ISO 6416:2017
(Main)Hydrometry — Measurement of discharge by the ultrasonic transit time (time of flight) method
Hydrometry — Measurement of discharge by the ultrasonic transit time (time of flight) method
ISO 6416 describes the establishment and operation of an ultrasonic (transit-time) gauging station for the continuous measurement of discharge in a river, an open channel or a closed conduit. It also describes the basic principles on which the method is based, the operation and performance of associated instrumentation and procedures for commissioning. It is limited to the "transit time of ultrasonic pulses" technique, and is not applicable to systems that make use of the "Doppler shift" or "correlation" or "level-to-flow" techniques. ISO 6416 is not applicable to measurement in rivers with ice. NOTE ISO 6416 focuses on open channel flow measurement. IEC 60041 covers the use of the technique for full pipe flow measurement.
Hydrométrie — Mesure du débit par la méthode du temps de transit ultrasonique (temps de vol)
L'ISO 6416 décrit l'installation et le fonctionnement d'une station de jaugeage ultrasonique (temps de transit) conçue pour mesurer en continu le débit dans une rivière, un canal découvert ou une conduite fermée. Il décrit également les principes de base sur lesquels reposent la méthode, le fonctionnement et la performance des appareils associés et les modes opératoires de mise en service. Il est limité à la technique du «temps de transit des impulsions ultrasonores» et n'est pas applicable aux systèmes basés sur les techniques utilisant «l'effet Doppler», «la corrélation d'échos» ou «les relations hauteur/débit». L'ISO 6416 n'est pas applicable au mesurage en rivières en présence de glace. NOTE L'ISO 6416 est axé sur le mesurage du débit dans les canaux découverts. L'IEC 60041 couvre l'utilisation de la technique de mesure du débit dans les conduites en charge.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 6416
Fourth edition
2017-10
Hydrometry — Measurement of
discharge by the ultrasonic transit
time (time of flight) method
Hydrométrie — Mesure du débit par la méthode du temps de transit
ultrasonique (temps de vol)
Reference number
©
ISO 2017
© ISO 2017, Published in Switzerland
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2017 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Applications . 1
4.1 Types of applications . 1
4.2 Attributes and limitations . 2
5 Method of measurement . 2
5.1 Discharge . 2
5.2 Calculation of discharge from the transit-time measurement . 3
6 Flow velocity determination by the ultrasonic (transit time) method .3
6.1 Principle . 3
6.2 Sound propagation in water . 5
6.2.1 General. 5
6.2.2 Speed of sound in water . 6
6.2.3 Propagation losses . 6
6.2.4 Signal path bending . 8
6.2.5 Reflection . . 9
7 Gauge configuration .10
7.1 General .10
7.2 Single-path systems .10
7.3 Multi-path systems .11
7.4 Crossed-path systems .11
7.5 Reflected-path systems .13
7.6 Systems using transponders .14
7.7 Wireless systems (if a cable crossing is not possible) .15
7.8 Systems using divided cross-sections .16
7.9 Sloping paths .16
8 Determination of discharge .17
8.1 Single-path systems .17
8.2 Multi-path systems .18
8.2.1 General.18
8.2.2 Mid-section method .19
8.2.3 Mean-section method .20
8.3 Systems with transducers in the channel .21
9 System verification and calibration .22
10 Site selection .23
11 Site survey — Before design and construction .23
11.1 General .23
11.2 Visual survey .23
11.3 Survey of the cross-section .24
11.4 Survey of velocity distribution .24
11.5 Survey of signal propagation .24
12 Operational measurement requirements .24
12.1 General .24
12.2 Basic components of flow determination .25
12.3 Water velocity determination .25
12.4 Determination of water stage or depth .25
12.5 Determination of mean bed level .26
12.6 Channel width .27
13 Gauging station equipment .27
13.1 General .27
13.2 Design and construction of equipment .28
13.2.1 Transducers.28
13.2.2 Transducer cables .29
13.3 Reflectors .29
13.4 Civil engineering works .32
13.5 Signal timing and processing .32
13.5.1 General.32
13.5.2 Signal-to-noise ratio .32
13.5.3 Signal maintenance (gain control) .33
13.5.4 Signal detection . .33
13.5.5 Post-detection filtering .34
13.6 System self-checking .34
13.7 Site-specific data (or site parameters) .35
13.8 Clock and calendar .35
13.9 System performance criteria .35
13.9.1 General.35
13.9.2 Operating environment .36
13.9.3 Water environment.36
13.9.4 Mechanical environment .36
13.9.5 Extreme environmental conditions .36
13.9.6 Power source .36
13.9.7 Measurement uncertainty .36
13.10 System output .37
13.10.1 Local display .37
13.10.2 Local record .37
13.10.3 Remote record .37
13.10.4 Diagnostic information .37
13.11 Installation .37
13.12 Commissioning .38
13.13 Operating manual .38
13.14 Maintenance .39
14 Measurement uncertainties .40
14.1 General .40
14.2 Definition of uncertainty .40
14.3 Uncertainty in discharge .41
14.3.1 Uncertainty equation .41
14.3.2 Effective number of paths .42
14.3.3 Uncertainty in the line velocity, U .
lv 42
14.3.4 Uncertainty in the channel width estimation, U .42
w
14.3.5 Examples of uncertainty estimation .43
14.3.6 Uncertainty estimate at low flow .44
14.3.7 Uncertainty estimate at high flow .45
Annex A (informative) Principle of measurement uncertainty .47
Annex B (informative) Performance guide for hydrometric equipment for use in technical
standard examples .54
Bibliography .58
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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 on 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 the following
URL: www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 113, Hydrometry, Subcommittee SC 1,
Velocity area methods.
This fourth edition cancels and replaces the third edition (ISO 6416:2004), which has been technically
revised. The main changes from the previous edition are:
— the title has been changed;
— a new subclause (7.7) on wireless systems has been added;
— former subclauses 9.2 and 11.6 have been removed;
— Clause 10 on site selection has been revised;
— Annex A (Principle of measurement uncertainty) and Annex B (Performance guide for hydrometric
equipment for use in technical standards) have been added.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 6416:2017(E)
Hydrometry — Measurement of discharge by the ultrasonic
transit time (time of flight) method
1 Scope
This document describes the establishment and operation of an ultrasonic (transit-time) gauging
station for the continuous measurement of discharge in a river, an open channel or a closed conduit.
