ISO 4373:2022
(Main)Hydrometry — Water level measuring devices
Hydrometry — Water level measuring devices
This document specifies the functional requirements of instrumentation for measuring the level of water surface (stage), primarily for the purpose of determining flow rates. This document is supplemented by Annex A, which provides guidance on the types of automatic water level measurement devices currently available and the measurement uncertainty associated with them. The manually operated measuring devices are described in Annex B. This document is applicable to both contact and non-contact methods of measurement. The non-contact methods are not in direct material contact with the water surface but measure the height of the water level with ultrasonic or electromagnetic waves.
Hydrométrie — Appareils de mesure du niveau de l'eau
Le présent document spécifie les caractéristiques de fonctionnement des instruments employés pour mesurer le niveau de la surface de l'eau, essentiellement afin de déterminer des débits. Le présent document est complété par l'Annexe A qui fournit des indications sur les types d'appareils de mesure du niveau de l'eau actuellement disponibles et sur l'incertitude de mesure qui leur est associée. Les appareils de mesure à fonctionnement manuel sont décrits dans l'Annexe B. Le présent document s'applique à la fois aux méthodes de mesure avec et sans contact. Les méthodes sans contact concernent des appareils qui ne sont pas en contact direct avec la surface de l'eau, mais mesurent la hauteur du niveau d'eau avec des ondes ultrasoniques ou électromagnétiques.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 4373
Fourth edition
2022-03
Hydrometry — Water level measuring
devices
Hydrométrie — Appareils de mesure du niveau de l'eau
Reference number
© ISO 2022
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Instrument specification . 1
4.1 Performance parameters . 1
4.2 Performance classification . 1
4.3 Maximum rate of change . 3
4.4 Environment . 3
4.4.1 General . 3
4.4.2 Temperature . 3
4.4.3 Relative humidity . 3
4.5 Timing . 3
4.5.1 General . 3
4.5.2 Digital . 4
4.5.3 Analogue . 4
5 Recording . 4
5.1 General . 4
5.2 Chart recorders . 4
5.3 Data loggers . . 4
6 Enclosure . 4
7 Installation .5
8 Maintenance . 5
9 Estimation of measurement uncertainty . 5
9.1 General . 5
9.2 Type A uncertainty estimation . 6
9.3 Type B uncertainty estimation . 6
9.4 Uncertainty in case of low water level conditions . 7
9.5 Level measurement datum . 7
9.6 Combining primary measurement uncertainties . 7
Annex A (informative) Types of water level measuring devices . 8
Annex B (informative) Manually operated measuring devices .22
Annex C (informative) Recording devices .25
Bibliography .27
iii
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 113 Hydrometry, Subcommittee
SC 5, Instruments, equipment and data management, in collaboration with the European Committee
for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 318, Hydrometry, in accordance with the
Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This fourth edition cancels and replaces the third edition (ISO 4373:2008), which has been technically
revised. The main changes are as follows:
— improvements in water level measuring devices have been incorporated;
— the use of mercury has been removed;
— the old Annex A has been divided into three new separate Annexes A, B and C;
— in the new Annex A, the electronic techniques that are currently more commonly used have been
brought to the front in order to give them a greater emphasis.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
Introduction
Measuring the level of water surface is very important in hydrometry for the purpose of, among
other things, determining flow rates. Information about water levels is also used in operational water
management, including the design of dikes and storm surge warning services. Water level information
also provides decision-making guidance to shipping activities.
v
INTERNATIONAL STANDARD ISO 4373:2022(E)
Hydrometry — Water level measuring devices
1 Scope
This document specifies the functional requirements of instrumentation for measuring the level of
water surface (stage), primarily for the purpose of determining flow rates.
This document is supplemented by Annex A, which provides guidance on the types of automatic water
level measurement devices currently available and the measurement uncertainty associated with them.
The manually operated measuring devices are described in Annex B.
This document is applicable to both contact and non-contact methods of measurement. The non-contact
methods are not in direct material contact with the water surface but measure the height of the water
level with ultrasonic or electromagnetic waves.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies.
For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments)
applies.
ISO 772, Hydrometry — Vocabulary and symbols
IEC 60079-10, Electrical apparatus for explosive gas atmospheres — Part 10: Classification of hazardous
areas
IEC 60529, Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 772 apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
4 Instrument specification
4.1 Performance parameters
The performance parameters of a water level measuring device are uncertainty, measurement range,
temperature range and relative humidity range. Thus, the overall performance of the equipment can be
summarized by a few characterizing parameters.
4.2 Performance classification
Water level measuring devices shall be classified in accordance with the performance classes given
in Table 1 that account for the resolution to be achieved and the limits of uncertainty required
over specified measurement ranges. Measurement range is to be understood as the difference between
the highest and the lowest water level that can be measured. When measuring short ranges with class 1
and 2 devices, the uncertainty is a few millimetres, and this is difficult to achieve.
It should be made clear whether these levels of attainment can only be achieved using special works,
e.g. installation within a stilling well, also referred to as a “gauge well”.
Table 1 — Performance classes of water level measuring devices
Class Resolution Range Nominal uncertainty
Performance class 1 ≤ 1 mm ≤ 1,0 m < ±0,1 % of range
≤ 2 mm ≤ 5,0 m
≤ 10 mm ≤ 20 m
Performance class 2 ≤ 2 mm ≤ 1,0 m < ±0,3 % of range
≤ 5 mm ≤ 5,0 m
≤ 20 mm ≤ 20 m
Performance class 3 ≤ 10 mm ≤ 1,0 m < ±1 % of range
≤ 50 mm ≤ 5,0 m
≤ 200 mm ≤ 20 m
The manufacturer shall state the physical principle of the measuring device to allow the user to judge
the device’s suitability for the proposed environment. Table 2 lists the various physical principles of
operational water level measuring devices being used in the field against their characteristics. These
different techniques are described in more detail in Annex A.
Table 2 — Characteristics of operational water level measuring devices
Device Type Suitable for continuous Typical Typical
measurement measurement uncertainty
range
Mechanical Float and counterweight in a Yes 20 m 5 mm to 10 mm
devices stilling well
Wire weight gauge No 20 m 5 mm to 10 mm
Peak level No 15 m 10 mm to
20 mm
Staff and ramp gauge Yes 10 m 10 mm to
20 mm
Electrical Bubbler Yes 30 m 10 mm to
devices 20 mm
Pressure transducer Yes 20 m 10 mm to
20 mm
Capacitance Yes 15 m 10 mm to
20 mm
Resistance Yes 15 m 10 mm to
20 mm
Non-contact Radar/laser Yes 10 m to 50 m 5 mm to 10 mm
devices
Ultrasonic Yes 3 m to 30 m 10 mm to
(through air) 20 mm
Ultrasonic Yes 3 m to 30 m 10 mm to
(through water) 20 mm
4.3 Maximum rate of change
As water levels can rise and fall rapidly in some applications, to provide guidance on suitability,
for mechanical devices the manufacturer shall state on the equipment specification sheet and
in the instruction manual:
a) the maximum rate of change which the instrument can follow without damage;
b) the maximum rate of change which the instrument can tolerate without suffering a change
in calibration;
c) the response time of the instrument.
The response time is the time interval between the instant when the level sensor is subjected to an
abrupt change in liquid level and the instant when the readings cross the limits of (and remain inside)
a band defined by the 90 % and the 110 % of the difference between the initial and final value of the
abrupt change. The response time should be short enough for the instrument to follow even the fastest
relevant changes in water level, e.g. tides and flood waves. The response time should not be too short.
Therefore, in many electronic devices, it is possible to enlarge the response time through the setting
of certain parameters within the instrument. This can be useful, for example, to damp out the rapid
excursions caused by short waves. Such rapid disturbances are due to local hydraulic phenomena and
are thus not representative for the water level over a large section of the water course. The locally
excited disturbances are thus to be discarded as much as possible.
