ISO 6416:1985
(Main)Liquid flow measurement in open channels — Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic) method
Liquid flow measurement in open channels — Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic) method
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts — Mesure de débit à l'aide de la méthode ultrasonique (acoustique)
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International Standard @ 6416
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION*MEXAYHAPOAHAR OPTAHM3ALWR il0 CTAH/JAPTM3AUHM.ORGANlSATlON INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Liquid flow measurement in open channels -
Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic)
method
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts - Mesure de débit à l'aide de la méthode ultrasonique (acoustique)
First edition - 1985-03-15
Ref. No. IS0 6416-1985 (E)
UDC 532.57:53.082.4
Descriptors : open channel flow, flow measurement, liquid flow, ultrasonic tests.
Price based on 20 pages
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Foreword
IS0 (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of
(IS0 member bodies). The work of preparing International
national standards bodies
Standards is normally carried out through IS0 technical committees. Each member
body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, govern-
mental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to
the member bodies for approval before their acceptance as International Standards by
IS0 Council. They are approved in accordance with IS0 procedures requiring at
the
least 75 % approval by the member bodies voting.
International Standard IS0 6416 was prepared by Technical Committee ISO/TC 113,
Measurement of liquid flow in open channels.
O International Organization for Standardization, 1985 0
Printed in Switzerland
ii
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Contents
Page
1
1 Scope and field of application . .
1
.........
2 References. .
1
3 Definitions . .
1
4 Unitsof measurement . .
1
5 Principles of the measurement method .
.. 1
6 Site selection . .
......... 2
7 Design and construction .
..
8 Calibration . . 3
9 Operation. . . 4
10 Uncertainties in measureme . 5
....................
Annexes
7
A Frequency versus path length and clearance .
6 Calibration. . 8
C Uncertainties in measurement . 9
19
D Oblique flow check by the cross-path technique .
iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
~~
INTERNATIONAL STANDARD
IS0 6416-1985 (E)
Liquid flow measurement in open channels -
Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic)
method
1 Scope and field of application
directly opposite each other but are staggered so that there is a
time difference between pulses travelling downstream and
This International Standard describes the establishment and
those travelling upstream. The angle between the transmission
operation of an ultrasonic (acoustic) gauging station on a river
path and the direction of flow should normally be between 30
or open channel for the measurement of discharge. For the
and 60° (see figures 2 and 3).
operation and performance of instrumentation, reference
should be made to IS0 6418.
5.2 The difference between the time of travel of the acoustic
pulses crossing the river in an upstream direction and those
travelling downstream is directly related to the average velocity
2 References
of the water at the elevation of the transducers. This velocity
can then be related to the average velocity of flow of the whole
IS0 748, Liquid flow measurement in open channels -
cross-section and, if desirable, by incorporating an area factor
Velocity-area methods.
in the electronic processor, the system can give an output of
discharge.
ISO772, Liquid flow measurement in open channels -
Vocabulary and symbols.
IS0 1100/2, Liquid flow measurement in open channels -
Part 2: Determination of the stage discharge relation.
6 Site selection
IS0 4373, Measurement of liquid flow in open channels -
6.1 The site selected should be such that it is feasible to
Water level measuring devices.
measure the whole range and all types of flow which may be
encountered or of which measurement is required. The follow-
IS0 5168, Measurement of fluid flow - Estimation of
ing factors should be considered :
uncertainty of a flow-rate measurement.
IS0 6418, Liquid flow measurement in open channels - a) a reliable source of electrical energy should be
Ultrasonic lacoustici velocity meters. available;
b) there should be good all-weather access to the site;
3 Definitions
c) the measuring reach should be straight and uniform;
For the purpose of this International Standard, the definitions
abrupt bends and irregularities in the channel should be
given in IS0 772 apply.
avoided if possible but these may be acceptable provided
that condition d) is satisfied or where changes can be effec-
tively monitored by a crossed acoustic path. Sections in
4 Units of measurement
which appreciable cross-currents or large eddies form
should be avoided;
The units of measurement used in this International Standard
are those of the International System of Units (SI).
d) at cross-sections taken in the reach between the
upstream and downstream transducer mountings, the
velocity distribution should be similar;
5 Principles of the measurement method
e) if the bed profile should change significantly with stage,
regular bed surveys should be carried out at different stages
5.1 The principle of the ultrasonic (acoustic) method is
of flow to determine the change in area in order to compute
measurement of the velocity of flow at a certain elevation, or
the discharge;
elevations, in the channel by transmitting acoustic pulses in
it-t
both directions through the water from transducers located
the banks on both sides of the river. The transducers may be
f) the section should be free of weed growth since this will
designed to transmit and receive pulses; they are not located
attenuate the acoustic signal;
1
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IS0 6416-1985 (E)
g) the installation should take into consideration reflection 7.2.1 For the method whereby the transducers are designed
and timing error problems caused by multipath inter- to move on a vertical or inclined assembly [see 7.1 a)2)1, the
ferences. The minimum depth for transducer placement in-
transducers may be used to calibrate the station. This is per-
creases as path length increases. Timing errors inhibit the formed by establishing vertical distributions of line velocity
use of low frequencies (see annex A); curves by moving the transducers to the various paths and ob-
taining a series of path velocities in the vertical. This should be
performed at different values of stage and the resulting curves
hi refraction of the acoustic signal can be caused by
analysed to determine the optimum location to fix the
temperature gradients and the signal may be lost due to this
transducers. If possible, an independent check should be made
cause alone. A water temperature survey should therefore
by current-meter or another suitable method.
