ISO 6416:1992
(Main)Measurement of liquid flow in open channels — Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic) method
Measurement of liquid flow in open channels — Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic) method
Describes the establishment and operation of an ultrasonic gauging station for the measurement of discharge in a river, an open channel, or a closed conduit with a free water surface. Is limited to the "time of travel of acoustic pulses" technique. Annex A describes the determination of flow direction.
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts — Mesure du débit à l'aide de la méthode ultrasonique (acoustique)
La présente Norme internationale décrit comment est créée et exploitée une station de jaugeage par ultrasons (émission acoustique) pour mesurer le débit dans les rivières, les canaux découverts ou dans les conduites fermées à surface d'écoulement libre. Elle décrit également les principes de base de la méthode, le fonctionnement et les caractéristiques des appareils associés. Elle se limite à la technique dite du «temps de vol», c'est-à-dire du temps de passage des impulsions acoustiques, et ne s'applique pas aux systèmes faisant appel aux techniques de l'effet Doppler ou du niveau d'écoulement.
General Information
Relations
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL
STANDARD
Second edition
1992-09-15
Measurement of liquid flow in open channels -
Measurement of discharge by the ultrasonic
(acoustic) method
Mesure de debit des liquides dam les canaux decouverts --
Mesure du
d&bit a I ’aide de la m&hode ultrasonique (acoustique)
Reference number
ISO 6416: 1992(E)
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ISO 6416:1992(E)
Contents
Page
1
Section 1 General .,.,.1.,.,.,.~.~~.
1
. . . . . . . . . . . .
1.1 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Normative references
1
1.3 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .-.
1
1.4 Units of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Section 2 Method of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
.a.
2.2 Characteristics of Sound propagation in water
4
2.3 Application .
5
2.4 Gauge configuration .
7
............................................................................
2.5 Site selection
9
2.6 Site Survey .
............................ 11
2.7 Operational measurement requirements
12
................................................
2.8 Computational requirements
................................. 15
2.9 Concept of measurement redundancy
15
................................................................
2.10 System calibration
................................................ 16
2.11 Measurement uncertainties
............................................................... 20
Gauging Station
Section 3
20
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 General
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Design and construction of equipment
24
..,.,....,......................................................,.....,..
3.3 System output
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Installation
25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3,5 Commissioning
25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Operating manual
25
..,.,.,...,,......................................,............,.,..~......
3.7 Maintenance
0 ISO 1992
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or utilized in any form
or by any means, electronie or mechanical, including photocopying and microfilm, without
Permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case Postale 56 l CH-1211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
ii
I
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ISQ 6416:1992(E)
Annex
A Determination of flow direction from data derived from crossed
paths’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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ISO 6416:1992(E)
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. Esch 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, govern-
mental and non-governmental, in liaison with ISO, also take patt in the
work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
Draft International Standards adopted by the technical committees are
circulated to the member bodies for voting. Publication as an Inter-
national Standard requires approval by at least 75 % of the member
bodies casting a vote.
International Standard ISO 6416 was prepared by Technical Committee
ISO/TC 113, Measuremenf of liquid flow in open channels, Sub-
Committee SC 1, Velocity area methods.
This second edition cancels and replaces the first editions
ISO 6416:1985 and ISO 6418:1985, of which it constitutes a major re-
Vision and a combination.
Annex A forms an integral patt of this International Standard.
iV
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 6416:i ’992(E)
Measurement of liquid flow in open channels - Mea*surement
of discharge by the ultrasonic (acoustic) method
Section 1:
Genera
ISO 748:1979, liquid flow measurement in open
1.1 Scope
channels - Velocity-area methods.
This International Standard describes the establish-
ISO 772:1988, Liquid f7ow measurement in open
ment and Operation of an ultrasonic (acoustic)
channels - Vocabulary and symbols.
gauging Station for the measurement of discharge in
a river, an open channel, or a closed conduit with a
ISO IIOO-2:1982, Liquid flow measurement in open
free water surface. lt also describes the basic prin-
channels - Part 2: Determination of the stage-
ciples on which the method is based, and the oper-
discharge rela tion.
ation and Performance . of associated
instrumentation. lt is limited to the “time of travel of
ISO 4373:1979, Measuremenf of liquid f7ow in open
acoustic pulses” technique, and does not apply to
channels - Water Level measuring devices.
Systems that make use of the “Doppler shift” or
‘korrelation” or “level-to-flow” techniques.
ISO 5168:1978, Measurement of fluid I7ow - Esti-
mation of uncertainty of a flow-rate measurement.
1.2 Normative references
The following Standards contain provisions which,
1.3 Definitions
through reference in this text, constitute provisions
of this International Standard. At the time of publi-
For the purposes of this International Standard, the
cation, the editions indicated were valid. All stan-
definitions given in ISO 772 apply.
dards are subject to revision, and Parties to
agreements based on this International Standard
are encouraged to investigate the possibility of ap- 1.4 Units of measurement
plying the most recent editions of the Standards in-
dicated below. Members of IEC and ISO maintain The International System of Units (SI) is used in this
registers of currently valid International Standards. International Standard.
1
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ISO 6416:1992(E)
Section 2: Method of measurement
b) that the line that joins them intersects a line that
2.1 Principle
represents the mean direction of flow at a known
angle which normally lies between 30” and 60 ”.
2.1.1 When a Sound pulse is transmitted through
At intersection angles greater than 60 ”, the time dif-
water in motion, in a direction other than that which
ferences between Sound pulses in opposite di-
is normal to the mean ‘direction of movement, the
rections may become excessively small and difficult
time taken to travel a known distance will differ from
that taken in stationary water of the Same temper- to measure. This Problem may not be significant
where high velocities are to be measured, but if
ature, salinity, Sediment concentration and depth. If
velocities are low (i.e. where time differentes be-
the Sound pulse is transmitted in the Same direction
tween forward and reverse Sound pulses are them-
as that in which the water is flowing, the time taken
selves small), difficulties may arise.
to cover the known distance will be shorter than in
stationary water; if the pulse travels in a direction
At an angle of 90°, there will be no time differente
that is opposite to that in which the water is flowing,
between forward and reverse pulses.
the time of travel will be longer.
With large angles, there is also an increase in the
2.1.2 If the time taken for a Sound pulse to travel error in velocity computation that results from re-
a measured distance between two reference Points lated errors in the measurement of the angle. This
in one direction is compared with the time taken to is due to the presence of the cosine function in the
travel between the Same two Points in the opposite equation relating time differente to velocity (see
direction, the differente observed is directly related 2.8.1). Table 1 demonstrates this effect.
to the average velocity of the element of water in the
“flight path” bounded by the two reference Points.
Table 1 - Systematic errors incurred if the
This is referred to as the “path velocity ”.
assumed direction of flow is not parallel to the
channel axis
2.1.3 This basic principle, in combination with ap-
Vetocity error for 1” differente
propriate instrumentation, allows accurate meas-
Path angle, (7f) between actual and assumed
urement of the mean velocity of the element of a
flow direction
body of water that is located in the line that joins the
degrees %
two reference Points. A method of sampling flow
velocity, which provides more information about the
1
30
average condition of the entire body of flowing water
than does a Point measurement, but which still falls 2
45
short of being a fully representative measurement
60 3
of the total flow, is thus available.
At intersection angles less than 30 ”, the length of
2.1.4 However, just as a number of Point samples
resulting “flight paths” may be excessive, present-
of flow velocity tan be integrated to provide an esti-
ing Problems of Signal strength and/or Signal re-
mate of mean Cross-sectional velocity, path velocity
flection from the channel bed or water surface.
measurements tan be mathematically transformed
There may also be practical problems with site se-
for the Same purpose. The relation between the path
lection, since the length of the river or channel resch
velocity and that along the line of flow in the channel
occupied by the gauge may become excessive, or
(known as “line velocity ”) is
cease to be quasi-uniform.
vpath
=-
%ne
cos 4
2.1.6 To allow discharge to be calculated, not only
should an estimate of mean velocity in the gauge
where 4 is the angle between the path and the di-
cross-section be available but the Cross-sectional
rection of flow (see figure 1).
area of the water should also be known. A System
for flow determination using the ultrasonic principle
will, therefore, normally be capable not only of
2.1.5 In open-channel flow measurement, practical
making Sample measurements of velocity, but also
considerations will normally dictate:
of determining (or accepting a Signal from some
a) that the reference Points at either end of an other device determining) water depth, and of stor-
acoustic “flight path” are located on opposite ing details of the relation between water depth and
Cross-sectional area. lt will also normally be capable
banks of the watercourse;
2
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ISO 6416:1992(E)
of executing the mathematical functions necessary length, the diameter of the ultrasonic transducer and
to compute flow from the relevant stored and di- its characteristics frequency. Spreading occurs in
accordance with the inverse Square law which ap-
rectly determined data.
plies in generat to all forms of radiant energy. How-
ever, if Signals are measured as voltages, where
2.2 Characteristics of Sound propagation
energy is proportional to voltage squared, then the
in water
spreading loss follows an inverse law. This effect
tan only be observed over short path lengths, up to
2.2.1 General about 20 m. Above this value, other phenomena
predominate.
The Sound spectrum encompasses a wide range of
frequencies. The audible range lies between ap-
2.2.3.3 Attenuation loss
proximately 50 Hz and 15 000 Hz, and is generally
referred to as “sonic ”. Frequencies less than 50 Hz
Attenuation loss is the reduction in acoustic intensity
are usually termed “subsonic ”. At frequencies
due to the resistance of the medium to the trans-
above 15 000 Hz, the term “ultrasonic” is normally
mission of acoustic energy. lt is analogous to the
applied.
loss of electric energy in a wire, where there is no
spreading loss. Attenuation loss is directly propor-
tional to the Square of the frequency.