It also describes the basic principles on which the method is based, the operation and performance of
associated instrumentation and procedures for commissioning.
It is limited to the “transit time of ultrasonic pulses” technique, and is not applicable to systems that
make use of the “Doppler shift” or “correlation” or “level-to-flow” techniques.
This document is not applicable to measurement in rivers with ice.
NOTE This document focuses on open channel flow measurement. IEC 60041 covers the use of the technique
for full pipe flow measurement.
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
ISO 4373, Hydrometry — Water level measuring devices
ISO/TS 25377, Hydrometric uncertainty guidance (HUG)
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 http://www.electropedia.org/
4 Applications
4.1 Types of applications
a) Open channels
b) Multiple channels
c) Closed conduits
This method does not need a man-made or natural control, as it does not rely upon the establishment of
a unique relationship between water level and discharge.
4.2 Attributes and limitations
The following attributes and limitations shall be considered when deploying this measuring system.
Attributes
1. Potential for high accuracy
2. Tolerant of back water effects
3. Able to measure multiple channels and combine results to give total flow
4. Capable of determining individual velocities at distinct heights within the water column
5. Visually unobtrusive
6. Fish friendly
7. Mains power supply not essential
8. Intrinsically safe systems available for use in explosive atmospheres
9. No obstruction or head loss
10. Suitable for large range of channel widths and depths
11. Potential for built in redundancy
12. Potential for relatively low operating costs
Limitations
1. A site with an unstable cross section needs to be avoided if possible
2. Requires minimum depth of water to operate
3. May require cables to both sides of channel
4. Ragging of sensors by trash
5. Potential attenuation of acoustic signal by
suspended solids
weeds
entrained gasses
temperature gradients
salinity gradients
Detailed explanations of these attributes and limitations can be found in clauses throughout this
document.
5 Method of measurement
5.1 Discharge
5.1.1 Discharge, as defined in ISO 772, is the volume of liquid flowing through a cross-section in a
3 −1
unit time. It is usually denoted by the symbol Q and expressed in cubic metres per second (m ·s ). The
definition of discharge is the product of the wetted cross-sectional area and the mean velocity vector
perpendicular to it.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
Thus:
Qv=×A (1)
where
3 −1
Q is the discharge, expressed in cubic metres per second (m ·s );
−1
is the mean velocity, expressed in metres per second (m·s );
v
A is the cross-sectional area, expressed in square metres (m ).
The transit-time method is a velocity-area method using flow velocities which have been determined by
the equipment, and which are averaged along one or more lines which are usually, but not necessarily,
horizontal.
5.2 Calculation of discharge from the transit-time measurement
5.2.1 Discharge can be computed using the velocity-area method (see 5.1), provided that a relation
can be established between the velocities determined by the transit time ultrasonic system and the mean
cross-sectional velocity. If there are sufficient operational paths distributed sufficiently throughout the
vertical to define the velocity profile, the resulting samples of flow velocity can be vertically integrated to
provide an estimate of the mean cross-sectional velocity. Alternatively, if there are insufficient operational
paths, a relationship between measured velocity (index velocity) and mean velocity can be established
using a spot flow gauging technique, e.g. rotating element current meter or acoustic Doppler current
profiler (ADCP).
5.2.2 The discharge calculation also requires the cross-sectional area of the water to be known.
An ultrasonic transit-time system will, therefore, normally be capable not only of making sample
measurements of velocity, but also of determining (or accepting a signal from some other device
determining) water depth, and of storing details of the relation between water depth and cross-sectional
area. It will also normally be capable of executing the mathematical functions necessary to compute flow
from the relevant stored and directly determined data.
6 Flow velocity determination by the ultrasonic (transit time) method
6.1 Principle
6.1.1 An ultrasonic pulse travels in a downstream direction faster than a similar pulse travels upstream.
The speed of a pulse of sound travelling diagonally across the flow in a downstream direction will be
increased by the velocity component of the water. Conversely, the speed of a sound pulse moving in the
opposite direction will be decreased. The difference in the transit time in the two directions can be used
to resolve both the velocity of sound in water as well as the component of the velocity along the path
taken by the ultrasonic pulses.
Key
1 v component of water velocity along the path
path
2 v component of water velocity in the direction of the flow
line
3 direction of flow
4 channel width
5 ultrasonic path length (L)
A, B transducers
θ angle between the path and the direction of flow
y downstream distance between transducers
Figure 1 — Schematic illustrating the general principle
6.1.2 For the path between transducers A and B in Figure 1, the transit-times for the ultrasonic
pulses are:
t = L/(c − v cosθ ) and t = L/(c + v cosθ ) (2)
AB BA
where
t is the transit time from transducer A to B, in seconds;
AB
t is the transit time from transducer B to A, in seconds;
BA
L is the path length (distance between transducer A and transducer B), in metres (m);
−1
c is the speed of sound in water, in metres per second (m·s );
θ is the angle between the path and direction of flow.
Resolving for line velocity:
v = L × (t − t ) / (t × t × 2 cosθ ) (3)
line AB BA AB BA
where v is the line velocity or the average velocity of the water across the channel in the direction of
line
−1
flow, in m·s .
4 © ISO 2017 – All rights reserved
6.1.3 The calculation of water velocity is
— independent of the speed of sound in water,
— proportional to the difference in transit times,
— inversely proportional to the product of the transit times,
— critically dependent on the angle between the path and the direction of flow (see Table 1).
Table 1 — Systematic errors incurred if the assumed direction of flow is not parallel to the
channel axis
Path angle, θ Velocity error for 1° difference between
actual and assumed flow direction
degrees %
30 1,0
45 1,7
60 3,0
6.1.4 In open-channel flow measurement, practical considerations will normally dictate that
a) the transducers at either end of an “ultrasonic path” are located on opposite banks of the
watercourse;
b) the line joining them should be at an angle between 30° and 65° to the mean direction of flow to
minimize uncertainties.
