Types d`échantillonnage spatial réalisés par les capteurs de vitesse

Echantillonnage
spatial réalisé
par les capteurs
de vitesses
et représentativité
des vitesses.
1
Rappel :
L’arrêt de 2007 dit :
« mesurer en continu les débits »
Aucune technique ne mesure directement
des débits (i.e. des m3/s)
En continu on mesure
• des hauteurs (m)
• des vitesses (m/s)
2
Débit : cas où une mesure
de vitesse est nécessaire
La théorie : une répartition en continu dans l’espace
Q = ∫ U i (x, y)dS
s
La pratique : une sommation discrète
Q(t) = ∑ (Ui (t)Si )
Souvent écrite :
Q = SU
3
Comment déterminer la vitesse
moyenne instantanée?
Exemple de semi de points
de temps sec et des vitesses locales
1
U=
.∑ Ui . dSi
Sm
Quelle moyenne ?
On doit donc au sens strict mesurer
la vitesse moyenne U dans la section.
Un capteur mesure une vitesse
moyenne Û dans sa zone de mesure.
Comment passer de
A quoi correspond
Û à U ?
Û ?
5
Echantillonnage « global » :
capteur électromagnétique
Ue (V)
bobine
écoulement
électrodes
Champ
magnétique B
Utilisation de
la loi de Faraday
Ue
Û = k
B.L
Généralement mesurée
dans la partie basse
de l’écoulement
(cf doc constructeurs).
Quel lien
entre cette moyenne
et LA vitesse moyenne ?
L
6
Capteur électromagnétique :
Aspect pratiques
7
Echantillonnage 1D :
Mesure par temps de transit
1 vitesse (m/s)
Moyenne arithmétique sur une horizontale
8
théorie
ÛAB
 t 2 − t1 
L
. 
=

2. cos(α )  t 2 . t1 
B
U’3
V’3
β3
L
U3
V3
V’2
β2
U2
V2
V’1
β1
α U1
A
U’2
V1
U’1
9
Echantillonnage vertical :
utilisation de plusieurs cordes
Le débit est calculé par :
ˆ .S
Q = ∑i = 1 α i .U
i i
n
norme NF EN ISO 6416 propose 2 choix
• « mid section method » (méthode du milieu de la section : pas de saut de vitesse)
• « mean section method » (méthode de la section moyenne)
Surface libre, hauteur Hs
Corde 3, vitesses v3, hauteur H3, largeur W3
Corde 2, vitesses v2, hauteur H2, largeur W2
Corde 1, vitesses v1, hauteur H1, largeur W1
10
Echantillonnage plus complexe :
débitmètre à effet Doppler
Données :
1 hauteur donc 1surface mouillée (m2)
1 vitesse (m/s)
11
théorie
V × cos θ n =
c × f D,n
2 × fs
Schéma issu de la spécification technique ISO 15769 :2010.