4.4 Environment
4.4.1 General
Water level measuring devices shall operate within the ranges of temperature in 4.4.2 and the ranges
of relative humidity in 4.4.3.
4.4.2 Temperature
Water level measuring devices shall operate within the following ambient air temperature classes:
Temperature class 1: –30 °C to +55 °C
Temperature class 2: –10 °C to +50 °C
Temperature class 3: 0 °C to + 50 °C
4.4.3 Relative humidity
Water level measuring devices shall operate within the following relative humidity classes:
Relative humidity class 1: 5 % to 95 % including condensation
Relative humidity class 2: 10 % to 90 % including condensation
Relative humidity class 3: 20 % to 80 % including condensation
4.5 Timing
4.5.1 General
Where timing, either analogue or digital, is part of the instrument specification, the timing method
used shall be clearly stated on the instrument and in the instruction manual.
NOTE It is recognized that digital timing is potentially more accurate than analogue timing.
Moreover, when several raw data samples are assembled in order to calculate a time averaged
measurement value, it should be clearly stated to which moment in time the final result applies. It is
preferred to have this time label be at exactly the middle of the averaging time window, because this
moment is the most representative. However, many commercially available loggers add time and data
stamps at the beginning or at the end of the averaging time window.
4.5.2 Digital
The uncertainty of digital timing devices used in water level measuring devices shall be within ±60 s
at the end of a period of 30 days, within the range of environmental conditions defined in 4.4.
4.5.3 Analogue
The uncertainty of analogue timing devices used in water level measuring devices shall be within ±5 min
at the end of a period of 30 days, within the range of environmental conditions defined in 4.4.
5 Recording
5.1 General
Recording devices serve the purpose of storing the water level data for immediate or later use. Such
devices can be divided into analogue chart recorders and digital data loggers. For more information
about the strengths and weaknesses of these recording devices, see Annex C.
5.2 Chart recorders
Where a chart recorder is to be used as the primary source of data, the resolution and uncertainty
parameters shall take account of changes in the dimensions of the recording medium due to atmospheric
variables.
NOTE Chart recorders have been superseded to a large extent by data logging services. However, they are
still used as back-up units or to provide rapid visual assessment of flow changes on site.
5.3 Data loggers
A data logger shall be able to store at least the measured value and a timestamp. The data logger shall
be able to store at least the equivalent of four digits per measurement and at least the equivalent of nine
digits for the timestamp. In practice, however, the minimum requirement of four digits per measurement
does not always suffice. Therefore, the data logger can store readings which are sufficiently resolute
to record the full range of measured water level values including all increments possible at the level
sensor’s resolution. This means that there shall be sufficient decimal places, or equivalent, to record
all possible step changes in measured values across the sensor’s range. Consequently, for some high-
resolution water level measurements, there is a need for more than four digits per measurement.
The nine digits for the timestamp are based on the format YYDDDHHMM (year, day, hour, minute).
However, a more time resolute and practical date time stamp such as a DDMMYYYYHHMMSS (day,
month, year, hour, minute, second), or similar, format is preferred. Furthermore, it is advised to properly
mention the local time zone and its reference to coordinated universal time (UTC) as well as any applied
daylight-saving time shifts.
Where a data logger includes the interface electronics, the resolution and uncertainty shall relate to the
stored value.
6 Enclosure
The performance of the enclosure shall be stated in terms of the IP classification system in accordance
with IEC 60529. It shall be stated whether or not any parts potentially in contact with water are suitable
for contact with water. It shall be stated whether or not the equipment can be used in a potentially
explosive environment in accordance with IEC 60079-10.
7 Installation
The manufacturer shall provide clear instructions for the installation of water level measuring devices.
The water level measuring device shall have a clearly visible reference mark, which can be used for
tying the device to the local gauge datum.
If a float measuring system is equipped with a stilling well, the diameter of the horizontal inlet pipe
or orifice to the stilling well should be about 10 times smaller than the diameter of the stilling well itself
to sufficiently reduce any disturbances originating from waves on the water surface.
Furthermore, the vertical cylindrical pipes, in which the float can move up and down, should be at least
10 cm wider than the float diameter and shall be erected exactly along the local vertical to ensure free
movement of the float over the entire range.
Ensure that a non-contact sensor is set up with its beam perpendicular to the water surface. Non-
contact sensors shall be installed on rigid and well secured brackets to prevent movement of the sensor
that can introduce errors in the measurement. There should be a clear path from the sensor face to
the water surface, free from obstacles that can give false reflections. Many non-contact instruments
include signal diagnostics that help the user when commissioning the instrument.
Careful selection of the measurement technique is required when foam, bubbles or other disturbances
are likely to be present on the water surface (see Annex A).
8 Maintenance
Clear instructions shall be given regarding the proper maintenance of the measuring device. This also
includes regular inspections and possibly regular calibrations. It is important that measurements from
installed devices are checked periodically and, when necessary, the instrument should be recalibrated.
Reasons why recalibration is sometimes necessary vary with instrument type but can include: change
in the datum, cable stretch, electronics drift, etc.
Maintenance needs to include the periodic check of the gauge reference mark(s) to the gauge datum.
The frequency of the reference mark/datum checks depends on the stability of the gauge structure.
The level of maintenance required will vary depending on instrument type and site conditions. Annex A
gives basic maintenance considerations against each instrument type.
NOTE The above-mentioned maintenance instructions do not only apply to the measuring device, but also
to any ancillary equipment (e.g. inlet pipes and stilling wells) that can affect the proper operation of a water level
measuring station.
9 Estimation of measurement uncertainty
9.1 General
The uncertainty of a value derived from primary measurements may be due to:
a) unsteadiness of the measured value (noisy fluctuations due to, for example, waves on the water
surface or due to noise in electronic systems);
b) resolution of the measurement process (resolution of the sensor or of the human eye);
c) measurement errors due to changes in temperature, sediment content, salinity of the water or
Bernoulli effects caused by the water velocity;
d) gradual drift from the original calibration due to sensitivity to the varying environmental
conditions, e.g. temperature, relative humidity or atmospheric pressure;
e) gradual drift from the original calibration due to sensitivity to the varying electrical conditions,
e.g. supply voltage or supply frequency;
f) gradual shift in vertical position of the gauge structure and consequent drift from the last datum
check (this is elaborated upon in 9.5).
Under the GUM uncertainty framework (GUM stands for Guide to the expression of uncertainty in
[1]
measurement ), measurement uncertainty is expressed in terms of “standard uncertainty” and
“expanded uncertainty”. Standard uncertainty is denoted by u. Expanded uncertainty is denoted by
U and U = ku, where k is the coverage factor depending on the desired level of confidence. The GUM
describes two methods for estimating uncertainties that are classified as Type A and Type B. These two
estimation methods are used for relating the dispersion of values to the probability of “closeness” to the
mean value.
9.2 Type A uncertainty estimation
A Type A uncertainty is estimated as the standard deviation of a large number of measurements
under a steady-state condition. Note that the distribution of these results need not be Gaussian.
Type A estimations can be readily computed from continuous measurements when the dispersion
is not masked by hysteresis of the measurement process. Of course, the dispersion must exceed by a
significant margin the resolution of the measurement process.
Another approach for a Type A estimation is to compare the readings from two water level measuring
stations in the same water course within a very short distance of each other. When carefully examining
the difference between the two neighbouring stations, a randomly fluctuating signal can be discerned
that represents the combined effect of the two individual uncertainties at both water level measuring
stations. When the two stations are of identical construction and their measurements are uncorrelated,
the combined variance is twice the variance of each individual station. Thus, the standard deviation of
each station can be calculated by dividing the standard deviation in the random part of the water level
difference between both stations by the square root of two.
