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1 Mesure hydraulique Le 18 décembre2007 Alex Bertholet Laboratoire du Génie Civil Place du Levant n° 1 1348 Louvain-la-Neuve

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1 1 Mesure hydraulique Le 18 décembre2007 Alex Bertholet Laboratoire du Génie Civil Place du Levant n° Louvain-la-Neuve Mesurer cest savoir ? Mais encore faut-il savoir mesurer

2 2 Introduction Les principes physiques Les grandeurs principales La chaîne de mesures Conclusion Présentation

3 3 Mesurer Définition : La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation ATTENTION : Mesurer cest perturber La mesure est lune des bases importantes sur lesquelles repose la recherche expérimentale. Une recherche de qualité ne peut se réaliser sans un programme expérimental reposant sur un dispositif de mesure adapté. Il est important dy apporter lattention et le soin nécessaires, en utilisant la chaîne dacquisition adéquate Mesurande :Grandeur physique (P, T,...). Mesurage :Toutes les opérations permettant l'obtention de la représentation de la valeur dune grandeur physique. Mesure : Valeur représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20°C, 2 m/s,…) Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat de l'action).

4 4 Introduction Les principes physiques Le potentiomètre La piézoélectricité Capteur électromagnétique Les jauges de contraintes La conductivité Les grandeurs principales La chaîne de mesures Conclusion Présentation

5 5 Mesure potentiométrique Symbole du potentiomètre Un potentiomètre est un type de résistance variable à trois bornes, dont une est reliée à un curseur se déplaçant sur une piste résistante terminée par les deux autres bornes. Ce système permet de recueillir sur la borne reliée au curseur, une tension en fonction de la position dudit curseur et de la tension à laquelle est soumise la résistance.

6 6 Capteur piézoélectrique La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps (quartz) de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Capteur utilisant leffet piézoélectrique : Capteur de force / Pression Accéléromètre Capteur de déplacement ultrasonique Débitmètre ultrasonique Courantomètre ADV Radar

7 7 Capteur électromagnétique On considère un conducteur ab se déplaçant dans un champ magnétique uniforme B. On peut alors écrire : Induction électromagnétique Le principe de mesure dun capteur électromagnétique repose sur la loi dinduction de Faraday : Tout conducteur coupant les lignes dinductions dun champ magnétique à une certaine vitesse est soumis à une force électromotrice. Et cest le liquide électriquement conducteur qui représente le conducteur en déplacement. La tension est induite par le champ magnétique et lamplitude obtenue est proportionnelle à la vitesse découlement du liquide conducteur. E = B * L * V

8 8 Jauge de contrainte La résistance dun fil conducteur est définie par la loi de Pouillet : où R est la résistance électrique la résistivité du matériau L la longueur du fil s la section du fil Sous sa forme la plus simple, une jauge est constituée dun très fin fil (2 microns) conducteur collé sur un support. Cette feuille très mince est arrangée suivant la forme ci-dessous. Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée. où K est appelé le facteur de jauge

9 9 Pont de Wheatstone Lorsquun pont est constitué de 4 résistances de valeurs égales et alimenté par une source de tension (E) constante aux points C et D, on obtient par symétrie, une différence de potentiel nulle entre les points A et B. Si la résistance R1 varie légèrement, ce déséquilibre est mesuré par le galvanomètre (e0). On réalise donc une mesure proportionnelle

10 10 Capteur à jauges de contraintes Le capteur à jauges comprend donc un dispositif mécanique (corps dépreuve), destiné à provoquer, sous laction de la grandeur physique, la déformation de ladite pièce. Des jauges collées sur ce corps dépreuve transforment ces déformations en variation de résistance. Les précisions obtenues dans ce cas (0,01 %) sont considérablement supérieures à celles que donnent les mesures de déformation. En réalisant un étalonnage du capteur (comparaison entre la valeur vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques de justesse, fidélité, réversibilité, retour à zéro….

11 11 Conductivité La conductivité électrique [siemens/m] est l'inverse de la résistivité. Elle correspond à la conductance d'une portion de matériau de 1 m de longueur et de 1 m2 de section. La mesure des conductivités se fait en courant alternatif (pour éviter la polarisation des électrodes), en mesurant la tension aux bornes d'une cellule plongeant dans la solution à étudier et l'intensité du courant qui y circule.