2.2.2 Speed of Sound in water
The Speed of Sound in fresh water varies from about 2.2.3.3.1 Stattering
1 400 m/s to a little above 1 500 m/s, over the
normal ambient temperature range- This represents Stattering is the modification of the direction in
a Variation of approximatety 7 % (see table 2). The which acoustic energy is propagated, caused by re-
Speed of Sound depends on the density and elasti- flections from the innumerable inhomogeneities in
city of the medium and is independent of frequency. the water, for example microscopic air bubbles and
suspended particulate matter. These inhomogene-
ities present abrupt changes in specific acoustic
Table 2 - Speed of Sound in water at different
impedance, causing the Signal to be reflected and
temperatures
scattered. The effect is greater at higher transducer
frequencies.
Speed of Sound (approximate)
Tem perature
T
mb
2.2.3.3.2 Absorption
1 400
Absorption is the process by which acoustic energy
1 450
is converted into heat by friction between the water
1 485
molecules as a Sound wave is subjected to repeated
compressions and expansions of the medium. In
1 510
general, this loss is a function of frequency squared.
1 530
2.2.4 Reverberation
NOTE - In water containing dissolved salts, the Speeds
are hi gher. Reverberation is the energy returned by reflectors
other than target reflectors. Reverberation of Sound
in water is analogous to the familiar Optical effect
which impairs the Utility of automobile headlights on
2.2.3 Transmission of Sound in water
a foggy night.
2.2.3.1 General
2.2.5 Refraction
Only a Portion of the acoustic energy transmitted
reaches the target. The remainder is lost for various
The path taken by an acoustic pulse will be bent if
reasons. This loss in Signal strength is called prop-
the water through which it is propagating varies
agation loss, and consists of spreading loss and at-
significantly in either temperature or density. In slow
tenuation loss.
moving rivers, with poor vertical mixing, the effect
of the sun upon the surface may produce a vertically
2.2.3.2 Spreading loss distributed temperature gradient. This will Cause the
acoustic path to bend towards the bed. With a tem-
Spreading loss is the reduction in acoustic intensity perature gradient of 0,5 “C per metre of depth, over
due to the increase in area over which the given a path length of 50 m the vertical deflection will be
acoustic energy is distributed. Losses due to this about 2 m. In contrast, the effect of vertical density
gradients (such as may be associated with salt wa-
Cause depend upon the relation between the path
3
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ISO 6416:1992(E)
ter intrusion into the gauged resch) is to bend the
2.3.2 Open channels
path towards the surface. Similar effects may be
produced by horizontally distributed temperature or
2.3.2.1 The method is suitable for use in general
density gradients such as may be associated with
purpose river flow measurement, a c:ignificant ad-
partial shading of the water surface from insolation,
vantage being some additional freedom from siting
or with the confluence of tributary waters of con-
constraint in comparison with other available tech-
trasting characteristics.
niques. In particular, the method does not demand
the presence of a natura1 control or the creation of
a man-made control at the proposed gauge location,
as it does not have to rely upon the establishment
2.2.6 Reflection
of a unique relation between water level and dis-
Charge.
Sound is reflected from the water surface and, to a
lesser extent, from the channel bed (see 2.5.2.3). The
2.3.2.2 The method is capable of providing high
bed may even be a net absorber of Sound. As an
accuracy of flow determination over a wide range
acoustic wave propagates across a river (generally
of flows contained within a defined gauge cross-
as a cone of around 5’ width) it will intersect with
section. Relevant aspects of measurement uncer-
the water surface and be reflected, suffering a 180°
tainty are given in 2.11. Flow determination of
Phase Change in the process. The secondary wave
predictable accuracy tan be available from the time
will proceed across the river and arrive at the op-
of first commissioning.
posite bank. Its arrival will be sensed by the target
transducer later than the direct wave, and the dif-
2.3.2.3 Use of the method creates no obstruction to
ference in arrival time will be a function of the dif-
navigation or to the free passage of fish. lt creates
ference in the respective lengths of the direct and
no significant hazard or loss of amenity for other
indirect paths.
river users or riparian interests. If carefully de-
signed, the gauge tan be physicalty unobtrusive.
Errors in Signal timing will occur if the secondary
Signal interferes with the first cycle of the direct
2.3.3 Backwater effects
Signal. To avoid this effect, the differente in the two
paths should exceed one acoustic wavelength
The method is generally tolerant of the backwater
(Speed of sound/frequency). This will be achieved if
effects created by tides, tributary discharges, reser-
the depth of water above the acoustic path exceeds
voir or head-pond water level manipulation, periodic
that given by the equation
channel obstruction and downstream weed growth.
I-T- .I
l\ r\?
=z/ -
u
min
2.3.4 Multiple channels
1/f
where
At locations where total flow is divided between two
or more physically separate channels, the technique
Il
is the minimum depth, in metres;
- min
allows instrumentation to be used to determine in-
dividual channel flows separately and then to com-
L J is the path length, in metres;
bine these basic data to create a Single unified
determination.
is the transducer frequency, in hertz.
f
A similar restriction may apply to the channel bed,
2.3.5 Flood plain flow measurement
particularly if it is smooth and, hence, reflects rather
than absorbs an acoustic Signal.
2.3.5.1 Where flow may not readily be contained
within a Single weil-defined Cross-section, and in
particular where there is significant flow that by-
Passes the main gauge cross-section by way of an
extensive flood plain, it may be possible to subdivide
2.3 Application the flood plain, by means of minor civil engineering
works, into a series of “channels” in which the flow
tan be measured separately.
2.3.1 General
2.3.5.2 A Station designer may decide to provide a
comprehensive flood-plain measurement capability
Like all variants of the basic velocity-area method, by this means or may, alternatively, simply provide
the ultrasonic method is suitable for use in some a flow or Vetocity sampling facility. In the latter situ-
situations, and unsuitable in others. Constraints and ation, gauged Cross-sections may be constructed in
limitations on its use are given in 2.5. In this clause, the flood-plain. These should not provide total cov-
emphasis is placed on positive attributes. erage, but merely provide locations at which flood-
4
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ISO 6416:1992(E)
plain flow tan be sampled for subsequent In this variant, transducer settings may also
2.4.2.3
examination and analysis. be altered seasonally, to take differentes in flow re-
gime into account, but there may be practical limi-
tations to the frequency with which such alterations
2.3.6 Flow measurement in closed conduits may reasonably be made and therefore limitations
to the general Utility of this configuration.
The ultrasonic method is also applied to the meas-
urement of flow in closed conduits, including both
2.4.2.4 For the Single path gauge with movable
Storm-water and foul sewers, under both free-
transducers, the range of water levels at the gauge
flowing and surcharged conditions. Special attention
site should normally be small or, at least, such
should be paid to the design of transducer
changes as do occur should be slow. Quite wide
mountings, to eliminate the risk of fouling, but the
variations in water level tan sornetimes be accom-
absence of any absolute need to introduce an ob-
modated where the phenomenon is seasonal, for
struction to free flow in the sewer tan be a signifi-
example in a groundwater-fed stream, where dis-
cant advantage.
charges vary only slowly from day to day but where
there may be distinctly different Winter and Summer
regimes. The slowness of these variations may per-
mit resetting of transducer levels on a seasonal ba-
2.4 Gauge configuration
sis.
2.4.1 General 2.4.2.5 The Single path gauge also relies upon
there being a relatively stable velocity Profile, es-
sentially unaffected by changes in the relation be-
The ultrasonic method is only one of a number of
tween water level and flow. lt may be unsuited to
different ways in which the velocity of moving water
locations that experience a significant backwater
tan be sampled to provide basic measurement from
effect.
which discharge tan be computed. The velocity
sampling technique tan be combined with more
than one sampling strategy to match the method
2.4.2.6 The Single path gauge is inherently vulner-
able to transducer darnage or malfunction. There is
-
with local site circumstances;
no built-in component redundancy capability (see
. .
2 9)
-
with the needs of the gauge user for measure-
ment accuracy or operational reliability; or
2.4.3 Multipath Systems
-
with the resources available to the user to main-
tain the gauge in an operational state.
2.4.3.1 At sites where
-
there is wide and frequent Variation in water
2.4.2 Single path Systems
level and/or flow; or
-
velocity distribution in the vertical deviates sig-
2.4.2.1 In its most basic form, the ultrasonic gauge
nificantly from the theoretical; or
tan operate satisfactorily with a Single pair of
transducers, giving only a Single “!ine” velocity de-
-
there is significant risk of backwater effects act-
termination. Provided that a relation tan be estab-
ing upon an otherwise stable stage/discharge
lished between this Sample and the mean
relation: and
Cross-sectional velocity, discharge tan be computed
as readily by this simple means as by a more com-
-
the ultrasonic technique is nevertheless the most
plex method.
appropriate for use,
it will normally be necessary to install two or more
2.4.2.2 Transducer mountings may be constructed
paths to provide a more accurate estimation of
to be moveable in the vertical plane. Using this fa-
mean velocity in the Cross-section than is possible
cility, a vertical velocity Profile may be determined,
with a Single path only.
employing the gauge instrumentation in a manner
analogous tc the use of the rotating element current
2.4.3.2 The number of paths that may be installed
meter. The transducers may then be set, for opera-
is limited only by the design of the gauge instru-
tional purposes, at an elevation that provides as
close an estimate as possible of the mean cross- mentation Chosen to meet the required constraints
sectional velocity. Discharge may be computed and of accuracy, reliability and tost. The aim is to
a relatively simple form of instrumentation design achieve an acceptable representation of the vertical
adopted. velocity Profile in the gauge cross-section, at all
5
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ISO 6416:1992(E)
the likelihood of there being significant differentes
levels or flows, from the highest to the lowest Iikely
to be experienced. in Cross-sectional geometry between the two paths.
