Mesurer c’est savoir ? Mais encore faut-il savoir mesurer Mesure hydraulique Alex Bertholet Laboratoire du Génie Civil Place du Levant n° 1 1348 Louvain-la-Neuve alex.bertholet@uclouvain.be Mesurer c’est savoir ? Mais encore faut-il savoir mesurer Le 18 décembre2007

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

Mesurer c’est perturber ATTENTION : Mesurer c’est perturber Mesurer La mesure est l’une 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 d’y apporter l’attention et le soin nécessaires, en utilisant la chaîne d’acquisition adéquate Mesurande :Grandeur physique (P, T, ...). Mesurage :Toutes les opérations permettant l'obtention de la représentation de la valeur d’une 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). Définition : La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation

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

Mesure potentiométrique 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. Symbole du potentiomètre

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 l’effet piézoélectrique : Capteur de force / Pression Accéléromètre Capteur de déplacement ultrasonique Débitmètre ultrasonique Courantomètre ADV Radar

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

Jauge de contrainte Sous sa forme la plus simple, une jauge est constituée d’un 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. La résistance d’un 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 où K est appelé le facteur de jauge

Pont de Wheatstone Lorsqu’un 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

Capteur à jauges de contraintes Le capteur à jauges comprend donc un dispositif mécanique (corps d’épreuve), destiné à provoquer, sous l’action de la grandeur physique, la déformation de ladite pièce. Des jauges collées sur ce corps d’épreuve 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….

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.

Présentation Introduction Principes physiques Les grandeurs principales Mesures de niveau d’eau Mesures de débit Mesures de courant Mesure de sédiments La chaîne de mesures Conclusion

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Mesure de niveau d’eau Bed profiler Wavo Capteur à bulles Capteur à flotteur Radar Wave meter / Bi fils Capteur de pression Capteur ultrasonique Capteur laser

Wavo Un servomoteur entraîne un tambour sur lequel est enroulé une chaînette, à son extrémité est accrochée une nacelle équipée d’une 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 d’eau. Plage : 1000 mm Précision : 0,1 mm Linéarité : 0,2 % Servo-moteur Tambour Potentiomètre Fabricant : HWL Delft Hydraulics

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

Wave meter / bi fils Ce système est constitué d’un probe et d’une unité de conversion permettant de transformer l’immersion 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). Réponse dynamique 15 Hz Plage : 500 mm Linéarité : 0,5 % Mesure intrusive Fabricant : Laboratoire du Génie Civil

Capteur de pression La pression absolue : C’est 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

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

Capteur de Pression Boîtier d’alimentation 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 LPM 9010 Diff Tous ces capteurs sont équipés d’une électronique intégrée. Ils sont alimentés en 12 volts via les boîtiers d’alimentation (LGC) et fournissent une tension de sortie de 5Vdc pour le fond d’échelle. Les connecteurs de raccordement sont standardisés. L’air dans les conduites agit comme un filtre passe bas sur la mesure. Les capteurs différentiels sont équipés d’une purge. Linéarité : +/- 0,05 % Surpression : 400 % Raccord : ¼ NPT PMP 2010 Relatif Fabricant : GE Druck

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

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 d’interférométrie. Fabricant : Keyence

Tableau Récapitulatif Type Avantages Inconvénients Capteur de pression Précis Tuyauterie Capteur ultrasonique Compact / Robuste Sensible aux objets Flottants / Mousse Capteur laser Ponctuelle Zone morte Bed profiler Surface / Fond Traînée Wave meter / Bi fils Rapidité Sédiment Wavo Lent Limnimètre Référence Plan d’eau

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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

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

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

Débitmètre Type Avantages Inconvénients Electromagnétique Précis / immergeable Coûteux / Intrusif Ultrasonique Amovible Moins précis Vortex/diaphragme Simple Linéaire Grande rangebilité Pas pour faible vitesse Coriolis Gaz / Produit alimentaire Limité à de petits diamètres

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

Courantomètre électromagnétique Cet instrument basé sur la loi d’induction 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 Fabricant : HWL Delft Hydraulics

Tube de Pitot v = vitesse 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 ps égale à la pression ambiante. L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale pt, 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 (ps est la pression statique, pt est la pression totale) ρ = masse volumique du fluide

Le micromoulinet Lorsqu’une hélice est entraînée par le courant, sa vitesse angulaire varie linéairement avec la vitesse de l’écoulement. Lorsque l’hélice est en rotation, l’anneau perforé qui l’entoure génère des variations de conductivité aux bornes des deux électrodes fixées à l’extrémité de la perche de fixation. L’unité des conditionnements convertit la fréquence en une tension proportionnelle. Diamètre de l’hélice : 15 mm Vitesse : 0 à 1 m/s Hauteur de la perche : 1,16 m Tension de sortie : +/- 10 V Fabricant : HWL Delft Hydraulics

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

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Mesure des sédiments en suspension 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 OPCON optical concentration meter : La sonde est constituée d’une source de lumière et d’un capteur optique, le tout est relié à un système de gestion à micro processeur. Le principe de mesure est basé sur l’amortissement 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. les unités, FTU (Formazine Turbidity Units) et NTU (Nephelometric Turbidity Units) sont numériquement identiques Fabricant : Endress + Hauser Fabricant : HWL Delft Hydraulics Sonde de conductivité destinée à mesurer la quantité de sel dissout dans l’eau. Cet instrument permet de déterminer le nuage de dispersion lors d’injection ponctuelle Fabricant : LGC

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La chaîne de mesures Phénomène physique Instrument (carte d’acquisition) Logiciel Capteur Conditionneur

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

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

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 gain (amplification) Réglage de zéro

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

Circuit Circuit d’entrée analogique d’une carte série M de National Instruments

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 Incertitude de mesure : Somme des erreurs systématique et aléatoire d’une chaîne de mesure Erreur d’ hystérésis

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

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 l’aptitude d’un 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 l’action qui consiste à régler l’instrument de façon à ce que le résultat corresponde à celle du calibre (calibration par résistance shunt d’un pont de jauge).

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