12 12 Introduction Principes physiques Les grandeurs principales Mesures de niveau deau Mesures de débit Mesures de courant Mesure de sédiments La chaîne de mesures Conclusion Présentation

13 13 Introduction Principes physiques Les grandeurs principales Mesures de niveau deau Mesures de débit Les courantomètres Mesure de sédiments La chaîne de mesures Conclusion Présentation

14 14 Mesure de niveau deau Capteur de pression Capteur ultrasonique Capteur laser Bed profiler Radar Wave meter / Bi fils Capteur à bullesCapteur à flotteur Wavo

15 15 Wavo Un servomoteur entraîne un tambour sur lequel est enroulé une chaînette, à son extrémité est accrochée une nacelle équipée dune aiguille vibrante qui monte ou descend en fonction du rapport cyclique de conductivité (Eau/Air). Le servomoteur est couplé à un potentiomètre de recopie permettant la détermination de la hauteur deau. Plage : 1000 mm Précision : 0,1 mm Linéarité : 0,2 % Fabricant : HWL Delft Hydraulics Tambour Servo-moteur Potentiomètre

16 16 Bed profiler Plage : 1000 mm Résolution : 0,5 mm Vitesse max : 0,5 m/s Linéarité : 0,1 % Sortie : 0,05 V/cm Inconvénient : Traînée Appareil destiné à la mesure en continu du lit de sédiment ou de la surface deau. Il est constitué dune aiguille sondeuse et dun mécanisme de servo-maintien. La mesure de hauteur est reportée à un potentiomètre de recopie. Fabricant : HWL Delft Hydraulics Le principe de mesure est basé sur la différence de conductivité entre leau et le sédiment.

17 17 Wave meter / bi fils Réponse dynamique 15 Hz Plage : 500 mm Linéarité : 0,5 % Mesure intrusive Fabricant : Laboratoire du Génie Civil Ce système est constitué dun probe et dune unité de conversion permettant de transformer limmersion de la tige en un signal +/-10 V. Le principe de mesure est basé sur la variation de conductivité. Une électrode de référence permet une compensation de sensibilité (de 0,1 à 2 mS/cm).

18 18 Capteur de pression La pression absolue : Cest la différence de pression par rapport au vide. C'est la pression réelle, dont on tient compte dans les calculs sur les gaz. Pour mesurer une pression absolue, il faut faire un vide poussé dans une chambre dite de référence. Le vide : Il correspond théoriquement à une pression absolue nulle. Il ne peut être atteint, ni dépassé. La pression relative : C'est la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique. Elle est le plus souvent utilisée, car la plupart des capteurs sont soumis à la pression atmosphérique. La pression atmosphérique ou pression barométrique : La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer, à 15 °C, est d'environ 1013 mbar. Elle peut varier, avec la pluie ou le beau temps. Elle est fonction de l'altitude (hydrostatique). Pression différentielle : C'est une différence entre deux pressions, dont l'une peut servir de référence. Une pression différentielle peut prendre une valeur négative. Vide

19 19 Types de capteur de pression Capteur à jauges de contraintes Capteur piézo-résistif/électrique Capteur inductif Capteur capacitif

20 20 Capteur de Pression PMP 2010 Relatif LPM 9010 Diff Fabricant : GE Druck Une série de quatorze capteurs de pression est disponible au laboratoire: -8 capteurs différentiels LPM 9010 de 70 mbar -1 capteur différentiel LPM910 de 10 mbar -3 capteurs relatifs PMP 2010 de 350 mbar -2 capteurs relatifs PMP 4030 de 70 mbar Boîtier dalimentation Tous ces capteurs sont équipés dune électronique intégrée. Ils sont alimentés en 12 volts via les boîtiers dalimentation (LGC) et fournissent une tension de sortie de 5Vdc pour le fond déchelle. Les connecteurs de raccordement sont standardisés. Lair dans les conduites agit comme un filtre passe bas sur la mesure. Les capteurs différentiels sont équipés dune purge. Linéarité : +/- 0,05 % Surpression : 400 % Raccord : ¼ NPT

21 21 Capteur ultrasonique L'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source. L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attend le retour du signal. Fabricant : Keyence

22 22 Capteur laser La mesure est basée sur le principe de la triangulation. La position de la lumière sur le capteur CCD (caméra) varie en fonction du déplacement de la cible. Problème : zone morte importante Il existe également des lasers utilisant le principe dinterférométrie. Fabricant : Keyence