6.1.5 The following limitations are encountered in open-channel flow measurement.
a) At intersection angles greater than 65°, the time difference between sound pulses in opposite
directions may become small and therefore subject to a relatively large uncertainty, especially at
low velocities.
b) At an angle of 90°, there will be no time difference between forward and reverse pulses, and thus
velocity cannot be determined.
c) With large angles, there is also an increase in the error in velocity computation that results from
assumptions made in the assessment of the angle. Table 1 demonstrates this effect.
d) At intersection angles less than 30°, the following problems can arise.
1) The length of the channel occupied by the gauge can become excessive, and cease to be quasi-
uniform.
2) The direction of flow relative to the path may not be constant.
3) There can be practical problems with site selection, due to the length of the channel which is
required to be set aside for the flow gauge, and maintained free of debris and weeds.
4) The excessive length of the paths can cause problems of signal strength and/or signal reflection
from the channel bed or water surface, especially if vertical temperature gradients are present.
6.2 Sound propagation in water
6.2.1 General
Sound is a mechanical disturbance of the medium in which it propagates. It encompasses a wide range
of frequencies. The audible range is from approximately 20 Hz to 20 000 Hz, and is generally referred
to as “sonic”. Frequencies less than 50 Hz are usually termed “subsonic”, and those above 15 000 Hz
“ultrasonic”. Transit-time systems operate in the ultrasonic range at frequencies typically between
100 kHz and 1,5 MHz.
The performance of transit-time systems depends heavily on the characteristics of sound propagation
in water. These characteristics are briefly described here.
6.2.2 Speed of sound in water
The speed of sound in water is independent of frequency, but depends on the temperature, salinity and
pressure of the water. In open channels, the effect of pressure is negligible. Over the normal ambient
−1
temperature range, the speed of sound in fresh water varies from about 1 400 m·s to a little over
−1
1 500 m·s (see Table 2). This will vary dependent on the characteristics of the water. However, these
figures are offered as a guide based on a review of the available literature.
Table 2 — Speed of sound in non-saline water at different temperatures
Temperature Speed of sound (approximate)
−1
°C m·s
0 1 402
10 1 447
20 1 482
30 1 509
40 1 529
NOTE 1 The above figures apply to the water in most natural fresh-water rivers and foul sewers.
−1
NOTE 2 In seawater, the corresponding speeds are approximately 50 m·s higher.
The speed of sound c in water is given by:
cT=+1402,,45 01 −+0,,05510TT00022 +
(4)
2 2
13,,30SS+−00013 0,0013TS+0,,00010TS+ 016d
where
−1
c is the speed of sound in water, in metres per second (m·s );
T is the water temperature, in degrees Celsius;
S is the salinity of the water, in grams salt per litre water;
d is the depth of water, in metres (m).
6.2.3 Propagation losses
6.2.3.1 Transmission of sound in water
6.2.3.1.1 Only a portion of the acoustic energy transmitted reaches the target. The remainder is lost for
a variety of reasons. The loss in signal strength is called “propagation loss”, which consists of spreading
loss (6.2.3.1.2) and attenuation loss (6.2.3.1.3).
6.2.3.1.2 Spreading loss is the reduction in acoustic intensity due to the increase in area over which the
given acoustic energy is distributed. Losses due to this effect depend on the following factors:
— path length;
— diameter of ultrasonic transducer;
6 © ISO 2017 – All rights reserved
— frequency characteristics.
6.2.3.1.3 Attenuation loss is the reduction in the acoustic intensity caused by the resistance of the
medium to the transmission of acoustic energy. It is analogous to the loss of electrical energy in a wire
where there is no spreading loss.
Attenuation loss is attributable to scattering and absorption.
— Scattering is the redirection in all directions of the incident acoustic wave energy by suspended
matter in the water, e.g. air bubbles and suspended solids. The effect is greater at higher transducer
frequencies.
— Absorption is the process by which acoustic energy is converted into thermal energy by the friction
in the water, when it is subjected to repeated compressions and expansions by a passing sound
wave. This effect is also frequency dependent.
Losses due to absorption and scattering increase exponentially with increasing path length. This
means that if the suspended solids loading in sewer water were such as to cause a loss of half the signal
energy when the signal propagates through a metre of water, then that signal would be halved again
after passing through another metre of water. For a path length of 20 m, the signal would be reduced to
one millionth of the value expected for clean water.
For a 5 m path length in a foul sewer, a signal reduction of a factor of 30 (a factor of about 5,5 in voltage)
would be tolerable. For a 20 m path length, it is unlikely that any signal would be observable.
For these reasons, transducers of lower frequency are used for the longer paths. The range of values of
transducer frequency, f, for a given path length, L, is illustrated in Figure 2.
6.2.3.2 Reverberation
Reverberation is the energy returned by reflectors other than the transducers. This is analogous to the
effect which reduces the effectiveness of car headlights on a foggy night.
6.2.3.3 Refraction
This is the bending of the acoustic pulse path if the water varies significantly in temperature or density.
For example in slow moving rivers, with poor vertical mixing, the effect of the sun on the surface may
produce a vertically distributed temperature gradient.
6.2.3.4 Reflection
Sound can be reflected from the water surface and/or the bed of the river which can cause errors in the
signal timing.
Figure 2 — Commonly used transducer frequencies for various path lengths
6.2.4 Signal path bending
6.2.4.1 The path taken by an acoustic pulse is bent (refraction), if the water through which it is
propagating varies significantly in either temperature or salinity. In slow-moving rivers, with poor
vertical mixing, the effect of the sun upon the surface produces an upward directed temperature gradient
vector. This causes the speed of sound to be higher near the surface and, consequently, the acoustic path
to bend towards the river bed.
The acoustic wave propagates across the channel as a cone. If a vertical temperature gradient,
as described above, exists only that ray which starts in a certain upward direction will arrive at the
other end of the path. With a temperature gradient of 0,5 °C per metre of depth, over a horizontal path
length of 50 m the vertical deflection D (as defined in Figure 3) will be about 0,5 m. In contrast, the
r
effect of vertical density gradients (such as may be associated with salt water intrusion into the gauged
reach) is to create a higher speed of sound near the bottom and thus to bend the path towards the
surface.
