ISO 6416:1992

ISO
NORME
INTERNATIONALE 6416
Deuxième édition
1992-09-I 5
\Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Mesure du débit à l’aide de la
méthode ultrasonique (acoustique)
Measurement of liquid f7ow in open channels - Measurement of
discharge by the ultrasonic (acousfic) method
Numéro de référence
ISO 6416: 1992(F)
Sommaire
Page
Section 1 Généralités .,.,,.,.,.,.
1.1 Domaine d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Références normatives
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .,.,.,.
1.3 Définitions
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*. 1
1.4 Unités de mesure
Section 2 Méthode de mesurage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~.~.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Principe
. . . . . . . . . . . . 3
2.2 Caractéristiques de propagation du son dans l’eau
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Application
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Configuration du système de jaugeage
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Choix de l’emplacement
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. 10
2.6 Étude du site
. . . . . . . . . . . . . . . . . II
2.7 Caractéristiques des mesurages opérationnels
................... .................................. 12
2.8 Caractéristiques de calcul
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.9 Concept de redondance des mesurages
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Étalonnage du système
...................................... 17
..............
2.11 Incertitudes de mesurage
..,.,,....,,....,..,.....,.....,,.,.........,,,,,~......
Section 3 Station de jaugeage
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. .a.
3.1 Généralités
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Conception et construction des matériels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Sortie du système
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.,.,,.,,.,.*., 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Mise en service
..,........ . . . . . . . . . . . . . . . . . ..*.....................
3.6 Manuel de fonction nement
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Entretien et maintenance
0 ISO 1992
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être repro-
duite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou
mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord krit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 l CH-1211 Genève 20 l Suisse
imprimé en Suisse
ii
Annexe
A Détermination du sens de l’écoulement à partir des données
découlant de trajectoires croisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
. . .
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 en général
confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre inté-
ressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique créé
à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec I’ISO participent egalement aux tra-
vaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique
internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotech-
nique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techni-
ques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins
des comités membres votants.
La Norme internationale ISO 6416 a été élaborée par le comité techni-
que ISO/TC 113, Mesure de débit des liquides dans les cariaux décou-
verts, sous-comité SC 1, Méthodes d’exploration du champ des
vitesses.
Cette deuxième édition annule et remplace la prernière édition
(ISO 6416:1985 et ISO 6418:1985), dont elle constitue une révision ma-
jeure, et une combinaison.
L’annexe A fait partie intégrante de la présente Norme internationale.
iv
NORME INTERNATIONALE
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts -
Mesure du débit à l’aide de la méthode ultrasonique
(acoustique)
Section 1: Généralités
ISO 748:1979, Mesure de débit des liquides dans les
1 . 1 Domaine d’app
canaux découverts - Méthodes d’exploration du
champ des vitesses.
La présente Norme internationale décrit comment
est créée et exploitée une station de jaugeage par
ISO 772:1988, Mesure de débit des liquides dans les
ultrasons (émission acoustique) pour mesurer le
canaux découverts - Vocabulaire et symboles.
débit dans les rivières, les canaux découverts ou
dans les conduites fermées à surface d’écoulement
ISO IIOO-2:1982! Mesure de débit des liquides dans
libre. Elle décrit également les principes de base de
les canaux découverts - Partie 2: Détermination de
la méthode, le fonctionnement et les caractéris-
la relation hauteur-débit.
tiques des appareils associés. Elle se limite à la
technique dite du ( ISO 4373:1979, Mesure de débit des liquides dans les
temps de passage des impulsions acoustiques, et
canaux découverts - Appareils de mesure du niveau
ne s’applique pas aux systèmes faisant appel aux
de l’eau.
techniques de l’effet Doppler ou du niveau d’écou-
lement.
ISO 5168:1978, Mesure de débit des fluides - Calcul
de l’erreur limite sur une mesure de débit.
1.2 Références normatives
Les normes suivantes contiennent des dispositions
1.3 Définitions
qui, par suite de la référence qui en est faite,
constituent des dispositions valables pour la pré- Pour les besoins de la présente Norme internatio-
sente Norme internationale. Au moment de la pu- nale, les définitions données dans I’ISO 772 s’appli-
blication, les éditions indiquées étaient en vigueur.
quent.
Toute norme est sujette à révision et les parties
prenantes des accords fondés sur la présente
1.4 Unités de mesure
Norme internationale sont invitées a rechercher la
possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes
Les unités de mesure utilisées dans la présente
des normes indiquées ci-après. Les membres de la
Norme internationale sont les unités du Système
CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes
internationales en vigueur à un moment donné. International (SI).
Section 2: Méthode de mesuraae
J
2.1.5 Pour mesurer le débit dans an chenal dé-
2.1 Principe
couvert, il convient d’observer un certain nombre
de considérations pratiques:
2.‘!.1 Une impulsion acoustique transmise dans de
a) les points de référence à chaque extrémité de la
l’eau en mouvement, dans une direction autre que
((trajectoire de vol,, doivent être situés sur les
perpendiculaire au sens moyen du mouvement,
berges opposées du cours d’eau;
aura un temps de parcours sur une distance donnée
différent de celui qu’elle aurait dans une eau sta-
b) la droite qui joint ces points de référence doit
tionnaire à même température et à mêmes caracté-
couper la ligne représentant le sens moyen
ristiques de salinité, de concentration en sédiments
d’écoulement selon un angle connu, compris
et de profondeur. Si l’impulsion acoustique est
normalement entre 30° et 60”.
transmise dans le sens d’écoulement de l’eau, elle
mettra moins de temps pour parcourir la distance
Lorsque l’angle d’intersection est supérieur à 60”,
en question qu’en eau stationnaire; si elle est
la différence des temps relevés pour des impulsions
transmise dans le sens contraire au sens d’écou-
acoustiques voyageant en sens opposé devient ex-
lement de l’eau, le temps de parcours sera plus
cessivement petite et difficile à mesurer. Ce pro-
long.
blème peut ne pas être grave quand les vitesses
mesurées sont élevées, mais peut soulever des dif-
ficultés quand elles sont faibles (quand les diffé-
2.1.2 Si l’on compare le temps mis par une impul-
rences de temps entre les impulsions aller et retour
sion acoustique pour parcourir une distance mesu-
sont elles-mêmes faibles).
rée entre deux points de référence dans un sens
donné, avec le temps mis pour parcourir la même
À 9Oo, il n’y a aucune différence entre le temps de
distance dans le sens opposé, on peut constater que
parcours des impulsions aller et retour.
la différence observée est dans un rapport direct
avec la vitesse moyenne de l’élément de courant
Un grand angle entraîne également une augmen-
dans la < tation de Iferreur de calcul des vitesses, en raison
de référence. C’est ce qu’on appellera la fwitesse
des erreurs découlant du mesurage de cet angle
sur trajectoire),.
lui-même. Ce phénomène est dû à la présence,
dans l’équation rapportant la différence de temps à
la vitesse, de la fonction cosinus (voir 2.8.1). Cet ef-
2.1.3 Ce principe, allié à une instrumentation ap-
fet est décrit au tableau 1.
propriée, permet de mesurer avec exactitude la vi-
tesse moyenne de l’élément du corps liquide
- Erreur systématique découlant du
Tableau 1
constitué par le segment de droite reliant les deux
non-parallélisme du sens supposé de l’écoulement
points de référence. Cette méthode d’échantillon-
et de l’axe du canal
nage des vitesses d’écoulement donne davantage
d’informations sur l’ensemble de l’écoulement
Erreur sur la vitesse pour une
qu’une mesure ponctuelle, mais elle est, toutefois,
Angle de trajectoire, différence de l0 entre le sens
encore loin d’être entièrement représentative du
réel et le sens supposé de
(f>
débit total.
l’écoulement
degrés Oh
2.1.4 Néanmoins, de même que l’intégration de
30 1
des vitesses
plusieurs échantillons ponctuels
45 2
d’écoulement donne une estimation de la vitesse
moyenne dans une section, une transformation ma- 3
thématique des mesurages de vitesse sur trajec-
toire peut remplir le même objectif. Le rapport entre
Lorsque l’angle d’intersection est inférieur à 30”, la
la vitesse de parcours sur trajectoire et la vitesse le
longueur des ((trajectoires de vol), résultantes peut
long d’une ligne d’écoulement (appelée ((vitesse en
devenir excessive et entraîner des problèmes d’in-
ligne,>) s’exprime par l’équation suivante:
tensité du signal ou de réflexion de celui-ci sur le lit
“trajectoire
du chenal ou la surface de l’eau. Cela peut aussi
Vigne =
COS q5 poser des problèmes de choix du site dans la me-
sure où la longueur de rivière ou de bief occupée
où (b est l’angle entre la trajectoire et le sens par l’appareil peut devenir excessive et cesser
d’être quasi uniforme.
d’écoulement (voir figure 1).
2.1.6 Pour pouvoir calculer le débit, il faut non
2.2.3 Transmission du son dans l’eau
seulement disposer d’une estimation de la vitesse
moyenne de l’eau dans la section de jaugeage, mais
2.2.3.1 Généralités
encore connaître l’aire de la section mouillée. Un
système de détermination du débit fondé sur le
Seule une partie de l’énergie acoustique transmise
principe des ultrasons devra donc être capable non
parvient à la cible. Le reste se perd pour diverses
seulement de faire des mesurages de la vitesse,
raisons. Cette perte d’intensité du signal est appe-
mais aussi de déterminer (ou de recevoir le signal
lée perte par propagation et se compose d’une
d’un autre système capable de déterminer) la pro-
perte par diffusion et d’une perte par atténuation.
fondeur de l’eau et de mettre en mémoire les don-
nées correspondant à la profondeur et à l’aide de la
2.2.3.2 Perte par diffusion
section mouillée. II devra également être capable
de résoudre les fonctions mathématiques nécessai-
La perte par diffusion est la diminution de l’intensité
res pour calculer le débit à partir des données mi-
acoustique due à l’élargissement de l’aire sur la-
ses en mémoire ou déterminées en direct.
quelle se répartit une énergie acoustique donnée.