23 23 Tableau Récapitulatif TypeAvantagesInconvénients Capteur de pressionPrécisTuyauterie Capteur ultrasoniqueCompact / RobusteSensible aux objets Flottants / Mousse Capteur laserPonctuelleZone morte Bed profilerSurface / FondTraînée Wave meter / Bi filsRapiditéSédiment WavoPrécisLent LimnimètreRéférencePlan deau

24 24 Introduction Principes physiques Les grandeurs principales Mesures de niveau deau Mesures de débit Les courantomètres Mesure de sédiments La chaîne de mesures Conclusion Présentation

25 25 Les débitmètres Le débit est habituellement mesuré par déduction, en mesurant la vitesse moyenne à travers une section connue. Le débit mesuré par cette méthode indirecte est le débit volumique Qv : Qv = S. V S est la surface de section de la conduite en m² Attention à la position du débitmètre V est la vitesse moyenne du fluide en m/s le long de la conduite : coude/vanne Autres types de mesures : -Déversoir -Venturi / Diaphragme -Empotement

26 26 Débitmètre électromagnétique Le laboratoire dispose de 6 débitmètres EM 2 x 50 mm 1 x 80 mm et 3 x 120 mm Sortie 4-20 mA Fabricant : Endress & Hauser / ABB

27 27 Débitmètre ultrasonique Les sondes A et B sont à la fois émettrices et réceptrices. Elles émettent alternativement l'une vers l'autre. Le signal acoustique qui se propage dans le fluide est capté par la sonde opposée. Les temps de propagation Amont/Aval et Aval/Amont sont mesurés avec grande précision (typiquement 0.2 ns). A partir de ces temps et de la position géométrique des sondes, la vitesse moyenne sur le trajet acoustique peut être calculée. Fabricant : UltraFlux

28 28 Débitmètre TypeAvantagesInconvénients ElectromagnétiquePrécis / immergeableCoûteux / Intrusif UltrasoniqueAmovibleMoins précis Vortex/diaphragmeSimple Linéaire Grande rangebilité Pas pour faible vitesse CoriolisGaz / Produit alimentaire Limité à de petits diamètres

29 29 Introduction Principes physiques Les grandeurs principales Mesures de niveau deau Mesures de débit Les courantomètres Mesure de sédiments La chaîne de mesures Conclusion Présentation

30 30 Les courantomètres / Vélocimètre -Courantomètre électromagnétique -Tube de Pitot / Preston -ADV PTV Moulinet / micro moulinet Courantomètre à fil chaud

31 31 Courantomètre électromagnétique Fabricant : HWL Delft Hydraulics Cet instrument basé sur la loi dinduction électromagnétique de Faraday, il permet une mesure du champ de vitesse bi-axial. La sonde est raccordée à un conditionneur programmable fournissant une tension proportionnelle à la vitesse. Gamme : 0-2,5 m/s Précision : 0,01 m/s Mesure 2D

32 32 Tube de Pitot Il est constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière. L'un, placé orthogonalement, à une vitesse relative v égale à la vitesse du fluide et une pression statique p s égale à la pression ambiante. L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale p t, somme de la pression dynamique et de la pression statique. La différence entre ces pressions donne la vitesse v = vitesse p = pression dans la conduite (p s est la pression statique, p t est la pression totale) ρ = masse volumique du fluide

33 33 Le micromoulinet Lorsquune hélice est entraînée par le courant, sa vitesse angulaire varie linéairement avec la vitesse de lécoulement. Lorsque lhélice est en rotation, lanneau perforé qui lentoure génère des variations de conductivité aux bornes des deux électrodes fixées à lextrémité de la perche de fixation. Lunité des conditionnements convertit la fréquence en une tension proportionnelle. Diamètre de lhélice : 15 mm Vitesse : 0 à 1 m/s Hauteur de la perche : 1,16 m Tension de sortie : +/- 10 V Fabricant : HWL Delft Hydraulics

34 34 ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) La vélocimétrie à effet Doppler est l'une des techniques les plus modernes destinées aux mesures de la vitesse moyenne et ses fluctuations dans un écoulement de suspension de particules solides. Cette technique se révèle bien adaptée à l'étude d'une zone de recirculation dans la mesure où elle permet, sans perturber l'écoulement, d'obtenir le sens, le taux de fluctuation et le module d'une composante de la vitesse. Le principe de mesure repose sur l'effet Doppler, qui traduit la différence qui existe entre la fréquence d'un signal émis par une particule de fluide en mouvement et celle recueillie par le récepteur fixe. Fabricant :Sontek