Yet another Type A estimation is the comparison of instrument water level measures and manual
observations using reference gauges such as staffs, ramps and wire-weight gauges.
9.3 Type B uncertainty estimation
A Type B estimation is assigned to a measurement process for which sufficiently large numbers
of measurements are not available or to a measurement with defined limits of resolution. To define
a Type B uncertainty, the upper and lower limits of the dispersion or the upper and lower limits of
resolution are used to define the limits of a probability diagram whose shape is selected to represent
the dispersion, i.e. uniform dispersions would have a rectangular distribution, dispersions with most
measurements congregated about the mean value would have a triangular distribution. Allocation of
probability distributions is described in Annex A.
The relationship between the uncertainty of primary measurements and the value of the uncertainty
of the result is derived from the relationship between the value of this result and its primary
measurements. For instance, the primary measurement for a non-contact sensor can be the measured
travelling time elapsed between transmission and reception of an echo from the water surface. Any
uncertainty in measuring this travelling time will lead to a correlated uncertainty in the resulting
water level.
In the case of level, this relationship to primary measurements is generally linear. Sensitivities that
describe the dependencies of the uncertainty in the result to the uncertainty in the individual primary
measurements are the partial derivatives of the value of the result with respect to each primary
measurement.
9.4 Uncertainty in case of low water level conditions
It is important to remember that in the measurement of water level, uncertainty expressed
as a percentage of water level range gives rise to worst case relative uncertainty in the determination
of low values of water level. For instance, say the uncertainty is ±1 % of range and the local range
in water level is two metres. Then there is an absolute uncertainty in all water level measurements
of ±2 cm. This leads to a relative uncertainty expressed as a percentage of the water level that becomes
large when the water level decreases. Therefore, it becomes increasingly difficult to measure low water
levels with sufficient relative accuracy.
This is highly significant in situations where flow information is derived from local water level
measurements. Low flows are related to low water levels and low flows are thus difficult to measure
with a sufficient relative accuracy. This should be considered in the design of equipment for this
purpose.
9.5 Level measurement datum
Level measurement is not an absolute measurement; it is always relative to a datum, e.g. a local
benchmark or the elevation of a weir crest. It is, therefore, essential that the water level measuring
instrument contains a clear and precise height mark (e.g. the topside of the flange of a radar sensor),
with which it can accurately be referenced to a local datum level. The uncertainty associated with
the datum should be combined with the uncertainty of the water level measurement, which is further
described in 9.6.
When the water level measurement is desired to be meaningful in a wide area, so that it can be
compared with neighbouring water level measuring stations, care should be taken to relate all the local
datum heights to each other or, in other words, to create one consistent regional datum plane. When the
water levels are measured for inferring flow characteristics over a wide area, it is preferred to couple
all the local datum heights in a so-called “geodic or gravitationally equipotential frame of reference”.
Of course, when doing so, all local datum levels should be checked regularly for any sinking or rising
with respect to the overall regional geodetic plane. The required inspection frequency at any station
depends on the vertical stability of the local datum level as a function of time.
9.6 Combining primary measurement uncertainties
To determine the standard uncertainty u of the water level, it is necessary to combine the standard
uncertainties u of all primary measurements. Thus, assuming the measurements are uncorrelated, this
results in Formula (1):
uh = ud +um (1)
() () ()
where:
u(h) is the total uncertainty in the resulting water level;
u(d) is the uncertainty in the datum level;
u(m) is the uncertainty in the water level measurement.
This illustrates the method taking into account the uncertainty of the reference level datum value.
Other components of measurement uncertainty are added in the same way by inclusion of their squared
value within the square root expression.
Uncertainties are evaluated and combined as standard uncertainties related to the standard deviation
of the dispersion distribution. However, a coverage factor k can be applied to report an expanded
uncertainty with a higher level of confidence. Usually, the coverage factor k is 2, resulting in a level
of confidence of approximately 95 %.
Annex A
(informative)
Types of water level measuring devices
A.1 Echo-location, radar instruments
A.1.1 Description
A downward-looking radar unit (see Figure A.1) can determine the relative position of a water surface
under the radar antenna by measuring the vertical distance between them. It consists of a microwave
transmitter and receiver (transceiver in short), a form of modulation by which the time elapsed
between transmitting a signal and receiving the echo from the air/water interface can be measured
as well as the conversion of the elapsed time to distance using the speed of light. The modulation that
is used to detect the targeted water surface can be a short pulse or a continuous signal that is being
modulated in frequency. The height of the water level is inferred by subtracting the measured distance
(i.e. the distance between transducer face and water surface) from gauge datum, where gauge datum
is to be understood as the height of the transducer above chart datum.
The water level measured relates to the area covered by the beam. The diameter of this area is in meters
and can be estimated by using the two-way radiation beam width (in radians) of the antenna multiplied
by the vertical distance in meters. For example, this can be in the order of 1 m when the radar is 10 m
above the water surface.
Key
1 transceiver
Figure A.1 — Remotely sensed water level height
The frequency of the used electromagnetic waves is usually in the order of 10 GHz, but sometimes other
frequencies are used. The electromagnetic echo location principle is sometimes used at much higher
frequencies extending into the visible light region. However, in such cases an optical or infrared laser is
used instead of an antenna fed by a microwave source.
The user shall accurately know the null level when the absolute height of the water level is to be
measured. Often this null level is indicated by a marker on the outside of the radar. This marker shall be
used to transfer a level datum to the local water level measurement.
In very exposed conditions, such as on a large lake or near the coast, high breaking waves can be
present that can disturb the water level measurement. In such conditions, it is advised to place the
radar measurement in an enclosed cylindrical housing, shielding it from the rough conditions outside.
Deposition of sediment in such a housing can be prevented by leaving the bottom of the protective
housing completely open. When the danger of freezing exists, the housing should be heated.
When contained in a protective housing, the electromagnetic free space condition no longer applies
and consequently the group velocity becomes lower than the speed of light in a vacuum. Since this
group velocity is the velocity by which information is propagated and the distance is measured, care
should be taken to account for this lower velocity in the calculation of distance between the radar and
the water surface. The reduction factor of the propagation velocity is dependent on the diameter of
the cylindrical housing and can be calculated by standard cylindrical waveguide theory. The diameter
must be larger than half the radar wavelength because otherwise the propagation of electromagnetic
waves is impossible.
A.1.2 Strengths
A radar echo-location instrument is mounted above water and is readily accessible for maintenance. It
has no moving parts and is not subject to fouling by vegetation and debris. The temperature of the air
column through which the signal passes does not affect the measurement. Precipitation and/or wind
do not influence the measurement.
Furthermore, radar will penetrate most surface foams and will give a true reading for the water level. A
radar echo-location instrument can operate without a stilling well when the water is calm. Depending
on the instrument, the accuracy is typically 0,1 % or better.
Tight spaces or reflection problems can sometimes be avoided by using guided wave radar
configurations (i.e. a solid rod acts as the transmission line).
A.1.3 Weaknesses
An echo-location instrument usually needs to be mounted on an arm extending over the flow to ensure
that the conical beam does not strike channel walls. Any blocking objects in the radar beam can hamper
the water level measurement.
Most radar instruments have a region, often referred to as the “dead zone” or “blanking distance” in
which they cannot detect the water surface. It typically extends between 100 mm to 300 mm beneath
the sensor face. This is because the microwave receiver is electrically isolated from the antenna for
a short while after the transmitter has emitted an electromagnetic pulse. This serves the purpose of
protecting the sensitive receiver from the powerful emitted pulse. In this isolated state, the receiver
cannot detect the reflected signal. The user shall take this blanking distance, as specified by the
manufacturer, into account, when calculating the highest water level to be measured.
Radar equipment tends to have a high-energy requirement (several watts) and consequently it can
be necessary to connect the radar to a main power supply. However, radar equipment is sometimes
powered by batteries charged by solar panels.