Les pertes correspondantes dépendent de la rela-
lion entre la longueur de la trajectoire, le diamètre
2.2 Caractéristiques de propagation du
du transducteur à ultrasons et sa fréquence carac-
son dans l’eau
téristique. La diffusion respecte la loi des carrés in-
verses qui s’applique en général à toutes les formes
2.2.1 Généralités
d’énergie rayonnante. Si, toutefois, les signaux sont
mesurés sous forme de tensions, l’énergie étant
Le spectre acoustique englobe une large gamme de
alors proportionnelle au carré de la tension, la perte
fréquences. La gamme des fréquences audibles se
par diffusion suivra une loi inverse. Cet effet n’est
situe entre 50 Hz et 15 O@O Hz environ; c’est ce
observable que sur de faibles trajectoires. Au-delà
qu’on appelle les < de 20 m, d’autres phénomènes prédominent.
à 50 Hz sont généralement qualifiées de
((subsoniques,,; quant aux fréquences supérieures
2.2.3.3 Perte par atténuation
à 15 000 Hz, elles constituent normalement les <(ul-
trasonw
La perte par atténuation est la diminution de I’in-
tensité acoustique due à la résistance du milieu à la
2.2.2 Vitesse du son dans l’eau
transmission de l’énergie acoustique. Ce phéno-
mène est analogue aux pertes d’énergie électrique
La vitesse du son dans l’eau douce varie d’environ
dans un fil électrique où ne se produit pas de diffu-
1 400 m/s à un peu plus de 1 500 m/s dans la plage
sion. La perte par atténuation est directement pro-
des températures normales ambiantes, soit une va-
portionnelle au carré de la fréquence.
riation d’environ 7 O/(, (voir tableau 2). La vitesse du
son est fonction de la masse volumique et de
2.2.3.3.1 Dispersion
l’élasticité du milieu, mais est indépendante de la
fréquence.
La dispersion est la modification de la direction
dans laquelle se propage l’énergie acoustique pro-
voquée par les réflexions sur les innombrables hé-
Tableau 2 - Vitesse du son dans l’eau à différentes
térogénéités se trouvant dans l’eau, notamment les
températures
bulles d’air microscopiques et les particules de ma-
Vitesse approximative du son
Température tière en suspension. Ces hétérogénéités provoquent
des variations soudaines de l’impédance acoustique
OC
Ns
spécifique et donc une réflexion et une dispersion
du signal. L’effet provoqué augmente avec la fré-
0 1 400
quence du transducteur.
1 450
1 485
2.2.3.3.2 Absorption
1 510
L’absorption est un processus de transformation de
40 1 530
l’énergie acoustique en chaleur par frottement des
-- -
molécules de Veau, cependant que l’onde sonore
subit des compressions et des dilatations répétées
NOTE - CE > vitesses sont supérieures dans l’eau
du milieu. En général, cette perte est fonction du
contenant des sels dissous.
carré de la fréquence.
où
2.2.4 Réverbération
est la hauteur minimale, en mètres;
La réverbération est l’énergie renvoyée par des ré-
flecteurs autres que ceux de la cible. La réverbé-
1, est la longueur de trajectoi: 2, en mètres;
ration du son dans l’eau est un phénomène
analogue à l’effet d’optique familier qui affecte I’ef-
est la fréquence du transducteur, en
f
ficacité des phares d’automobile par une nuit de
hertz.
brouillard.
Une restriction similaire est applicable au lit du
chenal, notamment s’il est lisse et réfléchit plutôt
2.2.5 Réfraction
qu’il n’absorbe le signal acoustique.
La trajectoire suivie par une impulsion acoustique
est déviée par une variation significative de tempé-
2.3 Application
rature ou de masse volumique de l’eau dans la-
quelle l’impulsion se propage. Dans les rivières à
2.3.1 Généralités
cours lent et à faible mélange vertical, l’effet du so-
leil sur la surface peut engendrer un gradient de
Comme toutes les variantes de la méthode fonda-
température vertical qui déviera la trajectoire
mentale d’exploration du champ des vitesses, la
acoustique vers le lit. Avec un gradient de tempé-
méthode ne convient que dans certains cas. Les in-
rature de 0,5 OC par mètre de profondeur sur une
convénients et les limites d’emploi de cette méthode
trajectoire de 50 m, la déflexion verticale sera d’en-
sont indiqués en 2.5. Le présent article met l’accent
viron 2 m. À l’inverse, les gradients verticaux de
sur les points positifs.
masse volumique (qui peuvent être causés par la
pénétration d’eau salée dans le bief de jaugeage)
auront pour effet de dévier la trajectoire vers la 2.3.2 Chenaux découverts
surface. Des effets similaires peuvent résulter des
gradients horizontaux de température ou de masse
2.3.2.1 La méthode est bien adaptée à l’emploi
volumique associés, par exemple, à une ombre
pour les mesures générales de l’écoulement fluvial,
partielle projetée sur une eau ensoleillée ou à I’ap-
son principal avantage par rapport à d’autres tech-
port d’eaux provenant d’affluents de caractéris-
niques étant la liberté du choix du site. Cette mé-
tiques très différentes.
thode ne demande pas en particulier l’existence
d’une section de contrôle naturelle ou artificielle au
niveau de la station de jaugeage puisqu’il n’y a pas
2.2.6 Réflexion
besoin d’établir une relation univoque entre le débit
d’eau et son niveau.
Le son se réfléchit sur la surface de l’eau et, dans
une moindre mesure, sur le lit du chenal (voir
2.5.2.3). Le lit peut même constituer un absorbeur 2.3.2.2 Cette méthode donne une exactitude élevée
net du son. L’onde acoustique se propageant en dans la détermination du débit sur une large plage
travers de la rivière (en général sous la forme d’un des régimes d’écoulement rencontrés dans une
câne de 5” d’angle de sommet), va venir couper la section de jaugeage définie. Les détails relatifs à
surface de l’eau, se réfléchir et se déphaser de l’incertitude de mesurage sont donnés en 2.11. Une
180” au cours du processus. L’onde traversera la détermination du débit avec une exactitude prévisi-
rivière et arrivera sur la berge opposée. Son arrivée ble peut être obtenue dès la première mise en ser-
sera captée par le transducteur cible après celle de vice.
l’onde directe et la différence entre les temps d’ar-
rivée sera fonction de la différence des longueurs
2.3.2.3 L’emploi de cette méthode ne crée aucune
respectives des trajectoires directe et indirecte.
gêne pour la navigation ou pour le libre passage des
poissons. Elle ne crée ni risque significatif ni perte
Des erreurs de temps d’enregistrement des signaux
de jouissance pour les riverains ou autres exploi-
se produiront si le signal secondaire interfère avec
tants de la rivière. S’il est concu avec soin, I’appa-
le premier cycle du signal direct. Pour éviter cet ef-
reil de jaugeage ne doit causer aucune obstruction.
fet, il faut que la différence des deux trajectoires soit
supérieure à une longueur d’onde acoustique (vi-
2.3.3 Effets de reflux
tesse du son/fréquence). Tel sera le cas si la hau-
teur d’eau au-dessous de la trajectoire acoustique
La méthode tolère généralement les reflux dus aux
est supérieure à la valeur donnée par l’équation
marées ou au débit des affluents, les variations du
suivante:
niveau d’eau dans les réservoirs ou les biefs, I’obs-
truction périodique du chenal ou la croissance de
» min=27 4
végétation à l’aval.
J
-
aux besoins de l’utilisateur en matière de préci-
2.3.4 Chenaux multiples
sion ou de fiabilité, ou
Aux endroits où l’écoulement total se divise en deux
-
aux ressources dont dispose l’utilisateur pour
ou plusieurs chenaux physiquement distincts, la
maintenir les appareils en état opérationnel.
technique permet d’utiliser des instruments déter-
minant le débit séparément dans chaque chenal
puis de combiner ces données pour obtenir une dé-
2.4.2 Systèmes à trajectoire unique
termination unique globale.
2.4.2.1 Sous sa forme la plus élémentaire, le sys-
2.3.5 Mesurage du débit en plaine
tème de jaugeage peut fonctionner de facon tout à
d’inondation
fait satisfaisante avec une seule paire de’transd’uc-
teurs donnant donc une détermination unique de la
2.351 Lorsque l’écoulement n’est pas facile à
vitesse ( contenir dans une seule section bien définie et
finir une relation entre l’échantillon et la vitesse
qu’en particulier, une partie significative contourne
moyenne dans la section, on peut alors calculer le
la section principale de jaugeage pour s’étaler en
débit aussi facilement par ce moyen simple que par
une plaine d’inondation, il est possible, par de petits
n’importe quelle méthode plus compliquée.
travaux de génie civil très modestes, de subdiviser
la plaine d’inondation, en une série de
dont on peut mesurer séparément le débit.
2.4.2.2 La fixation des transducteurs doit permettre
de les déplacer dans le plan vertical. Le système
permet de déterminer le profil des vitesses verti-
2.352 Le concepteur de la station peut choisir soit
cales en utilisant le système de jaugeage d’une
de mesurer de cette manière le débit de la plaine
manière analogue à un mesurage à l’aide d’un
d’inondation, soit de procéder à un échantillonnage
moulinet à élément tournant. Dès qu’ils sont opé-
des débits ou des vitesses. Dans ce dernier cas, les
rationnels, les transducteurs sont placés à une
sections de jaugeage construites dans la plaine
hauteur donnant une estimation aussi fidèle que
d’inondation ne donneront pas une mesure totale
possible de la vitesse moyenne dans la section. On
mais constitueront des points de mesurage dont les
peut alors calculer le débit simplement et adopter
relevés de débit serviront aux examens et analyses
une forme relativement simple de conception de
futurs.
l’instrumentation.