be made at the proposed site particularly during extremes of
temperature; refraction of the acoustic signal can also be
caused by density gradients;
7.3 In the multipath system, where several pairs of
transducers are employed, the optimum positions of these
j) attenuation of the acoustic signal can be caused by the
should be determined from a preliminary examination of vertical
absorption, reflection and scatter of the propagated
velocity curves obtained by current-meter. Unless unusual ver-
pressure wave. Attenuation losses inhibit the use of high
tical velocity profiles are expected, the classic parabolic (or
frequencies over an extremely long path;
logarithmic) distribution can be assumed. The transducers
should then be either fixed, as in 7.1 a) I), or installed on an
k) suspended solids may have a significant effect on signal
assembly, as in 7.1 a)2). Generally the former is preferable.
attenuation and entrained air bubbles can have considerably
more effect. Due regard should therefore be given to the
operating frequency and path length. Suspended particle
7.4 The decision to use a single-path or multipath system will
size and concentration andior bubble population should be
depend on the intended accuracy of the desired system, the
assessed to define attenuation;
range in stage to be expected, the vertical velocity distribution
at these stages and the attenuation and reflection limitations. If
m) for sites which do not meet one or more of the above
a satisfactory rating can be achieved from a velocity index at
requirements, a preliminary test should be carried out using
all stages, then a single-path system may be considered in
portable acoustic equipment.
preference to a multipath system.
7 Design and construction
7.5 Where the transducers are to be permanently fixed in
position [see 7.1 a) 111, they should be mounted rigidly. Where
7.1 The gauging station should consist of they are designated to slide on an assembly [see 7.1 a)2)1, the
construction of the mountings and guides should be such as to
withstand damage from debris and from any accumulation of
a) transducers, arranged as follows:
silt, etc. The guides should be securely fastened to the bed or
banks and set in concrete so as to be free from sinking, tilting
1) one or more transducers installed on both sides of
or washing away. The anchorages should extend below ground
the river and fixed permanently in position, or
to a level free from disturbance by frost.
2) one or more transducers installed on both sides of
In both these methods the construction should be sufficiently
the river having the facility of movement in the vertical
rigid so as to be capable of withstanding the effects of floods.
plane or on an incline;
b) a console containing an electronic data processor and
7.6 In order to increase the reliability and accuracy of the
facilities for recording and/or transmitting data;
system, a detailed level survey should be made of the bed and
banks extending from one channel width upstream of the pro-
c) a water level recorder interfaced with the electronic
posed upstream transducer mounting to at least one channel
data processor where a hard copy record of stage or
width below the downstream transducer mounting. Depending
discharge or both is required;
on the result of this survey, consideration should be given to
the improvement of the bed and banks by cleaning or dredging,
d) a reference gauge and a permanent bench mark.
after which the survey should be repeated.
All interconnecting cabling to and from transducers shall be
7.7 When the positions of the transducer mountings have
armoured andior protected from damage during installation
been decided, the angle and path length between the mount-
and operation.
ings should be carefully surveyed for subsequent programming
into the electronic processor. A survey of the bed level between
the transducer mountings along the path length should be
7.2 For the method of fixed transducers isee7.1 a) 111, a path
made and the average bed level should then be calculated for
or index velocity is obtained which is related to stage and area
input into the electronic processor where discharge is being
to obtain discharge. Calibration shall be performed using a
determined on site. This survey should be repeated periodically
current-meter, transducer traverse or by extension of the
as an operational requirement.
velocity profile theory.
2
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IS0 6416-1985 (E)
7.8 8.1.2 It should be noted that the measurement of the path
The output from an ultrasonic station may be recorded in
any one of the following modes: angle, 8, cannot be determined accurately since this would
require measurement of 8 at several points along the ultrasonic
(acoustic) path and weighting the results with respect to vel-
a) path (or line) velocity (or an index which is numerically
û would generally change as the discharge
ocity. In any case,
proportional to the path or line velocity);
changes. However the coefficient K compensates for inac-
curacies in both û and L, where K is the coefficient relating line
b) path velocity and stage;
velocity, V', to the average velocity, v, and L is the path length
(see figure 3).
c) discharge and stage;
8.2 Movable transducers in a single-path system
d) velocity and discharge;
8.2.1 The following methods assume the theoretical relation
e) velocity, discharge and stage.
of the ultrasonic meter to be reliable. It is therefore rec-
ommended that independent checks of this reliability are car-
If stage is not included in the mode, it should be recorded
ried out either by a series of electronic tests to establish that the
separately by water level recorder for subsequent off-site
meter is operating as designed or by a separate portable
processing.
ultrasonic system. If possible, current-meter checks should also
be made.
7.9 When operating in the discharge mode, a manual facility
should be provided in the electronic processor to make any
8.2.2 The calibration of the gauging station in this case con-
adjustment necessary for a change in bed level (see 7.7).
sists of setting the transducers at an elevation which gives the
average velocity in the cross-section for modal river flow.
When the stage changes, however, the transducers will no
7.10 Reference gauge
longer give the average velocity. They will underestimate for an
increase in stage and overestimate for a decrease in stage.
The reference gauge shall comply with the requirements of
IS0 4373.
8.2.3 If the mean (or modal) stage is known and the vertical
velocity distribution is logarithmic, then the average velocity (or
7.11 Station bench mark
discharge) will be found by placing the transducers at approxi-
mately 0,6 D, from the surface where D, is the modal depth
A station bench mark shall be established to comply with the
of flow above the mean bed level, the latter being obtained
requirements of IS0 4373.
across the diagonal cross-section between the transducers and
levelled-in to the station bench mark (see 7.7). The actual pos-
ition will be found from the vertical velocity curve.
7.12 Stilling well
8.2.4 If the mean (or modal) stage is not known, D, may be
The design and construction of the stilling well, if used, shall
obtained from a histogram of stages over a suitable period of
comply with the requirements of IS0 4373.
time (see figure 6).