Similar effects can be produced by horizontally distributed temperature or density gradients, as is the
case with partial shading of the water surface from insolation such as found at the confluence where a
tributary with waters of contrasting characteristics joins.
6.2.4.2 The approximate degree to which the signal path is bent is given by:
R = c (d − d ) / (c − c) (5)
1 2 1 1 2
where
R is the radius of curvature of the ultrasonic path, in metres (m) (see Figure 3);
−1
c , c are the speeds of sound at depths d and d respectively, in metres per second (m·s ). [These
1 2 1 2
speeds can be calculated using Formula (4).]
8 © ISO 2017 – All rights reserved
Key
1 transducer
2 transducer
D deflection of the ultrasonic path
r
L path length
R radius of curvature of the ultrasonic path
Figure 3 — Signal bending as a result of a vertical temperature gradient
The deflection, D , of the ultrasonic path from a straight line is given by
r
DR=− RL−0,25 (6)
r ()
where L is the path length, in metres.
6.2.5 Reflection
6.2.5.1 Sound is scattered from the water surface and, to a lesser extent, from the channel bed. This
is due to the fact that the contrast in acoustic impedance is much higher between water and air than
between water and the bottom (sand, rock, mud).
Errors in signal timing will occur if the secondary signal interferes with the first cycle of the direct
signal. To avoid this effect, the difference in the two paths shall exceed one acoustic wavelength (speed
of sound/frequency). This will be achieved if the depth of water above the acoustic path exceeds that
given by Formula (7):
L
d =27 (7)
min
f
where
d is the minimum clearance of water required between velocity path and water surface,
min
and also the minimum clearance between the bed and the path, in metres;
L is the path length, in metres;
ƒ is the transducer frequency, in Hz.
6.2.5.2 The minimum clearance of water required above and below the velocity path for the various
transducer frequencies and path lengths is given in Table 3 (column 3).
The minimum total water depth is given in Table 3 (column 4). The value for d is twice the minimum
min
clearance for the sensor below the free water surface.
Table 3 — Examples of minimum clearance for various transducer frequencies and path lengths
Path length Transducer frequency Minimum clearance Minimum total water
depth
L f d
min
m kHz m m
1 1500 0,02 0,04
1 1000 0,03 0,06
1 500 0,04 0,08
3 1000 0,045 0,09
3 500 0,065 0,13
10 500 0,12 0,24
10 200 0,19 0,38
30 500 0,21 0,42
30 200 0,33 0,66
50 500 0,27 0,54
50 200 0,43 0,86
100 200 0,60 1,20
100 100 0,90 1,80
7 Gauge configuration
7.1 General
7.1.1 Flow measurement stations using the ultrasonic method may be configured in many ways to take
into account
a) local site circumstances,
b) the measurement uncertainty and operational reliability required,
c) the range of flows for which reliable data are required,
d) the resources available to the user to maintain the gauge in an operational state.
7.1.2 The number of depth sensors, number of velocity paths, vertical spacing, angle to flow, the use of
in-line, crossed or reflected configurations may all be specified.
7.2 Single-path systems
7.2.1 In its most basic form, the ultrasonic gauge can operate satisfactorily with a single pair of
transducers, giving only a single “line” velocity determination. This single pair of transducers need not
necessarily be mounted horizontally.
Calibration will be required due to the uncertainty in the mean velocity estimation. Prior to a
satisfactory calibration being completed it may be possible to estimate the mean velocity using velocity
profile theory.
7.2.2 The single-path gauge also relies upon there being a relatively stable velocity profile, essentially
unaffected by changes in the relation between water level and flow.
10 © ISO 2017 – All rights reserved
7.2.3 The single-path gauge is inherently vulnerable to transducer damage or malfunction. There is no
built-in component redundancy capability (see 7.3.3).
7.3 Multi-path systems
7.3.1 It will be necessary to install a multi-path flow meter system at sites where
a) there is wide and frequent variation in water level and/or flow,
b) the velocity distribution in the vertical deviates significantly from the theoretical, and may vary
with seasonal weed growth,
c) there are significant backwater effects affecting the vertical velocity profile.
7.3.2 The aim may be to achieve an acceptable representation of the vertical velocity profile in the
gauge cross-section, at all levels and flows, from the highest to the lowest required to be measured.
The uncertainty in flow determination should be evaluated using the methods given in Clause 14. For a
given configuration, the calculations should be performed for a range of water levels and flows.
7.3.3 If a high level of performance security (i.e. freedom from operational interruption or degradation)
is also a goal in the system, it is desirable to provide additional “redundant” paths as well as water-depth
sensors, such that physical damage, obstruction or malfunction of one or more of them has a minimal
effect upon the overall uncertainty of measurement.
7.3.4 Multi-path gauge configurations may also be appropriate for sites where the cross-section of
the channel varies in a complex way with depth. This is particularly so for channels which surcharge or
where the flow meter section is located under a bridge.
7.4 Crossed-path systems
7.4.1 One of the fundamental requirements of the ultrasonic transit time technique is to know the
angle at which each individual path in a system intersects the line representing the mean direction of
flow at that elevation. Errors in this angle directly affect the computation (see Table 1).
7.4.2 In practice, it can 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. It may be true at some parts of the
flow/level range, but not at others. At low flows in particular, the effects of complex bed geometry and
upstream weed growth can affect the mean direction relative to the banks.