2.4.3.3 Where a high level of Performance security
2.4.4.5 Within the System instrumentation, each
(i.e. freedom from operational interruption or de-
line velocity in a crossed pair should be computed
gradation) is also a goal in the System, it may be
separately. If the two velocities computed for a pair
desirable to provide an additional number of “re-
of crossed paths are identical (within computational
dundant” paths, such that physical darnage to, or
and measurement error), then the path angle as-
malfunction of, one or more paths has a minimal ef-
sumed by the System design may be taken to be
fett upon the Overall accuracy of measurement.
correct. If the two velocities are significantly differ-
ent, then the assumed path angle is incorrect. Nei-
2.4.3.4 Multipath gauge configuration may also be
ther of the computed line velocities will be correct;
appropriate as a means of accommodating complex
one will be high and the other low. 2.11 deals with
cross-sectional geometry.
the basic measurement uncertainties inherent in
this component of the System, and gives guidance
on what may be realistically attainable and, hence,
on what may be considered to be “significant” (see
2.4.4 Crossed path Systems
annex A).
2.4.4.1 One of the fundamental principles of the
ultrasonic technique is that the angle at which each
Transducer 0
in a System intersects the
individual “flight path”
line representing the mean direction of flow at that
elevation shall be known accurately. Errors in this
Transducerß
v
23
P
angle are magnified in the discharge computation
\Jsb
L/
process (see table 1). \O
3 /
Direction of flow
2.4.4.2 In practice, it may be difficult to determine
precisely the mean direction of flow at a given site.
The assumption that it is parallel to the banks may
not always hold. lt may be true at some Parts of the --
flow/level range, but not at others. The gauge site
Transducer A
Transducerf
itself may not be ideal, and there may be directional
effects associated with sub-optimal channel geom-
etry or approach conditions. At low flows in partic-
Gauge hut
ular, the effects of complex bed geometry may
r-l
override the normal control of mean direction from
the bank.
Figure 1 - Plan of crossed path gauge
2.4.4.3 Where it is suspected that the flow is not
parallel to the channel banks, and where the likely
resulting error in the flow computation is thought to
be significant, it may be possible to introduce an el-
2.4.4.6 Provided that the true mean direction of
ement of self correction by configuring the gauge to
flow does not Change significantly over the meas-
have one or more sets of its “flight paths” installed
ured resch, then simple averaging of the two paired
as pairs, set at the Same elevation but laid out in the
line velocities will produce a close approximation to
form of a symmetrical Cross (see figure 1).
the true mean water velocity at that elevation, the
inherent errors in each being Iargely self-cancelling.
The risk of error remaining, b&ause of changing
2.4.4,4 In this configuration, each path oriented, for
flow direction through the gauged resch, may be
example, in an upstream direction from the left
reduced by keeping the resch as short as possible.
bank, should be matched by an equivalent path, set
at the Same elevation, but oriented in a downstream
direction from the Same bank, and “aimed” at a
2.4.4.7 At locations where high gauge reliability is
Point on the right bank directly opposite the down-
stream, left-bank transducer. The twin paths should required, the principle of measurement redundancy
may be combined with the use of crossed-path ge-
normally be disposed so as to intet%ect in rnid-
ometry to reduce the risk of System failure through
stream, and to form the equal sides’ of a pair of
physical darnage, by having transducer arrays that
congruent, isosceles triangles. Gross mismatch be-
are physically separated OH the river bank.
tween path lengths should be avoided, because of
6
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 6416:1992(E)
2.4.5 Reflected path Systems
2.4.6 Systems using divided Cross-sections
2.4.6.1 Modern instrumentation technology allows
the adoption of exceedingly complex path config-
2.4.5.1 The basic ultrasonic System normally re-
urations, the resulting System control and computa-
quires that there are sets of transducers on both
tional implications being accommodated with
banks of the channel. lt is required that Signal and
relative ease.
power cables should Cross the channel, either over-
head, or on the bed, or trenched into the bed.
2.4.6.2 Where site geometry is complex (for exam-
ple a main channel with flood berms), where there
is a need
...
ISO
NORME
INTERNATIONALE 6416
Deuxième édition
1992-09-I 5
\Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Mesure du débit à l’aide de la
méthode ultrasonique (acoustique)
Measurement of liquid f7ow in open channels - Measurement of
discharge by the ultrasonic (acousfic) method
Numéro de référence
ISO 6416: 1992(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Sommaire
Page
1
Section 1 Généralités .,.,,.,.,.,.
1
1.1 Domaine d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Références normatives
1
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .,.,.,.
1.3 Définitions
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*. 1
1.4 Unités de mesure
2
Section 2 Méthode de mesurage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~.~.
2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Principe
. . . . . . . . . . . . 3
2.2 Caractéristiques de propagation du son dans l’eau
4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Application
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Configuration du système de jaugeage
8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Choix de l’emplacement
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. 10
2.6 Étude du site
. . . . . . . . . . . . . . . . . II
2.7 Caractéristiques des mesurages opérationnels
................... .................................. 12
2.8 Caractéristiques de calcul
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.9 Concept de redondance des mesurages
16
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Étalonnage du système
...................................... 17
..............
2.11 Incertitudes de mesurage
22
..,.,,....,,....,..,.....,.....,,.,.........,,,,,~......
Section 3 Station de jaugeage
22
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. .a.
3.1 Généralités
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Conception et construction des matériels
27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Sortie du système
27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.,.,,.,,.,.*., 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Mise en service
28
..,........ . . . . . . . . . . . . . . . . . ..*.....................
3.6 Manuel de fonction nement
28
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Entretien et maintenance
0 ISO 1992
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être repro-
duite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou
mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord krit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 l CH-1211 Genève 20 l Suisse
imprimé en Suisse
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Annexe
A Détermination du sens de l’écoulement à partir des données
découlant de trajectoires croisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
. . .
111
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres
de I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre inté-
ressé 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 I’ISO participent egalement aux tra-
vaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique
internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotech-
nique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techni-
ques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins
des comités membres votants.
La Norme internationale ISO 6416 a été élaborée par le comité techni-
que ISO/TC 113, Mesure de débit des liquides dans les cariaux décou-
verts, sous-comité SC 1, Méthodes d’exploration du champ des
vitesses.
Cette deuxième édition annule et remplace la prernière édition
(ISO 6416:1985 et ISO 6418:1985), dont elle constitue une révision ma-
jeure, et une combinaison.
L’annexe A fait partie intégrante de la présente Norme internationale.
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
NORME INTERNATIONALE
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts -
Mesure du débit à l’aide de la méthode ultrasonique
(acoustique)
Section 1: Généralités
ISO 748:1979, Mesure de débit des liquides dans les
1 . 1 Domaine d’app
canaux découverts - Méthodes d’exploration du
champ des vitesses.
La présente Norme internationale décrit comment
est créée et exploitée une station de jaugeage par
ISO 772:1988, Mesure de débit des liquides dans les
ultrasons (émission acoustique) pour mesurer le
canaux découverts - Vocabulaire et symboles.
débit dans les rivières, les canaux découverts ou
dans les conduites fermées à surface d’écoulement
ISO IIOO-2:1982! Mesure de débit des liquides dans
libre. Elle décrit également les principes de base de
les canaux découverts - Partie 2: Détermination de
la méthode, le fonctionnement et les caractéris-
la relation hauteur-débit.
tiques des appareils associés. Elle se limite à la
technique dite du (
ISO 4373:1979, Mesure de débit des liquides dans les
temps de passage des impulsions acoustiques, et
canaux découverts - Appareils de mesure du niveau
ne s’applique pas aux systèmes faisant appel aux
de l’eau.
techniques de l’effet Doppler ou du niveau d’écou-
lement.
ISO 5168:1978, Mesure de débit des fluides - Calcul
de l’erreur limite sur une mesure de débit.
1.2 Références normatives
Les normes suivantes contiennent des dispositions
1.3 Définitions
qui, par suite de la référence qui en est faite,
constituent des dispositions valables pour la pré- Pour les besoins de la présente Norme internatio-
sente Norme internationale. Au moment de la pu- nale, les définitions données dans I’ISO 772 s’appli-
blication, les éditions indiquées étaient en vigueur.
quent.
Toute norme est sujette à révision et les parties
prenantes des accords fondés sur la présente
1.4 Unités de mesure
Norme internationale sont invitées a rechercher la
possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes
Les unités de mesure utilisées dans la présente
des normes indiquées ci-après. Les membres de la
Norme internationale sont les unités du Système
CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes
internationales en vigueur à un moment donné. International (SI).