7.13 Water level recorder
8.2.5 Usually the vertical velocity distribution is not known
and is found by using the facility of the movement of the
The water level recorder shall comply with the requirements of
transducers in the vertical plane.
IS0 4373.
8.2.6 Vertical distribution of line velocity is obtained by set-
ting the transducers at chosen levels and measuring the line
8 Calibration
velocity at each level. Such distributions are obtained for each
of several stages of flow (see table 2). In table 2 the data are
8.1 General given for an example with 15 such distributions each comprised
-
V d
of 7 path velocities. Values of - for respective values of -
The calibration of an ultrasonic gauging station may be
v, D
achieved independently using current-meters or using the
from 0,l to 0,9 are then obtained where vis the mean velocity
ultrasonic meter itself. In either case, if channel conditions
for each curve, bis the line velocity at distance dfrom the sur-
change with time, it will be necessary to re-evaluate the cali- face and D is the depth of flow (see table 3).
bration.
-
V
8.2.7 A curve of relation is then drawn by plotting mean -
V
8.1.1 The line (index) velocity method of calibration is used
d
when a single pair of transducers is fixed in position (see
values against -values (see figure 5 and table 3, columns
D
figure 2) and the system requires independent calibration by
-
V
current-meter or another suitable method. (Figure 4 shows an
1 and 17). - is the adjustment factor or coefficient Cv by
example of such calibration.)
v,
3
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IS0 6416-1985 (E)
which the ultrasonic velocity at any distance d from the surface 8.3.5 In the normal measuring mode, a preselected increment
is greater or less than the average velocity in the cross-section. of depth is associated with each path and the mean velocity (or
discharge] is obtained by summing contributions calculated for
each increment using an appropriate quadrature convention.
8.2.8 The curve in figure 5 also provides the optimum elev-
This average value is then displayed and recorded and data
d
acquisition automatically recommences.
Cv = 1 (see
ation of the transducers at the value of -when
D
BI. The curve will have some scatter depending on the
annex
8.3.6 A series of stored reference water levels ensures that
geometrical similarity of the vertical discharge curves and the
only those measuring paths which are submerged to greater
d
standard deviation should be computed for each value of -at
than some minimum depth below the surface are used.
D
the 95 % confidence level (see table 3, column 18).
8.3.7 A system that uses a cross-path, even if it is at the same
When the stage changes, the appropriate values of Cvmay be level as its companion path, should be considered to be a
found from figure 5 by entering the curve at the new value multipath system.
I
d
of -.
Multipath and single-path systems are both direct measuring
D
systems if path lengths and angles are accurately known.
Multipath systems define the vertical velocity distribution and
8.2.9 In practice, it is more convenient, for data processing
need little or no calibration. Single-path systems need to be
purposes, to prepare a second curve of Cv against stage or
rated more often by other methods; however, even many
depth D based on the actual transducer position (see table 4,
single-path systems may require little or no calibration. All
figure 6 and annex BI. It may be found advantageous at some
systems need to be spot checked by alternative methods.
stations, however, to place the transducers at an elevation
which is not necessarily the one which provides the average
velocity at the mean stage, but the procedure is similar.
8.2.10 The main application of the self-calibrating system is
9 Operation
its use where velocities are too low to be measured by current-
meter and the range in stage is small. Spot checks should
however be made by current-meter when possible. The bed
elevation should be checked regularly, especially at stations 9.1 The production of a satisfactory record depends on the
station being maintained in full operating order at all times. This
where there is any suspicion of change, and the new depth
should be input into the system. requires proper maintenance of the station, its equipment and
its calibration.
8.3 Movable transducers in a multipath system
9.2 The instructions given in the manufacturer’s manual
should be followed in carrying out checks. Fault warning lights
should be checked and any sign of malfunction reported. Since
8.3.1 The multipath system consists of two or more
the system consists of sophisticated electronic hardware, it is
transducer paths. These may be fixed or designed to move in
advisable for the operator to pursue a training course usually
the vertical plane or on an incline; generally the fixed system is
provided by the manufacturer. Small malfunctions may then be
preferable.
attended to by the operator. On other occasions, there may be
no alternative but to call in the manufacturer.
8.3.2 The multipath system is used when the range of stage is
considered to be outside the limit of a single-path system or
A reliable source of electrical energy is required to
9.3
when the vertical velocity profile departs substantially from the
operate the system.
logarithmic distribution and a single-path velocity would no
longer correlate with the mean velocity in the cross-section.
9.4 Careful attention should be given to ensuring that any
8.3.3 The number and location of measuring paths will de- spurious data which require subsequent editing are noted on
site visits.
pend on the stage-frequency distribution, the relative import-
ance attached to accurate measurements at high or low stage
and the quadrature convention used to calculate the mean
9.5 All equipment at the station should be capable of re-
velocity (or discharge).
starting automatically in the event of an electricity supply failure
or a voltage draw-down.
8.3.4 The objective of multipath measurement is to measure
the velocity across each path simultaneously and continuously.
Since this is impracticable, the procedure is normally to take a 9.6 Since the system also records negative flow, every op-
portunity should be taken to carry out a check calibration when
single measurement across each path sequentially and to
this occurs.
repeat this sequence, for example, at intervals of 1 s.
4
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IS0 6416-1985 (E)
XL and X, are the
...
Norme internationale @ 6416
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANOAROIZATION*MEKLYHAPOnHAR OPrAHM3AUMR il0 CTAHL1APTM3AUMM*ORGANlSATlON INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Mesure de débit des liquides dans les canaux
e
découverts - Mesure de débit à l'aide de la méthode
ultrasonique (acoustique)
Liquid flow measurement in open channels - Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic) method
Première édition - 1985-03-15
I CDU 532.57 : 53.082.4 Réf. no : IS0 6416-1985 (FI
-
Descripteurs : écoulement en canal découvert, mesurage de débit, écoulement de liquide, essai par ultrasons.
