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La mesure de niveau


 
 
Sources et références bibliographiques: La Houille Blanche- Numéro 4/5-1987 Réseau Ile de France - Les limnigraphes- Synthèse Déc.1986 Commission Limnimétrie en Réseau d'Assainissement et Milieu Naturel Colloque sur la télémesure et la transmission de données en hydrologie - Actes du Colloque de Toulouse en Mars 1987. Service de la Navigation de Toulouse/OMM. Techniques Hydrométriques Classiques et Modernes parG.JACCON-ORSTOM Les cahiers de VERSEAU- Systèmes de télémesure- Verseau S.A. 1990 Plate-Forme Metrologique - Tests comparatifs - BRGM 1993 Journées Techniques Hydrologic - 1993 La France et l'hydrologie opérationnelle - Ministère Environnement L'eau, l'industrie, les nuisances © 1995 Encyclopædia Universalis France S.A.

La plupart des principes physiques peuvent s’appliquer à la mesure d’un niveau : du simple contrôle visuel à l’atténuation d’un rayonnement gamma en passant par la poussée d’Archimède ou l’écho d’une onde. Le plus étonnant c’est que parmi la multitude de techniques qui se sont développées au fil du temps, aucune d’entres elles n’est parvenue à supplanter les autres. Pourtant les conditions d’application sont souvent décisives pour les capteurs et la fiabilité de la mesure. L'échelle limnimétrique, généralement faite de tôle émaillée et graduée tous les centimètres, reste encore aujourd'hui l'instrument de base pour le mesurage du niveau d'eau dans les cours d'eau. Les autres capteurs sont toujours associés à une batterie d'échelle. L’altitude de l’origine de la règle doit être connue afin d’être en concordance avec les autres sites de mesure, et de permettre des remplacements en cas de dommages sans modifier le tarage de la station Divers capteurs se trouvent sur le marché en fonction du principe de mesure qu'ils utilisent. Parmi eux nous citerons : le système bulle à bulle, les flotteurs, les palpeurs, les capteurs piézo et à ultra sons ou radar. Les paramètres techniques importants pour le choix d'un tel capteur sont : - la sensibilité qui pour une variation minimale de niveau d'eau entraîne une variation mesurable de l'enregistreur. - la linéarité qui détermine la relation entre les hauteurs enregistrées et les hauteurs d'eau réelle sur la gamme complète de l'appareil. - l'hystérésis qui est l'écart maximal entre les courbes de linéarité en phase montée et en phase descente. - la fidélité ou répétabilité de la mesure et qui détermine la constance des valeurs enregistrées. - la vitesse de poursuite qui détermine la valeur maximale de montée du niveau d'eau que l'appareil peut suivre de façon instantanée sans décrochage. - la mise en place et l'entretien
 
 
LES FLOTTEURS :
Ce sont des capteurs solidaires des mouvement du plan d'eau. Ils sont généralement disposés dans un puit relié par conduite au point le plus bas de la nappe d'eau dont on veut suivre les variations. Les déplacements de ces capteurs sont transmis ensuite à une chaîne de mesure. Il existe des variantes de ce type de mesure : - un aimant solidaire du flotteur ferme le contact d'un élément d'une échelle d'ILS (Interrupteur à Lame Souple) espacés régulièrement. Un procédé similaire utilise directement le plan d'eau par immersion d'une chaîne d'électrodes. - le flotteur est constitué d'un plongeur qui exerce sa poussée sur un tube de torsion. La rotation du tube est relayée par un noyau se déplaçant dans un système de détection inductive. Cela reste des systèmes mécaniques précis, simple et fiables. L'inconvénient principal de ce type de capteurs est, du moins pour les stations en rivière, l'importance des travaux de génie civil nécessités par leur mise en place et dans certains cas la vulnérabilité de l'ouvrage.
· Les limnigraphes à flotteur : le niveau de l’eau est mesuré par l’intermédiaire d’un flotteur(1). Grâce à un câble ou un ruban métallique perforé (2) le mouvement du flotteur est transmis à la poulie (3) fixée à l’axe de commande d’un enregistreur à tambour (4). La tension du câble est obtenue grâce à un contrepoids (5). C’est la poulie qui transforme la translation verticale du flotteur en mouvement rotatif nécessaire à la commande de l’enregistreur. Ce système impose la construction d’un puits de mesure dont la hauteur est fonction de l’amplitude maximum du niveau de l’eau car l’enregistreur doit être maintenu hors d’eau sous peine de perte des données. Il faut noter que le puits de mesure est onéreux à l’installation et qu’il est sujet à l’envasement et au gel.
 