7.4.3 If the flow is not parallel to the banks (often referred to as “skew flow”), it follows that the
direction cannot be constant across the channel. Indeed, the variation in flow direction across the channel
can be so large that the approximation formula as given in Formula (3) is erroneous, and a more complex
treatment would be desirable. However, since this requires some knowledge of the spatial variation of
flow direct
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 6416
Quatrième édition
2017-10
Hydrométrie — Mesure du débit
par la méthode du temps de transit
ultrasonique (temps de vol)
Hydrometry — Measurement of discharge by the ultrasonic transit
time (time of flight) method
Numéro de référence
©
ISO 2017
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2017, Publié en Suisse
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, 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, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2017 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Applications . 1
4.1 Types d’applications. 1
4.2 Avantages et inconvénients . 2
5 Méthode de mesure . 2
5.1 Débit . 2
5.2 Calcul du débit par mesurage du temps de transit . 3
6 Détermination de la vitesse d’écoulement par la méthode ultrasonique (temps
de transit) . 3
6.1 Principe . 3
6.2 Propagation du son dans l’eau. 6
6.2.1 Généralités . 6
6.2.2 Vitesse du son dans l’eau . 6
6.2.3 Pertes de propagation . 7
6.2.4 Courbure de la corde . 8
6.2.5 Réflexion . 9
7 Configuration du système de mesure.10
7.1 Généralités .10
7.2 Systèmes à corde unique .10
7.3 Systèmes à cordes multiples .11
7.4 Systèmes à cordes croisées.11
7.5 Systèmes à cordes réfléchies .13
7.6 Systèmes à transpondeurs .14
7.7 Systèmes sans fil (en cas d’impossibilité de traversée par câbles) .15
7.8 Systèmes utilisant des sections de mesure divisées .16
7.9 Cordes inclinées .17
8 Détermination du débit .17
8.1 Systèmes à corde unique .17
8.2 Systèmes à cordes multiples .19
8.2.1 Généralités .19
8.2.2 Méthode de la section médiane.20
8.2.3 Méthode de la section moyenne .21
8.3 Systèmes avec transducteurs dans le canal .22
9 Vérification et étalonnage du système .23
10 Sélection du site .24
11 Étude du site — Avant la conception et la construction .25
11.1 Généralités .25
11.2 Étude visuelle .25
11.3 Étude de la section mouillée .25
11.4 Étude de la répartition de vitesse .25
11.5 Étude de la propagation du signal .26
12 Exigences relatives au mesurage opérationnel .26
12.1 Généralités .26
12.2 Principales composantes de la détermination du débit .26
12.3 Détermination de la vitesse de l’eau .26
12.4 Détermination de la hauteur ou profondeur d’eau.27
12.5 Détermination du niveau moyen du lit .27
12.6 Largeur du canal .28
13 Équipement de la station de jaugeage .29
13.1 Généralités .29
13.2 Conception et construction de l’équipement .29
13.2.1 Transducteurs .29
13.2.2 Câbles de transducteurs .30
13.3 Réflecteurs .31
13.4 Ouvrages de génie civil .33
13.5 Synchronisation et traitement des signaux .33
13.5.1 Généralités .33
13.5.2 Rapport signal/bruit .34
13.5.3 Maintien du signal (commande automatique de gain) .34
13.5.4 Détection du signal .35
13.5.5 Filtrage post-détection .36
13.6 Contrôle automatique du système .36
13.7 Données spécifiques au site (ou paramètres du site) .37
13.8 Horloge et calendrier .37
13.9 Critères de performance du système .37
13.9.1 Généralités .37
13.9.2 Environnement de fonctionnement .37
13.9.3 Environnement hydrique .38
13.9.4 Environnement mécanique .38
13.9.5 Conditions environnementales extrêmes.38
13.9.6 Alimentation électrique .38
13.9.7 Incertitude de mesure .38
13.10 Sortie du système.39
13.10.1 Affichage local .39
13.10.2 Enregistrement local .39
13.10.3 Enregistrement à distance .39
13.10.4 Informations de diagnostic .39
13.11 Installation .39
13.12 Mise en service .40
13.13 Manuel d’utilisation .41
13.14 Maintenance .41
14 Incertitudes de mesure .42
14.1 Généralités .42
14.2 Définition de l’incertitude .43
14.3 Incertitude relative au débit .43
14.3.1 Équation d’incertitude .43
14.3.2 Nombre de cordes effectives .44
14.3.3 Incertitude relative à la vitesse de ligne, U .
lv 44
14.3.4 Incertitude d’estimation de la largeur du canal, U .
w 45
14.3.5 Exemples d’estimation de l’incertitude .45
14.3.6 Estimation de l’incertitude à faible débit .47
14.3.7 Estimation de l’incertitude à débit élevé .48
Annexe A (informative) Principe de l’incertitude de mesure .50
Annexe B (informative) Guide de performance applicable à l’équipement hydrométrique
utilisable dans les normes techniques .58
Bibliographie .61
iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
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 http://
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 le lien suivant: www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 113, Hydrométrie, sous-comité SC 1,
Méthode d’exploration du champ des vitesses.
Cette quatrième édition annule et remplace la troisième édition (ISO 6416:2004), qui a fait l'objet d'une
révision technique. Les principales modifications apportées à la version précédente sont les suivantes:
— modification du titre;
— ajout d’un nouveau paragraphe (7.7) sur les systèmes sans fil;
— suppression des anciens paragraphes 9.2 et 11.6;
— révision de l’Article 10 sur le choix du site;
— ajout de l’Annexe A (Principe de l’incertitude de mesure) et de l’Annexe B (Guide de performance
applicable à l’équipement hydrométrique utilisable dans les normes techniques).
NORME INTERNATIONALE ISO 6416:2017(F)
Hydrométrie — Mesure du débit par la méthode du temps
de transit ultrasonique (temps de vol)
1 Domaine d'application
Le présent document décrit l’installation et le fonctionnement d’une station de jaugeage ultrasonique
(temps de transit) conçue pour mesurer en continu le débit dans une rivière, un canal découvert ou
une conduite fermée. Il décrit également les principes de base sur lesquels reposent la méthode, le
fonctionnement et la performance des appareils associés et les modes opératoires de mise en service.
Il est limité à la technique du «temps de transit des impulsions ultrasonores» et n’est pas applicable aux
systèmes basés sur les techniques utilisant «l’effet Doppler», «la corrélation d’échos» ou «les relations
hauteur/débit».
Le présent document n’est pas applicable au mesurage en rivières en présence de glace.
NOTE Le présent document est axé sur le mesurage du débit dans les canaux découverts. L’IEC 60041 couvre
l’utilisation de la technique de mesure du débit dans les conduites en charge.