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Section 2: Méthode de mesuraae
J
2.1.5 Pour mesurer le débit dans an chenal dé-
2.1 Principe
couvert, il convient d’observer un certain nombre
de considérations pratiques:
2.‘!.1 Une impulsion acoustique transmise dans de
a) les points de référence à chaque extrémité de la
l’eau en mouvement, dans une direction autre que
((trajectoire de vol,, doivent être situés sur les
perpendiculaire au sens moyen du mouvement,
berges opposées du cours d’eau;
aura un temps de parcours sur une distance donnée
différent de celui qu’elle aurait dans une eau sta-
b) la droite qui joint ces points de référence doit
tionnaire à même température et à mêmes caracté-
couper la ligne représentant le sens moyen
ristiques de salinité, de concentration en sédiments
d’écoulement selon un angle connu, compris
et de profondeur. Si l’impulsion acoustique est
normalement entre 30° et 60”.
transmise dans le sens d’écoulement de l’eau, elle
mettra moins de temps pour parcourir la distance
Lorsque l’angle d’intersection est supérieur à 60”,
en question qu’en eau stationnaire; si elle est
la différence des temps relevés pour des impulsions
transmise dans le sens contraire au sens d’écou-
acoustiques voyageant en sens opposé devient ex-
lement de l’eau, le temps de parcours sera plus
cessivement petite et difficile à mesurer. Ce pro-
long.
blème peut ne pas être grave quand les vitesses
mesurées sont élevées, mais peut soulever des dif-
ficultés quand elles sont faibles (quand les diffé-
2.1.2 Si l’on compare le temps mis par une impul-
rences de temps entre les impulsions aller et retour
sion acoustique pour parcourir une distance mesu-
sont elles-mêmes faibles).
rée entre deux points de référence dans un sens
donné, avec le temps mis pour parcourir la même
À 9Oo, il n’y a aucune différence entre le temps de
distance dans le sens opposé, on peut constater que
parcours des impulsions aller et retour.
la différence observée est dans un rapport direct
avec la vitesse moyenne de l’élément de courant
Un grand angle entraîne également une augmen-
dans la <
tation de Iferreur de calcul des vitesses, en raison
de référence. C’est ce qu’on appellera la fwitesse
des erreurs découlant du mesurage de cet angle
sur trajectoire),.
lui-même. Ce phénomène est dû à la présence,
dans l’équation rapportant la différence de temps à
la vitesse, de la fonction cosinus (voir 2.8.1). Cet ef-
2.1.3 Ce principe, allié à une instrumentation ap-
fet est décrit au tableau 1.
propriée, permet de mesurer avec exactitude la vi-
tesse moyenne de l’élément du corps liquide
- Erreur systématique découlant du
Tableau 1
constitué par le segment de droite reliant les deux
non-parallélisme du sens supposé de l’écoulement
points de référence. Cette méthode d’échantillon-
et de l’axe du canal
nage des vitesses d’écoulement donne davantage
d’informations sur l’ensemble de l’écoulement
Erreur sur la vitesse pour une
qu’une mesure ponctuelle, mais elle est, toutefois,
Angle de trajectoire, différence de l0 entre le sens
encore loin d’être entièrement représentative du
réel et le sens supposé de
(f>
débit total.
l’écoulement
degrés Oh
2.1.4 Néanmoins, de même que l’intégration de
30 1
des vitesses
plusieurs échantillons ponctuels
45 2
d’écoulement donne une estimation de la vitesse
moyenne dans une section, une transformation ma- 3
60
thématique des mesurages de vitesse sur trajec-
toire peut remplir le même objectif. Le rapport entre
Lorsque l’angle d’intersection est inférieur à 30”, la
la vitesse de parcours sur trajectoire et la vitesse le
longueur des ((trajectoires de vol), résultantes peut
long d’une ligne d’écoulement (appelée ((vitesse en
devenir excessive et entraîner des problèmes d’in-
ligne,>) s’exprime par l’équation suivante:
tensité du signal ou de réflexion de celui-ci sur le lit
“trajectoire
du chenal ou la surface de l’eau. Cela peut aussi
Vigne =
COS q5 poser des problèmes de choix du site dans la me-
sure où la longueur de rivière ou de bief occupée
où (b est l’angle entre la trajectoire et le sens par l’appareil peut devenir excessive et cesser
d’être quasi uniforme.
d’écoulement (voir figure 1).
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
2.1.6 Pour pouvoir calculer le débit, il faut non
2.2.3 Transmission du son dans l’eau
seulement disposer d’une estimation de la vitesse
moyenne de l’eau dans la section de jaugeage, mais
2.2.3.1 Généralités
encore connaître l’aire de la section mouillée. Un
système de détermination du débit fondé sur le
Seule une partie de l’énergie acoustique transmise
principe des ultrasons devra donc être capable non
parvient à la cible. Le reste se perd pour diverses
seulement de faire des mesurages de la vitesse,
raisons. Cette perte d’intensité du signal est appe-
mais aussi de déterminer (ou de recevoir le signal
lée perte par propagation et se compose d’une
d’un autre système capable de déterminer) la pro-
perte par diffusion et d’une perte par atténuation.
fondeur de l’eau et de mettre en mémoire les don-
nées correspondant à la profondeur et à l’aide de la
2.2.3.2 Perte par diffusion
section mouillée. II devra également être capable
de résoudre les fonctions mathématiques nécessai-
La perte par diffusion est la diminution de l’intensité
res pour calculer le débit à partir des données mi-
acoustique due à l’élargissement de l’aire sur la-
ses en mémoire ou déterminées en direct.
quelle se répartit une énergie acoustique donnée.
Les pertes correspondantes dépendent de la rela-
lion entre la longueur de la trajectoire, le diamètre
2.2 Caractéristiques de propagation du
du transducteur à ultrasons et sa fréquence carac-
son dans l’eau
téristique. La diffusion respecte la loi des carrés in-
verses qui s’applique en général à toutes les formes
2.2.1 Généralités
d’énergie rayonnante. Si, toutefois, les signaux sont
mesurés sous forme de tensions, l’énergie étant
Le spectre acoustique englobe une large gamme de
alors proportionnelle au carré de la tension, la perte
fréquences. La gamme des fréquences audibles se
par diffusion suivra une loi inverse. Cet effet n’est
situe entre 50 Hz et 15 O@O Hz environ; c’est ce
observable que sur de faibles trajectoires. Au-delà
qu’on appelle les <
de 20 m, d’autres phénomènes prédominent.
à 50 Hz sont généralement qualifiées de
((subsoniques,,; quant aux fréquences supérieures
2.2.3.3 Perte par atténuation
à 15 000 Hz, elles constituent normalement les <(ul-
trasonw
La perte par atténuation est la diminution de I’in-
tensité acoustique due à la résistance du milieu à la
2.2.2 Vitesse du son dans l’eau
transmission de l’énergie acoustique. Ce phéno-
mène est analogue aux pertes d’énergie électrique
La vitesse du son dans l’eau douce varie d’environ
dans un fil électrique où ne se produit pas de diffu-
1 400 m/s à un peu plus de 1 500 m/s dans la plage
sion. La perte par atténuation est directement pro-
des températures normales ambiantes, soit une va-
portionnelle au carré de la fréquence.
riation d’environ 7 O/(, (voir tableau 2). La vitesse du
son est fonction de la masse volumique et de
2.2.3.3.1 Dispersion
l’élasticité du milieu, mais est indépendante de la
fréquence.
La dispersion est la modification de la direction
dans laquelle se propage l’énergie acoustique pro-
voquée par les réflexions sur les innombrables hé-
Tableau 2 - Vitesse du son dans l’eau à différentes
térogénéités se trouvant dans l’eau, notamment les
températures
bulles d’air microscopiques et les particules de ma-
Vitesse approximative du son
Température tière en suspension. Ces hétérogénéités provoquent
des variations soudaines de l’impédance acoustique
OC
Ns
spécifique et donc une réflexion et une dispersion
du signal. L’effet provoqué augmente avec la fré-
0 1 400
quence du transducteur.
1 450
10
1 485
20
2.2.3.3.2 Absorption
1 510
30
L’absorption est un processus de transformation de
40 1 530
l’énergie acoustique en chaleur par frottement des
-- -
molécules de Veau, cependant que l’onde sonore
subit des compressions et des dilatations répétées
NOTE - CE > vitesses sont supérieures dans l’eau
du milieu. En général, cette perte est fonction du
contenant des sels dissous.
carré de la fréquence.
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
où
2.2.4 Réverbération
est la hauteur minimale, en mètres;
La réverbération est l’énergie renvoyée par des ré-
flecteurs autres que ceux de la cible. La réverbé-
1, est la longueur de trajectoi: 2, en mètres;
ration du son dans l’eau est un phénomène
analogue à l’effet d’optique familier qui affecte I’ef-
est la fréquence du transducteur, en
f
ficacité des phares d’automobile par une nuit de
hertz.
brouillard.
Une restriction similaire est applicable au lit du
chenal, notamment s’il est lisse et réfléchit plutôt
2.2.5 Réfraction
qu’il n’absorbe le signal acoustique.