When short waves are present on the water surface, the radar tends to pick up the echo from the
smooth, concavely shaped and thus strongly reflective wave troughs rather than the rough, spiky wave
crests, which scatter the incident radar wave in all directions yielding a low reflection. The result is
that the water level is measured slightly lower than the actual water level.
Radar installations are potentially vulnerable to vandalism.
A.1.4 Uncertainty
Radar echo-location instruments will show a dispersion with most measurements around the mean
value. The distribution of the measurement resembles a triangular shape, so Formula (A.1) applies:
()xx−
maxmin
ux()= (A.1)
mean
where
x is the discernible upper limit;
max
x is the discernible lower limit.
min
EXAMPLE If, from inspection, the discernible upper limit is 0,150 and the discernible lower limit is 0,140,
then the best estimate is 0,145 with an uncertainty of 0,002.
A.2 Echo-location, acoustic instruments
A.2.1 Instruments with sound path in air
A.2.1.1 Description
An instrument with its sound path in air (see Figure A.1) has an acoustic transducer/receiver, mounted
above the maximum water level, that transmits an ultrasonic pulse and receives the echo of that pulse
from the water/air interface.
The elapsed time between transmission and reception is converted to distance by using the
speed of sound in air. However, the speed of sound in air is strongly dependent on air temperature
and a technique for compensating for this effect is required. Either the air temperature is measured
directly, or a reference bar is located at a known distance below the transducer.
Finally, the height of the water level is inferred by subtracting the measured distance (i.e. the distance
between transducer face and water surface) from the height of the transducer above chart datum.
A.2.1.2 Strengths
Because an instrument with sound path in air is mounted above the water surface, it can be more easily
accessed for maintenance. It is not in direct contact with the water and has no moving parts.
Some modern ultrasonic level measurement systems have intelligent digital signal processing.
This allows them to utilize intelligent learning and profiling of the measurement installation. Some
instruments signal diagnostics can also allow the user to determine echo strength and loss of echo
(LOE) parameters to optimize the installation.
A.2.1.3 Weaknesses
It is difficult to aim the acoustic instrument because of beam spreading, so transducer heads cannot
be mounted flush with the edge of the water body but need to be offset to some extent. Any blocking
objects in the acoustic beam can hamper the water level measurements.
When surface foam is present the ultrasonic signal can be reflected from this foam rather than from
the actual water surface resulting in a too high measured water level.
Acoustic instruments have a region, often referred to as the “dead zone” or “blanking distance” in which
they cannot detect the water surface. It typically extends between 100 to 300 mm beneath the sensor
face because the transducer continues to resonate for a short while after having emitted an ultrasonic
pulse. In this ringing state, it cannot reliably detect the reflected signal. The user shall take this blanking
distance into account when calculating the highest water level to be measured.
It is potentially vulnerable to vandalism.
The temperature sensor only measures temperature in one place. Temperature gradients over the
length of the ultrasonic beam give rise to errors. These can be large at low water levels when the
distance to the water surface is greater. The use of sunshields over the sensor can reduce uncertainty
due to environmental effects in exposed locations.
Furthermore, (strong) winds are known to have a detrimental effect on the acoustic beam, thus making
it hard to get accurate and reliable readings of the water level. A solution to wind effects can be to place
the acoustic equipment in a protective housing, but that will increase the cost. Also, any object blocking
the acoustic beam can hamper the water level measurements.
A.2.1.4 Uncertainty
Acoustic devices are assumed to have a triangular uncertainty distribution, so that Formula (A.1)
applies.
A.2.2 Instruments with sound path in water
A.2.2.1 Description
An instrument with sound path in water (see Figure A.2) consists of an acoustic transducer/receiver,
a means of measuring the time elapsed between transmission of the pulse and reception of the echo
from the water/air interface, and a way of converting this time to distance. The instrument is mounted
as low as possible to be able to measure the lowest possible water level. Care should also be taken
to ensure that there is no risk of reflection from channel edges at higher water levels.
The velocity of sound in water is strongly proportional to temperature and a technique for compensating
for this effect is required. Either the water temperature is measured directly, or a reflecting object can
be located at a known distance above the transducer.
Key
1 transceiver
Figure A.2 — Water path ultrasonic level sensing
A.2.2.2 Strengths
Because an instrument with sound path in water is wholly beneath the water surface, it does not intrude
visually, is less susceptible to vandalism and experiences less temperature variation.
A.2.2.3 Weaknesses
The unit is wholly beneath the water surface, making maintenance more difficult. It is also difficult to
supply the sensor with power from shore and to get access to the acquired data. If the same transducer
is used as transmitter and receiver, there is usually a minimum time after transmitting before receiving
is possible. This results in a requirement for a minimum depth of water. It can, therefore, be difficult
to measure very low water levels with this technique.
The upwards-facing transducer is prone to sediment settling on it, particularly if it is placed on or near
the bed to overcome the minimum depth limitation.
A.2.2.4 Uncertainty
Acoustic devices are assumed to have a triangular uncertainty distribution, so that Formula (A.1)
applies.
A.3 Mechanical float and counterweight gauges
A.3.1 Description
A float gauge consists of a float, a graduated tape or wir
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 4373
Quatrième édition
2022-03
Hydrométrie — Appareils de mesure
du niveau de l'eau
Hydrometry — Water level measuring devices
Numéro de référence
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2022
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
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Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Spécification des instruments . 1
4.1 Paramètres de performances . 1
4.2 Classification des performances . 1
4.3 Vitesse maximale de variation . 2
4.4 Environnement . 3
4.4.1 Généralités . 3
4.4.2 Température . 3
4.4.3 Humidité relative . 3
4.5 Horodatage. 3
4.5.1 Généralités . 3
4.5.2 Horodatage numérique . 4
4.5.3 Horodatage analogique . 4
5 Enregistrement .4
5.1 Généralités . 4
5.2 Enregistreurs graphiques . . 4
5.3 Enregistreurs de données numériques . 4
6 Enveloppe . 5
7 Installation .5
8 Entretien . 5
9 Estimation de l'incertitude de mesure . 6
9.1 Généralités . 6
9.2 Estimation de l'incertitude de Type A . 6
9.3 Estimation de l'incertitude de Type B . 6
9.4 Incertitude dans le cas de conditions de niveau d'eau bas . 7
9.5 Système de référence des mesurages de niveau . 7
9.6 Combinaison des incertitudes de mesures primaires . 8
Annexe A (informative) Types d'appareils de mesure du niveau de l'eau .9
Annexe B (informative) Appareils de mesure à fonctionnement manuel .24
Annexe C (informative) Appareils enregistreurs .27
Bibliographie .29
iii
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 113, Hydrométrie, sous-comité SC 5,
Instruments, équipement et gestion des données, en collaboration avec le comité technique CEN/TC 318,
Hydrométrie, du Comité européen de normalisation (CEN), conformément à l'Accord de coopération
technique entre l'ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Cette quatrième édition annule et remplace la troisième édition (ISO 4373:2008), qui a fait l'objet d'une
révision technique. Les principales modifications sont les suivantes:
— des améliorations liées aux appareils de mesure du niveau de l'eau ont été introduites;
— l'usage du mercure a été éliminé;
— l'ancienne Annexe A a été scindée en trois Annexes A, B et C distinctes;
— dans la nouvelle Annexe A, les techniques électroniques les plus couramment utilisées de nos jours
ont été ramenées au premier plan pour être davantage mises en exergue.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
Introduction
Dans le domaine de l'hydrométrie, il est très important de mesurer le niveau de la surface de l'eau afin,
notamment, de déterminer les débits. Les informations relatives aux niveaux de l'eau sont également
utilisées pour la gestion opérationnelle de l'eau, notamment la conception de digues et les services
d'alerte de crue. Les informations relatives aux niveaux de l'eau fournissent également des conseils de
prise de décision pour l'aide à la navigation.
v
NORME INTERNATIONALE ISO 4373:2022(F)
Hydrométrie — Appareils de mesure du niveau de l'eau
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les caractéristiques de fonctionnement des instruments employés pour
mesurer le niveau de la surface de l'eau, essentiellement afin de déterminer des débits.