2 Références normatives
Les documents suivants sont référencés dans le texte de sorte qu’une partie ou la totalité de leur
contenu constitue les 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
ISO 4373, Hydrométrie — Appareils de mesure du niveau de l’eau
ISO/TS 25377, Lignes directrices relatives à l’incertitude en hydrométrie (HUG)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans 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 (OBP): disponible à l’adresse https://www.iso.org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http://www.electropedia.org/
4 Applications
4.1 Types d’applications
a) Canaux découverts
b) Canaux multiples
c) Conduites fermées
La présente méthode ne requiert aucun contrôle artificiel ou naturel car elle ne repose pas sur
l’établissement d’une relation unique entre le niveau d’eau et le débit.
4.2 Avantages et inconvénients
Les avantages et les inconvénients suivants doivent être pris en compte lors du déploiement de ce
système de mesure.
Avantages
1. Potentiel de haute exactitude
2. Tolérance vis-à-vis des effets de remous
3. Capacité de mesure dans des canaux multiples et de combinaison des résultats pour donner le
débit total
4. Capacité de détermination des vitesses moyennes à différentes hauteurs dans la colonne d’eau
5. Faible impact visuel
6. Sans danger pour les poissons
7. Alimentation électrique sur secteur facultative
8. Possibilité d’utiliser des systèmes à sécurité intrinsèque dans des atmosphères explosives
9. Absence d’obstruction ou de perte de hauteur d’eau
10. En adéquation avec une vaste gamme de largeurs et profondeurs de canaux
11. Possibilité d’avoir un système de mesure redondant
12. Coûts de fonctionnement relativement faibles
Inconvénients
1. Nécessité d’éviter tout site à section mouillée instable, si possible
2. Exigence d’une profondeur d’eau minimale pour fonctionner
3. Nécessité éventuelle de câbles reliant les deux côtés du canal
4. Dysfonctionnement des capteurs lié à des détritus flottants
5. Atténuation potentielle du signal sonore par
les matières solides en suspension
la végétation aquatique
les bulles d’air
les gradients de température
les gradients de salinité
Le présent document donne des explications détaillées de ces avantages et inconvénients.
5 Méthode de mesure
5.1 Débit
5.1.1 Le débit, tel que défini dans l’ISO 772, est le volume de liquide traversant une section mouillée
par unité de temps. Il est généralement désigné par le symbole Q et exprimé en mètres cubes par
2 © ISO 2017 – Tous droits réservés
3 −1
seconde (m ·s ). La définition du débit est le produit de la section mouillée et de la vitesse moyenne
perpendiculaire à cette section.
Ainsi:
Qv=×A (1)
où
3 −1
Q est le débit, exprimé en mètres cubes par seconde (m ·s );
−1
est la vitesse moyenne, exprimée en mètres par seconde (m·s );
v
A est la section mouillée, exprimée en mètres carrés (m ).
La méthode du temps de transit est une méthode d’exploration du champ des vitesses utilisant les
vitesses d’écoulement qui ont été déterminées par l’équipement et dont la moyenne est calculée sur une
ou plusieurs lignes qui sont habituellement, mais pas nécessairement, horizontales.
5.2 Calcul du débit par mesurage du temps de transit
5.2.1 Le débit peut être calculé en utilisant la méthode d’exploration du champ des vitesses (voir en 5.1),
à condition qu’une relation puisse être établie entre les vitesses déterminées par le système ultrasonique
à temps de transit et la vitesse moyenne de la section mouillée. Si des trajectoires opérationnelles
(cordes) assez nombreuses sont suffisamment réparties sur la verticale pour définir le profil de vitesse,
une moyenne pondérée des vitesses d’écoulement échantillonnées obtenues peut être intégrée pour
donner une estimation de la vitesse moyenne dans la section mouillée. En revanche, si les cordes ne sont
pas assez nombreuses, une relation entre la vitesse mesurée (indice de vitesse) et la vitesse moyenne
peut être établie à l’aide d’une technique de jaugeage point par point, par exemple avec un courantomètre
hydrométrique à élément rotatif ou un profileur de courant acoustique à effet Doppler (ADCP).
5.2.2 Il est également nécessaire de connaître l’aire de la section mouillée de l’eau pour calculer le
débit. Un système ultrasonique à temps de transit sera donc normalement capable non seulement de
mesurer la vitesse de façon échantillonnée mais également de déterminer (ou d’accepter un signal d’un
autre dispositif de détermination) la profondeur d’eau ainsi que d’enregistrer les informations sur la
relation entre la profondeur d’eau et l’aire de la section mouillée. Il sera également capable d’exécuter
les fonctions mathématiques nécessaires pour calculer le débit à partir des données enregistrées et
déterminées directement.
6 Détermination de la vitesse d’écoulement par la méthode ultrasonique (temps
de transit)
6.1 Principe
6.1.1 Une impulsion ultrasonore se propage dans un écoulement d’eau plus rapidement dans une
direction aval que dans une direction amont. La vitesse d’une impulsion sonore dirigée vers l’aval de
l’écoulement en diagonale sera augmentée par la composante de la vitesse de l’eau. À l’inverse, la vitesse
d’une impulsion sonore dans la direction opposée sera réduite. La différence de temps de transit dans les
deux directions peut être utilisée pour calculer la vitesse du son dans l’eau ainsi que la composante de la
vitesse sur la corde suivie par les impulsions ultrasonores.
Légende
1 composante v de la vitesse de l’eau sur la corde
corde
2 composante v de la vitesse de l’eau dans la direction de l’écoulement
moyenne
3 direction d’écoulement
4 largeur du canal
5 longueur de corde (L)
A, B transducteurs
θ angle entre la corde et la direction d’écoulement
y distance entre les transducteurs
Figure 1 — Illustration schématique du principe général
6.1.2 Pour la corde entre les transducteurs A et B à la Figure 1, les temps de transit des impulsions
ultrasonores sont:
t = L/(c − v cosθ ) et t = L/(c + v cosθ ) (2)
AB BA
où
t est le temps de transit entre les transducteurs A et B, en secondes;
AB
t est le temps de transit entre les transducteurs B et A, en secondes;
BA
L est la longueur de corde (distance entre le transducteur A et le transducteur B), en mètres (m);
−1
c est la vitesse du son dans l’eau, en mètres par seconde (m·s );
θ est l’angle entre la corde et la direction d’écoulement.