La trajectoire suivie par une impulsion acoustique
est déviée par une variation significative de tempé-
2.3 Application
rature ou de masse volumique de l’eau dans la-
quelle l’impulsion se propage. Dans les rivières à
2.3.1 Généralités
cours lent et à faible mélange vertical, l’effet du so-
leil sur la surface peut engendrer un gradient de
Comme toutes les variantes de la méthode fonda-
température vertical qui déviera la trajectoire
mentale d’exploration du champ des vitesses, la
acoustique vers le lit. Avec un gradient de tempé-
méthode ne convient que dans certains cas. Les in-
rature de 0,5 OC par mètre de profondeur sur une
convénients et les limites d’emploi de cette méthode
trajectoire de 50 m, la déflexion verticale sera d’en-
sont indiqués en 2.5. Le présent article met l’accent
viron 2 m. À l’inverse, les gradients verticaux de
sur les points positifs.
masse volumique (qui peuvent être causés par la
pénétration d’eau salée dans le bief de jaugeage)
auront pour effet de dévier la trajectoire vers la 2.3.2 Chenaux découverts
surface. Des effets similaires peuvent résulter des
gradients horizontaux de température ou de masse
2.3.2.1 La méthode est bien adaptée à l’emploi
volumique associés, par exemple, à une ombre
pour les mesures générales de l’écoulement fluvial,
partielle projetée sur une eau ensoleillée ou à I’ap-
son principal avantage par rapport à d’autres tech-
port d’eaux provenant d’affluents de caractéris-
niques étant la liberté du choix du site. Cette mé-
tiques très différentes.
thode ne demande pas en particulier l’existence
d’une section de contrôle naturelle ou artificielle au
niveau de la station de jaugeage puisqu’il n’y a pas
2.2.6 Réflexion
besoin d’établir une relation univoque entre le débit
d’eau et son niveau.
Le son se réfléchit sur la surface de l’eau et, dans
une moindre mesure, sur le lit du chenal (voir
2.5.2.3). Le lit peut même constituer un absorbeur 2.3.2.2 Cette méthode donne une exactitude élevée
net du son. L’onde acoustique se propageant en dans la détermination du débit sur une large plage
travers de la rivière (en général sous la forme d’un des régimes d’écoulement rencontrés dans une
câne de 5” d’angle de sommet), va venir couper la section de jaugeage définie. Les détails relatifs à
surface de l’eau, se réfléchir et se déphaser de l’incertitude de mesurage sont donnés en 2.11. Une
180” au cours du processus. L’onde traversera la détermination du débit avec une exactitude prévisi-
rivière et arrivera sur la berge opposée. Son arrivée ble peut être obtenue dès la première mise en ser-
sera captée par le transducteur cible après celle de vice.
l’onde directe et la différence entre les temps d’ar-
rivée sera fonction de la différence des longueurs
2.3.2.3 L’emploi de cette méthode ne crée aucune
respectives des trajectoires directe et indirecte.
gêne pour la navigation ou pour le libre passage des
poissons. Elle ne crée ni risque significatif ni perte
Des erreurs de temps d’enregistrement des signaux
de jouissance pour les riverains ou autres exploi-
se produiront si le signal secondaire interfère avec
tants de la rivière. S’il est concu avec soin, I’appa-
le premier cycle du signal direct. Pour éviter cet ef-
reil de jaugeage ne doit causer aucune obstruction.
fet, il faut que la différence des deux trajectoires soit
supérieure à une longueur d’onde acoustique (vi-
2.3.3 Effets de reflux
tesse du son/fréquence). Tel sera le cas si la hau-
teur d’eau au-dessous de la trajectoire acoustique
La méthode tolère généralement les reflux dus aux
est supérieure à la valeur donnée par l’équation
marées ou au débit des affluents, les variations du
suivante:
niveau d’eau dans les réservoirs ou les biefs, I’obs-
truction périodique du chenal ou la croissance de
» min=27 4
végétation à l’aval.
J
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
-
aux besoins de l’utilisateur en matière de préci-
2.3.4 Chenaux multiples
sion ou de fiabilité, ou
Aux endroits où l’écoulement total se divise en deux
-
aux ressources dont dispose l’utilisateur pour
ou plusieurs chenaux physiquement distincts, la
maintenir les appareils en état opérationnel.
technique permet d’utiliser des instruments déter-
minant le débit séparément dans chaque chenal
puis de combiner ces données pour obtenir une dé-
2.4.2 Systèmes à trajectoire unique
termination unique globale.
2.4.2.1 Sous sa forme la plus élémentaire, le sys-
2.3.5 Mesurage du débit en plaine
tème de jaugeage peut fonctionner de facon tout à
d’inondation
fait satisfaisante avec une seule paire de’transd’uc-
teurs donnant donc une détermination unique de la
2.351 Lorsque l’écoulement n’est pas facile à
vitesse (
contenir dans une seule section bien définie et
finir une relation entre l’échantillon et la vitesse
qu’en particulier, une partie significative contourne
moyenne dans la section, on peut alors calculer le
la section principale de jaugeage pour s’étaler en
débit aussi facilement par ce moyen simple que par
une plaine d’inondation, il est possible, par de petits
n’importe quelle méthode plus compliquée.
travaux de génie civil très modestes, de subdiviser
la plaine d’inondation, en une série de
dont on peut mesurer séparément le débit.
2.4.2.2 La fixation des transducteurs doit permettre
de les déplacer dans le plan vertical. Le système
permet de déterminer le profil des vitesses verti-
2.352 Le concepteur de la station peut choisir soit
cales en utilisant le système de jaugeage d’une
de mesurer de cette manière le débit de la plaine
manière analogue à un mesurage à l’aide d’un
d’inondation, soit de procéder à un échantillonnage
moulinet à élément tournant. Dès qu’ils sont opé-
des débits ou des vitesses. Dans ce dernier cas, les
rationnels, les transducteurs sont placés à une
sections de jaugeage construites dans la plaine
hauteur donnant une estimation aussi fidèle que
d’inondation ne donneront pas une mesure totale
possible de la vitesse moyenne dans la section. On
mais constitueront des points de mesurage dont les
peut alors calculer le débit simplement et adopter
relevés de débit serviront aux examens et analyses
une forme relativement simple de conception de
futurs.
l’instrumentation.
2.3.6 Mesurage de débit dans les conduites
2.4.2.3 Le réglage des transducteurs peut aussi, en
fermées
variante, être changé à chaque saison, pour tenir
compte des différences de régime, mais il peut y
La méthode ultrasonique est aussi utilisée pour le
avoir des limites pratiques à la fréquence des
mesurage du débit dans les conduites fermées, y
changements et donc des limites à l’utilité générale
compris d’eaux pluviales ou d’égouts, en régime
de cette configuration.
d’écoulement libre ou en charge. II convient d’ap-
porter un soin particulier à la conception des
fixations des transducteurs qui ne doivent pas être
2.4.2.4 Pour le système de jaugeage à trajectoire
souillés, mais qu’il soit inutile d’introduire un obs-
unique avec des transducteurs mobiles, il faut que
tacle au libre écoulement dans l’égout peut présen-
le niveau de l’eau varie normalement peu à la sta-
ter un avantage notable.
tion de jaugeage, ou pour le moins que les va-
riations de niveau se fassent lentement. Des
variations assez importantes peuvent être parfois
2.4 Configuration du système de
absorbées si le phénomène est saisonnier, du type
remontée d’eaux souterraines, quand le débit ne
jaugeage
varie que lentement d’un jour à l’autre et que l’on
peut observer deux régimes très différents: été et
2.4.1 Généralités
hiver. La lenteur de ces variations permet parfois
de reprendre le réglage des transducteurs sur une
La méthode ultrasonique n’est que l’une des nom-
base saisonnière.
breuses méthodes permettant de mesurer la vitesse
d’un cours d’?au, et donc de définir une mesure de
2.4.2.5 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
base à partir de laquelle on peut calculer le débit.
que repose également sur l’hypothèse d’un profil
La technique d’échantillonnage de la vitesse peut
des vitesses relativement stable, très peu affecté
combiner diverses stratégies permettant de s’adap-
par les modifications de la relation niveau
ter
d’eau/débit. Elle peut n’être pas appropriée aux
-
aux configurations locales au niveau du site, emplacements soumis à des reflux importants.
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
2.4.2.6 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
2.4.4.2 II peut s’avérer difficile, dans la pratique, de
que est enfin très sensible à la détérioration physi- déterminer avec précision la direction moyenne de
que ou aux dysfonctionnements des transducteurs. l’écoulement en un site donné. L’hypothèse nor-
Elle ne comporte aucune capacité interne de redon- male, à savoir qu’elle est parallèle aux rives, n’est
dance instrumentale (voir 2.9). pas toujours vérifiée. Ce peut être vrzi dans certai-
nes parties de la plage de débit ou de niveau, mais
faux dans d’autres. Le site de jaugeage lui-même
2.4.3 Systèmes à trajectoires multiples
peut ne pas être idéal et il peut y avoir des effets
directionnels associés à une géométrie du canai ou
2.4.3.1 Dans les sites
à des conditions d’approche qui ne sont pas idéales.
À de faibles débits en particulier, les effets d’une
-
où l’on observe des variation S fréquentes et im-
géométrie complexe du lit peuvent prendre le pas
portantes de niveau d’eau ou d e débit,
sur ce que, de la rive, on considère normalement
comme étant la direction moyenne.
- la répartition des vitesses dans le plan vertical
s’écarte sensiblement de celle dans le plan thé-
orique, ou
2.4.4.3 Si l’on a des raisons de penser que I’écou-
lement ne sera pas parallèle aux rives du canal, et
-
en-
où les risques de reflux so nt élevés da ns un
si l’on pense que l’erreur qui en résultera proba-
vironnement h aut eur/débit par ailleurs stable
l et
blement sur le calcul du débit pourra être significa-
tive, il est possible d’introduire un élément
--
où la technique par ultra sons est néanmoins la
d’autocorrection: pour ce faire, on dispose les
plus a ppropriée d’emploi,
transducteurs de facon à obtenir deux ou plusieurs
,
séries de ((trajectoires de vol,> groupées par paires
il sera normalement nécessaire de prévoir deux
à la même hauteur, mais en forme de croix symé-
trajectoires, ou plus, pour obtenir une évaluation de
trique (voir figure 1).
la vitesse moyenne dans la section, plus précise
que ne le permet la trajectoire unique.