2.3.6 Mesurage de débit dans les conduites
2.4.2.3 Le réglage des transducteurs peut aussi, en
fermées
variante, être changé à chaque saison, pour tenir
compte des différences de régime, mais il peut y
La méthode ultrasonique est aussi utilisée pour le
avoir des limites pratiques à la fréquence des
mesurage du débit dans les conduites fermées, y
changements et donc des limites à l’utilité générale
compris d’eaux pluviales ou d’égouts, en régime
de cette configuration.
d’écoulement libre ou en charge. II convient d’ap-
porter un soin particulier à la conception des
fixations des transducteurs qui ne doivent pas être
2.4.2.4 Pour le système de jaugeage à trajectoire
souillés, mais qu’il soit inutile d’introduire un obs-
unique avec des transducteurs mobiles, il faut que
tacle au libre écoulement dans l’égout peut présen-
le niveau de l’eau varie normalement peu à la sta-
ter un avantage notable.
tion de jaugeage, ou pour le moins que les va-
riations de niveau se fassent lentement. Des
variations assez importantes peuvent être parfois
2.4 Configuration du système de
absorbées si le phénomène est saisonnier, du type
remontée d’eaux souterraines, quand le débit ne
jaugeage
varie que lentement d’un jour à l’autre et que l’on
peut observer deux régimes très différents: été et
2.4.1 Généralités
hiver. La lenteur de ces variations permet parfois
de reprendre le réglage des transducteurs sur une
La méthode ultrasonique n’est que l’une des nom-
base saisonnière.
breuses méthodes permettant de mesurer la vitesse
d’un cours d’?au, et donc de définir une mesure de
2.4.2.5 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
base à partir de laquelle on peut calculer le débit.
que repose également sur l’hypothèse d’un profil
La technique d’échantillonnage de la vitesse peut
des vitesses relativement stable, très peu affecté
combiner diverses stratégies permettant de s’adap-
par les modifications de la relation niveau
ter
d’eau/débit. Elle peut n’être pas appropriée aux
-
aux configurations locales au niveau du site, emplacements soumis à des reflux importants.

2.4.2.6 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
2.4.4.2 II peut s’avérer difficile, dans la pratique, de
que est enfin très sensible à la détérioration physi- déterminer avec précision la direction moyenne de
que ou aux dysfonctionnements des transducteurs. l’écoulement en un site donné. L’hypothèse nor-
Elle ne comporte aucune capacité interne de redon- male, à savoir qu’elle est parallèle aux rives, n’est
dance instrumentale (voir 2.9). pas toujours vérifiée. Ce peut être vrzi dans certai-
nes parties de la plage de débit ou de niveau, mais
faux dans d’autres. Le site de jaugeage lui-même
2.4.3 Systèmes à trajectoires multiples
peut ne pas être idéal et il peut y avoir des effets
directionnels associés à une géométrie du canai ou
2.4.3.1 Dans les sites
à des conditions d’approche qui ne sont pas idéales.
À de faibles débits en particulier, les effets d’une
-
où l’on observe des variation S fréquentes et im-
géométrie complexe du lit peuvent prendre le pas
portantes de niveau d’eau ou d e débit,
sur ce que, de la rive, on considère normalement
comme étant la direction moyenne.
- la répartition des vitesses dans le plan vertical
s’écarte sensiblement de celle dans le plan thé-
orique, ou
2.4.4.3 Si l’on a des raisons de penser que I’écou-
lement ne sera pas parallèle aux rives du canal, et
-
en-
où les risques de reflux so nt élevés da ns un
si l’on pense que l’erreur qui en résultera proba-
vironnement h aut eur/débit par ailleurs stable
l et
blement sur le calcul du débit pourra être significa-
tive, il est possible d’introduire un élément
--
où la technique par ultra sons est néanmoins la
d’autocorrection: pour ce faire, on dispose les
plus a ppropriée d’emploi,
transducteurs de facon à obtenir deux ou plusieurs
,
séries de ((trajectoires de vol,> groupées par paires
il sera normalement nécessaire de prévoir deux
à la même hauteur, mais en forme de croix symé-
trajectoires, ou plus, pour obtenir une évaluation de
trique (voir figure 1).
la vitesse moyenne dans la section, plus précise
que ne le permet la trajectoire unique.
Transducteur Il
2.4.3.2 Le nombre de trajectoires possibles n’est
limité que par la conception de l’instrumentation de
mesurage choisie en fonction des contraintes de
Transducteur B
P
précision, de fiabilité et de prix de revient. Le but
recherché est d’arriver à une représentation accep-
table du profil des vitesses verticales dans la sec-
Sens de l’écoulement
*
tion jaugée, à tous les niveaux et débits, du plus
élevé au plus bas possible.
2.4.3.3 Si le système doit égalernent faire montre
d’un niveau élevé de sécurité de fonctionnement
Transducteur A
Transducteur C
(par exemple ne pas s’interrompre ou se dégrader),
il peut s’avérer nécessaire de prévoir un certain
Abri de la
nombre de trajectoires (redondantes), minimisant
statlon de
r-l
l’effet de la détérioration physique ou du mauvais
fonctionnement d’une ou de plusieurs trajectoires
sur l’exactitude globale de mesurage.
Plan d’une station de jaugeage à
Figure 1 -
croisées
trajectoires
2.4.3.4 La configuration à trajectoires multiples
permet également de faire face aux situations où la
section transversale du cours d’eau est de géomé-
trie complexe.
2.4.4.4 Avec ce genre de configuration, à chaque
2.4.4 Systèmes à trajectoires croisées
trajectoire orientée, par exemple, vers l’amont à
partir de la rive gauche, doit correspondre une tra-
jectoire équivalente, à même hauteur, mais orientée
2.4.4.1 L’un des principes fondamentaux de la
vers l’aval de cette même rive, et dirigée vers un
technique par ultrasons est que l’angle d’intersec-
tion de chaque ((trajectoire de vol>, d’un système point de la rive droite directement opposé au trans-
ducteur aval de la rive gauche. Les deux trajectoires
avec la droite représentant la direction moyenne de
jumelles doivent normalement se couper au milieu
l’écoulement à la hauteur correspondante doit être
du cours d’eau et former ainsi les côtés égaux de
connu avec précision. Les erreurs sur cet angle du
triangles isocèles opposés par le sommet. II
système sont en effet amplifiées par la méthode de
convient d’éviter les différences grossières de lon-
calcul du débit (voir tableau 1).

gueur de trajectoire, car il est fort probable que la
géométrie des sections amènera, elle, de grandes
différences. Reflecteur R
2.4.4.5 L’instrumentation du système doit calculer
séparément la vitesse en ligne sur chaque trajec-
/
Sens de
toire d’une paire de trajectoires croisées. Si les
\
/
l%coulement
deux vitesses calculées sont identiques (aux erreurs
\-
/
de calcul et de mesurage près), l’angle d’intersec-
\
/
tion pris en hypothèse pourra être considéré comme
\
/
correct. Si elles sont très différentes, c’est que I’an-
/ \
gle choisi est erroné. Dans ce cas, ni l’une ni l’autre
des vitesses calculées en lignes n’est correcte,
l’une est trop élevée, l’autre trop faible. L’incertitude
fondamentale de mesurage inh&ente à ce procédé
Transducteur aval A
I
est traitée en 2.11 qui en indique les limites de
faisabilité et, par suite, de signification (voir
annexe A).
Longueur totale de tra)ectolre L = AR + RB
2.4.4.6 Si la direction moyenne vraie de I’écou-
lement ne change pas de manière significative dans
Figure 2 - Plan d’une station de jaugeage à
le bief de mesure, il suffira de faire la moyenne des
trajectoire réfléchie
paires de vitesses en ligne obtenues pour obtenir
une valeur très proche de la vitesse moyenne vraie
à la hauteur considérée, les erreurs inhérentes
s’annulant l’une l’autre. Le risque d’erreur restant,
dû à un changement de direction de l’écoulement
2.4.5.4 Ce système permet également d’avoir des
dans le bief de jaugeage, peut être réduit par le
<(trajectoires de VO~~~ plus longues lorsqu’on veut
choix d’un bief aussi court que possible.
améliorer l’exactitude de mesure aux faibles vites-
ses mais qu’on ne peut pas réaliser un angle nomi-
2.4.4.7 Aux endroits air l’on exige une grande fia-
nal d’intersection plus aigu.
bilité de jaugeage, le principe de la redondance peut
être combiné à l’usage de trajectoires croisées pour
2.4.5.5 Un autre avantage de ce système vient du
réduire le risque de détérioration physique du sys-
fait qu’il n’est pas nécessaire de tenir compte de
tème, les transducteurs étant physiquement séparés
l’angle des trajectoires dans l’équation du calcul de
les uns des autres sur la rive de la rivière.
la vitesse en ligne (voir 2.8.1.2) et qu’on élimine
donc une source importante d’incertitude poten-
2.4.5 Systèmes à trajectoires réfléchies
tielle.
2.4.5.1 Le système de mesurage de base par ul-
2.4.6 Systèmes subdivisant la section
trasons demande normalement que des transduc-
teurs soient montés des deux côtés du chenal. II faut
2.4.6.1 La technologie instrumentale moderne per-
donc que les câbles de transmission des signaux et
met d’adopter des configurations de trajectoires ex-
de l’énergie traversent le chenal, qu’ils soient sus-
trêmement complexes tout en conservant des
pendus au-dessus du lit, posés sur celui-ci ou en-
possibilités de contrôle et des modes de calcul re-
terrés.
lativement aisés.
2.4.5.2 II existe cependant des cas où il n’est pas
2.4.6.2 Si la géométrie du site est complexe
possible d’installer des transducteurs sur les deux
(chenal principal avec plaine d’inondation par
rives. L’une des rives peut en effet être inaccessible
exemple) et si le mesurage doit donc se faire sur
et rendre l’entretien du système difficile.
une très grande étendue, ou si le chenal principal
est lui-même extrêmement large, il est possible
2.4.5.3 Dans ces cas, on peut avoir recours à un d’opérer en divisant la section en un certain nombre
système de transducteurs émetteurs et récepteurs de chenaux séparés, chaque chenal étant traité
placés sur IF même rive et d’un réflecteur passif si- comme une entité de jaugeage relativement simple
tué sur la rive opposée (voir figure 2). La conception
et de faire la somme des divers résultats obtenus
du réflecteur est indiquée en 3.2.1.2.
(voir 2.3.5.1).
berge, doit être aussi horizontal que possible. La
2.5 Choix de l’emplacement
variation de la géométrie ou de la forme de la sec-
tion entre les extrémités amont et aval du troncon
.
jaugé doit être minimale.
