Nous proposons ici une méthode de détermination des champs de vitesses, basée uniquement sur une méthodologie expérimentale, sans avoir recours à un formalisme mathématique assez lourd (modélisation tridimensionnelle des écoulements à surface libre). La mesure, in situ, de vitesse en différents points de la section de mesure (profil), couplée à la mesure de la hauteur, permet l'obtention de la mesure de débit dans le canal. Ainsi, la métrologie revêt une importance particulière et croissante dans le domaine de l'eau et des effluents. Elle doit répondre à des attentes croissantes de précision (détection des signaux extrêmement faibles), de fiabilité, d'automatisation, de miniaturisation et de diminution des coûts.
Nous présentons un débitmètre conçu en tant que capteur intelligent pour la mesure des écoulements en surface libre ou en conduite fermée, en particulier en vue d’applications à l'irrigation. Ce débitmètre original utilise le principe de la mesure des délais entre les impulsions envoyées vers l’amont et vers l'aval dans le fluide. La vitesse du son dans le fluide est éliminée des calculs du fait qu’on utilise les temps de transmissions réciproques. Le calcul du débit est assuré par un microcontrôleur. L’objectif est focalisé sur l'étude et l'expérimentation d'un prototype réalisé. Ce dispositif constitue un champ d'expérimentation intéressant pour l'implantation de fonctionnalités visant à augmenter l'intelligence des capteurs.
Le prototype de débitmètre est introduit dans une boucle d’essais et de mesures que nous avons construite au laboratoire. En parallèle, nous avons installé un deuxième débitmètre volumétrique précis qui utilise le principe de mesure de niveau par ultrason (premier dispositif de calibrage). Ce dernier dispositif étant indispensable à l’étalonnage du débitmètre ultrasonore réalisé, et aussi à la mesure de niveau dans les canaux à surface libre, pour la détermination de la section débitante du canal.
Une seconde application est menée dans un canal ouvert de forme trapézoïdale de dimensions géométriques bien déterminées. L’approche repose sur la mesure de la différence du temps de transit des ondes acoustiques sur une ou plusieurs cordes de mesure, réparties sur un intervalle suffisant de manière à assurer la précision requise. Cette méthode permet une véritable intégration du profil des vitesses ce qui assure une meilleure précision. Les mesures sont maintenant comparées à celles fournies par un moulinet hydrométrique (second dispositif de calibrage) rendu intelligent par l'adjonction d’un microprocesseur et d'un système de comptage d'impulsions par voie optique. L’étalonnage de ce moulinet intelligent a été effectué en site, les mesures effectuées sont consignées sur une fiche de jaugeage, la loi de tarage a été parfaitement déterminée. Ce dispositif original sera qualifié de débitmètre de référence en canal peu profond et à surface libre. Cette seconde application du débitmètre a fait l’objet d'un article publié par la Revue des Sciences de l'Eau, volume 20, numéro 3 en 2007.
Ces bancs d’essai ont permis de vérifier la précision de l'appareil et de valider les techniques et les principes mis en œuvre dans la conception du nouveau débitmètre.
Le Nord du Maroc Oriental, à climat semi-aride, est doté de ressources en eau limitées, inégalement réparties dans le temps et dans l’espace. Il doit faire face à la problématique du développement et de la gestion durable des ressources en eau. La plaine de Triffa, n’a pas échappé à ce défi, est caractérisée par un développement agricole remarquable et une demande croissante en eau d’irrigation (la demande du secteur agricole dépasse 85 % de la totalité des ressources en eau). Cette forte exploitation des ressources en eau suscite de plus en plus l'intérêt aussi.
Mots-clés : Modèles d'écoulement ; Irrigation ; Gestion des Ressources en Eau ; Contrôle et Mesure de Débit à Ultrason ; Capteur Intelligent
[Photo : Figure 1 : Célérité du son dans l'air en fonction de la température.]
bien des scientifiques que des différents acteurs socio-économiques.
La gestion des eaux consiste alors à assurer la meilleure adéquation possible entre ressources disponibles et demandes en eau. Pour cela, il faut mesurer, partager et contrôler les débits transitant, où la mesure de débit ou de la consommation doit être la première préoccupation du gestionnaire.
Dans ce travail, nous avons tenu à apporter une contribution à la gestion des ressources en eau d’un réseau d’irrigation agricole.