Calcul de la vitesse moyenne:
v = L × (t − t ) / (t × t × 2 cosθ ) (3)
moyenne AB BA AB BA
−1
où, v est la vitesse moyenne de l’eau dans le canal dans la direction d’écoulement, en m·s .
moyenne
4 © ISO 2017 – Tous droits réservés
6.1.3 Le calcul de la vitesse de l’eau est
— indépendant de la vitesse du son dans l’eau,
— proportionnel à la différence des temps de transit,
— inversement proportionnel au produit des temps de transit,
— fortement dépendant de l’angle entre la corde et la direction d’écoulement (voir le Tableau 1).
Tableau 1 — Erreurs systématiques obtenues si la direction d’écoulement présumée n’est pas
parallèle à l’axe du canal
Angle de corde, θ Erreur de vitesse pour 1° de différence
entre les directions d’écoulement réelle et
présumée
degrés %
30 1,0
45 1,7
60 3,0
6.1.4 Lors du mesurage du débit dans les canaux découverts, les considérations d’ordre pratique
prévoient normalement que:
a) les transducteurs à chaque extrémité d’une corde sont situés sur les berges opposées du cours d’eau;
b) afin de réduire au maximum les incertitudes, la ligne qui les réunit forme un angle par rapport à la
direction moyenne d’écoulement compris entre 30° et 65°.
6.1.5 Les inconvénients suivants sont rencontrés lors du mesurage du débit dans les canaux découverts.
a) Pour des angles d’intersection de plus de 65°, la différence de temps entre les impulsions sonores
dans les directions opposées peut être faible et être donc sujette à une incertitude relativement
élevée, notamment à de faibles vitesses.
b) Pour un angle de 90°, il n’y aura pas de différence de temps entre les impulsions avant et arrière, et
ainsi la vitesse ne peut pas être déterminée.
c) Avec des angles larges, il y a également une augmentation de l’erreur de calcul de la vitesse due aux
hypothèses formulées lors de l’évaluation de l’angle. Le Tableau 1 démontre cet effet.
d) Pour des angles d’intersection de moins de 30°, les problèmes suivants peuvent se produire.
1) La longueur du canal occupée par le système de mesure peut devenir excessive et ne plus être
quasi-uniforme.
2) Il se peut que la direction d’écoulement par rapport à la corde ne soit pas constante.
3) Il peut se produire des problèmes d’ordre pratique avec le choix du site, en raison de la longueur
du canal qu’il est nécessaire de réserver pour le système de mesure du débit et de maintenir
exempte de débris et de végétation aquatique.
4) La longueur excessive des cordes peut engendrer des problèmes d’intensité du signal et/ou de
réflexion du signal depuis le lit du canal ou la surface de l’eau, notamment en cas de gradients
de température verticaux.
6.2 Propagation du son dans l’eau
6.2.1 Généralités
Le son est une perturbation mécanique du milieu dans lequel il se propage. Il englobe une vaste
gamme de fréquences. La gamme audible s’étend d’environ 20 Hz à 20 000 Hz et est généralement
appelée «sonore». Les fréquences inférieures à 50 Hz sont habituellement dites «sub-sonores» et celles
supérieures à 15 000 Hz «ultrasonores». Les systèmes à temps de transit fonctionnent dans la gamme
ultrasonore à des fréquences généralement comprises entre 100 kHz et 1,5 MHz.
La performance des systèmes à temps de transit dépend fortement des caractéristiques de propagation
du son dans l’eau. Ces caractéristiques sont brièvement décrites ici.
6.2.2 Vitesse du son dans l’eau
La vitesse du son dans l’eau ne dépend pas de la fréquence mais de la température, de la salinité et de
la pression de l’eau. Dans les canaux découverts, l’effet de la pression est négligeable. Sur la gamme de
−1
température ambiante normale, la vitesse du son dans l’eau douce varie entre environ 1 400 m·s et
−1
un peu plus de 1 500 m·s (voir le Tableau 2). Celle-ci variera en fonction des caractéristiques de l’eau.
Cependant, ces chiffres sont donnés comme valeurs de référence d’après une étude de la littérature
disponible.
Tableau 2 — Vitesse du son dans l’eau douce à différentes températures
Température Vitesse du son (approximation)
−1
°C m·s
0 1 402
10 1 447
20 1 482
30 1 509
40 1 529
NOTE 1 Les chiffres ci-dessus s’appliquent à l’eau de la plupart des rivières naturelles et
réseaux d’eaux usées.
−1
NOTE 2 Dans l’eau de mer, les vitesses correspondantes sont d’environ 50 m·s de plus.
La vitesse du son c dans l’eau est calculée d’après l’équation suivante:
2 3
c = 1 402,4 + 5,01T − 0,055 1 T + 0,000 22 T +
2 2
1,33S + 0,000 13S − 0,013 TS + 0,000 1 T S + 0,016d (4)
où
−1
c est la vitesse du son dans l’eau, en mètres par seconde (m·s );
T est la température de l’eau, en degrés Celsius;
S est la salinité de l’eau, en grammes de sel par litre d’eau;
d est la profondeur d’eau, en mètres (m).
6 © ISO 2017 – Tous droits réservés
6.2.3 Pertes de propagation
6.2.3.1 Transmission du son dans l’eau
6.2.3.1.1 Seule une partie de l’énergie acoustique transmise atteint la cible. Le reste est perdu pour
plusieurs raisons. La perte d’intensité du signal est appelée «perte de propagation», laquelle comprend la
perte de dispersion (6.2.3.1.2) et la perte d’atténuation (6.2.3.1.3).
6.2.3.1.2 La perte de dispersion est la réduction d’intensité acoustique due à l’augmentation de la
surface sur laquelle l’énergie acoustique donnée est répartie. Les pertes dues à cet effet dépendent des
facteurs suivants:
— longueur de corde;
— diamètre du transducteur ultrasonique;
— fréquence caractéristique.