2.51 Contraintes d’ordre pratique
2.5.1 .l Accès
2.5.2.2 Stabilité de la section
Le site où doit être mise en œuvre la technique par
ultrasons doit être d’accès facile. Son installation
Les appareils calculant le débit exigent de connaître
peut nécessiter un certain nombre de travaux de
la relation entre la profondeur d’eau et l’aire de la
génie civil et l’apport d’équipements de construction
section. Cette relation doit rester stable dans le
lourds. La technique repose sur l’emploi de techno-
temps. II convient donc d’éviter les endroits pouvant
logies électroniques et la première mise en service
connaître des instabilités significatives du niveau ou
ainsi que l’entretien des matériels demandent I’uti-
du profil du lit.
lisation d’un équipement électronique spécialisé. Il
convient d’éviter le transport de ces matériels à dos
d’homme.
2.5.2.3 Rapport d’aspect du chenal
2.5.1.2 Alimentation en énergie
Les impulsions sonores générées par l’appareil à
L’alimentation à courte durée (48 h) des modèles
ultrasons se propagent dans l’eau sous forme de
sophistiqués et l’alimentation à longue durée (3 à 6
cônes de projection. Si le chenal est plus large que
mois) des modèles simples, qui ont un taux
profond, le cône de projection d’un ou de plusieurs
d’échantillonnage faible, sont possibles. Les enre-
des transducteurs émetteurs pourra rencontrer le lit
gistreurs de données et les appareils de télémesure
ou la surface de l’eau avant d’atteindre le transduc-
peuvent aussi fonctionner sur des batteries d’ali-
teur récepteur correspondant, d’où une réflexion du
mentation à longue durée (pendant de longues an-
signal (voir 2.2.6). A moins que le système ne soit
nées). Cependant, pour un fonctionnement sûr et
concu de facon très soigneuse, ce phénomène en-
prolongé d’un débimètre à trajectoires multiples, la
gendrera des difficultés insurmontables d’interpré-
technique demande une source continue d’énergie
tation des signaux et des résultats parasites.
électrique. Aussi faut-il pouvoir faire les raccor-
dements à un coût acceptable, au secteur ou à des
Les systèmes par ultrasons sont impropres à
moyens locaux.
l’usage dans les chenaux larges et peu profonds
(pour les particularités concernant le mesurage du
débit en plaine d’inondation, voir 2.3.5). Les restric-
2.5.1.3 Étalonnage et mesurage de vérification
tions s’appliquant à un site particulier dépendent du
nombre de trajectoires prévues et du nombre de
La technique permet de déterminer une valeur ab-
trajectoires restant opérationnelles en régime de
solue de la vitesse mais les systèmes concus pour
basses eaux. II est facile de calculer les rapports li-
un petit nombre de trajectoires séparées peuvent
mites Iargeur/profondeur et de proposer une straté-
nécessiter des étalonnages périodiques d’étalon-
gie de rechange.
nage visant à établir la relation entre la vitesse in-
diquée (et donc le débit calculé) et une
Les sons à basse fréquence subissent une atté-
détermination de la vitesse dans la section par une
nuation moindre avec la distance que les sons à
autre méthode. Quant aux systèmes à trajectoires
haute fréquence (voir 2.2 pour ces détails). Lorsque
multiples où l’échantillonnage des vitesses dans la
la trajectoire est de faible longueur, l’utilisation
section est par conception convenable, ils font sou-
d’appareils à basse fréquence pourra donner une
vent l’objet de vérifications par une autre méthode
erreur inacceptable sur le mesurage du temps de
les utilisateurs des données. II est
pour <
vol (voir tableau 3).
donc prudent, quand on choisit un site de jaugeage
de penser aux autres méthodes utilisables.
La hauteur minimale J),~>i~~ est déterminée par
l’équation donnée en 2.2.6.
2.52 Contraintes d’ordre physique au niveau
L’incertitude découle de l’hypothèse d’une erreur
du site
de + 1/50 (2 %) de la période de la longueur d’onde
et de + 20 ns sur le chronométrage moyen du signal
acoustique. Dans le cas des systèmes concus pour
2.5.2.1 Géométrie de la section
de petits chenaux (d’une largeur de moins de 5 m),
une différence de temps de + 3 ns peut être atteinte
Le chenal à jauger doit être rectiligne et ses berges
(voir 3.2.3.6).
doivent être parallèles. Le profil du lit, de berge à
réfraction ou réflexion. Dans les estuaires larges,
du son en fonction de la
Tableau 3 - Fréquence les apports d’eau saumâtre peuvent provoquer des
longueur de trajectoire et de s distances minimales gradients transversaux et il faudra peut-être laisser
davantage de temps pour que l’écoulement se sta-
Incertitude
Distance
bilise et que les masses volumiques deviennent
sur la
minimale type
uniformes, avant de faire les mesurages.
détermination
Longueur entre
Fréquence de de la vitesse
de transducteur
fonctionnemenl due à l’erreur
trajectoire et surface de 2.5.2.8 Effets du profil des vitesses
de mesurage
l’eau ou lit du
du temps de
chenal
vol Pour une meilleure efficacité du système de jau-
geage, il faut des profils de vitesse ne présentant
m m m/s
kHz
que des différences minimes entre les extrémités
amont et aval de la section de jaugeage. II convient
0,005 à
300 3,0 à 1,5 30 à 100
0,0015
d’éviter les biefs où le profil des vitesses change
trop. Si aucun autre site n’est disponible il convient
0,003 à
150 1,0 à 0,6 100 à 300
0,0013
d’essayer
80 0,5 à 0,35 200 à 500 0,903 à 0,002
- d’avoir un bief aussi court que possible,
30 0,3 à 0,15 300 à 1000 0,006 à 0,003
10 0,12 à 0,07 500 à 1500 0,013 à 0,007
- d’ajouter des trajectoires pour avoir une
meilleure appréhension de la distribution des vi-
tesses sur les verticales, ou
2.5.2.4 Végétation
- de corriger le non-para1 lé
lisme de I’écou lement
La section de jaugeage doit être exempte de végé-
en adoptant un système à trajectoires cro isées.
tation qui atténue sérieusement le signal acousti-
que. Le type de végétation influe sur le phénomène
2.5.3 Contraintes d’ordre physique à une
puisque c’est l’air enfermé par les plantes qui est
certaine distance du site
responsable de l’effet non désiré.
2.5.2.5 Gradients de température de l’eau 2.5.3.1 Air entraîné
Les gradients de température de l’eau peuvent pro- La présence de grandes quantités de bulles d’air
voquer une réfraction du signal acoustique, avec dans l’eau peut entraîner une réflexion et une dis-
une perte de signal (voir 2.2.5). Les biefs à eaux persion de l’onde acoustique propagée. Tout em-
profondes même en régime de basses eaux (où la placement en aval d’un barrage, d’un déversoir,
vitesse moyenne d’écoulement se ralentit) peuvent d’une chute d’eau, d’un moulin ou d’une centrale
souffrir de ce problème pendant les périodes de fort hydraulique peut souffrir de ce genre de problème
ensoleillement. qui se fait sentir à plusieurs kilomètres en aval de
la perturbation. Le système de jaugeage par ultra-
sons doit être situé à au moins 30 min de temps de
2.5.2.6 Transport solide
parcours à l’aval de la source d’aération.
La présence de matières solides en suspension
2.5.3.2 Effets des affluents
dans l’eau peut avoir un effet significatif sur I’atté-
nuation du signal et cause à la fois une réflexion et
une dispersion. Aux endroits où la concentration La technique par ultrasons est au maximum de sa
peut dépasser 1 500 mg/l pendant des périodes si- fiabilité lorsque l’eau du bief de chenal à jauger a
gnificatives ou bien où la fiabilité des mesurages est des propriétés physiques aussi homogènes que
d’importance primordiale, il vaudra mieux renoncer possible. La présence d’un affluent amont dont l’eau
aux techniques ultrasoniques (voir 3.2.3.2). a une nature physique très différente, peut poser
des problèmes. Les différences porteront en général
sur la température de l’eau ou sur la charge de
2.5.2.7 Effets de la masse volumique de l’eau
sédiments en suspension. Le mélange homogène
des deux veines ne peut pas se faire à une distance
Des apports d’eau salée ou saumâtre ou d’eaux de
considérable en aval du point de confluence.
masse volumique différente pour d’autres causes,
peuvent créer des problèmes. Les effets seront les
253.3 Bruit électrique ambiant
mêmes qu’avec les gradients de température (voir
2.5.2.5). Le facteur clé est la nature périodique de
l’apport. La technique n’est pas en soi inutilisable Le bon fonctionnement de la technique ultrasonique
dans les eaux saumâtres ou salées mais s’il y a une repose sur la fiabilité et la sensibilité de I’électroni-
interface de masse volumique au niveau du site de que utilisée. Certains modèles d’appareils peuvent
jaugeage, on pourra avoir une perte de signal par grandement souffrir des effets du bruit électrique
ambiant, lequel peut provenir d’endroits tout à fait
2.6.3 Étude de la section
éloignés du site de jaugeage. Des émetteurs radio
puissants situés à plusieurs kilomètres peuvent en
2.6.3.1 La section de jaugeage envisagée doit faire
effet poser des problèmes. La plupart de ces diffi-
l’objet d’une étude approfondie. Si les zirconstances
cultés sont surmontables mais par des protections
le permettent, cette étude doit englober au moins
spéciales.
dix largeurs de rivière en amont et deux largeurs
en aval. Le nombre minimal de sections à étudier
est de trois, mais il est souhaitable de dépasser ce
2.5.3.4 Effets hydrauliques à distance
nombre.
Les profils des vitesses s’écartant notablement de
2.6.3.2 L’étude topographique de la section doit
l’idéal peuvent résulter des conditions du lit, des
être répétée plusieurs fois et les résultats doivent
berges ou des affluents très éloignés de l’appareil
être comparés pour s’assurer que le lit et les berges
de jaugeage lui-même mais dont les effets persis-
sont bien stables. II faut rechercher les sections re-
tent au niveau du site. Ces conditions peuvent ne se
présentatives
rencontrer qu’à certains régimes. II convient toute-
fois d’éviter de placer l’appareil près d’un coude du
- des régimes extrêmes de basses eaux,
chenal, ou près du confluent de cours d’eau dont le
régime hydrologique diffère beaucoup de celui du
suivant imm édiatement une
- des conditions crue
cours d’eau principal.
ou u ne marée significa tive, et
- des tond itions représentatives des rég imes sai-
sonniers.
2.6 Étude du site
2.6.3.3 Dans l’idéal, il convient d’obtenir des ren-
seignements s’étalant sur plusieurs années sur la
...