Dans cette optique, il a été jugé bon de mettre en place des systèmes de contrôle de débit, répartis le long des différents canaux d’alimentation en eau. Cet objectif vise alors une utilisation rationnelle de l’eau d’irrigation par une diminution des pertes ou par une limitation des infractions commises (prélèvement illégal) dans le réseau hydraulique.
[Photo : Figure 2 : Célérité du son dans l’eau en fonction de la température.]
[Photo : Figure 3 : Longueur d’onde en fonction de la fréquence.]
Le réseau étudié est de type mixte comportant des canaux à ciel ouvert et conduites fermées d’adduction d’eau, en nous intéressant au développement et à la réalisation d’une instrumentation performante permettant de fournir les informations utiles sur l’état réel du système d’irrigation. La technique employée pour effectuer cette mesure utilise les ultrasons, eu égard aux nombreux avantages qu’ils procurent.
L’article est organisé comme suit : tout d’abord, nous présentons les propriétés essentielles des ondes acoustiques ultrasonores. Ensuite, une attention particulière est portée sur la technique du temps de transit des ondes ultrasonores afin d’évaluer la vitesse d’écoulement de l’eau dans le canal. En fait, dans le cas des canaux, les caractéristiques géométriques sont bien maîtrisées, il est donc possible d’obtenir facilement le débit. Dans le cas où les conditions hydrauliques sont complexes, la loi niveau-débit exploite mal le profil réel des vitesses d’écoulement ; des mesures des niveaux et des vitesses sont alors indispensables. Dans ce cas, nous avons
[Photo : Figure 4 : Exemple d’atténuation d’onde à ultrason à travers une interface en plexiglas.]
[Photo : Figure 5 : Structure hiérarchique de canaux dans un périmètre irrigué de la plaine de Triffa.]
proposé une solution basée sur l’exploitation du profil des vitesses en effectuant la mesure réelle de la vitesse existant en différents points de la veine liquide.
Nous avons élaboré et mis en œuvre un procédé original de mesure de vitesses d’écoulements, capable d’assurer une meilleure précision. Le débitmètre est capable de détecter, de mesurer, de traiter localement les données collectées et de les communiquer pour servir à la conduite du système d’irrigation dans lequel il sera intégré.
Les résultats expérimentaux sont exposés. Les mesures obtenues à l'aide du débitmètre ultrasonique que nous avons réalisé, sont comparées à celles fournies par d'autres débitmètres étalons développés au laboratoire et qui sont qualifiés d’une précision requise.
Propriétés fondamentales des ondes acoustiques d’ultrasons
Nous exploitons les possibilités uniques qu’offrent l’acoustique de pouvoir émettre des signaux très brefs et à très large bande, de la possibilité de pouvoir mesurer de façon précise les temps de vol de ces ondes dans les milieux continus et la mise au point des capteurs intelligents à ultrasons destinés principalement à la mesure de débit et au contrôle non destructif.
Des essais ont été effectués, portant essentiellement sur la compréhension des phénomènes de propagation de ces ondes dans les milieux hétérogènes et les écoulements liquides. La vitesse de propagation de ces ondes dépend des propriétés élastiques du milieu dans lequel elles se déplacent (impédance acoustique, coefficient d’absorption,…) et de la température Beranek (1972), Pao (1985), Bray (1976) et Abdellahoui (2000).
Des résultats de l’expérimentation d’un transducteur piézoélectrique (émetteur–récepteur) sont visualisés dans les figures 1, 2, 3 et 4.
La longueur d’onde dépend de la célérité et de la fréquence des ultrasons comme le montre le diagramme suivant.
L'onde subit une atténuation ; au cours de sa propagation, elle perd de l’énergie sous forme de chaleur ; cette atténuation dépend du milieu de propagation et de la fréquence de l’onde.
Mesure de débit par différence de temps de transit d’ultrasons
Au même titre que les températures, les pressions, les niveaux, les débits de fluides sont un des mesurandes (grandeurs principales à détecter) très importants dans de vastes domaines tels que la conduite des industries de process ou la supervision des systèmes d’adduction d’eau. Les débitmètres à ultrasons présentent, par rapport aux autres techniques, l’intérêt d’une absence de parties mécaniques sujettes au vieillissement et d’une interaction négligeable avec le milieu.