Transducteur Il
2.4.3.2 Le nombre de trajectoires possibles n’est
limité que par la conception de l’instrumentation de
mesurage choisie en fonction des contraintes de
Transducteur B
P
précision, de fiabilité et de prix de revient. Le but
recherché est d’arriver à une représentation accep-
table du profil des vitesses verticales dans la sec-
Sens de l’écoulement
*
tion jaugée, à tous les niveaux et débits, du plus
élevé au plus bas possible.
2.4.3.3 Si le système doit égalernent faire montre
d’un niveau élevé de sécurité de fonctionnement
Transducteur A
Transducteur C
(par exemple ne pas s’interrompre ou se dégrader),
il peut s’avérer nécessaire de prévoir un certain
Abri de la
nombre de trajectoires (redondantes), minimisant
statlon de
r-l
l’effet de la détérioration physique ou du mauvais
fonctionnement d’une ou de plusieurs trajectoires
sur l’exactitude globale de mesurage.
Plan d’une station de jaugeage à
Figure 1 -
croisées
trajectoires
2.4.3.4 La configuration à trajectoires multiples
permet également de faire face aux situations où la
section transversale du cours d’eau est de géomé-
trie complexe.
2.4.4.4 Avec ce genre de configuration, à chaque
2.4.4 Systèmes à trajectoires croisées
trajectoire orientée, par exemple, vers l’amont à
partir de la rive gauche, doit correspondre une tra-
jectoire équivalente, à même hauteur, mais orientée
2.4.4.1 L’un des principes fondamentaux de la
vers l’aval de cette même rive, et dirigée vers un
technique par ultrasons est que l’angle d’intersec-
tion de chaque ((trajectoire de vol>, d’un système point de la rive droite directement opposé au trans-
ducteur aval de la rive gauche. Les deux trajectoires
avec la droite représentant la direction moyenne de
jumelles doivent normalement se couper au milieu
l’écoulement à la hauteur correspondante doit être
du cours d’eau et former ainsi les côtés égaux de
connu avec précision. Les erreurs sur cet angle du
triangles isocèles opposés par le sommet. II
système
...
ISO
NORME
INTERNATIONALE 6416
Deuxième édition
1992-09-I 5
\Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Mesure du débit à l’aide de la
méthode ultrasonique (acoustique)
Measurement of liquid f7ow in open channels - Measurement of
discharge by the ultrasonic (acousfic) method
Numéro de référence
ISO 6416: 1992(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Sommaire
Page
1
Section 1 Généralités .,.,,.,.,.,.
1
1.1 Domaine d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Références normatives
1
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .,.,.,.
1.3 Définitions
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*. 1
1.4 Unités de mesure
2
Section 2 Méthode de mesurage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~.~.
2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Principe
. . . . . . . . . . . . 3
2.2 Caractéristiques de propagation du son dans l’eau
4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Application
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Configuration du système de jaugeage
8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Choix de l’emplacement
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. 10
2.6 Étude du site
. . . . . . . . . . . . . . . . . II
2.7 Caractéristiques des mesurages opérationnels
................... .................................. 12
2.8 Caractéristiques de calcul
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.9 Concept de redondance des mesurages
16
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Étalonnage du système
...................................... 17
..............
2.11 Incertitudes de mesurage
22
..,.,,....,,....,..,.....,.....,,.,.........,,,,,~......
Section 3 Station de jaugeage
22
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~. .a.
3.1 Généralités
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Conception et construction des matériels
27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Sortie du système
27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.,.,,.,,.,.*., 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Mise en service
28
..,........ . . . . . . . . . . . . . . . . . ..*.....................
3.6 Manuel de fonction nement
28
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Entretien et maintenance
0 ISO 1992
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être repro-
duite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou
mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord krit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 l CH-1211 Genève 20 l Suisse
imprimé en Suisse
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Annexe
A Détermination du sens de l’écoulement à partir des données
découlant de trajectoires croisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
. . .
111
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres
de I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre inté-
ressé 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 I’ISO participent egalement aux tra-
vaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique
internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotech-
nique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techni-
ques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins
des comités membres votants.
La Norme internationale ISO 6416 a été élaborée par le comité techni-
que ISO/TC 113, Mesure de débit des liquides dans les cariaux décou-
verts, sous-comité SC 1, Méthodes d’exploration du champ des
vitesses.
Cette deuxième édition annule et remplace la prernière édition
(ISO 6416:1985 et ISO 6418:1985), dont elle constitue une révision ma-
jeure, et une combinaison.
L’annexe A fait partie intégrante de la présente Norme internationale.
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
NORME INTERNATIONALE
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts -
Mesure du débit à l’aide de la méthode ultrasonique
(acoustique)
Section 1: Généralités
ISO 748:1979, Mesure de débit des liquides dans les
1 . 1 Domaine d’app
canaux découverts - Méthodes d’exploration du
champ des vitesses.
La présente Norme internationale décrit comment
est créée et exploitée une station de jaugeage par
ISO 772:1988, Mesure de débit des liquides dans les
ultrasons (émission acoustique) pour mesurer le
canaux découverts - Vocabulaire et symboles.
débit dans les rivières, les canaux découverts ou
dans les conduites fermées à surface d’écoulement
ISO IIOO-2:1982! Mesure de débit des liquides dans
libre. Elle décrit également les principes de base de
les canaux découverts - Partie 2: Détermination de
la méthode, le fonctionnement et les caractéris-
la relation hauteur-débit.
tiques des appareils associés. Elle se limite à la
technique dite du (
ISO 4373:1979, Mesure de débit des liquides dans les
temps de passage des impulsions acoustiques, et
canaux découverts - Appareils de mesure du niveau
ne s’applique pas aux systèmes faisant appel aux
de l’eau.
techniques de l’effet Doppler ou du niveau d’écou-
lement.
ISO 5168:1978, Mesure de débit des fluides - Calcul
de l’erreur limite sur une mesure de débit.
1.2 Références normatives
Les normes suivantes contiennent des dispositions
1.3 Définitions
qui, par suite de la référence qui en est faite,
constituent des dispositions valables pour la pré- Pour les besoins de la présente Norme internatio-
sente Norme internationale. Au moment de la pu- nale, les définitions données dans I’ISO 772 s’appli-
blication, les éditions indiquées étaient en vigueur.
quent.
Toute norme est sujette à révision et les parties
prenantes des accords fondés sur la présente
1.4 Unités de mesure
Norme internationale sont invitées a rechercher la
possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes
Les unités de mesure utilisées dans la présente
des normes indiquées ci-après. Les membres de la
Norme internationale sont les unités du Système
CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes
internationales en vigueur à un moment donné. International (SI).
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
Section 2: Méthode de mesuraae
J
2.1.5 Pour mesurer le débit dans an chenal dé-
2.1 Principe
couvert, il convient d’observer un certain nombre
de considérations pratiques:
2.‘!.1 Une impulsion acoustique transmise dans de
a) les points de référence à chaque extrémité de la
l’eau en mouvement, dans une direction autre que
((trajectoire de vol,, doivent être situés sur les
perpendiculaire au sens moyen du mouvement,
berges opposées du cours d’eau;
aura un temps de parcours sur une distance donnée
différent de celui qu’elle aurait dans une eau sta-
b) la droite qui joint ces points de référence doit
tionnaire à même température et à mêmes caracté-
couper la ligne représentant le sens moyen
ristiques de salinité, de concentration en sédiments
d’écoulement selon un angle connu, compris
et de profondeur. Si l’impulsion acoustique est
normalement entre 30° et 60”.
transmise dans le sens d’écoulement de l’eau, elle
mettra moins de temps pour parcourir la distance
Lorsque l’angle d’intersection est supérieur à 60”,
en question qu’en eau stationnaire; si elle est
la différence des temps relevés pour des impulsions
transmise dans le sens contraire au sens d’écou-
acoustiques voyageant en sens opposé devient ex-
lement de l’eau, le temps de parcours sera plus
cessivement petite et difficile à mesurer. Ce pro-
long.
blème peut ne pas être grave quand les vitesses
mesurées sont élevées, mais peut soulever des dif-
ficultés quand elles sont faibles (quand les diffé-
2.1.2 Si l’on compare le temps mis par une impul-
rences de temps entre les impulsions aller et retour
sion acoustique pour parcourir une distance mesu-
sont elles-mêmes faibles).
rée entre deux points de référence dans un sens
donné, avec le temps mis pour parcourir la même
À 9Oo, il n’y a aucune différence entre le temps de
distance dans le sens opposé, on peut constater que
parcours des impulsions aller et retour.
la différence observée est dans un rapport direct
avec la vitesse moyenne de l’élément de courant
Un grand angle entraîne également une augmen-
dans la <
tation de Iferreur de calcul des vitesses, en raison
de référence. C’est ce qu’on appellera la fwitesse
des erreurs découlant du mesurage de cet angle
sur trajectoire),.
lui-même. Ce phénomène est dû à la présence,
dans l’équation rapportant la différence de temps à
la vitesse, de la fonction cosinus (voir 2.8.1). Cet ef-
2.1.3 Ce principe, allié à une instrumentation ap-
fet est décrit au tableau 1.