LES PALPEURS
Ce sont des flotteurs asservis à un moteur et se déplaçant verticalement pour rechercher le contact du plan d'eau en utilisant la fermeture d'un circuit électrique. Ce n’est pas une mesure de niveau mais une détection de niveau. La mesure permet à l’utilisateur de connaître à chaque instant la hauteur du liquide.
 
 
 
LES CAPTEURS DE PRESSION :
Le niveau d'eau est mesuré à partir de la pression hydrostatique (la hauteur h d’une colonne de liquide est directement proportionnel à la pression P selon l’équation P = rgh avec r masse volumique et g l’accélération de la pesanteur) qui par l'intermédiaire d'un capteur semi-conducteur est transformée en signal électrique. L'élément sensible à la pression est constitué de deux pavés, l'un en silicium monocristallin, l'autre en verre, soudés ensemble par procédé électrostatique. Des résistances piézorésistives sont diffusées sur la membrane sensible à la pression, micro usinée dans le pavé en silicium. Selon la pression de référence, on utilise la terminologie suivante: _ Pression absolue : Mesure par rapport à un volume scellé, généralement sous vide. _ Pression Relative: Mesure par rapport à la pression atmosphérique. _Pression Différentielle : Avec 2 entrées pression, pour mesurer la différence entre 2 pressions. Pour effectuer des mesures de pressions absolues, l'espace compris entre les deux pavés est vide d'air. Pour la mesure des pressions relatives et différentielles, le pavé inférieure en verre est percé. Les résistances piézorésistives forment un pont de Wheastone dont le signal de sortie est proportionnel à la différence des pressions appliquées sur la membrane en silicium. L'élément sensible est monté sur une embase comportant des broches isolées par des scellements en verre comprimé. Des fils d'or relient les piézorésistances aux broches isolées. Dans la plupart des applications de mesure de pression, l'élément sensible est protégé du milieu environnant en étant placé dans un boîtier en acier inoxydable, de façon à ce qu'un espace clos existe entre la surface de l'élément sensible et un diaphragme de haute compliance également en acier inoxydable. L'espace clos est rempli sous vide 'huile inerte qui assure la transmission de la pression mesurée, applique sur le diaphragme, à l'élément sensible. La densité de l’eau est environ mille fois plus élevée que celle de l’air. Une colonne de 1 cm2 de section et d’un volume de 1000cm3 aura donc une hauteur de 1000 cm soit 10 m. Cette colonne exercera alors à sa base une pression de 1 kg/cm2 = 1atm =1bar. La pression hydrostatique augmente de 1 bar tous les 10m. (1 cm H2O=98,1 bar) A 100 m de profondeur la pression absolue est de 11 bar mais la pression relative par rapport à la surface est de 10 bar. Pour des pressions élevées, l’utilisation de colonnes de liquides est inappropriée. On utilise alors une balance à poids constituée d’un piston flottant dans un cylindre; le piston est chargé avec un poids mort. Avec un piston de 1 cm2 de section et une charge de 100 kg, l’équilibre du piston sera réalisé avec une pression p de 100 kg/cm2 ( = 98,1 bar). On peut réaliser avec ce système des mesures de pression très précises. Les manomètres mécaniques à cadran, à déformation de tubes ou de membranes métalliques sont encore utilisés de nos jours. La cellule ou chip est une membrane en silicium micro usiné. Des jauges piézorésistives, agencées en un pont, sont implantées à la périphérie de la membrane. Le phénomène de piézorésistivité consiste dans la variation de résistivité du matériau sous l’influence d’une contrainte due à l’action de la pression à mesurer. Ce phénomène se produit avec des semi-conducteurs tels que le silicium. Le capteur comporte en fait des résistances diffusés dans le silicium de façon à former un pont de Wheatstone. Une membrane plane sensible à la pression est posée sur les résistances. La déformation de la membrane augmente la valeur des résistances radiales et diminue celle des résistances transversales. Les variations peuvent atteindre jusqu’à 30% de la valeur initiale. Le signal de sortie du pont, de niveau élevé et dénué d’hystérésis, est directement proportionnel à la pression. Les capteurs faible coût sont des capteurs dont la cellule de mesure n’est pas protégée du milieu à mesurer.
Les capteurs de pression piézorésistif OEM sont la base des capteurs : le chip est monté dans un boîtier en acier inoxydable fermé à l’avant par une fine membrane ondulée; l’ensemble est rempli d’huile adaptée à l’application. La pression agissant sur la membrane ondulée est transmise par l’huile à la membrane du chip. Le capteur de pression est un instrument de mesure prêt à l’emploi. C’est un capteur OEM muni d’un raccord pression, de compensations intégrées et d’une sortie par câble ou connecteur. Les capteurs sont généralement utilisés lorsque l’amplification du signal est effectuée avec un amplificateur à distance. Capteur et amplificateur constituent alors une chaîne de mesure. Un transmetteur intègre une correction et une amplification du signal grâce à un conditionneur approprié. Le signal du capteur est traduit en un signal de sortie nommé à 0..100mV, 0..10V, 4..20mA. Une bonne représentation de la précision d’un transmetteur est sa bande d’erreur. Elle regroupe les erreurs possibles dans l’étendue de mesure et de température considérée. L’erreur typique, quant à elle, représente l’erreur probable sur la mesure du transmetteur. Les appareils sont classés par bande d’erreur à température ambiante. La technologie capacitive est à base de cellule céramique. La piezo électricité est surtout utilisée dans les mesures de pression et de forces dynamiques. Afin de compenser la pression atmosphérique mesurée en même temps que la pression hydrostatique, le capteur est en communication avec l'air libre. Le système mesure par conséquent une pression différentielle. Dans le capteur piezorésistif, le semi-conducteur est déformé par la pression qui lui est appliquée et sa résistivité varie en fonction de la pression. La plaque de céramique de ces capteurs est fragile vis à vis des surpressions et des chocs. Dans le cas du piézocapacitif, la pression hydrostatique est convertie en un déplacement mécanique qui fait varier la valeur d'un condensateur. La plaque de céramique n'est donc plus déformée mais "comprimée" de façon homogène; de plus une buté de fin de course protège en cas de surpression. Leur réponse linéaire les rend plus précis mais ils sont plus chers. Dans ce type de capteur, des altérations de la mesure peuvent se produire à 2 niveaux : Dans la relation hauteur-pression par des modifications spécifiques du poids de l'eau ou par intervention de la pression hydrodynamique. Dans la relation pression-phénomène électrique par des perturbations parasites spécifiques tels que l'influence de la température, la linéarité, l'hystérésis et la dérive du zéro. Il est donc indispensable de prendre en compte ces étalonnages et contrôle régulier de ces capteurs.
 