Il existe deux catégories de débitmètres à ultrasons pour la mesure des débits, ceux fondés sur la mesure de temps de transit et ceux basés sur l’effet Doppler. Les premiers sont largement utilisés pour les mesures d’écoulement dans des canaux ouverts ou dans des conduites fermées, ils sont sensibles à la présence de solides en suspension ou à la présence de bulles dans le fluide ; les seconds sont plus répandus et moins chers, toutefois ils sont considérés comme nettement moins précis. Dans ce travail, on étudiera la conception d’un débitmètre à temps de transit et son expérimentation au sein d’un banc d’essai destiné aux mesures de débit dans des conduites en charge et dans des canaux d’irrigation à ciel ouvert.
La méthode du temps de transit est fondée sur l'influence de la vitesse propre du milieu sur la célérité d’un signal ultrasonore qui le traverse. En effet, des perturbations de pression de faible amplitude se propagent dans un fluide à une vitesse qui est la vitesse de propagation acoustique dans ce milieu. Si, de plus, ce milieu a une vitesse propre, la vitesse de propagation de la perturbation, par rapport à un repère immobile, est la somme algébrique de la vitesse acoustique et de la vitesse du milieu. La méthode de mesure de la vitesse d’écoulement d’un liquide ou d'un gaz consiste alors à mesurer le temps de transit d’impulsions à haute fréquence entre une ou plusieurs paires de transducteurs ultrasonores. La relation entre la mesure du temps de transit de l’impulsion ultrasonore et la vitesse moyenne le long du chemin suivi par l’impulsion a été décrite en détail par divers auteurs comme Freund et Warner (1995), Drenthen (1995), Van Dellen (1996), et l’American Gas Association (1996).
Le concept de capteur intelligent et les techniques de mesure de débits par temps de transit d’ultrason dans les canaux d’irrigation à ciel ouvert sont décrits par Ziani (2004) et Ziani et al. (2007).
Les débits dans les canaux d’irrigation ouverts peuvent être calculés par le biais de courbes de correspondance utilisées pour convertir en débit des mesures de niveau d'eau. De nombreux phénomènes peuvent modifier une courbe de correspondance, et elle doit être réévaluée périodiquement.
Dans ce contexte, la technique de mesure du temps de transit ultrasonore est très intéressante pour la gestion de l'eau. Grâce à cette technique, le débit peut être mesuré en utilisant des configurations à un ou plusieurs cordes de mesure en faisant particulièrement attention à définir la distribution verticale des vitesses et une méthode adaptée d'intégration Ziani et al. (2007).
Les essais étaient réalisés dans un canal artificiel de forme trapézoïdale à ciel ouvert de largeur au miroir 1,12 m et de hauteur maximale 1,30 m, de dimensions géométriques bien maîtrisées, le débit ou la vitesse d’écoulement étant réglable par un régulateur à vanne à l’entrée du tronçon d’écoulement.
[Photo : Figure 6 : Architecture générique d'un capteur intelligent.]
Conception et réalisation du débitmètre ultrasonore
L'architecture matérielle, support de l’intelligence des instruments de mesure et de commande, peut être réalisée autour d'un système à microprocesseur ou microcontrôleur qui établit un dialogue permanent avec les différents constituants à travers un bus interne. Elle dépend de l’application et de l'environnement de communication et peut être associée, par exemple, à des robots, des automates programmables industriels pour assurer l’automatisation d’un système de production ou de surveillance.
À l’issue de cette description un schéma générique est illustré sur la figure 6 ci-dessous.
[Photo : Figure 7 : Architecture matérielle minimale d’un capteur intelligent.]
Cette architecture peut être détaillée comme a été proposée par Beaudoin (1993) pour les capteurs intelligents.
Aujourd’hui les microcontrôleurs permettent de regrouper l'ensemble de ces fonctions, au sein d’un unique composant électronique.
Le schéma fonctionnel (figure 8) montre l'agencement synoptique de l’électronique rapide d’exploitation du débitmètre ultrasonore intelligent.
Nous présentons ensuite les schémas fonctionnels du schéma synoptique de l'électronique d’émission, de réception et d'aiguillage des transducteurs.
Le système d'aiguillage des transducteurs ultrasonores est décrit par le schéma électronique synoptique de la figure 11.
Les sondes changent de rôle chaque fois ; cette permutation est rendue possible par l’utilisation d’un dispositif d’aiguillage à clés logiques (CD4016, boîtier intégré 4 interrupteurs analogiques).