Le présent document est complété par l'Annexe A qui fournit des indications sur les types d'appareils de
mesure du niveau de l'eau actuellement disponibles et sur l'incertitude de mesure qui leur est associée.
Les appareils de mesure à fonctionnement manuel sont décrits dans l'Annexe B.
Le présent document s'applique à la fois aux méthodes de mesure avec et sans contact. Les méthodes
sans contact concernent des appareils qui ne sont pas en contact direct avec la surface de l'eau, mais
mesurent la hauteur du niveau d'eau avec des ondes ultrasoniques ou électromagnétiques.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 772, Hydrométrie — Vocabulaire et symboles
IEC 60079-10, Matériel électrique pour atmosphères explosives gazeuses — Partie 10: Classement des
emplacements dangereux
IEC 60529, Degrés de protection procurés par les enveloppes (Code IP)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l’ISO 772 s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
4 Spécification des instruments
4.1 Paramètres de performances
Les paramètres de performance d'un appareil de mesure du niveau de l'eau sont l'incertitude, la plage
de mesure, la plage de température et la plage d'humidité relative. Les performances globales de
l'équipement peuvent donc être résumées par quelques paramètres caractéristiques.
4.2 Classification des performances
Les appareils de mesure du niveau de l'eau doivent être classés selon les classes de performance
indiquées dans le Tableau 1, qui tiennent compte de la résolution devant être atteinte et des limites
d'incertitude exigées sur des plages de mesure spécifiées. La plage de mesure doit s'entendre au sens
de la différence entre le niveau d'eau le plus haut et le niveau d'eau le plus bas pouvant être mesuré.
Pour la mesure de courtes distances à l'aide d'appareils de classes 1 et 2, l'incertitude est de quelques
millimètres, et cela est difficile à atteindre.
Il convient de déterminer si ces niveaux de performance ne peuvent être atteints qu'à l'aide d'installations
spéciales, par exemple dans des puits de mesurage (également appelés «puits de limnigraphe»).
Tableau 1 — Classes de performance des appareils de mesure du niveau de l'eau
Classe Résolution Plage Incertitude nominale
Classe de performance 1 ≤ 1 mm ≤ 1,0 m < ±0,1 % de la plage
≤ 2 mm ≤ 5,0 m
≤ 10 mm ≤ 20 m
Classe de performance 2 ≤ 2 mm ≤ 1,0 m < ±0,3 % de la plage
≤ 5 mm ≤ 5,0 m
≤ 20 mm ≤ 20 m
Classe de performance 3 ≤ 10 mm ≤ 1,0 m < ±1 % de la plage
≤ 50 mm ≤ 5,0 m
≤ 200 mm ≤ 20 m
Le fabricant doit indiquer le principe physique de l'appareil de mesure pour permettre à l'utilisateur
d'évaluer l'adéquation de l'appareil à l'environnement proposé. Le Tableau 2 répertorie les différents
principes des appareils de mesure du niveau de l'eau en exploitation utilisés sur le terrain, ainsi que
leurs caractéristiques. Ces différentes techniques sont décrites plus en détail à l'Annexe A.
Tableau 2 — Caractéristiques des appareils de mesure du niveau de l'eau en exploitation
Appareil Type Adapté à un mesurage Plage de Incertitude
en continu mesure type typique
Appareils Flotteur et contrepoids dans un Oui 20 m 5 mm à 10 mm
mécaniques puits de mesurage
Sonde à câble lesté Non 20 m 5 mm à 10 mm
À maximum Non 15 m 10 mm à 20 mm
Échelle limnimétrique verticale Oui 10 m 10 mm à 20 mm
et inclinée
Appareils Bulleur Oui 30 m 10 mm à 20 mm
électriques
Capteur de pression Oui 20 m 10 mm à 20 mm
Mesure de la capacité Oui 15 m 10 mm à 20 mm
Mesure de la résistance Oui 15 m 10 mm à 20 mm
Appareils Radar/Laser Oui 10 m à 50 m 5 mm à 10 mm
sans contact
Ultrasons Oui 3 m à 30 m 10 mm à 20 mm
(dans l'air)
Ultrasons Oui 3 m à 30 m 10 mm à 20 mm
(immergés)
4.3 Vitesse maximale de variation
Étant donné que les niveaux d'eau peuvent monter et baisser rapidement dans certaines applications,
le fabricant doit donner les informations suivantes dans la notice technique et le mode d'emploi de
l'équipement, dans le cas d'appareils mécaniques, afin de fournir des indications sur leur adéquation:
a) vitesse maximale de variation que l'instrument peut suivre sans dommage;
b) vitesse maximale de variation que l'instrument peut tolérer sans subir de modification de
l'étalonnage;
c) temps de réponse de l'instrument.
Le temps de réponse est l'intervalle de temps entre le moment où le capteur de niveau est exposé à
un changement brusque du niveau de liquide et le moment où les valeurs lues dépassent les limites
d'une bande comprise entre 90 % et 110 % de la différence entre la valeur initiale et la valeur finale
du changement brusque et restent à l'intérieur de cette bande. Il convient que le temps de réponse soit
suffisamment court pour permettre à l'instrument de suivre les variations du niveau d'eau même les
plus rapides, par exemple les marées et les ondes de crue. Il convient, aussi, que le temps de réponse ne
soit pas trop court. Dans de nombreux appareils électroniques, il est donc possible d'élargir le temps de
réponse en définissant certains paramètres dans l'instrument. Cela peut être utile, par exemple, pour
atténuer les variations rapides causées par des ondes courtes. Ces perturbations rapides sont dues à
des phénomènes hydrauliques locaux et ne sont, par conséquent, pas représentatives du niveau de l'eau
sur une large section du cours d'eau. Les perturbations causées par une variation localisée doivent donc
être ignorées autant que possible.
4.4 Environnement
4.4.1 Généralités
Les appareils de mesure du niveau de l'eau doivent fonctionner dans les plages de température indiquées
en 4.4.2 et les plages d'humidité relative indiquées en 4.4.3.
4.4.2 Température
Les appareils de mesure du niveau de l'eau doivent fonctionner dans les classes de température d'air
ambiant suivantes:
Classe de température 1: –30 °C à +55 °C
Classe de température 2: –10 °C à +50 °C
Classe de température 3: 0 °C à +50 °C
4.4.3 Humidité relative
Les appareils de mesure du niveau de l'eau doivent fonctionner dans les classes d'humidité relative
suivantes:
Classe d'humidité relative 1: 5 % à 95 %, condensation comprise
Classe d'humidité relative 2: 10 % à 90 %, condensation comprise
Classe d'humidité relative 3: 20 % à 80 %, condensation comprise
4.5 Horodatage
4.5.1 Généralités
Lorsqu'un horodatage, analogique ou numérique, fait partie de la spécification de l'instrument, la
méthode d'horodatage utilisée doit être clairement indiquée sur l'instrument et dans le mode d'emploi.
NOTE Il est reconnu que l'horodatage numérique est potentiellement plus précis que l'horodatage
analogique.
De plus, lorsque plusieurs échantillons de données brutes sont combinés afin de calculer une valeur
de mesure moyennée dans le temps, il convient d'indiquer clairement à quel moment s'applique le
résultat final. Il est préférable que cette étiquette temporelle se situe exactement au milieu de la fenêtre
temporelle de moyennage, qui représente le moment le plus représentatif. Cependant, de nombreux
enregistreurs disponibles dans le commerce ajoutent les étiquettes temporelles au début ou à la fin de
la fenêtre temporelle de moyennage.