8
Prix basé sur 20 pages
E
---------------------- Page: 1 ----------------------
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale
d'organismes nationaux de normalisation (comités membres de I'ISO). L'élaboration
des Normes internationales est confiée aux comités techniques de I'ISO. Chaque
comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique
créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouverne-
mentales, en liaison avec VISO, participent également aux travaux.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis
aux comités membres pour approbation, avant leur acceptation comme Normes inter-
nationales par le Conseil de I'ISO. Les Normes internationales sont approuvées confor-
mément aux procédures de I'ISO qui requièrent l'approbation de 75 % au moins des
comités membres votants.
La Norme internationale IS0 6416 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 113,
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts.
O Organisation internationale de normalisation, 1985 0
Imprimé en Suisse
ii
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Som mai re
Page
1 Objet et domaine d'application .
1
2 Références .
1
3 Définitions .
1
4 Unités de mesure .
1
5
Principe de la méthode de mesurage .
1
6 Choix de l'emplacement .
1
7 Conception et construction .
1
8 Étalonnage .
3
9 Exploitation .
4
10 Erreurs limites sur le mesurage .
5
Annexes
.
A Fréquence et hauteur libre en fonction de la longueur
de trajectoire .
7
B Étalonnage .
8
C Erreurs limites de mesure .
9
D Contrôle de l'écoulement oblique au moyen de la technique
des trajectoires croisées .
19
iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
e
---------------------- Page: 4 ----------------------
IS0 6416-1985 (F)
NOR M E I NTE R NAT1 O NA LE
Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Mesure de débit à l'aide de la méthode
ultrasonique (acoustique)
côté du cours d'eau. Les transducteurs peuvent être concus
1 Objet et domaine d'application
pour émettre et recevoir des impulsions. Ils ne sont pas situés
La présente Norme internationale traite de l'établissement et de directement face à face, mais ils sont décalés de telle sorte qu'il
se produise une différence de temps de parcours entre les
l'exploitation d'une station de jaugeage par ultrasons (par émis-
sion acoustique) sur une rivière, un fleuve ou un chenal pour le impulsions traversant vers l'aval et vers l'amont. L'angle entre
la trajectoire d'émission et le sens d'écoulement devrait être
mesurage de débit. En ce qui concerne le fonctionnement et
@
l'utilisation des instruments de mesure, il convient de se référer normalement entre 30 et 60° (voir figures 2 et 3).
à I'ISO 6418.
5.2 La différence des temps de parcours des impulsions
acoustiques qui traversent le cours d'eau respectivement vers
2 Références
l'amont et vers l'aval est liée directement à la vitesse moyenne
de l'eau au niveau des transducteurs. On peut alors établir une
IS0 748, Mesure de débit des liquides dans les canaux décou-
relation entre cette vitesse et la vitesse moyenne de I'écoule-
verts - Méthodes d'exploration du champ des vitesses.
ment dans toute la section. De plus, si on le désire, le système
peut fournir une indication directe du débit si on introduit dans
IS0 772, Mesure de débit des liquides dans les canaux décou-
l'unité électronique de traitement un facteur tenant compte de
verts - Vocabulaire et symboles.
l'aire de la section.
IS0 11OOl2, Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Partie 2: Détermination de la relation hauteur-
débit.
6 Choix de l'emplacement
IS0 4373, Mesure de débit des liquides dans les canaux décou-
6.1 L'emplacement choisi doit être tel qu'il soit possible de
verts - Appareils de mesure du niveau de l'eau.
mesurer toute la gamme de débit et. tous les types d'écoule-
ment qui peuvent se produire ou dont le mesurage est exigé. II
IS0 5168, Mesure de débit des fluides - Calcul de /'erreur
convient de tenir compte des facteurs suivants:
limite sur une mesure de débit.
O
-
IS0 6418, Mesure de débit des liquides dans les canaux décou- a) il faut disposer d'une source d'énergie électrique fiable;
verts - Compteurs ultrasoniques lacoustiquesl de vitesse.
il doit y avoir un bon moyen d'accès à l'emplacement
b)
par tous les temps;
3 Définitions
c) le bief de mesurage doit être rectiligne et uniforme; il
Dans le cadre de la présente Norme internationale, les défini-
convient, dans la mesure du possible, d'éviter les courbes et
tions données dans I'ISO 772 sont applicables.
les irrégularités prononcées du canal, mais celles-ci peuvent
être acceptables si la condition d) est remplie ou lorsque les
changements peuvent être utilement contrôlés par une tra-
4 Unités de mesure
jectoire acoustique croisée. II convient d'éviter les sections
où des renvois de courant ou des remous se forment;
Les unités de mesure utilisées dans la présente Norme interna-
tionale sont les unités du Système International (SI).
d) en différentes sections du bief entre les transducteurs
amont et aval, la répartition des vitesses doit être similaire:
5 Principe de la méthode de mesurage
e) si le profil du lit change de manière appréciable avec le
niveau, il convient de procéder à des relevés périodiques du
5.1 Le principe sur lequel se fonde la méthode ultrasonique lit à différents niveaux d'écoulement pour déterminer le
(acoustique) consiste à mesurer la vitesse d'écoulement à une changement de l'aire afin de calculer le débit:
certaine élévation ou à certaines élévations dans le chenal en
émettant des impulsions acoustiques dans l'eau dans les deux
f) la section mouillée ne doit pas comporter de végétation
sens à partir de transducteurs situés dans les rives de chaque
car celle-ci produira une atténuation du signal acoustique;
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
IS0 6416-1985 (FI
jectoire ou un indice proportionnel à la vitesse que l’on combine
g) l’installation doit prendre en considération la réflexion
et les erreurs chronométriques ainsi que les problèmes cau- au niveau et à l’aire de manière à calculer le débit. L’étalonnage
sés par les interférences dues à des trajectoires multiples. La doit être fait par moulinet, par transducteurs ou par extension
profondeur minimale requise de l’écoulement augmente de la théorie du profil de la vitesse.