[Photo : Figure 8 : Schéma bloc de l’électronique d’émission et de réception du débitmètre ultrasonore.]
Évaluation du débitmètre en site de laboratoire
Banc d’essai et de mesure en conduite fermée en laboratoire
Nous avons testé le débitmètre réalisé dans une boucle hydraulique à conduite fermée de diamètre 100 mm. Ce banc expérimental a été réalisé pour valider notre appareillage et pour permettre des études hydrauliques dans la gamme de débit variant de 1,25 à 60 l/s.
[Photo : Figure 9 – Schéma synoptique de la chaîne d’émission.]
[Photo : Figure 10 – Schéma synoptique de la chaîne de réception.]
et le débitmètre volumétrique étalon constitue le circuit principal de mesure de l’installation.
La barre tranquillisateur en tôle de fer doux est utilisée pour stabiliser le niveau dans la cuve barémée.
Connaissant la loi de correspondance « volume-hauteur » de la cuve étalon (courbe linéaire de pente 0,785 mm), on l’introduit dans la boucle d’essai pour étalonner le débitmètre en test.
Mesure de niveau par capteur ultrasonore aérien
La distance d séparant le capteur de la surface de l’eau est proportionnelle au temps de transit de l’onde t_d et dépend de la célérité C_air des ultrasons dans l’air :
d = ½ C_air t_d et h = H − d
Pour éviter toute compensation de température dans la mesure de niveau par ultrason, on propose de placer une barre de référence à une distance d_0 connue du capteur. Le signal reçu est traité de telle manière qu’il distingue l’écho dû à la barre de référence (temps de transit t_0) du signal réfléchi par l’interface air-eau (temps de transit t_d). La correction consiste alors à calculer la distance d par la relation suivante :
d = d_0 (t_d / t_0).
La maille secondaire formée par le bac de stockage, la vanne de réglage V1, la pompe de recirculation, la veine d’essai et la vanne V7 permet d’entretenir des écoulements stationnaires (boucle d’essai fermée). Le circuit réalisé en by-pass de la pompe permet une mesure de la différence de pression entre le refoulement et l’aspiration de la pompe.
[Photo : Figure 11 – Montage à interrupteurs analogiques pour la permutation de rôle des sondes à ultrason toutes les 10 s.]
[Photo : Figure 12 – Schéma de l’installation du banc de mesure expérimental en conduite fermée (site de laboratoire).]
La maille principale formée par le bac de stockage, la vanne de réglage V1, le débitmètre d’essai (transducteurs ultrasonores, environ 2 000 € la paire), la pompe centrifuge et la vanne V4…
Mesures et comparaison des résultats
Nous avons mené des expériences répétées.
[Photo : Figure 13 : Droite d’étalonnage “volume-hauteur” de la cuve étalon.]
Sᵢ² = Σ(Qᵢⱼ − <Qᵢ>)² / (n − 1) ; i = 1, 2, … , 10 et n = 13
<Qᵢ> = Σ Qᵢⱼ / n Qᵢⱼ représente le débit relatif au iᵉ étalonnage.
On désigne par : s = écart-type moyen de répétabilité
s = √[Σ Sᵢ² / 10]
L’intervalle de confiance à 95 % (1 − α = 0,95) de la moyenne des résultats est donné par :
[ <Q̅> − t₍ₙ₋₁; α⁄₂₎ * s ; <Q̅> + t₍ₙ₋₁; α⁄₂₎ * s ]
… sur le débitmètre à ultrason à temps de transit que l’on a réalisé afin de déterminer ses performances et/ou ses limites. Les résultats obtenus sont comparés à ceux fournis par notre débitmètre volumétrique étalon qualifié d’une extrême précision. Nous avons commencé par l’étalonnage du débitmètre intelligent en site en laboratoire (conduite fermée) ; pour cela, nous avons choisi dix étendues de mesure réparties entre 10 et 200 m³/h, nous avons réalisé dix étalonnages par valeurs décroissantes de débit, nous avons relevé treize points de mesure répartis dans l’étendue considérée. Les mesures ont été répétées dans les mêmes conditions et de façon similaire. Pour chaque étendue de mesure on évalue donc dix écarts-types standards.