ISO
NORME
INTERNATIONALE 6416
Deuxième édition
1992-09-I 5
\Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Mesure du débit à l’aide de la
méthode ultrasonique (acoustique)
Measurement of liquid f7ow in open channels - Measurement of
discharge by the ultrasonic (acousfic) method
Numéro de référence
ISO 6416: 1992(F)
Sommaire
Page
Section 1 Généralités .,.,,.,.,.,.
1.1 Domaine d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Références normatives
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .,.,.,.
1.3 Définitions
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*. 1
1.4 Unités de mesure
Section 2 Méthode de mesurage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~.~.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Principe
. . . . . . . . . . . . 3
2.2 Caractéristiques de propagation du son dans l’eau
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Application
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Configuration du système de jaugeage
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Choix de l’emplacement
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. 10
2.6 Étude du site
. . . . . . . . . . . . . . . . . II
2.7 Caractéristiques des mesurages opérationnels
................... .................................. 12
2.8 Caractéristiques de calcul
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.9 Concept de redondance des mesurages
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Étalonnage du système
...................................... 17
..............
2.11 Incertitudes de mesurage
..,.,,....,,....,..,.....,.....,,.,.........,,,,,~......
Section 3 Station de jaugeage
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. .a.
3.1 Généralités
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Conception et construction des matériels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Sortie du système
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.,.,,.,,.,.*., 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Mise en service
..,........ . . . . . . . . . . . . . . . . . ..*.....................
3.6 Manuel de fonction nement
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Entretien et maintenance
0 ISO 1992
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être repro-
duite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou
mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord krit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 l CH-1211 Genève 20 l Suisse
imprimé en Suisse
ii
Annexe
A Détermination du sens de l’écoulement à partir des données
découlant de trajectoires croisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
. . .
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 en général
confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre inté-
ressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique créé
à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec I’ISO participent egalement aux tra-
vaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique
internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotech-
nique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techni-
ques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins
des comités membres votants.
La Norme internationale ISO 6416 a été élaborée par le comité techni-
que ISO/TC 113, Mesure de débit des liquides dans les cariaux décou-
verts, sous-comité SC 1, Méthodes d’exploration du champ des
vitesses.
Cette deuxième édition annule et remplace la prernière édition
(ISO 6416:1985 et ISO 6418:1985), dont elle constitue une révision ma-
jeure, et une combinaison.
L’annexe A fait partie intégrante de la présente Norme internationale.
iv
NORME INTERNATIONALE
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts -
Mesure du débit à l’aide de la méthode ultrasonique
(acoustique)
Section 1: Généralités
ISO 748:1979, Mesure de débit des liquides dans les
1 . 1 Domaine d’app
canaux découverts - Méthodes d’exploration du
champ des vitesses.
La présente Norme internationale décrit comment
est créée et exploitée une station de jaugeage par
ISO 772:1988, Mesure de débit des liquides dans les
ultrasons (émission acoustique) pour mesurer le
canaux découverts - Vocabulaire et symboles.
débit dans les rivières, les canaux découverts ou
dans les conduites fermées à surface d’écoulement
ISO IIOO-2:1982! Mesure de débit des liquides dans
libre. Elle décrit également les principes de base de
les canaux découverts - Partie 2: Détermination de
la méthode, le fonctionnement et les caractéris-
la relation hauteur-débit.
tiques des appareils associés. Elle se limite à la
technique dite du ( ISO 4373:1979, Mesure de débit des liquides dans les
temps de passage des impulsions acoustiques, et
canaux découverts - Appareils de mesure du niveau
ne s’applique pas aux systèmes faisant appel aux
de l’eau.
techniques de l’effet Doppler ou du niveau d’écou-
lement.
ISO 5168:1978, Mesure de débit des fluides - Calcul
de l’erreur limite sur une mesure de débit.
1.2 Références normatives
Les normes suivantes contiennent des dispositions
1.3 Définitions
qui, par suite de la référence qui en est faite,
constituent des dispositions valables pour la pré- Pour les besoins de la présente Norme internatio-
sente Norme internationale. Au moment de la pu- nale, les définitions données dans I’ISO 772 s’appli-
blication, les éditions indiquées étaient en vigueur.
quent.
Toute norme est sujette à révision et les parties
prenantes des accords fondés sur la présente
1.4 Unités de mesure
Norme internationale sont invitées a rechercher la
possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes
Les unités de mesure utilisées dans la présente
des normes indiquées ci-après. Les membres de la
Norme internationale sont les unités du Système
CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes
internationales en vigueur à un moment donné. International (SI).
Section 2: Méthode de mesuraae
J
2.1.5 Pour mesurer le débit dans an chenal dé-
2.1 Principe
couvert, il convient d’observer un certain nombre
de considérations pratiques:
2.‘!.1 Une impulsion acoustique transmise dans de
a) les points de référence à chaque extrémité de la
l’eau en mouvement, dans une direction autre que
((trajectoire de vol,, doivent être situés sur les
perpendiculaire au sens moyen du mouvement,
berges opposées du cours d’eau;
aura un temps de parcours sur une distance donnée
différent de celui qu’elle aurait dans une eau sta-
b) la droite qui joint ces points de référence doit
tionnaire à même température et à mêmes caracté-
couper la ligne représentant le sens moyen
ristiques de salinité, de concentration en sédiments
d’écoulement selon un angle connu, compris
et de profondeur. Si l’impulsion acoustique est
normalement entre 30° et 60”.
transmise dans le sens d’écoulement de l’eau, elle
mettra moins de temps pour parcourir la distance
Lorsque l’angle d’intersection est supérieur à 60”,
en question qu’en eau stationnaire; si elle est
la différence des temps relevés pour des impulsions
transmise dans le sens contraire au sens d’écou-
acoustiques voyageant en sens opposé devient ex-
lement de l’eau, le temps de parcours sera plus
cessivement petite et difficile à mesurer. Ce pro-
long.
blème peut ne pas être grave quand les vitesses
mesurées sont élevées, mais peut soulever des dif-
ficultés quand elles sont faibles (quand les diffé-
2.1.2 Si l’on compare le temps mis par une impul-
rences de temps entre les impulsions aller et retour
sion acoustique pour parcourir une distance mesu-
sont elles-mêmes faibles).
rée entre deux points de référence dans un sens
donné, avec le temps mis pour parcourir la même
À 9Oo, il n’y a aucune différence entre le temps de
distance dans le sens opposé, on peut constater que
parcours des impulsions aller et retour.
la différence observée est dans un rapport direct
avec la vitesse moyenne de l’élément de courant
Un grand angle entraîne également une augmen-
dans la < tation de Iferreur de calcul des vitesses, en raison
de référence. C’est ce qu’on appellera la fwitesse
des erreurs découlant du mesurage de cet angle
sur trajectoire),.
lui-même. Ce phénomène est dû à la présence,
dans l’équation rapportant la différence de temps à
la vitesse, de la fonction cosinus (voir 2.8.1). Cet ef-
2.1.3 Ce principe, allié à une instrumentation ap-
fet est décrit au tableau 1.
propriée, permet de mesurer avec exactitude la vi-
tesse moyenne de l’élément du corps liquide
- Erreur systématique découlant du
Tableau 1
constitué par le segment de droite reliant les deux
non-parallélisme du sens supposé de l’écoulement
points de référence. Cette méthode d’échantillon-
et de l’axe du canal
nage des vitesses d’écoulement donne davantage
d’informations sur l’ensemble de l’écoulement
Erreur sur la vitesse pour une
qu’une mesure ponctuelle, mais elle est, toutefois,
Angle de trajectoire, différence de l0 entre le sens
encore loin d’être entièrement représentative du
réel et le sens supposé de
(f>
débit total.
l’écoulement
degrés Oh
2.1.4 Néanmoins, de même que l’intégration de
30 1
des vitesses
plusieurs échantillons ponctuels
45 2
d’écoulement donne une estimation de la vitesse
moyenne dans une section, une transformation ma- 3
thématique des mesurages de vitesse sur trajec-
toire peut remplir le même objectif. Le rapport entre
Lorsque l’angle d’intersection est inférieur à 30”, la
la vitesse de parcours sur trajectoire et la vitesse le
longueur des ((trajectoires de vol), résultantes peut
long d’une ligne d’écoulement (appelée ((vitesse en
devenir excessive et entraîner des problèmes d’in-
ligne,>) s’exprime par l’équation suivante:
tensité du signal ou de réflexion de celui-ci sur le lit
“trajectoire
du chenal ou la surface de l’eau. Cela peut aussi
Vigne =
COS q5 poser des problèmes de choix du site dans la me-
sure où la longueur de rivière ou de bief occupée
où (b est l’angle entre la trajectoire et le sens par l’appareil peut devenir excessive et cesser
d’être quasi uniforme.
d’écoulement (voir figure 1).
2.1.6 Pour pouvoir calculer le débit, il faut non
2.2.3 Transmission du son dans l’eau
seulement disposer d’une estimation de la vitesse
moyenne de l’eau dans la section de jaugeage, mais
2.2.3.1 Généralités
encore connaître l’aire de la section mouillée. Un
système de détermination du débit fondé sur le
Seule une partie de l’énergie acoustique transmise
principe des ultrasons devra donc être capable non
parvient à la cible. Le reste se perd pour diverses
seulement de faire des mesurages de la vitesse,
raisons. Cette perte d’intensité du signal est appe-
mais aussi de déterminer (ou de recevoir le signal
lée perte par propagation et se compose d’une
d’un autre système capable de déterminer) la pro-
perte par diffusion et d’une perte par atténuation.
fondeur de l’eau et de mettre en mémoire les don-
nées correspondant à la profondeur et à l’aide de la
2.2.3.2 Perte par diffusion
section mouillée. II devra également être capable
de résoudre les fonctions mathématiques nécessai-
La perte par diffusion est la diminution de l’intensité
res pour calculer le débit à partir des données mi-
acoustique due à l’élargissement de l’aire sur la-
ses en mémoire ou déterminées en direct.
quelle se répartit une énergie acoustique donnée.