avec la longueur de la trajectoire. Les erreurs chronométri-
ques ne permettent pas d’employer les basses fréquences
7.2.1 Dans le cas de la méthode où les transducteurs sont
(voir annexe A);
concus pour se déplacer sur un ensemble vertical ou incliné
il est possible d’utiliser les transducteurs pour
[voir 7.1 a)2)1,
h) la réfraction du signal acoustique peut résulter de gra-
étalonner la station. On le fait en établissant des répartitions
dients de température et le signal risque d’être perdu du fait
verticales des courbes de vitesse par déplacement des trans-
uniquement de cette cause. II convient donc de procéder à
ducteurs sur diverses trajectoires de manière à obtenir une série
un relevé de la température de l’eau à l’emplacement pro-
de vitesses de trajectoire dans le plan vertical. II convient
posé, notamment durant les périodes des températures
d’effectuer cette opération pour différentes valeurs de niveau et
extrêmes; la réfraction du signal acoustique peut aussi être
d’analyser les courbes résultantes de manière à déterminer
occasionnée par des gradients de densité;
l’endroit optimal pour la fixation des transducteurs. II convient,
si possible, d’effectuer un contrôle indépendant au moyen d’un
j) l‘atténuation du signal acoustique peut être occasionnée
par l’absorption, la réflexion et la dispersion de l‘onde de moulinet ou d’une autre méthode appropriée.
pression propagée. Les pertes dues à l’atténuation ne per-
mettent pas d’employer la haute fréquence sur une trajec-
7.3 Dans le système à trajectoires multiples, là où l‘on utilise
toire extrêmement longue;
plusieurs paires de transducteurs, il convient de déterminer les
endroits optimaux où sont fixés ceux-ci en se basant sur un
k) les solides en suspension peuvent affecter d’une
examen préliminaire des profils verticaux des vitesses obtenus
manière significative l’atténuation du signal et les bulles d’air
au moyen d’un moulinet. À moins que l’on s‘attende à des
entraînées peuvent l‘affecter d’une manière encore plus
courbes de vitesse verticales exceptionnelles, l‘on peut présu-
significative. II convient de tenir compte de la fréquence
mer la distribution parabolique (ou logarithmique) classique. II
d’utilisation et de la longueur de la trajectoire. La granulo-
convient alors de fixer les transducteurs comme dans 7.1 a) 1 ),
métrie et la concentration des particules en suspension
ou de les installer sur un ensemble comme dans 7.1 a)2). D’une
et/ou la population de bulles d’air doivent être déterminées
manière générale l’on préfère la première solution.
pour définir l’atténuation;
mi dans le cas des emplacements qui ne remplissent pas
7.4 La décision d’utiliser un système à trajectoire unique ou à
une ou plusieurs des conditions ci-dessus, il convient
trajectoires multiples dépendra de la précision voulue du
d‘effectuer un essai préliminaire en utilisant un équipement
système désiré, de la plage de niveaux à laquelle on s’attend, de
acoustique portatif.
la répartition verticale des vitesses à ces niveaux, et des limita-
tions de l’atténuation et de la réfraction. Si l’on peut obtenir un
étalonnage satisfaisant, quel que soit le niveau, à partir de
7 Conception et construction
l‘indice de vitesse, on peut alors préférer un système à trajec-
toire unique au système à trajectoires multiples.
7.1 La station de jaugeage doit consister en
des transducteurs disposés comme suit:
a)
7.5 Lorsque les transducteurs doivent être fixés en place de
manière permanente [voir 7.1 a)l)l, il convient de prévoir un
1) un ou plusieurs transducteurs installés de chaque
montage rigide. Lorsqu‘ils sont concus pour coulisser sur un
côté du cours d‘eau et fixés en place de manière perma-
ensemble [voir 7.1 a)2)1, la construction des supports et des
nente, ou
glissières doit être prévue pour supporter les dégâts résultant
des débris flottants et de l’accumulation de limon qui peut se
2) un ou plusieurs transducteurs installés de part et
produire, etc. II convient de fixer solidement les glissières au lit
d’autre du cours d’eau et pouvant être déplacés vertica-
ou aux rives et de les enfoncer dans du béton de manière
lement ou obliquement;
qu’elles ne risquent pas de s‘enfoncer, de pencher ou d‘être
b) une console contenant un système électronique de trai- entraînées par le cours d‘eau. Les ancrages doivent se prolon-
tement des données, ainsi que les facilités nécessaires pour
ger en dessous de la surface du sol jusqu’à un niveau exempt
l’enregistrement et/ou la transmission des données;
des perturbations dues au gel.
c) un limnigraphe relié au système de traitement des don-
Dans le cas des deux méthodes la construction doit être suffi-
nées lorsqu‘il faut un relevé de copie en clair du niveau ou
samment rigide pour être capable de supporter les effets des
du débit ou les deux à la fois;
inondations.
d) un limnimètre de référence et un repère permanent de
nivellement. 7.6 En vue d’augmenter la fiabilité et la précision du système,
il convient de procéder à un relevé détaillé des niveaux du lit et
Tous les câbles d‘interconnexion vers et en provenance des des rives se prolongeant depuis une largeur de chenal en amont
du support du transducteur amont jusqu’à au moins une lar-
transducteurs doivent être blindés et/ou protégés contre les
dégâts lors de l’installation et de l‘exploitation. geur de chenal en aval du support du transducteur aval. Selon
les résultats de ce relevé, il convient de considérer la possibilité
7.2 Dans le cas de la méthode employant des transducteurs
d’améliorer le lit et les rives soit par nettoyage, soit par dragage,
fixes [voir 7.1 a) 111, l’on obtient une vitesse moyenne sur la tra-
après quoi il conviendra de répéter le relevé.