4.5.2 Horodatage numérique
L'incertitude des dispositifs d'horodatage numérique utilisés dans les appareils de mesure du niveau de
l'eau doit être de ±60 s à la fin d'une période de 30 jours dans la gamme des conditions environnementales
définies en 4.4.
4.5.3 Horodatage analogique
L'incertitude des dispositifs d'horodatage analogique utilisés dans les appareils de mesure du
niveau de l'eau doit être de ±5 min à la fin d'une période de 30 jours dans la gamme des conditions
environnementales définies en 4.4.
5 Enregistrement
5.1 Généralités
Les appareils enregistreurs permettent d'enregistrer les données relatives au niveau de l'eau en vue
d'une utilisation immédiate ou ultérieure. Lesdits appareils peuvent être répartis entre enregistreurs
graphiques analogiques et enregistreurs numériques de données. Pour plus d'informations sur les
points forts et les points faibles de ces appareils enregistreurs, consultez l'Annexe C.
5.2 Enregistreurs graphiques
Lorsqu'un enregistreur graphique est utilisé comme principale source de données, les paramètres
de résolution et d'incertitude doivent tenir compte des variations dimensionnelles du support
d'enregistrement liées aux variables atmosphériques.
NOTE Les enregistreurs graphiques ont, dans une large mesure, été remplacés par des enregistreurs
numériques de données. Néanmoins, ils sont encore utilisés comme solutions de secours ou pour obtenir une
évaluation visuelle rapide des variations de débit sur le terrain.
5.3 Enregistreurs de données numériques
Un enregistreur numérique de données doit être capable de stocker au moins la valeur mesurée et un
horodatage. L'enregistreur numérique de données doit être capable de stocker au moins l'équivalent
de quatre chiffres par mesure et au moins l'équivalent de neuf chiffres pour l'horodatage. Cependant,
en pratique, l'exigence minimale de quatre chiffres par mesure n'est pas toujours suffisante. Par
conséquent, l'enregistreur numérique de données peut enregistrer des relevés avec une résolution
suffisante pour enregistrer la plage complète des valeurs de niveau de l'eau mesurées, y compris
l'ensemble des incréments possibles dans la résolution du capteur de niveau. Cela signifie qu'il doit y
avoir suffisamment de décimales, ou leur équivalent, pour permettre d'enregistrer toutes les variations
progressives possibles dans les valeurs mesurées sur toute la plage du capteur. Par conséquent,
certaines mesures du niveau de l'eau haute résolution nécessitent plus de quatre chiffres par mesure.
Les neuf chiffres utilisés pour l'horodatage reposent sur le format AAJJJHHMM (année, jour, heure,
minute). Cependant, on privilégie un horodatage plus pratique, avec une résolution temporelle
supérieure, tel que JJMMAAAAHHMMSS (jour, mois, année, heure, minute, seconde), ou similaire. En
outre, il est conseillé de mentionner correctement le fuseau horaire local et sa référence au temps
universel coordonné (UTC), ainsi que les éventuels passages à l'heure d'été appliqués.
Lorsqu'un enregistreur numérique de données contient l'électronique d'interface, la résolution et
l'incertitude doivent se rapporter à la valeur enregistrée.
6 Enveloppe
Les performances de l'enveloppe doivent être déclarées en termes de système de classification
IP conformément à l'IEC 60529. Il doit être indiqué si les pièces en contact potentiel avec l'eau sont
adaptées ou non au contact avec l'eau. Il doit être indiqué si l'équipement peut ou non être utilisé dans
un environnement potentiellement explosif conformément à l'IEC 60079-10.
7 Installation
Le fabricant doit fournir des instructions claires pour l'installation des appareils de mesure du niveau
de l'eau.
L'appareil de mesure du niveau de l'eau doit porter un repère clairement visible, lequel peut être utilisé
pour lier l'appareil au zéro de l'échelle locale.
Si un système de mesure à flotteur est équipé d'un puits de mesurage, il convient que le diamètre
du tuyau ou de l'orifice d'entrée horizontal sur le puits de mesurage soit environ 10 fois inférieur au
diamètre du puits de mesurage lui-même, afin de réduire suffisamment les perturbations dues à l'eau
agitée à la surface.
En outre, il convient que les tuyaux cylindriques verticaux, dans lesquels le flotteur peut monter et
descendre, soient plus larges d'au moins 10 cm que le diamètre du flotteur, et ces tuyaux doivent être
montés exactement le long de la verticale locale afin de garantir au flotteur toute liberté de mouvement
sur l'ensemble de la plage.
Il faut s'assurer qu'un capteur sans contact est monté de telle sorte que son faisceau soit perpendiculaire
à la surface de l'eau. Les capteurs sans contact doivent être montés sur des supports rigides et solidement
fixés afin d'éviter tout mouvement du capteur susceptible d'induire des erreurs de mesurage. Il convient
de prévoir un passage dégagé entre la face du capteur et la surface de l'eau, sans obstacles pouvant
produire de faux échos. De nombreux instruments sans contact fournissent une aide à l'utilisateur pour
la mise en service de l'instrument.
Il est nécessaire de choisir soigneusement la technique de mesure lorsque de la mousse, des bulles ou
d'autres perturbations sont susceptibles d'être présentes à la surface de l'eau (voir Annexe A).
8 Entretien
Des instructions claires doivent être fournies concernant l'entretien approprié de l'appareil de
mesure. Ces instructions doivent également couvrir les inspections régulières et, éventuellement, les
étalonnages périodiques. Il est important de vérifier régulièrement les mesures obtenues à partir des
appareils installés et il convient de réétalonner l'instrument chaque fois que nécessaire. Les raisons
pour lesquelles un réétalonnage s'avère quelquefois nécessaire sont variables selon le type d'instrument,
mais elles peuvent notamment comprendre un changement du zéro de l'échelle, un étirement du câble,
une dérive dans le circuit électronique, etc.
Il est nécessaire d'inclure dans l'entretien la vérification périodique du ou des repères du limnimètre
par rapport au zéro de l'échelle. La fréquence de vérification du repère/du zéro de l'échelle dépend de la
stabilité de la structure du limnimètre.
Le niveau d'entretien exigé varie en fonction du type d'instrument et des conditions du site. L'Annexe A
décrit les aspects à prendre en compte pour l'entretien de base selon chaque type d'instrument.
NOTE Les instructions d'entretien spécifiées ci-dessus s'appliquent non seulement à l'appareil de mesure,
mais également à tout équipement auxiliaire (tuyaux d'entrée et puits de mesurage, par exemple) qui peut nuire
au fonctionnement du poste de mesurage du niveau de l'eau.
9 Estimation de l'incertitude de mesure
9.1 Généralités
L'incertitude d'une valeur dérivée de mesures primaires peut être due:
a) à l'instabilité de la valeur mesurée (fluctuations dues, par exemple, aux ondes à la surface de l'eau
ou au bruit des systèmes électroniques);
b) à la résolution du processus de mesurage (résolution du capteur ou de l'œil humain);
c) aux erreurs de mesure dues aux changements de température, au contenu des sédiments, à la
salinité de l'eau ou aux effets de Bernoulli engendrés par la vitesse de l’eau;
d) au décalage progressif par rapport à l'étalonnage initial en raison de la sensibilité aux conditions
environnementales (par exemple, température, humidité relative ou pression atmosphérique) et de
la variabilité de ces conditions;
e) au décalage progressif par rapport à l'étalonnage initial en raison de la sensibilité aux conditions
électriques (par exemple, tension d'alimentation ou fréquence d'alimentation) et de la variabilité de
ces conditions;
f) à la dérive progressive en position verticale de la structure du limnimètre et au décalage qui
s'ensuit par rapport à la dernière vérification du zéro de l'échelle (ce point est détaillé en 9.5).