Les pertes correspondantes dépendent de la rela-
lion entre la longueur de la trajectoire, le diamètre
2.2 Caractéristiques de propagation du
du transducteur à ultrasons et sa fréquence carac-
son dans l’eau
téristique. La diffusion respecte la loi des carrés in-
verses qui s’applique en général à toutes les formes
2.2.1 Généralités
d’énergie rayonnante. Si, toutefois, les signaux sont
mesurés sous forme de tensions, l’énergie étant
Le spectre acoustique englobe une large gamme de
alors proportionnelle au carré de la tension, la perte
fréquences. La gamme des fréquences audibles se
par diffusion suivra une loi inverse. Cet effet n’est
situe entre 50 Hz et 15 O@O Hz environ; c’est ce
observable que sur de faibles trajectoires. Au-delà
qu’on appelle les < de 20 m, d’autres phénomènes prédominent.
à 50 Hz sont généralement qualifiées de
((subsoniques,,; quant aux fréquences supérieures
2.2.3.3 Perte par atténuation
à 15 000 Hz, elles constituent normalement les <(ul-
trasonw
La perte par atténuation est la diminution de I’in-
tensité acoustique due à la résistance du milieu à la
2.2.2 Vitesse du son dans l’eau
transmission de l’énergie acoustique. Ce phéno-
mène est analogue aux pertes d’énergie électrique
La vitesse du son dans l’eau douce varie d’environ
dans un fil électrique où ne se produit pas de diffu-
1 400 m/s à un peu plus de 1 500 m/s dans la plage
sion. La perte par atténuation est directement pro-
des températures normales ambiantes, soit une va-
portionnelle au carré de la fréquence.
riation d’environ 7 O/(, (voir tableau 2). La vitesse du
son est fonction de la masse volumique et de
2.2.3.3.1 Dispersion
l’élasticité du milieu, mais est indépendante de la
fréquence.
La dispersion est la modification de la direction
dans laquelle se propage l’énergie acoustique pro-
voquée par les réflexions sur les innombrables hé-
Tableau 2 - Vitesse du son dans l’eau à différentes
térogénéités se trouvant dans l’eau, notamment les
températures
bulles d’air microscopiques et les particules de ma-
Vitesse approximative du son
Température tière en suspension. Ces hétérogénéités provoquent
des variations soudaines de l’impédance acoustique
OC
Ns
spécifique et donc une réflexion et une dispersion
du signal. L’effet provoqué augmente avec la fré-
0 1 400
quence du transducteur.
1 450
1 485
2.2.3.3.2 Absorption
1 510
L’absorption est un processus de transformation de
40 1 530
l’énergie acoustique en chaleur par frottement des
-- -
molécules de Veau, cependant que l’onde sonore
subit des compressions et des dilatations répétées
NOTE - CE > vitesses sont supérieures dans l’eau
du milieu. En général, cette perte est fonction du
contenant des sels dissous.
carré de la fréquence.
où
2.2.4 Réverbération
est la hauteur minimale, en mètres;
La réverbération est l’énergie renvoyée par des ré-
flecteurs autres que ceux de la cible. La réverbé-
1, est la longueur de trajectoi: 2, en mètres;
ration du son dans l’eau est un phénomène
analogue à l’effet d’optique familier qui affecte I’ef-
est la fréquence du transducteur, en
f
ficacité des phares d’automobile par une nuit de
hertz.
brouillard.
Une restriction similaire est applicable au lit du
chenal, notamment s’il est lisse et réfléchit plutôt
2.2.5 Réfraction
qu’il n’absorbe le signal acoustique.
La trajectoire suivie par une impulsion acoustique
est déviée par une variation significative de tempé-
2.3 Application
rature ou de masse volumique de l’eau dans la-
quelle l’impulsion se propage. Dans les rivières à
2.3.1 Généralités
cours lent et à faible mélange vertical, l’effet du so-
leil sur la surface peut engendrer un gradient de
Comme toutes les variantes de la méthode fonda-
température vertical qui déviera la trajectoire
mentale d’exploration du champ des vitesses, la
acoustique vers le lit. Avec un gradient de tempé-
méthode ne convient que dans certains cas. Les in-
rature de 0,5 OC par mètre de profondeur sur une
convénients et les limites d’emploi de cette méthode
trajectoire de 50 m, la déflexion verticale sera d’en-
sont indiqués en 2.5. Le présent article met l’accent
viron 2 m. À l’inverse, les gradients verticaux de
sur les points positifs.
masse volumique (qui peuvent être causés par la
pénétration d’eau salée dans le bief de jaugeage)
auront pour effet de dévier la trajectoire vers la 2.3.2 Chenaux découverts
surface. Des effets similaires peuvent résulter des
gradients horizontaux de température ou de masse
2.3.2.1 La méthode est bien adaptée à l’emploi
volumique associés, par exemple, à une ombre
pour les mesures générales de l’écoulement fluvial,
partielle projetée sur une eau ensoleillée ou à I’ap-
son principal avantage par rapport à d’autres tech-
port d’eaux provenant d’affluents de caractéris-
niques étant la liberté du choix du site. Cette mé-
tiques très différentes.
thode ne demande pas en particulier l’existence
d’une section de contrôle naturelle ou artificielle au
niveau de la station de jaugeage puisqu’il n’y a pas
2.2.6 Réflexion
besoin d’établir une relation univoque entre le débit
d’eau et son niveau.
Le son se réfléchit sur la surface de l’eau et, dans
une moindre mesure, sur le lit du chenal (voir
2.5.2.3). Le lit peut même constituer un absorbeur 2.3.2.2 Cette méthode donne une exactitude élevée
net du son. L’onde acoustique se propageant en dans la détermination du débit sur une large plage
travers de la rivière (en général sous la forme d’un des régimes d’écoulement rencontrés dans une
câne de 5” d’angle de sommet), va venir couper la section de jaugeage définie. Les détails relatifs à
surface de l’eau, se réfléchir et se déphaser de l’incertitude de mesurage sont donnés en 2.11. Une
180” au cours du processus. L’onde traversera la détermination du débit avec une exactitude prévisi-
rivière et arrivera sur la berge opposée. Son arrivée ble peut être obtenue dès la première mise en ser-
sera captée par le transducteur cible après celle de vice.
l’onde directe et la différence entre les temps d’ar-
rivée sera fonction de la différence des longueurs
2.3.2.3 L’emploi de cette méthode ne crée aucune
respectives des trajectoires directe et indirecte.
gêne pour la navigation ou pour le libre passage des
poissons. Elle ne crée ni risque significatif ni perte
Des erreurs de temps d’enregistrement des signaux
de jouissance pour les riverains ou autres exploi-
se produiront si le signal secondaire interfère avec
tants de la rivière. S’il est concu avec soin, I’appa-
le premier cycle du signal direct. Pour éviter cet ef-
reil de jaugeage ne doit causer aucune obstruction.
fet, il faut que la différence des deux trajectoires soit
supérieure à une longueur d’onde acoustique (vi-
2.3.3 Effets de reflux
tesse du son/fréquence). Tel sera le cas si la hau-
teur d’eau au-dessous de la trajectoire acoustique
La méthode tolère généralement les reflux dus aux
est supérieure à la valeur donnée par l’équation
marées ou au débit des affluents, les variations du
suivante:
niveau d’eau dans les réservoirs ou les biefs, I’obs-
truction périodique du chenal ou la croissance de
» min=27 4
végétation à l’aval.
J
-
aux besoins de l’utilisateur en matière de préci-
2.3.4 Chenaux multiples
sion ou de fiabilité, ou
Aux endroits où l’écoulement total se divise en deux
-
aux ressources dont dispose l’utilisateur pour
ou plusieurs chenaux physiquement distincts, la
maintenir les appareils en état opérationnel.
technique permet d’utiliser des instruments déter-
minant le débit séparément dans chaque chenal
puis de combiner ces données pour obtenir une dé-
2.4.2 Systèmes à trajectoire unique
termination unique globale.
2.4.2.1 Sous sa forme la plus élémentaire, le sys-
2.3.5 Mesurage du débit en plaine
tème de jaugeage peut fonctionner de facon tout à
d’inondation
fait satisfaisante avec une seule paire de’transd’uc-
teurs donnant donc une détermination unique de la
2.351 Lorsque l’écoulement n’est pas facile à
vitesse ( contenir dans une seule section bien définie et
finir une relation entre l’échantillon et la vitesse
qu’en particulier, une partie significative contourne
moyenne dans la section, on peut alors calculer le
la section principale de jaugeage pour s’étaler en
débit aussi facilement par ce moyen simple que par
une plaine d’inondation, il est possible, par de petits
n’importe quelle méthode plus compliquée.
travaux de génie civil très modestes, de subdiviser
la plaine d’inondation, en une série de
dont on peut mesurer séparément le débit.
2.4.2.2 La fixation des transducteurs doit permettre
de les déplacer dans le plan vertical. Le système
permet de déterminer le profil des vitesses verti-
2.352 Le concepteur de la station peut choisir soit
cales en utilisant le système de jaugeage d’une
de mesurer de cette manière le débit de la plaine
manière analogue à un mesurage à l’aide d’un
d’inondation, soit de procéder à un échantillonnage
moulinet à élément tournant. Dès qu’ils sont opé-
des débits ou des vitesses. Dans ce dernier cas, les
rationnels, les transducteurs sont placés à une
sections de jaugeage construites dans la plaine
hauteur donnant une estimation aussi fidèle que
d’inondation ne donneront pas une mesure totale
possible de la vitesse moyenne dans la section. On
mais constitueront des points de mesurage dont les
peut alors calculer le débit simplement et adopter
relevés de débit serviront aux examens et analyses
une forme relativement simple de conception de
futurs.
l’instrumentation.