propriée, permet de mesurer avec exactitude la vi-
tesse moyenne de l’élément du corps liquide
- Erreur systématique découlant du
Tableau 1
constitué par le segment de droite reliant les deux
non-parallélisme du sens supposé de l’écoulement
points de référence. Cette méthode d’échantillon-
et de l’axe du canal
nage des vitesses d’écoulement donne davantage
d’informations sur l’ensemble de l’écoulement
Erreur sur la vitesse pour une
qu’une mesure ponctuelle, mais elle est, toutefois,
Angle de trajectoire, différence de l0 entre le sens
encore loin d’être entièrement représentative du
réel et le sens supposé de
(f>
débit total.
l’écoulement
degrés Oh
2.1.4 Néanmoins, de même que l’intégration de
30 1
des vitesses
plusieurs échantillons ponctuels
45 2
d’écoulement donne une estimation de la vitesse
moyenne dans une section, une transformation ma- 3
60
thématique des mesurages de vitesse sur trajec-
toire peut remplir le même objectif. Le rapport entre
Lorsque l’angle d’intersection est inférieur à 30”, la
la vitesse de parcours sur trajectoire et la vitesse le
longueur des ((trajectoires de vol), résultantes peut
long d’une ligne d’écoulement (appelée ((vitesse en
devenir excessive et entraîner des problèmes d’in-
ligne,>) s’exprime par l’équation suivante:
tensité du signal ou de réflexion de celui-ci sur le lit
“trajectoire
du chenal ou la surface de l’eau. Cela peut aussi
Vigne =
COS q5 poser des problèmes de choix du site dans la me-
sure où la longueur de rivière ou de bief occupée
où (b est l’angle entre la trajectoire et le sens par l’appareil peut devenir excessive et cesser
d’être quasi uniforme.
d’écoulement (voir figure 1).
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
2.1.6 Pour pouvoir calculer le débit, il faut non
2.2.3 Transmission du son dans l’eau
seulement disposer d’une estimation de la vitesse
moyenne de l’eau dans la section de jaugeage, mais
2.2.3.1 Généralités
encore connaître l’aire de la section mouillée. Un
système de détermination du débit fondé sur le
Seule une partie de l’énergie acoustique transmise
principe des ultrasons devra donc être capable non
parvient à la cible. Le reste se perd pour diverses
seulement de faire des mesurages de la vitesse,
raisons. Cette perte d’intensité du signal est appe-
mais aussi de déterminer (ou de recevoir le signal
lée perte par propagation et se compose d’une
d’un autre système capable de déterminer) la pro-
perte par diffusion et d’une perte par atténuation.
fondeur de l’eau et de mettre en mémoire les don-
nées correspondant à la profondeur et à l’aide de la
2.2.3.2 Perte par diffusion
section mouillée. II devra également être capable
de résoudre les fonctions mathématiques nécessai-
La perte par diffusion est la diminution de l’intensité
res pour calculer le débit à partir des données mi-
acoustique due à l’élargissement de l’aire sur la-
ses en mémoire ou déterminées en direct.
quelle se répartit une énergie acoustique donnée.
Les pertes correspondantes dépendent de la rela-
lion entre la longueur de la trajectoire, le diamètre
2.2 Caractéristiques de propagation du
du transducteur à ultrasons et sa fréquence carac-
son dans l’eau
téristique. La diffusion respecte la loi des carrés in-
verses qui s’applique en général à toutes les formes
2.2.1 Généralités
d’énergie rayonnante. Si, toutefois, les signaux sont
mesurés sous forme de tensions, l’énergie étant
Le spectre acoustique englobe une large gamme de
alors proportionnelle au carré de la tension, la perte
fréquences. La gamme des fréquences audibles se
par diffusion suivra une loi inverse. Cet effet n’est
situe entre 50 Hz et 15 O@O Hz environ; c’est ce
observable que sur de faibles trajectoires. Au-delà
qu’on appelle les <
de 20 m, d’autres phénomènes prédominent.
à 50 Hz sont généralement qualifiées de
((subsoniques,,; quant aux fréquences supérieures
2.2.3.3 Perte par atténuation
à 15 000 Hz, elles constituent normalement les <(ul-
trasonw
La perte par atténuation est la diminution de I’in-
tensité acoustique due à la résistance du milieu à la
2.2.2 Vitesse du son dans l’eau
transmission de l’énergie acoustique. Ce phéno-
mène est analogue aux pertes d’énergie électrique
La vitesse du son dans l’eau douce varie d’environ
dans un fil électrique où ne se produit pas de diffu-
1 400 m/s à un peu plus de 1 500 m/s dans la plage
sion. La perte par atténuation est directement pro-
des températures normales ambiantes, soit une va-
portionnelle au carré de la fréquence.
riation d’environ 7 O/(, (voir tableau 2). La vitesse du
son est fonction de la masse volumique et de
2.2.3.3.1 Dispersion
l’élasticité du milieu, mais est indépendante de la
fréquence.
La dispersion est la modification de la direction
dans laquelle se propage l’énergie acoustique pro-
voquée par les réflexions sur les innombrables hé-
Tableau 2 - Vitesse du son dans l’eau à différentes
térogénéités se trouvant dans l’eau, notamment les
températures
bulles d’air microscopiques et les particules de ma-
Vitesse approximative du son
Température tière en suspension. Ces hétérogénéités provoquent
des variations soudaines de l’impédance acoustique
OC
Ns
spécifique et donc une réflexion et une dispersion
du signal. L’effet provoqué augmente avec la fré-
0 1 400
quence du transducteur.
1 450
10
1 485
20
2.2.3.3.2 Absorption
1 510
30
L’absorption est un processus de transformation de
40 1 530
l’énergie acoustique en chaleur par frottement des
-- -
molécules de Veau, cependant que l’onde sonore
subit des compressions et des dilatations répétées
NOTE - CE > vitesses sont supérieures dans l’eau
du milieu. En général, cette perte est fonction du
contenant des sels dissous.
carré de la fréquence.
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 6416:1992(F)
où
2.2.4 Réverbération
est la hauteur minimale, en mètres;
La réverbération est l’énergie renvoyée par des ré-
flecteurs autres que ceux de la cible. La réverbé-
1, est la longueur de trajectoi: 2, en mètres;
ration du son dans l’eau est un phénomène
analogue à l’effet d’optique familier qui affecte I’ef-
est la fréquence du transducteur, en
f
ficacité des phares d’automobile par une nuit de
hertz.
brouillard.
Une restriction similaire est applicable au lit du
chenal, notamment s’il est lisse et réfléchit plutôt
2.2.5 Réfraction
qu’il n’absorbe le signal acoustique.
La trajectoire suivie par une impulsion acoustique
est déviée par une variation significative de tempé-
2.3 Application
rature ou de masse volumique de l’eau dans la-
quelle l’impulsion se propage. Dans les rivières à
2.3.1 Généralités
cours lent et à faible mélange vertical, l’effet du so-
leil sur la surface peut engendrer un gradient de
Comme toutes les variantes de la méthode fonda-
température vertical qui déviera la trajectoire
mentale d’exploration du champ des vitesses, la
acoustique vers le lit. Avec un gradient de tempé-
méthode ne convient que dans certains cas. Les in-
rature de 0,5 OC par mètre de profondeur sur une
convénients et les limites d’emploi de cette méthode
trajectoire de 50 m, la déflexion verticale sera d’en-
sont indiqués en 2.5. Le présent article met l’accent
viron 2 m. À l’inverse, les gradients verticaux de
sur les points positifs.
masse volumique (qui peuvent être causés par la
pénétration d’eau salée dans le bief de jaugeage)
auront pour effet de dévier la trajectoire vers la 2.3.2 Chenaux découverts
surface. Des effets similaires peuvent résulter des
gradients horizontaux de température ou de masse
2.3.2.1 La méthode est bien adaptée à l’emploi
volumique associés, par exemple, à une ombre
pour les mesures générales de l’écoulement fluvial,
partielle projetée sur une eau ensoleillée ou à I’ap-
son principal avantage par rapport à d’autres tech-
port d’eaux provenant d’affluents de caractéris-
niques étant la liberté du choix du site. Cette mé-
tiques très différentes.
thode ne demande pas en particulier l’existence
d’une section de contrôle naturelle ou artificielle au
niveau de la station de jaugeage puisqu’il n’y a pas
2.2.6 Réflexion
besoin d’établir une relation univoque entre le débit
d’eau et son niveau.
Le son se réfléchit sur la surface de l’eau et, dans
une moindre mesure, sur le lit du chenal (voir
2.5.2.3). Le lit peut même constituer un absorbeur 2.3.2.2 Cette méthode donne une exactitude élevée
net du son. L’onde acoustique se propageant en dans la détermination du débit sur une large plage
travers de la rivière (en général sous la forme d’un des régimes d’écoulement rencontrés dans une
câne de 5” d’angle de sommet), va venir couper la section de jaugeage définie. Les détails relatifs à
surface de l’eau, se réfléchir et se déphaser de l’incertitude de mesurage sont donnés en 2.11. Une
180” au cours du processus. L’onde traversera la détermination du débit avec une exactitude prévisi-
rivière et arrivera sur la berge opposée. Son arrivée ble peut être obtenue dès la première mise en ser-
sera captée par le transducteur cible après celle de vice.
l’onde directe et la différence entre les temps d’ar-
rivée sera fonction de la différence des longueurs
2.3.2.3 L’emploi de cette méthode ne crée aucune
respectives des trajectoires directe et indirecte.
gêne pour la navigation ou pour le libre passage des
poissons. Elle ne crée ni risque significatif ni perte
Des erreurs de temps d’enregistrement des signaux
de jouissance pour les riverains ou autres exploi-
se produiront si le signal secondaire interfère avec
tants de la rivière. S’il est concu avec soin, I’appa-
le premier cycle du signal direct. Pour éviter cet ef-
reil de jaugeage ne doit causer aucune obstruction.
fet, il faut que la différence des deux trajectoires soit
supérieure à une longueur d’onde acoustique (vi-
2.3.3 Effets de reflux
tesse du son/fréquence). Tel sera le cas si la hau-
teur d’eau au-dessous de la trajectoire acoustique
La méthode tolère généralement les reflux dus aux
est supérieure à la valeur donnée par l’équation
marées ou au débit des affluents, les variations du
suivante:
niveau d’eau dans les réservoirs ou les biefs, I’obs-
truction périodique du chenal ou la croissance de
» min=27 4
végétation à l’aval.