En vertu du principe d'incertitude du GUM (GUM signifie Guide to the expression of uncertainty in
[1]
measurement, ou Guide pour l'expression de l'incertitude de mesure ), l'incertitude liée aux mesurages
est exprimée en termes «d'incertitude-type» et «d'incertitude élargie». L'incertitude-type est indiquée
par u. L'incertitude élargie est indiquée par U et U = ku, où k est le facteur d'élargissement en fonction du
niveau de confiance souhaité. Le GUM présente deux méthodes pour estimer les incertitudes, qui sont
classées en Type A et Type B. Ces deux méthodes d'estimation permettent établir une relation entre la
dispersion des valeurs et la probabilité de «proximité» par rapport à la valeur moyenne.
9.2 Estimation de l'incertitude de Type A
L'incertitude de Type A est estimée comme correspondant à l'écart-type d'un grand nombre de
mesurages dans un régime établi. Il est à noter que la distribution de ces résultats peut ne pas être
gaussienne. Les estimations de Type A peuvent être facilement calculées à partir de mesurages
en continu lorsque la dispersion n'est pas masquée par l'hystérésis du processus de mesurage. La
dispersion doit bien sûr dépasser d'une marge significative la résolution du processus de mesurage.
Une autre approche d'une estimation de Type A consiste à comparer les relevés obtenus à partir de
deux postes de mesurage du niveau de l'eau dans le même cours d'eau à une distance très courte l'un
de l'autre. En examinant attentivement la différence entre les deux postes voisins, on peut discerner
un signal présentant des fluctuations aléatoires, qui représente l'effet combiné des deux incertitudes
individuelles au niveau des deux postes de mesurage du niveau de l'eau. Lorsque les deux postes sont
de construction identique et que leurs mesures ne sont pas corrélées, la variance combinée est égale
à deux fois la variance de chaque poste individuel. L'écart-type de chaque poste peut donc être calculé
en divisant l'écart-type de la part aléatoire de la différence de niveau d'eau entre les deux postes par la
racine carrée de deux.
Il existe cependant une autre estimation de Type A qui consiste à comparer les mesures de niveau d'eau
de l'instrument et à procéder à des observations manuelles à l'aide de limnimètres de référence, tels
que des échelles limnimétriques verticales et inclinées, et des sondes limnimétriques à fil.
9.3 Estimation de l'incertitude de Type B
Une estimation de Type B est affectée à un processus de mesurage pour lequel on ne dispose pas d'un
nombre de mesures suffisamment grand ou à un mesurage ayant des limites de résolution définies.
Pour définir une incertitude de Type B, les limites supérieure et inférieure de la dispersion ou les limites
supérieure et inférieure de la résolution sont utilisées pour définir les limites d'un diagramme de
probabilité dont la forme est sélectionnée de manière à représenter la dispersion. Cela signifie que les
dispersions uniformes auraient une distribution rectangulaire, et que les dispersions dans lesquelles
la plupart des mesures sont regroupées autour de la valeur moyenne auraient une distribution
triangulaire. Une aide au choix et à la sélection des lois de probabilité est décrite dans l'Annexe A.
La relation entre l'incertitude des mesures primaires et la valeur de l'incertitude du résultat est dérivée
de la formule définissant la relation entre la valeur de ce résultat et ses mesures primaires. Par exemple,
la mesure primaire d'un capteur sans contact peut être le temps de parcours mesuré qui s'est écoulé
entre l'émission et la réception d'un écho à la surface de l'eau. Toute incertitude associée à la mesure de
ce temps de parcours entraîne une incertitude sur le niveau d'eau obtenu.
Dans le cas d'un niveau, cette relation par rapport aux mesures primaires est généralement linéaire.
Les sensibilités qui décrivent les dépendances de l'incertitude du résultat par rapport à l'incertitude
des mesures primaires individuelles sont les dérivées partielles de la valeur du résultat par rapport à
chaque mesure primaire.
9.4 Incertitude dans le cas de conditions de niveau d'eau bas
Il est important de se rappeler que, lors du mesurage d'un niveau d'eau, l'incertitude exprimée en
pourcentage d'une plage de niveau d'eau donne lieu à une incertitude relative d'autant plus défavorable
que la détermination se fait à de faibles valeurs de niveau d'eau. Disons, par exemple, que l'incertitude est
à ±1 % de la plage et la plage locale du niveau d'eau est de deux mètres. Dans ce cas, tous les mesurages
du niveau d'eau ont une incertitude absolue de ±2 cm. Ce qui conduit à une incertitude relative, exprimée
en pourcentage du niveau de l'eau, qui devient importante à mesure que le niveau d'eau diminue. Il
devient donc de plus en plus difficile de mesurer les bas niveaux d'eau avec une exactitude relative
suffisante.
Cet aspect est particulièrement notable dans les situations où les informations de débit sont dérivées
de mesures du niveau d'eau local. Les débits faibles sont associés à de bas niveaux d'eau et sont par
conséquent difficiles à mesurer avec une exactitude relative suffisante. Il convient de prendre en
compte cet aspect dans la conception de l'équipement à cette fin.
9.5 Système de référence des mesurages de niveau
Le mesurage d'un niveau n'est pas un mesurage absolu; il se fait toujours par rapport à un repère
de référence, par exemple un repère local de nivellement ou la cote de la crête d'un déversoir. Par
conséquent, il est essentiel que l'instrument de mesure du niveau de l'eau contienne un repère de
hauteur clair et précis (par exemple, le dessus de la collerette d'un capteur radar) avec lequel il peut
être référencé avec exactitude par rapport à un niveau de référence local. Il convient de combiner
l'incertitude associée au repère de référence avec l'incertitude de mesure du niveau de l'eau décrite plus
en détail en 9.6.
Lorsqu'il est souhaitable que la mesure du niveau de l'eau soit significative dans une large zone, afin
qu'elle puisse être comparée à des postes voisins de mesurage du niveau de l'eau, il convient de veiller
à relier entre elles toutes les hauteurs de référence locales ou, en d'autres termes, de créer un plan
de référence régional unique et cohérent. Lorsque les niveaux de l'eau sont mesurés pour déduire des
caractéristiques de débit sur une large zone, il est préférable de coupler toutes les hauteurs de référence
locales dans ce que l'on appelle un «cadre de référence géodésique ou équipotentiel-gravitationnel».
Dans une telle approche, bien évidemment, il convient de vérifier régulièrement tous les niveaux de
référence locaux afin d'identifier d'éventuels fléchissements ou augmentations par rapport au plan
géodésique régional global. La fréquence d'inspection exigée sur n'importe quel poste dépend de la
stabilité verticale du niveau de référence local en fonction du temps.
9.6 Combinaison des incertitudes de mesures primaires
Pour déterminer l'incertitude-type u du niveau de l'eau, il est nécessaire de combiner les incertitudes-
types u de toutes les mesures primaires. En prenant ainsi pour hypothèse que les incertitudes ne sont
pas corrélées, on obtient la Formule (1):
uh() = ud() +um() (1)
où:
u(h) est l'incertitude totale sur le niveau d'eau obtenu;
u(d) est l'incertitude sur le niveau de référence;
u(m) est l'incertitude liée à la mesure du niveau d'eau.
Cela illustre la méthode permettant de prendre en compte l'incertitude associée à la valeur du niveau
de référence. Les autres composantes de l'incertitude de mesure sont ajoutées de la même manière en
incluant leur valeur élevée au carré dans l'expression à la racine carrée.
Les incertitudes sont évaluées et combinées comme incertitudes-types par rapport à l'écart-type
de la distribution de la dispersion. Cependant, un facteur d'élargissement k peut être appliqué pour
reporter une incertitude élargie avec un plus haut niveau de confiance. Le facteur d'élargissement k est
généralement de 2, ce qui donne un niveau de confiance d'environ 95 %.