2
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l'autre, si les caractéristiques du chenal changent avec le
7.7 Une fois les positions des supports des transducteurs
temps, il faudra réitérer l'étalonnage.
déterminées, il convient de relever avec soin l'angle et la lon-
gueur des trajectoires entre les supports en vue d'introduire
ultérieurement ces données dans le système de traitement. II
8.1.1 La méthode d'étalonnage de la vitesse en ligne (indice
convient d'effectuer un relevé des niveaux du lit entre les sup-
de vitesse) est employée lorsqu'on a une seule paire de trans-
ports des transducteurs tout le long de la trajectoire et de calcu-
ducteurs fixés en place (voir figure 2). Le système nécessite
ler également le niveau moyen du lit pour l'introduire dans le
alors un étalonnage indépendant au moyen d'un moulinet ou
système de traitement lorsque le débit est calculé sur place. Ce
d'une autre méthode appropriée (la figure 4 montre un exemple
relevé doit être répété périodiquement dans le cadre des opéra-
d'étalonnage de ce genre).
tions normales d'exploitation.
7.8 Les données provenant d'une station de jaugeage à ultra-
8.1.2 II convient de noter que la mesure de l'angle de trajec-
sons peuvent être enregistrées selon l'un ou l'autre des modes
toire, 8, ne saurait être déterminée exactement car ceci nécessi-
suivants :
terait la mesure de 8 en plusieurs points le long de la trajectoire
acoustique et la pondération des résultats en fonction de la
a) vitesse moyenne sur la trajectoire désignée par la suite
vitesse. De toute manière, û varie généralement avec le débit.
par ((vitesse en ligne)) (ou un indice numériquement propor-
Toutefois, le coefficient K compense les inexactitudes à la fois
tionnel à celle-ci);
de 0 et de L, où K est le coefficient établissant un rapport entre
ia vitesse en ligne V, et ia vitesse moyenne V, et L est ia ion-
b) vitesse en ligne et niveau;
gueur de trajectoire (voir figure 3).
0
c) débit et niveau;
8.2 Transducteurs mobiles dans un système
d) vitesse et débit;
à trajectoire unique
e) vitesse, débit et niveau.
8.2.1 Les méthodes suivantes supposent que la relation théo-
Si le niveau n'est pas inclus dans le mode choisi, il convient de
rique liant la vitesse moyenne aux indications du compteur à
l'enregistrer séparément au moyen d'un limnigraphe en vue de
ultrasons est fiable. II est par conséquent recommandé de pro-
taitement ultérieur en dehors de la station.
céder à des contrôles indépendants de cette fiabilité soit en pro-
cédant à une série de tests électroniques pour vérifier que le
7.9 Lorsqu'on a choisi le mode d'exploitation basé sur le
compteur fonctionne de la manière prévue, soit en utilisant un
débit, il convient de prévoir un système manuel dans le proces-
appareil ultrasonique portable distinct. Dans la mesure du pos-
seur électronique pour effectuer la correction nécessaire le cas
sible, il convient d'effectuer également des contrôles avec mou-
échéant en cas de changement du niveau du lit (voir 7.7).
linet.
7.10 Limnimètre de référence
8.2.2 L'étalonnage de la station de jaugeage dans ce cas con-
Le limnimètre de référence doit être conforme aux spécifica-
siste à fixer les transducteurs à un niveau donnant la vitesse
tions de I'ISO 4373.
moyenne dans la section mouillée pour l'écoulement modal.
Toutefois, lorsque le niveau change, les transducteurs n'indi-
queront plus la vitesse moyenne. Ils la sous-estimeront dans le
0 7.11 Repère de nivellement de la station
cas d'une augmentation de niveau et la surestimeront lorsque le
niveau a baissé.
Un repère de nivellement de la station doit être établi conformé-
I'ISO 4373.
ment aux spécifications de
8.2.3 Si l'on connaît le niveau moyen (ou modal) et que la
7.12 Puits de mesurage
répartition verticale des vitesses soit logarithmique, dans ce
cas, l'on trouvera la vitesse moyenne (ou le débit moyen) en
La conception et la construction du puits de mesurage,
placant les transducteurs à environ 0,6 D, de la surface, D,
si employé, doivent être conformes aux spécifications de
étant la profondeur moyenne de l'écoulement au-dessus du
I'ISO 4373.
niveau moyen du lit. Celui-ci doit être déterminé le long de la
section diagonale contenant les transducteurs et calculé par
7.13 Limnigraphe
rapport au repère de référence de la station (voir 7.7). On trou-
vera la position réelle à partir de la répartition verticale des
Le limnigraphe doit être conforme aux spécifications de
vitesses.
"0 4373.
8.2.4 Si le niveau moyen (ou modal) n'est pas connu, l'on
8 Étalonnage
peut obtenir D, d'après un histogramme des niveaux portant
sur une période de temps appropriée (voir figure 6).
8.1 Généralités
L'étalonnage d'une station de jaugeage ultrasonique peut être 8.2.5 Le plus souvent, on ne connaît pas la répartition verti-
effectué indépendamment à l'aide de moulinets ou bien à l'aide cale des vitesses et on la trouve en utilisant le dispositif permet-
du compteur ultrasonique lui-même. Dans un cas comme dans
tant de déplacer les transducteurs dans un plan vertical.