J
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ISO 6416:1992(F)
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aux besoins de l’utilisateur en matière de préci-
2.3.4 Chenaux multiples
sion ou de fiabilité, ou
Aux endroits où l’écoulement total se divise en deux
-
aux ressources dont dispose l’utilisateur pour
ou plusieurs chenaux physiquement distincts, la
maintenir les appareils en état opérationnel.
technique permet d’utiliser des instruments déter-
minant le débit séparément dans chaque chenal
puis de combiner ces données pour obtenir une dé-
2.4.2 Systèmes à trajectoire unique
termination unique globale.
2.4.2.1 Sous sa forme la plus élémentaire, le sys-
2.3.5 Mesurage du débit en plaine
tème de jaugeage peut fonctionner de facon tout à
d’inondation
fait satisfaisante avec une seule paire de’transd’uc-
teurs donnant donc une détermination unique de la
2.351 Lorsque l’écoulement n’est pas facile à
vitesse (
contenir dans une seule section bien définie et
finir une relation entre l’échantillon et la vitesse
qu’en particulier, une partie significative contourne
moyenne dans la section, on peut alors calculer le
la section principale de jaugeage pour s’étaler en
débit aussi facilement par ce moyen simple que par
une plaine d’inondation, il est possible, par de petits
n’importe quelle méthode plus compliquée.
travaux de génie civil très modestes, de subdiviser
la plaine d’inondation, en une série de
dont on peut mesurer séparément le débit.
2.4.2.2 La fixation des transducteurs doit permettre
de les déplacer dans le plan vertical. Le système
permet de déterminer le profil des vitesses verti-
2.352 Le concepteur de la station peut choisir soit
cales en utilisant le système de jaugeage d’une
de mesurer de cette manière le débit de la plaine
manière analogue à un mesurage à l’aide d’un
d’inondation, soit de procéder à un échantillonnage
moulinet à élément tournant. Dès qu’ils sont opé-
des débits ou des vitesses. Dans ce dernier cas, les
rationnels, les transducteurs sont placés à une
sections de jaugeage construites dans la plaine
hauteur donnant une estimation aussi fidèle que
d’inondation ne donneront pas une mesure totale
possible de la vitesse moyenne dans la section. On
mais constitueront des points de mesurage dont les
peut alors calculer le débit simplement et adopter
relevés de débit serviront aux examens et analyses
une forme relativement simple de conception de
futurs.
l’instrumentation.
2.3.6 Mesurage de débit dans les conduites
2.4.2.3 Le réglage des transducteurs peut aussi, en
fermées
variante, être changé à chaque saison, pour tenir
compte des différences de régime, mais il peut y
La méthode ultrasonique est aussi utilisée pour le
avoir des limites pratiques à la fréquence des
mesurage du débit dans les conduites fermées, y
changements et donc des limites à l’utilité générale
compris d’eaux pluviales ou d’égouts, en régime
de cette configuration.
d’écoulement libre ou en charge. II convient d’ap-
porter un soin particulier à la conception des
fixations des transducteurs qui ne doivent pas être
2.4.2.4 Pour le système de jaugeage à trajectoire
souillés, mais qu’il soit inutile d’introduire un obs-
unique avec des transducteurs mobiles, il faut que
tacle au libre écoulement dans l’égout peut présen-
le niveau de l’eau varie normalement peu à la sta-
ter un avantage notable.
tion de jaugeage, ou pour le moins que les va-
riations de niveau se fassent lentement. Des
variations assez importantes peuvent être parfois
2.4 Configuration du système de
absorbées si le phénomène est saisonnier, du type
remontée d’eaux souterraines, quand le débit ne
jaugeage
varie que lentement d’un jour à l’autre et que l’on
peut observer deux régimes très différents: été et
2.4.1 Généralités
hiver. La lenteur de ces variations permet parfois
de reprendre le réglage des transducteurs sur une
La méthode ultrasonique n’est que l’une des nom-
base saisonnière.
breuses méthodes permettant de mesurer la vitesse
d’un cours d’?au, et donc de définir une mesure de
2.4.2.5 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
base à partir de laquelle on peut calculer le débit.
que repose également sur l’hypothèse d’un profil
La technique d’échantillonnage de la vitesse peut
des vitesses relativement stable, très peu affecté
combiner diverses stratégies permettant de s’adap-
par les modifications de la relation niveau
ter
d’eau/débit. Elle peut n’être pas appropriée aux
-
aux configurations locales au niveau du site, emplacements soumis à des reflux importants.
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2.4.2.6 Le système de jaugeage à trajectoire uni-
2.4.4.2 II peut s’avérer difficile, dans la pratique, de
que est enfin très sensible à la détérioration physi- déterminer avec précision la direction moyenne de
que ou aux dysfonctionnements des transducteurs. l’écoulement en un site donné. L’hypothèse nor-
Elle ne comporte aucune capacité interne de redon- male, à savoir qu’elle est parallèle aux rives, n’est
dance instrumentale (voir 2.9). pas toujours vérifiée. Ce peut être vrzi dans certai-
nes parties de la plage de débit ou de niveau, mais
faux dans d’autres. Le site de jaugeage lui-même
2.4.3 Systèmes à trajectoires multiples
peut ne pas être idéal et il peut y avoir des effets
directionnels associés à une géométrie du canai ou
2.4.3.1 Dans les sites
à des conditions d’approche qui ne sont pas idéales.
À de faibles débits en particulier, les effets d’une
-
où l’on observe des variation S fréquentes et im-
géométrie complexe du lit peuvent prendre le pas
portantes de niveau d’eau ou d e débit,
sur ce que, de la rive, on considère normalement
comme étant la direction moyenne.
- la répartition des vitesses dans le plan vertical
s’écarte sensiblement de celle dans le plan thé-
orique, ou
2.4.4.3 Si l’on a des raisons de penser que I’écou-
lement ne sera pas parallèle aux rives du canal, et
-
en-
où les risques de reflux so nt élevés da ns un
si l’on pense que l’erreur qui en résultera proba-
vironnement h aut eur/débit par ailleurs stable
l et
blement sur le calcul du débit pourra être significa-
tive, il est possible d’introduire un élément
--
où la technique par ultra sons est néanmoins la
d’autocorrection: pour ce faire, on dispose les
plus a ppropriée d’emploi,
transducteurs de facon à obtenir deux ou plusieurs
,
séries de ((trajectoires de vol,> groupées par paires
il sera normalement nécessaire de prévoir deux
à la même hauteur, mais en forme de croix symé-
trajectoires, ou plus, pour obtenir une évaluation de
trique (voir figure 1).
la vitesse moyenne dans la section, plus précise
que ne le permet la trajectoire unique.
Transducteur Il
2.4.3.2 Le nombre de trajectoires possibles n’est
limité que par la conception de l’instrumentation de
mesurage choisie en fonction des contraintes de
Transducteur B
P
précision, de fiabilité et de prix de revient. Le but
recherché est d’arriver à une représentation accep-
table du profil des vitesses verticales dans la sec-
Sens de l’écoulement
*
tion jaugée, à tous les niveaux et débits, du plus
élevé au plus bas possible.
2.4.3.3 Si le système doit égalernent faire montre
d’un niveau élevé de sécurité de fonctionnement
Transducteur A
Transducteur C
(par exemple ne pas s’interrompre ou se dégrader),
il peut s’avérer nécessaire de prévoir un certain
Abri de la
nombre de trajectoires (redondantes), minimisant
statlon de
r-l
l’effet de la détérioration physique ou du mauvais
fonctionnement d’une ou de plusieurs trajectoires
sur l’exactitude globale de mesurage.
Plan d’une station de jaugeage à
Figure 1 -
croisées
trajectoires
2.4.3.4 La configuration à trajectoires multiples
permet également de faire face aux situations où la
section transversale du cours d’eau est de géomé-
trie complexe.
2.4.4.4 Avec ce genre de configuration, à chaque
2.4.4 Systèmes à trajectoires croisées
trajectoire orientée, par exemple, vers l’amont à
partir de la rive gauche, doit correspondre une tra-
jectoire équivalente, à même hauteur, mais orientée
2.4.4.1 L’un des principes fondamentaux de la
vers l’aval de cette même rive, et dirigée vers un
technique par ultrasons est que l’angle d’intersec-
tion de chaque ((trajectoire de vol>, d’un système point de la rive droite directement opposé au trans-
ducteur aval de la rive gauche. Les deux trajectoires
avec la droite représentant la direction moyenne de
jumelles doivent normalement se couper au milieu
l’écoulement à la hauteur correspondante doit être
du cours d’eau et former ainsi les côtés égaux de
connu avec précision. Les erreurs sur cet angle du
triangles isocèles opposés par le sommet. II
système
...
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