2.3.6 Mesurage de débit dans les conduites
2.4.2.3 Le réglage des transducteurs peut aussi, en
fermées
variante, être changé à chaque saison, pour tenir
compte des différences de régime, mais il peut y
La méthode ultrasonique est aussi utilisée pour le
avoir des limites pratiques à la fréquence des
mesurage du débit dans les conduites fermées, y
changements et donc des limites à l’utilité générale
compris d’eaux pluviales ou d’égouts, en régime
de cette configuration.
d’écoulement libre ou en charge. II convient d’ap-
porter un soin particulier à la conception des
fixations des transducteurs qui ne doivent pas être
2.4.2.4 Pour le système de jaugeage à trajectoire
souillés, mais qu’il soit inutile d’introduire un obs-
unique avec des transducteurs mobiles, il faut que
tacle au libre écoulement dans l’égout peut présen-
le niveau de l’eau varie normalement peu à la sta-
ter un avantage notable.
tion de jaugeage, ou pour le moins que les va-
riations de niveau se fassent lentement. Des
variations assez importantes peuvent être parfois
2.4 Configuration du système de
absorbées si le phénomène est saisonnier, du type
remontée d’eaux souterraines, quand le débit ne
jaugeage
varie que lentement d’un jour à l’autre et que l’on
peut observer deux régimes très différents: été et
2.4.1 Généralités
hiver. La lenteur de ces variations permet parfois
de reprendre le réglage des transducteurs sur une
La méthode ultrasonique n’est que l’une des nom-
base saisonnière.
breuses méthodes permettant de mesurer la vitesse
d’un cours d’?au, et donc de définir une mesure de
2.4.2.5 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
base à partir de laquelle on peut calculer le débit.
que repose également sur l’hypothèse d’un profil
La technique d’échantillonnage de la vitesse peut
des vitesses relativement stable, très peu affecté
combiner diverses stratégies permettant de s’adap-
par les modifications de la relation niveau
ter
d’eau/débit. Elle peut n’être pas appropriée aux
-
aux configurations locales au niveau du site, emplacements soumis à des reflux importants.

2.4.2.6 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
2.4.4.2 II peut s’avérer difficile, dans la pratique, de
que est enfin très sensible à la détérioration physi- déterminer avec précision la direction moyenne de
que ou aux dysfonctionnements des transducteurs. l’écoulement en un site donné. L’hypothèse nor-
Elle ne comporte aucune capacité interne de redon- male, à savoir qu’elle est parallèle aux rives, n’est
dance instrumentale (voir 2.9). pas toujours vérifiée. Ce peut être vrzi dans certai-
nes parties de la plage de débit ou de niveau, mais
faux dans d’autres. Le site de jaugeage lui-même
2.4.3 Systèmes à trajectoires multiples
peut ne pas être idéal et il peut y avoir des effets
directionnels associés à une géométrie du canai ou
2.4.3.1 Dans les sites
à des conditions d’approche qui ne sont pas idéales.
À de faibles débits en particulier, les effets d’une
-
où l’on observe des variation S fréquentes et im-
géométrie complexe du lit peuvent prendre le pas
portantes de niveau d’eau ou d e débit,
sur ce que, de la rive, on considère normalement
comme étant la direction moyenne.
- la répartition des vitesses dans le plan vertical
s’écarte sensiblement de celle dans le plan thé-
orique, ou
2.4.4.3 Si l’on a des raisons de penser que I’écou-
lement ne sera pas parallèle aux rives du canal, et
-
en-
où les risques de reflux so nt élevés da ns un
si l’on pense que l’erreur qui en résultera proba-
vironnement h aut eur/débit par ailleurs stable
l et
blement sur le calcul du débit pourra être significa-
tive, il est possible d’introduire un élément
--
où la technique par ultra sons est néanmoins la
d’autocorrection: pour ce faire, on dispose les
plus a ppropriée d’emploi,
transducteurs de facon à obtenir deux ou plusieurs
,
séries de ((trajectoires de vol,> groupées par paires
il sera normalement nécessaire de prévoir deux
à la même hauteur, mais en forme de croix symé-
trajectoires, ou plus, pour obtenir une évaluation de
trique (voir figure 1).
la vitesse moyenne dans la section, plus précise
que ne le permet la trajectoire unique.
Transducteur Il
2.4.3.2 Le nombre de trajectoires possibles n’est
limité que par la conception de l’instrumentation de
mesurage choisie en fonction des contraintes de
Transducteur B
P
précision, de fiabilité et de prix de revient. Le but
recherché est d’arriver à une représentation accep-
table du profil des vitesses verticales dans la sec-
Sens de l’écoulement
*
tion jaugée, à tous les niveaux et débits, du plus
élevé au plus bas possible.
2.4.3.3 Si le système doit égalernent faire montre
d’un niveau élevé de sécurité de fonctionnement
Transducteur A
Transducteur C
(par exemple ne pas s’interrompre ou se dégrader),
il peut s’avérer nécessaire de prévoir un certain
Abri de la
nombre de trajectoires (redondantes), minimisant
statlon de
r-l
l’effet de la détérioration physique ou du mauvais
fonctionnement d’une ou de plusieurs trajectoires
sur l’exactitude globale de mesurage.
Plan d’une station de jaugeage à
Figure 1 -
croisées
trajectoires
2.4.3.4 La configuration à trajectoires multiples
permet également de faire face aux situations où la
section transversale du cours d’eau est de géomé-
trie complexe.
2.4.4.4 Avec ce genre de configuration, à chaque
2.4.4 Systèmes à trajectoires croisées
trajectoire orientée, par exemple, vers l’amont à
partir de la rive gauche, doit correspondre une tra-
jectoire équivalente, à même hauteur, mais orientée
2.4.4.1 L’un des principes fondamentaux de la
vers l’aval de cette même rive, et dirigée vers un
technique par ultrasons est que l’angle d’intersec-
tion de chaque ((trajectoire de vol>, d’un système point de la rive droite directement opposé au trans-
ducteur aval de la rive gauche. Les deux trajectoires
avec la droite représentant la direction moyenne de
jumelles doivent normalement se couper au milieu
l’écoulement à la hauteur correspondante doit être
du cours d’eau et former ainsi les côtés égaux de
connu avec précision. Les erreurs sur cet angle du
triangles isocèles opposés par le sommet. II
système sont en effet amplifiées par la méthode de
convient d’éviter les différences grossières de lon-
calcul du débit (voir tableau 1).

gueur de trajectoire, car il est fort probable que la
géométrie des sections amènera, elle, de grandes
différences. Reflecteur R
2.4.4.5 L’instrumentation du système doit calculer
séparément la vitesse en ligne sur chaque trajec-
/
Sens de
toire d’une paire de trajectoires croisées. Si les
\
/
l%coulement
deux vitesses calculées sont identiques (aux erreurs
\-
/
de calcul et de mesurage près), l’angle d’intersec-
\
/
tion pris en hypothèse pourra être considéré comme
\
/
correct. Si elles sont très différentes, c’est que I’an-
/ \
gle choisi est erroné. Dans ce cas, ni l’une ni l’autre
des vitesses calculées en lignes n’est correcte,
l’une est trop élevée, l’autre trop faible. L’incertitude
fondamentale de mesurage inh&ente à ce procédé
Transducteur aval A
I
est traitée en 2.11 qui en indique les limites de
faisabilité et, par suite, de signification (voir
annexe A).
Longueur totale de tra)ectolre L = AR + RB
2.4.4.6 Si la direction moyenne vraie de I’écou-
lement ne change pas de manière significative dans
Figure 2 - Plan d’une station de jaugeage à
le bief de mesure, il suffira de faire la moyenne des
trajectoire réfléchie
paires de vitesses en ligne obtenues pour obtenir
une valeur très proche de la vitesse moyenne vraie
à la hauteur considérée, les erreurs inhérentes
s’annulant l’une l’autre. Le risque d’erreur restant,
dû à un changement de direction de l’écoulement
2.4.5.4 Ce système permet également d’avoir des
dans le bief de jaugeage, peut être réduit par le
<(trajectoires de VO~~~ plus longues lorsqu’on veut
choix d’un bief aussi court que possible.
améliorer l’exactitude de mesure aux faibles vites-
ses mais qu’on ne peut pas réaliser un angle nomi-
2.4.4.7 Aux endroits air l’on exige une grande fia-
nal d’intersection plus aigu.
bilité de jaugeage, le principe de la redondance peut
être combiné à l’usage de trajectoires croisées pour
2.4.5.5 Un autre avantage de ce système vient du
réduire le risque de détérioration physique du sys-
fait qu’il n’est pas nécessaire de tenir compte de
tème, les transducteurs étant physiquement séparés
l’angle des trajectoires dans l’équation du calcul de
les uns des autres sur la rive de la rivière.
la vitesse en ligne (voir 2.8.1.2) et qu’on élimine
donc une source importante d’incertitude poten-
2.4.5 Systèmes à trajectoires réfléchies
tielle.
2.4.5.1 Le système de mesurage de base par ul-
2.4.6 Systèmes subdivisant la section
trasons demande normalement que des transduc-
teurs soient montés des deux côtés du chenal. II faut
2.4.6.1 La technologie instrumentale moderne per-
donc que les câbles de transmission des signaux et
met d’adopter des configurations de trajectoires ex-
de l’énergie traversent le chenal, qu’ils soient sus-
trêmement complexes tout en conservant des
pendus au-dessus du lit, posés sur celui-ci ou en-
possibilités de contrôle et des modes de calcul re-
terrés.
lativement aisés.
2.4.5.2 II existe cependant des cas où il n’est pas
2.4.6.2 Si la géométrie du site est complexe
possible d’installer des transducteurs sur les deux
(chenal principal avec plaine d’inondation par
rives. L’une des rives peut en effet être inaccessible
exemple) et si le mesurage doit donc se faire sur
et rendre l’entretien du système difficile.
une très grande étendue, ou si le chenal principal
est lui-même extrêmement large, il est possible
2.4.5.3 Dans ces cas, on peut avoir recours à un d’opérer en divisant la section en un certain nombre
système de transducteurs émetteurs et récepteurs de chenaux séparés, chaque chenal étant traité
placés sur IF même rive et d’un réflecteur passif si- comme une entité de jaugeage relativement simple
tué sur la rive opposée (voir figure 2). La conception
et de faire la somme des divers résultats obtenus
du réflecteur est indiquée en 3.2.1.2.
(voir 2.3.5.1).
berge, doit être aussi horizontal que possible. La
2.5 Choix de l’emplacement
variation de la géométrie ou de la forme de la sec-
tion entre les extrémités amont et aval du troncon
.
jaugé doit être minimale.