Annexe A
(informative)
Types d'appareils de mesure du niveau de l'eau
A.1 Instruments d'écholocalisation à radar
A.1.1 Description
Un radar orienté vers le bas (voir Figure A.1) peut déterminer la position relative d'une surface d'eau
sous l'antenne radar en mesurant la distance verticale qui les sépare. Il se compose d'un émetteur et
d'un récepteur à micro-ondes (autrement dit un émetteur-récepteur) qui produisent une forme de
modulation permettant de mesurer le temps qui s'écoule entre l'émission d'un signal et la réception
de l'écho à l'interface air/eau, et qui convertissent le temps écoulé en distance à l'aide de la vitesse de
la lumière. La modulation utilisée pour détecter la surface de l'eau ciblée peut prendre la forme d'une
courte impulsion ou d'un signal continu modulé en fréquence. La hauteur du niveau de l'eau est déduite
en soustrayant la distance mesurée (c'est-à-dire la distance entre la face du transducteur et la surface
de l'eau) du zéro du capteur, le zéro du capteur étant égal à la hauteur du transducteur au-dessus du
zéro des cartes.
Le niveau d'eau mesuré se rapporte à la surface couverte par le faisceau. Le diamètre de cette zone est
en mètres et il peut être estimé en utilisant la largeur du faisceau de rayonnement bidirectionnel (en
radians) de l'antenne, multipliée par la distance verticale en mètres. Par exemple, il peut être de l'ordre
de 1 m lorsque le radar se trouve à 10 m au-dessus de la surface de l'eau.
Légende
1 émetteur-récepteur
Figure A.1 — Hauteur du niveau de l'eau obtenue par télédétection
La fréquence des ondes électromagnétiques utilisées est généralement de l'ordre de 10 GHz, mais
d'autres fréquences sont parfois utilisées. Le principe du repérage par écho électromagnétique est
parfois utilisé à des fréquences nettement supérieures, allant jusqu'au domaine de la lumière visible.
Cependant, dans de tels cas un laser optique ou infrarouge est alors employé en lieu et place d'une
antenne alimentée par une source micro-onde.
L'utilisateur doit connaître avec précision le niveau zéro lorsqu'il doit mesurer la hauteur absolue du
niveau de l'eau. Ce niveau zéro est souvent indiqué par un repère à l'extérieur du radar. Ce repère doit
être utilisé pour convertir l'information de niveau en mesure du niveau d'eau local.
Dans des conditions fortement exposées, comme sur un lac étendu ou à proximité de la côte, il peut
y avoir de fortes vagues déferlantes susceptibles de perturber le mesurage du niveau de l'eau. Dans
ces conditions, il est recommandé de placer le radar de mesure dans un boîtier cylindrique fermé, qui
le protège des conditions extérieures difficiles. Le dépôt de sédiments sur ce boîtier peut être évité
en laissant complètement ouvert le fond dudit boîtier de protection. Lorsqu'il y a un risque de gel, il
convient de chauffer le boîtier.
En présence d'un boîtier de protection, le principe de l'espace libre électromagnétique ne s'applique
plus, et la vitesse de groupe est alors inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Puisque cette
vitesse de groupe représente la vitesse à laquelle se propagent les informations et à laquelle est mesurée
la distance, il convient de veiller à tenir compte de cette baisse de vitesse dans le calcul de la distance
entre le radar et la surface de l'eau. Le coefficient de réduction de la vitesse de propagation dépend
du diamètre du boîtier cylindrique et peut être calculé selon la théorie du guide d'ondes cylindrique.
Le diamètre doit être supérieur à la moitié de la longueur d'onde radar car la propagation des ondes
électromagnétiques serait autrement impossible.
A.1.2 Avantages
Un instrument d'écholocalisation radar est monté au-dessus de l'eau et il est facilement accessible à des
fins de maintenance. Il est exempt de pièces mobiles et n'est pas sujet à l'encrassement provoqué par la
végétation et les débris entraînés par l'eau. La température de la colonne d'air à travers laquelle passe le
signal n'a aucun effet sur le mesurage. Les précipitations et/ou les vents n'influencent pas les mesures.
Un radar est, par ailleurs, capable de pénétrer la plupart des mousses de surface, de manière à lire avec
exactitude le niveau de l'eau. Un instrument d'écholocalisation radar peut fonctionner sans puits de
mesurage lorsque l'eau est suffisamment calme. Selon l'instrument, la précision est généralement de
0,1 % ou mieux.
Les espaces restreints ou les problèmes de réflexion peuvent parfois être évités en utilisant des
configurations de radar à ondes guidées (c'est-à-dire qu'une tige solide agit comme la ligne de
transmission).
A.1.3 Inconvénients
Il est généralement nécessaire de monter l'instrument d'écholocalisation sur un bras se déployant au-
dessus du cours d'eau pour s'assurer que le faisceau conique ne frappe pas les parois du canal. Tout
objet faisant obstruction au faisceau radar peut avoir une incidence sur le mesurage du niveau de l'eau.
La plupart des instruments radar ont une région, souvent appelée «zone morte» ou «zone aveugle»,
dans laquelle ils ne peuvent pas détecter la surface de l'eau. Cette région s'étend généralement sur une
distance comprise entre 100 mm et 300 mm en dessous de la face du capteur. Elle est due au fait que
le récepteur à micro-ondes est isolé électriquement de l'antenne pendant une courte durée après que
l'émetteur a émis une impulsion électromagnétique. L'objectif est ici de protéger le récepteur sensible
de la puissante impulsion émise. À cet état isolé, le récepteur ne peut pas détecter le signal réfléchi.
L'utilisateur doit prendre en compte cette zone aveugle, selon les indications du fabricant, lorsqu'il
calcule le plus haut niveau d'eau à mesurer.
L'équipement radar a tendance à avoir des besoins élevés en énergie (plusieurs watts) et peut par
conséquent devoir être raccordé au secteur. Il est néanmoins parfois alimenté par des batteries
chargées à l'aide de panneaux solaires.
En présence d'ondes courtes à la surface de l'eau, le radar a tendance à capter l'écho en provenance des
creux de vagues peu escarpées, de forme concave et donc à haut pouvoir réfléchissant, plutôt que des
crêtes fortes et abruptes qui dispersent l'onde radar incidente dans toutes les directions, produisant
ainsi une faible réflexion. Le niveau d'eau est donc mesuré légèrement en dessous du niveau d'eau réel.
Les installations radar sont potentiellement exposées au vandalisme.
A.1.4 Incertitude
Les instruments d'écholocalisation radar révèlent une dispersion où la plupart des mesures sont
regroupées autour de la valeur moyenne. La distribution de la mesure prend donc une forme
triangulaire, de sorte que la Formule (A.1) s'applique:
()xx−
maxmin
ux()= (A.1)
mean
où
x est la limite supérieure discernable;
max
x est la limite inférieure discernable.
min
EXEMPLE Si, lors du contrôle, la limite supérieure discernable est 0,150 et la limite inférieure discernable
est 0,140, la meilleure estimation est alors de 0,145 avec une incertitude de 0,002.
A.2 Instruments acoustiques d'écholocalisation
A.2.1 Instruments avec propagation du son dans l'air
A.2.1.1 Description
Un instrument avec propagation du son dans l'air (voir Figure A.1) est constitué d'un émetteur/récepteur
ultrasonique, monté au-dessus du niveau d'eau maximal, qui émet une impulsion ultrasonique et reçoit
l'écho de cette impulsion par l'interface eau/air.
Le temps écoulé entre la transmission et la réception est converti en distance en utilisant la vitesse du
son dans l'air. Cependant, la vitesse du son dans l'air dépend fortement de la température de l'air et une
technique de correction de cet effet est requise. Soit la température de l'air est mesurée directement,
soit une barre de référence est installée à une distance connue au-dessous du
...
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