3
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8.2.6 On obtient la répartition verticale de la vitesse en ligne 8.3.2 Le système à trajectoires multiples est employé lorsque
en fixant les transducteurs aux niveaux choisis et en mesurant l‘on considère que la plage des niveaux ne pourrait pas être
la vitesse en ligne à chaque niveau. On obtient ainsi cette répar- couverte par un système à trajectoire unique ou lorsque le profil
tition pour plusieurs niveaux de l’écoulement (voir tableau 2). vertical des vitesses s’écarte de manière appréciable de la répar-
L‘exemple donné dans ce tableau comporte 15 répartitions de
tition logarithmique et où une vitesse de trajectoire simple ne
ce type, composées chacune ~ de 7 vitesses en ligne. On en serait pas susceptible d’une corrélation avec la vitesse moyenne
V d dans la section mouillée.
déduit les valeurs de - pour des valeurs de - de 0,l à 0,9, v
vd D
étant la vitesse moyenne pour chaque courbe, V, la vitesse en
8.3.3 Le nombre et la position des trajectoires de mesure
ligne à une distance d de la surface et D la profondeur de
dépendront de la répartition fréquentielle des niveaux, de
l‘écoulement (voir tableau 3).
l’importance relative accordée à la précision des mesures à
niveau élevé ou bas et de la convention adoptée pour calculer la
8.2.7 - On porte alors sur un graphique les valeurs moyennes
vitesse moyenne (ou le débit) par intégration.
V d
de - en fonction de - et on trace la courbe correspondante
vd D
-
8.3.4 Le but du système à trajectoires multiples est en prin-
V
(voir figure 5 et tableau 3, colonnes 1 et 17). - est le facteur de
cipe de mesurer la vitesse le long de chaque trajectoire de
vd
manière simultanée et continue. Ceci n‘étant pratiquement pas
correction ou coefficient Cv indiquant l‘écart positif ou négatif
réalisable, la procédure consiste généralement à effectuer suc-
entre la vitesse ultrasonique à une distance d quelconque de la
cessivement une mesure le long de chaque trajectoire et à répé-
surface et la vitesse moyenne dans la section mouillée.
ter ce cycle, par exemple à des intervalles d’une seconde.
8.2.8 La courbe de la figure 5 fournit également la cote opti-
d
8.3.5 Dans la méthode normale de mesure, on associe à cha-
male des transducteurs à la valeur de - pour laquelle Cv = 1
que trajectoire un accroissement prédéterminé de la profondeur
D
et on obtient la vitesse moyenne (ou le débit) en additionnant
(voir annexe BI. La courbe comportera une certaine dispersion
les contributions calculées pour chaque accroissement de la
dépendant de la similitude géométrique entre les répartitions
profondeur en utilisant une convention d‘intégration appro-
verticales des vitesses et on devra calculer I’écart-type de cette
priée. Cette valeur moyenne est alors affichée et enregistrée et
d
dispersion pour chaque valeur de -, au niveau de confiance de
la saisie des données recommence automatiquement.
D
95 % (voir tableau 3, colonne 18).
8.3.6 Grâce à une série de niveaux d’eau de référence mémo-
Lorsque !e niveau d‘eau varie, la valeur appropriée de Cv peut
risées, l’on utilise uniquement les trajectoires de mesure sub-
être lue sur la courbe de la figure 5 en portant la nouvelle valeur
mergées à une profondeur supérieure à une valeur minimale
d
de -.
donnée.
D
8.2.9 En pratique, il est commode pour le traitement électro-
8.3.7 Un système utilisant une trajectoire croisée, même s‘il
nique des données de préparer une seconde courbe donnant
est au même niveau que sa trajectoire de comparaison, doit être
Cv en fonction du niveau ou de la profondeur D en se basant
considéré comme un système à trajectoires multiples.
sur la position choisie pour les transducteurs (voir tableau 4,
figure 6 et annexe B). On trouvera toutefois que dans certaines
Un système à trajectoires multiples ainsi qu’un système à trajec-
stations il peut être avantageux de placer les transducteurs à
toire unique constituent un système de mesurage direct si l‘on
une cote qui n’est pas nécessairement la cote optimale définie
connaît exactement les longueurs des trajectoires et les angles.
ci-dessus, mais la procédure est semblable.
Les systèmes à trajectoires multiples définissent la répartition
verticale des vitesses et n‘exigent que très peu ou aucun étalon-
8.2.10 Le système d‘auto-étalonnage est principalement
nage. Les systèmes à trajectoire unique ont le plus souvent
employé là où les vitesses sont trop faibles pour être mesurées
besoin d’être étalonnés par d’autres méthodes. Toutefois,
au moyen du moulinet et où la plage des niveaux est réduite.
même plusieurs systèmes à trajectoire unique peuvent nécessi-
On doit toutefois procéder à des contrôles ponctuels en utili-
ter très peu ou aucun étalonnage. Tous les systèmes doivent
sant un moulinet lorsque c’est possible. Le niveau du lit doit
faire l’objet de vérifications ponctuelles par d’autres méthodes.
être vérifié régulièrement, notamment dans les stations où l‘on
suspecte le moindre changement et la nouvelle profondeur doit
être introduite dans le système.
8.3 Transducteurs mobiles dans un système
à trajectoires multiples
9 Exploitation
8.3.1 Le système à trajectoires multiples comprend deux ou
plusieurs trajectoires de transducteurs. Ceux-ci peuvent être 9.1 Pour obtenir un relevé satisfaisant, il faut que la station
fixés ou concus pour se déplacer à la verticale ou selon un plan reste constamment en parfait état de marche. Ceci nécessite
incliné mais, d‘une manière générale, on préférera un système
l’entretien approprié de la station et de son équipement, et le
fixe.
contrôle de son étalonnage.
