mesures de vitesses: o Méthode Doppler pulsé: permet d accéder au profil de vitesse o Détection Doppler cohérente: faible variance, bonne résolution spatiale et temporelle o mesures multi-cordes: amélioration de la connaissance du champ des vitesses, et donc de la précision du calcul du débit Mesure ultrasonore de matières en suspension: o Approche qualitative permettant de suivre l évolution de la concentration en temps réel après étalonnage o Approche quantitative encore du domaine de la recherche CCi Auxerre 28/11/ /45