2.51 Contraintes d’ordre pratique
2.5.1 .l Accès
2.5.2.2 Stabilité de la section
Le site où doit être mise en œuvre la technique par
ultrasons doit être d’accès facile. Son installation
Les appareils calculant le débit exigent de connaître
peut nécessiter un certain nombre de travaux de
la relation entre la profondeur d’eau et l’aire de la
génie civil et l’apport d’équipements de construction
section. Cette relation doit rester stable dans le
lourds. La technique repose sur l’emploi de techno-
temps. II convient donc d’éviter les endroits pouvant
logies électroniques et la première mise en service
connaître des instabilités significatives du niveau ou
ainsi que l’entretien des matériels demandent I’uti-
du profil du lit.
lisation d’un équipement électronique spécialisé. Il
convient d’éviter le transport de ces matériels à dos
d’homme.
2.5.2.3 Rapport d’aspect du chenal
2.5.1.2 Alimentation en énergie
Les impulsions sonores générées par l’appareil à
L’alimentation à courte durée (48 h) des modèles
ultrasons se propagent dans l’eau sous forme de
sophistiqués et l’alimentation à longue durée (3 à 6
cônes de projection. Si le chenal est plus large que
mois) des modèles simples, qui ont un taux
profond, le cône de projection d’un ou de plusieurs
d’échantillonnage faible, sont possibles. Les enre-
des transducteurs émetteurs pourra rencontrer le lit
gistreurs de données et les appareils de télémesure
ou la surface de l’eau avant d’atteindre le transduc-
peuvent aussi fonctionner sur des batteries d’ali-
teur récepteur correspondant, d’où une réflexion du
mentation à longue durée (pendant de longues an-
signal (voir 2.2.6). A moins que le système ne soit
nées). Cependant, pour un fonctionnement sûr et
concu de facon très soigneuse, ce phénomène en-
prolongé d’un débimètre à trajectoires multiples, la
gendrera des difficultés insurmontables d’interpré-
technique demande une source continue d’énergie
tation des signaux et des résultats parasites.
électrique. Aussi faut-il pouvoir faire les raccor-
dements à un coût acceptable, au secteur ou à des
Les systèmes par ultrasons sont impropres à
moyens locaux.
l’usage dans les chenaux larges et peu profonds
(pour les particularités concernant le mesurage du
débit en plaine d’inondation, voir 2.3.5). Les restric-
2.5.1.3 Étalonnage et mesurage de vérification
tions s’appliquant à un site particulier dépendent du
nombre de trajectoires prévues et du nombre de
La technique permet de déterminer une valeur ab-
trajectoires restant opérationnelles en régime de
solue de la vitesse mais les systèmes concus pour
basses eaux. II est facile de calculer les rapports li-
un petit nombre de trajectoires séparées peuvent
mites Iargeur/profondeur et de proposer une straté-
nécessiter des étalonnages périodiques d’étalon-
gie de rechange.
nage visant à établir la relation entre la vitesse in-
diquée (et donc le débit calculé) et une
Les sons à basse fréquence subissent une atté-
détermination de la vitesse dans la section par une
nuation moindre avec la distance que les sons à
autre méthode. Quant aux systèmes à trajectoires
haute fréquence (voir 2.2 pour ces détails). Lorsque
multiples où l’échantillonnage des vitesses dans la
la trajectoire est de faible longueur, l’utilisation
section est par conception convenable, ils font sou-
d’appareils à basse fréquence pourra donner une
vent l’objet de vérifications par une autre méthode
erreur inacceptable sur le mesurage du temps de
les utilisateurs des données. II est
pour <
vol (voir tableau 3).
donc prudent, quand on choisit un site de jaugeage
de penser aux autres méthodes utilisables.
La hauteur minimale J),~>i~~ est déterminée par
l’équation donnée en 2.2.6.
2.52 Contraintes d’ordre physique au niveau
L’incertitude découle de l’hypothèse d’une erreur
du site
de + 1/50 (2 %) de la période de la longueur d’onde
et de + 20 ns sur le chronométrage moyen du signal
acoustique. Dans le cas des systèmes concus pour
2.5.2.1 Géométrie de la section
de petits chenaux (d’une largeur de moins de 5 m),
une différence de temps de + 3 ns peut être atteinte
Le chenal à jauger doit être rectiligne et ses berges
(voir 3.2.3.6).
doivent être parallèles. Le profil du lit, de berge à
réfraction ou réflexion. Dans les estuaires larges,
du son en fonction de la
Tableau 3 - Fréquence les apports d’eau saumâtre peuvent provoquer des
longueur de trajectoire et de s distances minimales gradients transversaux et il faudra peut-être laisser
davantage de temps pour que l’écoulement se sta-
Incertitude
Distance
bilise et que les masses volumiques deviennent
sur la
minimale type
uniformes, avant de faire les mesurages.
détermination
Longueur entre
Fréquence de de la vitesse
de transducteur
fonctionnemenl due à l’erreur
trajectoire et surface de 2.5.2.8 Effets du profil des vitesses
de mesurage
l’eau ou lit du
du temps de
chenal
vol Pour une meilleure efficacité du système de jau-
geage, il faut des profils de vitesse ne présentant
m m m/s
kHz
que des différences minimes entre les extrémités
amont et aval de la section de jaugeage. II convient
0,005 à
300 3,0 à 1,5 30 à 100
0,0015
d’éviter les biefs où le profil des vitesses change
trop. Si aucun autre site n’est disponible il convient
0,003 à
150 1,0 à 0,6 100 à 300
0,0013
d’essayer
80 0,5 à 0,35 200 à 500 0,903 à 0,002
- d’avoir un bief aussi court que possible,
30 0,3 à 0,15 300 à 1000 0,006 à 0,003
10 0,12 à 0,07 500 à 1500 0,013 à 0,007
- d’ajouter des trajectoires pour avoir une
meilleure appréhension de la distribution des vi-
tesses sur les verticales, ou
2.5.2.4 Végétation
- de corriger le non-para1 lé
lisme de I’écou lement
La section de jaugeage doit être exempte de végé-
en adoptant un système à trajectoires cro isées.
tation qui atténue sérieusement le signal acousti-
que. Le type de végétation influe sur le phénomène
2.5.3 Contraintes d’ordre physique à une
puisque c’est l’air enfermé par les plantes qui est
certaine distance du site
responsable de l’effet non désiré.
2.5.2.5 Gradients de température de l’eau 2.5.3.1 Air entraîné
Les gradients de température de l’eau peuvent pro- La présence de grandes quantités de bulles d’air
voquer une réfraction du signal acoustique, avec dans l’eau peut entraîner une réflexion et une dis-
une perte de signal (voir 2.2.5). Les biefs à eaux persion de l’onde acoustique propagée. Tout em-
profondes même en régime de basses eaux (où la placement en aval d’un barrage, d’un déversoir,
vitesse moyenne d’écoulement se ralentit) peuvent d’une chute d’eau, d’un moulin ou d’une centrale
souffrir de ce problème pendant les périodes de fort hydraulique peut souffrir de ce genre de problème
ensoleillement. qui se fait sentir à plusieurs kilomètres en aval de
la perturbation. Le système de jaugeage par ultra-
sons doit être situé à au moins 30 min de temps de
2.5.2.6 Transport solide
parcours à l’aval de la source d’aération.
La présence de matières solides en suspension
2.5.3.2 Effets des affluents
dans l’eau peut avoir un effet significatif sur I’atté-
nuation du signal et cause à la fois une réflexion et
une dispersion. Aux endroits où la concentration La technique par ultrasons est au maximum de sa
peut dépasser 1 500 mg/l pendant des périodes si- fiabilité lorsque l’eau du bief de chenal à jauger a
gnificatives ou bien où la fiabilité des mesurages est des propriétés physiques aussi homogènes que
d’importance primordiale, il vaudra mieux renoncer possible. La présence d’un affluent amont dont l’eau
aux techniques ultrasoniques (voir 3.2.3.2). a une nature physique très différente, peut poser
des problèmes. Les différences porteront en général
sur la température de l’eau ou sur la charge de
2.5.2.7 Effets de la masse volumique de l’eau
sédiments en suspension. Le mélange homogène
des deux veines ne peut pas se faire à une distance
Des apports d’eau salée ou saumâtre ou d’eaux de
considérable en aval du point de confluence.
masse volumique différente pour d’autres causes,
peuvent créer des problèmes. Les effets seront les
253.3 Bruit électrique ambiant
mêmes qu’avec les gradients de température (voir
2.5.2.5). Le facteur clé est la nature périodique de
l’apport. La technique n’est pas en soi inutilisable Le bon fonctionnement de la technique ultrasonique
dans les eaux saumâtres ou salées mais s’il y a une repose sur la fiabilité et la sensibilité de I’électroni-
interface de masse volumique au niveau du site de que utilisée. Certains modèles d’appareils peuvent
jaugeage, on pourra avoir une perte de signal par grandement souffrir des effets du bruit électrique
ambiant, lequel peut provenir d’endroits tout à fait
2.6.3 Étude de la section
éloignés du site de jaugeage. Des émetteurs radio
puissants situés à plusieurs kilomètres peuvent en
2.6.3.1 La section de jaugeage envisagée doit faire
effet poser des problèmes. La plupart de ces diffi-
l’objet d’une étude approfondie. Si les zirconstances
cultés sont surmontables mais par des protections
le permettent, cette étude doit englober au moins
spéciales.
dix largeurs de rivière en amont et deux largeurs
en aval. Le nombre minimal de sections à étudier
est de trois, mais il est souhaitable de dépasser ce
2.5.3.4 Effets hydrauliques à distance
nombre.
Les profils des vitesses s’écartant notablement de
2.6.3.2 L’étude topographique de la section doit
l’idéal peuvent résulter des conditions du lit, des
être répétée plusieurs fois et les résultats doivent
berges ou des affluents très éloignés de l’appareil
être comparés pour s’assurer que le lit et les berges
de jaugeage lui-même mais dont les effets persis-
sont bien stables. II faut rechercher les sections re-
tent au niveau du site. Ces conditions peuvent ne se
présentatives
rencontrer qu’à certains régimes. II convient toute-
fois d’éviter de placer l’appareil près d’un coude du
- des régimes extrêmes de basses eaux,
chenal, ou près du confluent de cours d’eau dont le
régime hydrologique diffère beaucoup de celui du
suivant imm édiatement une
- des conditions crue
cours d’eau principal.
ou u ne marée significa tive, et
- des tond itions représentatives des rég imes sai-
sonniers.
2.6 Étude du site
2.6.3.3 Dans l’idéal, il convient d’obtenir des ren-
seignements s’étalant sur plusieurs années sur la
...