35 35 Introduction Principes physiques Les grandeurs principales Mesures de niveau deau Mesures de débit Les courantomètres Mesure de sédiments La chaîne de mesures Conclusion Présentation

36 36 Mesure des sédiments en suspension OPCON optical concentration meter : La sonde est constituée dune source de lumière et dun capteur optique, le tout est relié à un système de gestion à micro processeur. Le principe de mesure est basé sur lamortissement de la radiation infrarouge généré par les particules en suspension traversant le capteur. Il permet de déterminer la concentration mais également la taille des particules. Turbidimètre : principe de lumière diffusée à 90°. Gamme de mesure de 0,01 FTU à 100 g/l, voire 300 g/l en fonction du milieu à mesurer Fabricant : LGC les unités, FTU (Formazine Turbidity Units) et NTU (Nephelometric Turbidity Units) sont numériquement identiques Sonde de conductivité destinée à mesurer la quantité de sel dissout dans leau. Cet instrument permet de déterminer le nuage de dispersion lors dinjection ponctuelle Fabricant : HWL Delft Hydraulics Fabricant : Endress + Hauser

37 37 Introduction Principes physiques Les grandeurs principales La chaîne de mesures Conclusion Présentation

38 38 La chaîne de mesures Phénomène physique CapteurConditionneur Instrument (carte dacquisition) Logiciel

39 39 Types de capteurs Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable Capteur actif Effet thermoélectrique Effet piézo-électrique Effet d'induction électromagnétique Effet photo-électrique Effet Hall Effet photovoltaïque Capteur passif Résistif (Déplacement, température, luminosité) Capacitif Magnétique

40 40 Rôles du Conditionneur Son rôle principal est lamplification du signal délivré par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unité de visualisation ou d'utilisation. Cet étage intègre généralement lalimentation du capteur et un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal. vbvb

41 41 Les réglages Le conditionneur (transmetteur) possède en général au moins deux paramètres de réglage ; le décalage de zéro et le gain déterminant l'étendue de mesure (FS) Réglage de zéro Réglage de gain (amplification)

42 42 Les instruments Spécifications : Format Nombre dentrée/sortie (A/D) Vitesse de mesure Résolution Oscilloscope Agilent Multimètre scanner Agilent DaQPad USB National Instruments Carte PCI National Instruments

43 43 Circuit Circuit dentrée analogique dune carte série M de National Instruments

44 44 Les erreurs L'erreur de justesse est l'erreur globale résultant de toutes les causes pour chacun des résultats de mesure pris isolément. La fidélité est l'aptitude d'un appareil de mesure à donner des mesures exemptes d'erreurs accidentelles. Erreur de linéarité Erreur d hystérésis Incertitude de mesure : Somme des erreurs systématique et aléatoire dune chaîne de mesure

45 45 Partie logiciel Acquimem Contact Pro Acquisition rapide ( > 10 hz) Drivers National uniquement Acquisition/pilotage lent Drivers multi instrument

46 46 Définitions Sensibilité: La sensibilité exprime la variation du signal de sortie d'un appareil de mesure en fonction de la variation du signal d'entrée. Résolution: La résolution est le plus petit écart entre deux valeurs, tel que l'appareil en donne une mesure différente. La précision: La précision est laptitude dun instrument à mesurer une valeur vraie. L'étendue de mesurage: C'est le domaine de variation possible de la grandeur à mesurer. Elle est définie par une valeur minimale et une valeur maximale (FS: full scale). I: Indication donnée par l'essai G : Quantité de grandeur à mesurer Étalonnage: Ensemble des opérations établissant, dans les conditions spécifiées, la relation entre les valeurs de la grandeur indiquée par un appareil de mesure ou un système de mesure, ou les valeurs représentées par une mesure matérialisée ou par un matériau de référence, et les valeurs correspondantes de la grandeur réalisée par les étalons. Calibration: est laction qui consiste à régler linstrument de façon à ce que le résultat corresponde à celle du calibre (calibration par résistance shunt dun pont de jauge).

47 47 Fin Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré" (Galilée)


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