12
capteur Doppler
1 volume 3D pour une mesure dans une section
capteur Doppler
Donc:
volume
1 mesure indirecte
dans une section
droite,
à partir d’un spectre
de fréquences,
Section
droite
représentant
le champ de vitesses
dans un volume mal
défini
14
Paramètres caractéristiques :
portée
angle d’émission
angle d’ouverture
pondération d’échos
15
Angle d’ouverture
15°
10°
Capteur
Vu de dessus
Angle grand : meilleur échantillonnage sur la largeur
Angle d’émission
Surface libre
Prise en compte
de tout le profil
de vitesses
30°
Vmax
profil de
vitesse
15°
radier
Influence de la portée
Surface libre
B
Profil de
vitesses
C
Vm
q
capteur
Prise en compte de tout le profil de vitesses
Portée
vitesse mesurée par le capteur (m/s)
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0,00
80% de la valeur réelle
capteur A
capteur C
capteur D
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
distance (m)
19
Quelques cas concrets
Capteur
A
C
D
Marque
et modèle
Sygma 950
Isco 4250
Mainstream
Fréquence
1 MHz
0,5 MHz
1 MHz
Angle
d’émission
(°)
Angle
d’ouverture (°)
15
31
14
17
10
24
Portée (m)
> 3,5
0,8
1,2
20
Pondération des échos
Pondération des échos
Pondération des échos
A l’aller :
L’énergie par unité de surface diminue
comme 1/d2
d
Pondération des échos
A l’aller :
L’énergie par unité de surface diminue
comme 1/d2
Pondération des échos
A l’aller :
L’énergie par unité de surface
diminue comme 1/d2
Pondération des échos
A l’aller :
L’énergie par unité de surface
diminue comme 1/d2
Le nombre de particules situées
dans le cône augmente comme d2
Les deux effets se compensent: l’énergie
globalement réfléchie est constante
d
Pondération des échos
Au retour
L’énergie reçue par le
capteur depuis les particules
situées à une distance d
diminue comme 1/d2
Les vitesse mesurées à une
distance d sont globalement
pondérées par 1/d2 dans
la moyenne
d
Dit autrement
Courbes d’isovaleur de Vi /
capteur A (Vm)Vmax
Capteur C (Vm)
Quel est le volume insonifié ?
Quelle est l’énergie reçue par le capteur
Que mesure réellement le capteur ?
Intérêt de la simulation numérique
28
Influence du type et du positionnement du capteur
29
Conclusion (1/2) :
• les techniques en continu ne permettent pas une évaluation
directe de la vitesse moyenne dans une section
• les cordes mesurent des vitesses moyennes arithmétiques
sur des horizontales mais il faut les interpoler verticalement
• les débitmètre à effet Doppler effectue un échantillonnage
plus hétérogène, et introduisent des pondérations
non-documentées
• l’effet de l’échantillonnage dépend du champs de vitesse,
et donc de la géométrie et de l’hydraulique du site.
30
Conclusion (2/2):
L’hydraulique
du
en 3 cas de figure :
site
peut
être
classé
•Section simple : étalonnage constructeur à vérifier
•Section complexe : étalonnage sur site
•Section sous influence : étalonnage numérique ?
31
On devrait peut être chercher un autre site?
Merci de
votre
attention
32
Echantillonnage 2D :
norme NF EN ISO 748
1 texte plein de recommandations utiles
pour l’évaluation de la vitesse
moyenne instantanée dans une
section.
• Pour le choix du site,
• Pour la mesure de section
• Les matériels
• Le nombre et l’emplacement des
points
• Le calcul du débit
Influence des MES
Rappel :
on mesure la vitesse des particules
34
Ln(
U with particles (r )
U without
particles
(r )
) = −α p r
35
(Duran, 2003)
D10 (µm)
D50 (µm)
D90 (µm)
< 100 (µm)
4.40
26.73
148.37
87%
brut - 250 mg/l
brut - 1000 mg/l
< 500 microns - 250 mg/l
< 500 microns - 1000 mg/l
exp(-0,05r)
exp(-0,131r)
1,10
U avec particulesà r / U sans particules à r
Théorie : si d = 1,2, diamètre 100 microns : C = 100 mg/l : α = 0,3
1,05
1,00
0,95
0,90
0,85
0,80
0,00
0,20
0,40
0,60
distance entre les sondes (m)
0,80
1,00
1,20
36
Eaux usées
U avec particules à r / Usans particules à r
1,10
1,00
0,90
eaux usées brutes à 223 mg/l
exp(0r)
eaux usées brutes à 514 mg/l
0,80
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
distance entre les sondes en cm
37
2
Capteur type A
4
3
1
-> Angle d’émission = 15° -> Portée = 3,5 m
-> Ouverture du faisceau = 17°
38
2
Capteur type D
4
3
1
-> Angle d’émission = 14° -> Portée = 1,3 m
-> Ouverture du faisceau = 24°
39