 
Pascal
bar
atmosphère
g/cm2
psi
1 Pascal (Pa) = 1 10-5 0,9869 10-5 1,02 10-2 0,145 10-3
1 bar = 105 1 0,9869 1020 14,51
1 atmosphère = 1,013 105 1,013 1 1033 14,70
1 g/cm2 = 98 0,098 10-2 0,968 10-3 1 0,01422
1 psi = 6895 6,89 10-2 0,068 70,3 1

  Il existe d'autres procédés mis en œuvre pour d'autres applications (océanographie, mesures industrielles, laboratoire...) - Dispositifs conductifs : l'appareil mesure les variations de résistance d'un fil conducteur vertical en fonction de la hauteur immergée - Dispositifs capacitifs : l'appareil mesure les variations de capacité d'un condensateur coaxial constitué d'un conducteur vertical enrobé d'un diélectrique. L'eau constitue la seconde électrode du condensateur . - Dispositifs acoustiques : un tube plongé verticalement dans l'eau est mis en résonance. L'appareil mesure la fréquence de vibration liée à la hauteur de la colonne d'air libre donc du niveau du plan d'eau. - Ligne à retard : un fil conducteur isolé est plongé verticalement dans le liquide et des impulsions électriques envoyées dans ce fil sont réfléchies au niveau de la surface et la mesure du retard de l'onde réfléchie par rapport à celle émise permet de déterminer la position du niveau d'eau. - L’admittance RF : cette méthode est voisine de la méthode capacitive avec en plus une mesure de résistance. Cette mesure se fait dans la bande des 100 kHz (bande RF). - TDR (Time Domain Reflectometry): Cette méthode consiste à envoyer une impulsion électromagnétique en direction de la surface. Lorsque l’onde atteint celle-ci, une partie est réfléchie et le temps aller - retour est directement liée au niveau. Mais contrairement aux systèmes à ultrasons ou micro-ondes classiques, l’onde est guidée et il n’y a plus de réflexions parasites. Les industriels attendent beaucoup de cette technologie. Ces dispositifs peuvent donner une excellente précision et l'influence de la pression atmosphérique et de la température sont négligeables. Les systèmes sont robustes mais les contraintes d'utilisation sont de maintenir la surface de la canne de mesure exempte de dépôt conducteur et parfaitement verticale. La présence d'un puit de mesure n'est pas indispensable mais fortement conseillée.
 