… la valeur seuil au risque α de la loi de Student à (n − 1) degré de liberté, sa valeur est lue sur la table de la loi de Student et vaut :
t = 2,179
n − 1 = 12 ; α = 0,025
L’équation de la droite de régression s’écrit :
Q_mes = 0,996902 * Q_ref + 0,28
La régression linéaire présente un bon coefficient de corrélation :
r = 0,9999672
[Photo : Figure 14 : Positionnement du capteur ultrasonore aérien par rapport à l’interface air-eau.]
[Photo : Figure 15 : Principe de mesure de niveau par capteur ultrasonore à trains d’impulsions.]
Erreur de justesse du débitmètre
[Photo : Figure 16 : Courbe d’étalonnage du débitmètre réalisé.]
La pente de la régression est sensiblement égale à l’unité, on peut conclure que l’erreur de justesse est pratiquement nulle, et l’erreur de l’appareil sera caractérisée seulement par l’écart-type moyen de répétabilité Sr.
On remarque que l’erreur relative E(%) = [(Q - Qref)/Qref] × 100 demeure toujours inférieure au pour cent.
Nous avons testé notre appareil en effectuant des mesures en conduite fermée, dans des conditions stables et bien définies.
[Photo : Figure 17 : Écart relatif du débit mesuré par rapport au débit de référence.]
La veine de mesure a été insérée dans la boucle d’essai loin des points de singularité (coudes, vannes, clapet anti-retour…) à environ 15 D de part et d’autre (D = 100 mm) afin de bénéficier d’un régime d’écoulement stable. On observe un écart relatif qui ne dépasse pas 1 % entre les deux appareils.
L’analyse des divers résultats obtenus fait de cet instrument un outil très prometteur pour la gestion des ressources en eau de la grande irrigation agricole.
Par ailleurs, de nombreux efforts expérimentaux portent actuellement sur l’exploitation de toutes les opportunités offertes par ce nouvel instrument très peu intrusif pour la mesure de champ de vitesse même dans des conditions difficiles, notamment en écoulement très complexe (tourbillons, recirculations, courants secondaires).
Références bibliographiques
* Abdellahoui Y., Walaszek H., Peyrac C., Lieurade H.P. et Charfaoui M. (2000). Récents développements de la mesure des contraintes résiduelles par méthode ultrasonore. Les principales sources d’erreurs. Mec. Ind. 1, 187-200.
* American Gas Association (1996). Ultrasonic Flow Measurement for Natural Gas Applications, A.G.A. Engineering Technical Note M9623, The Ultrasonic Metering Task Group of the Operating Section Transmission Measurement Committee, Arlington, Virginia, USA, March 1996.
* Beranek L.L. (1972). Acoustic Properties of Gases, American Institute of Physics Handbook, 3rd Ed., McGraw-Hill, New York, N.Y., États-Unis.
* Bray D.E. et Egle D.M. (1976). J. Acoust. Soc. Am. 60 (3) 741.
* Drenthen J.G. (1995). The Q.Sonic Ultrasonic Gas Flowmeter for Custody Transfer. Third International Symposium on Fluid Flow Measurement, San Antonio, Texas, États-Unis, March 19-22, 1995.
* Freund W.R. Jr et K.L. Warner. Performance Characteristics of Transit Time Ultrasonic Flowmeters. Third International Symposium on Fluid Flow Measurement, San Antonio, Texas, États-Unis, March 19-22, 1995.
* Pao Y.H. et Udo G.A. (1985). Acoustoelastic waves in orthotropic media. J. Acoust. Soc. Am. 77 (3).
* Van Dellen K. (1996). Multipath Ultrasonic Gas Flow Meters, Daniel Industries, V.A., États-Unis.
* Ziani M. (2004). Conception et Réalisation d’un Instrument Ultrasonore Intelligent dédié à la Mesure de Débit d’Écoulement à Surface Libre. Thèse de Doctorat de l’Université Abdelmalek Essaadi, Faculté des Sciences et Techniques de Tanger.
* Ziani M., M. Bennouna et R. Boissier (2007). Une technique ultrasonore pour la supervision des canaux d’irrigation ouverts. Revue des Sciences de l’Eau, Volume 20, numéro 3, 287-296.
* Beaudoin F., Favennec J.M. (1993). Les capteurs intelligents : le concept et les enjeux. Revue Générale de l’Électricité, Mars 1993, N° 3, pp. 1-8.
[Publicité : Editions JOHANET]