4
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9.2 II convient de suivre les instructions données dans le où Sest la distance séparant les deux transducteurs, mesurée le
long de l'axe de l'écoulement, alors
manuel du fabricant lorsqu'on procède au contrôle, de contrô-
ler les témoins de défaut et de signaler le moindre indice de
fonctionnement incorrect. Du fait que le système comporte un
(1)
matériel électronique sophistiqué, il est recommandé que I'opé-
rateur qui doit en être chargé suive un cours de formation spé-
ciale, celui-ci étant généralement assuré par le fabricant. L'opé-
Le pourcentage d'erreur limite, XvL, de la vitesse en ligne est
rateur pourra alors s'occuper des défauts peu importants tandis
obtenu en déterminant la différentielle totale de l'équation (1 1 et
que dans d'autres cas il sera inévitable de faire appel au fabri-
la divisant par la vitesse en ligne VL:
en
cant.
II faut une source sûre d'énergieélectrique pour assurer le
9.3
"L
fonctionnement du système.
9.4 II faut veiller soigneusement à ce que toute donnée erro-
née entraînant un dépouillement soit notée lors des visites sur
place.
Du fait que l'erreur limite individuelle peut être positive ou
négative avec la même probabilité, les carrés des composants
de l'erreur limite totale sont ajoutés pour obtenir
9.5 Tout l'équipement de la station doit être prévu pour le
redémarrage automatique en cas de panne d'électricité ou de
baisse de tension.
9.6 Du fait que le système enregistre également les écoule-
où
ments inverses, il faut, si cela se produit, saisir toute occasion
d'effectuer un étalonnage de contrôle.
XvL est l'erreur limite aléatoire, en pourcentage, sur la
vitesse ultrasonique en ligne;
9.7 Lorsqu'on sait que le niveau du lit varie avec le temps, il
convient de faire le nécessaire pour que les levés du lit soient
XL et X, sont les erreurs limites aléatoires, en pourcen-
effectués périodiquement selon les besoins et d'apporter les
tage, sur la mesure des distances L et S;
corrections aux coefficients de la section et de la vitesse
moyenne.
Xtl et Xt2 sont les erreurs limites aléatoires, en pourcen-
tage, sur la mesure des temps de transit tl et tp
9.8 Dans un système à trajectoires multiples, la défaillance de
Toutes les erreurs limites sont évaluées au niveau de probabilité
certaines trajectoires ne devrait pas mettre le systhme hors ser-
de 95 %.
vice. Si une telle défaillance se produit, le système électronique
devrait comporter des arrangements permettant soit, si on doit
calculer le débit, d'utiliser les trajectoires adjacentes, soit
10.3 L'erreur limite dans le calcul de la vitesse moyenne à
0 d'enregistrer indépendamment les vitesses des trajectoires qui
partir de la vitesse en ligne mesurée (vitesse sur une trajectoire)
fonctionnent.
dépend de la méthode d'étalonnage employée. L'erreur limite
à partir de cette vitesse dépend de l'erreur
sur le débit calculé
précédente et de l'erreur limite sur la mesure de l'aire de la sec-
tion droite.
10 Erreurs limites sur le mesurage
Méthode de la vitesse en ligne
10.3.1
IO. 1 Les principes prescrits pour l'estimation de l'erreur
L'estimation de l'erreur limite sur la vitesse moyenne et donc
limite sur une mesure isolée de débit sont donnés dans
sur le débit dans le cas de la méthode de mesurage d'après la
I'ISO 5168.
vitesse en ligne implique une analyse par régression et peut être
effectuée selon I'ISO 1100/2 (voir aussi figure 4).
10.2 L'erreur limite sur le mesurage de la vitesse en ligne peut
être obtenue comme suit, en supposant que tl = AB et 10.3.2 Méthode dite d'auto-etalonnage
t2 = tgA (voir figure 3) :
L'estimation de l'erreur limite, XQ, sur la vitesse moyenne et
donc sur le débit dans le cas de la méthode dite d'auto-
L
étalonnage implique l'estimation des erreurs limites intervenant
dans XvL comme exposé ci-dessus, X, étant l'erreur limite sur
la profondeur de l'écoulement, X, l'erreur limite sur la largeur et
S
Xp l'erreur limite due au nombre limité de trajectoires de vitesse
Si cos 8 = -
L employées (voir annexe C, exemple 4).
5
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Alors noter que le terme ((écoulement oblique)), dans le présent con-
texte, vise un écoulement transversal au niveau de la ou des tra-
jectoires de transducteurs de sorte que le système ultrasonique
(4)
enregistre une vitesse qui est, soit trop élevée soit trop faible
selon le sens de l’écoulement transversal. Un écoulement obli-
10.4 Les seules erreurs limites systématiques que l’on ait
que dans une section horizontale quelconque du plan vertical
besoin de considérer sont les erreurs limites des instruments de
peut être compensé par un écoulement oblique égal et opposé
mesure sur la profondeur, sur la largeur et sur O. Si l‘on peut
au niveau d’une autre section horizontale. Si l’on suspecte un
veiller à ce que celles-ci soient à moins de 0.1 % chacune, l‘on
écoulement oblique dans un système à trajectoire unique, on
peut les ignorer du fait qu’elles sont faibles si on les compare O. On peut le
recommande pour commencer d’étudier l’angle
aux erreurs limites aléatoires. Autrement, il convient d’apporter
faire en établissant un système ultrasonique portable dans
des corrections (voir aussi 10.7).
lequel les transducteurs sont placés à l‘opposé l‘un de l’autre de
chaque côté de la rivière de
...
Questions, Comments and Discussion
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