LE BULLE A BULLE :
Il s'agit d'un système pneumatique où l'extrémité immergé est constitué par une buse laissant échapper "bulle à bulle" un gaz fourni par un compresseur ou une bouteille de gaz comprimé. Un capteur de pression inclus dans le limnigraphe mesure la contre-pression du gaz qui équilibre la pression hydrostatique (pression nécessaire pour obtenir des bulles). Cela peut être considéré comme une mesure de pression à distance. Le principal problème de ce système était la production d’air . Ce qui n'est plus le cas actuellement avec l'apparition des mini compresseurs à basse consommation électrique comme sur les LPN/8 de chez Hydrologic.

 
LES CAPTEURS A ULTRASONS :
Le principe consiste à émettre une onde ultrasonore vers le niveau à mesurer. Lorsque l’onde rencontre la surface qui indique le changement de milieu, une partie de l’onde est réfléchie. La mesure du temps entre l’émission et la réception de l’onde indique la hauteur de la surface de séparation. Ils mesurent la distance qui les sépare de la surface à mesurer. Ils peuvent être immergés ou à l'air libre. Ces capteurs doivent en général être perpendiculaire au plan de la surface à mesurer ce qui rend leur mise en œuvre difficile. La maintenance régulière de la cellule ultrason entraîne une contrainte non négligeable sur des systèmes autonomes. Ils sont relativement sensibles aux variations de température, de pression, à la présence de brouillard, et des vibrations dues au vent ou au courant. La vitesse de propagation du son dans l’air (331 m/s à 0°C) varie avec la température (0,18% ou +0,6 m/s pour 1°C). Pour cette raison toutes les sondes ultrasoniques sont équipées d’une compensation en température. Cependant un écart de 1 °C sur la mesure de température induit une erreur de 0,18% sur le niveau mesuré. Les courants d'air, les turbulences et les différences de densité entre les couches d'air peuvent atténuer ou dévier l'écho et perturber la mesure. L'efficacité des transducteurs est aussi sensible à la formation de dépôt solides (poussière) ou liquides (condensation) à leur surface. Les ultrasons immergés sont moins sensibles du fait que la température de l’eau est plus homogène que celle de l’air et que la propagation des ondes ultrasonore est trois fois plus rapide dans l’eau que dans l’air.
  Ces défauts n'apparaissent plus avec une fréquence différente proche des fréquences radars (les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques dont la vitesse de propagation est quasiment égale à la vitesse de la lumière et indépendante de la température) mais le coût est plus élevé et la consommation énergétique plus importante.
  Il existe aussi quelques capteurs à infrarouge.
LES CODEURS
L'existence d'un parc encore important de limnigraphes classiques à enregistrement graphique pose le problème de leur adaptation à des systèmes d'enregistrement numérique. La solution la plus souvent utilisée associe à l'axe de rotation du limnigraphe un codeur rotatif chargé de traduire les déplacements angulaires en information numérisable. Ces codeurs sont de différents types : - les codeurs analogiques qui sont des potentiomètres électromécaniques ou optoélectroniques. Ils sont dits absolus car le signal délivré se rapporte à une origine fixe (le zéro de la résistance). - les codeurs numériques dont les déplacements angulaires sont directement codés dans le système binaire. Ils peuvent être relatifs (ou incrémentaux) c'est à dire que les signaux délivrés se rapportent à la différence constatée entre deux positions successives de l'axe de rotation ou bien impulsionnels qui fournit un signal chaque fois que la grandeur varie d'une unité ou encore absolus. On utilise le code binaire pur ou souvent le code réfléchi GRAY. Les codeurs mécaniques sont autonomes et robustes mais présentent un couple résistant non négligeable, inconvénient que n'ont pas les codeurs optoélectroniques mais ils nécessitent une source d'énergie. Avec un codeur absolu ou incrémental, la qualité de l'échantillonnage dépend de la fréquence de la mesure. Les codeurs impulsionnels imposent une base de temps précise pour dater l'impulsion, mais fournissent toute l'information possible sur la variation de grandeur. Les critères de choix des codeurs sont la consommation, la vitesse de rotation, la durée de vie et la sensibilité.