6.2.3.1.3 La perte d’atténuation est la réduction d’intensité acoustique causée par la résistance du
milieu à la transmission d’énergie acoustique. Elle est similaire à la perte d’énergie électrique dans un fil
électrique dans lequel il n’y a pas de perte de dispersion.
La perte d’atténuation est attribuable à la diffusion et à l’absorption.
— La diffusion est la redirection dans toutes les directions de l’énergie de l’onde acoustique incidente
par les matières en suspension dans l’eau, par exemple les bulles d’air et les matières solides en
suspension. L’effet est plus important lorsque les fréquences du transducteur sont élevées.
— L’absorption est le processus par lequel l’énergie acoustique est convertie en énergie thermique par
le frottement dans l’eau, lorsqu’elle est soumise à des compressions et des dilatations répétées par
une onde sonore qui passe. Cet effet dépend également de la fréquence.
Les pertes dues à l’absorption et à la diffusion augmentent de manière exponentielle à mesure que
la longueur de corde s’accroît. Cela signifie que, si les matières solides en suspension dans les eaux
usées provoquaient une perte de moitié de l’énergie du signal lors de la propagation du signal dans
un mètre d’eau, alors ce signal serait à nouveau réduit de moitié après avoir traversé un mètre d’eau
supplémentaire. Pour une longueur de corde de 20 m, le signal serait réduit à un millionième de la
valeur prévue pour l’eau propre.
Pour une longueur de corde de 5 m dans un réseau d’eaux usées, une réduction du signal d’un facteur 30
(un facteur d’environ 5,5 pour une tension électrique) serait acceptable. Pour une longueur de corde de
20 m, il serait peu probable d’observer un quelconque signal.
Pour ces raisons, des transducteurs de fréquence peu élevée sont utilisés pour les cordes plus longues.
La gamme de valeurs de fréquence, f, des transducteurs pour une longueur de corde, L, donnée est
illustrée à la Figure 2.
6.2.3.2 Réverbération
La réverbération est l’énergie renvoyée par des réflecteurs autres que les transducteurs. Cet effet est
similaire à l’effet qui réduit l’efficacité des phares de voitures la nuit par temps de brouillard.
6.2.3.3 Réfraction
Il s’agit de la courbure de la corde d’impulsion acoustique si la température ou la densité de l’eau varie
significativement. Par exemple dans les rivières à faible courant et à mélange vertical insuffisant, l’effet
du soleil sur la surface peut produire un gradient de température vertical.
6.2.3.4 Réflexion
Le son peut être réfléchi depuis la surface de l’eau et/ou le lit de la rivière, ce qui peut provoquer des
erreurs de synchronisation du signal.
Figure 2 — Fréquences de transducteur couramment utilisées pour différentes longueurs
de corde
6.2.4 Courbure de la corde
6.2.4.1 La trajectoire suivie par une impulsion acoustique est courbe (réfraction) si la température
ou la salinité de l’eau à travers laquelle il se propage varie significativement. Dans les rivières à faible
courant et à mélange vertical insuffisant, l’effet du soleil sur la surface produit un vecteur de gradient de
température dirigé vers le haut. Cela fait que la vitesse du son est plus grande près de la surface et, par
conséquent, le chemin acoustique est alors courbe en direction du lit de la rivière.
L’onde acoustique se propage le long du canal sous la forme d’un cône. Si le gradient de température
est vertical, comme décrit ci-dessus, seul le rayon qui démarre dans une certaine direction vers
le haut atteindra l’autre extrémité de la corde. Avec un gradient de température de 0,5 °C par mètre
de profondeur, sur une longueur de trajet horizontale de 50 m, l’écart vertical D (tel que défini à la
r
Figure 3) sera d’environ 0,5 m. En revanche, les gradients de densité verticaux (qui peuvent être associés
à l’entrée d’eau de mer dans le tronçon jaugé) ont pour effet de créer une vitesse de son plus élevée près
du fond et donc de courber la corde vers la surface.
Des effets similaires peuvent être produits par des gradients de température ou de densité horizontaux,
comme c’est le cas avec l’ombrage partiel de la surface de l’eau, ou ce qui peut être observé à la confluence
de tributaires ayant des caractéristiques contrastées.
6.2.4.2 Le degré approximatif de courbure de la corde est donné par:
R = c (d − d ) / (c − c) (5)
1 2 1 1 2
où
R est le rayon de courbure de la corde des impulsions ultrasonores, en mètres (m) (voir la
Figure 3);
c , c sont les vitesses du son aux profondeurs d et d respectivement, en mètres par seconde
1 2 1 2
−1
(m·s ). [Ces vitesses peuvent être calculées d’après la Formule (4).]
8 © ISO 2017 – Tous droits réservés
Légende
1 transducteur
2 transducteur
D écart du chemin acoustique
r
L longueur de corde
R rayon de courbure de la trajectoire des impulsions ultrasonores
Figure 3 — Courbure du signal résultant d’un gradient de température vertical
L’écart, D , du chemin acoustique par rapport à une ligne droite est donné par:
r
DR=− RL−02, 5 (6)
r ()
où L est la longueur de corde, en mètres.
6.2.5 Réflexion
6.2.5.1 Le son est dispersé de la surface de l’eau et, dans une moindre mesure, par le lit du canal. Ceci
est dû au fait que le contraste de l'impédance acoustique est beaucoup plus élevé entre l'eau et l'air
qu’entre l'eau et le fond (sable, roche, boue).
Des erreurs de synchronisation du signal se produiront si le signal secondaire interfère avec le premier
cycle du signal direct. Pour éviter cet effet, la différence entre les deux cordes doit dépasser une
longueur d’onde acoustique (vitesse du son/fréquence). Celle-ci sera atteinte si la profondeur de l’eau
au-dessus de la corde dépasse celle donnée par la Formule (7):
L
d =27 (7)
min
f
où
d est la hauteur d’eau minimale requise entre la corde de vitesse et la surface de l’eau, et éga-
min
lement la hauteur minimale entre le lit et la corde, en mètres;
L est la longueur de corde, en mètres;
ƒ est la fréquence du transducteur, en Hz.
6.2.5.2 La hauteur d’eau minimale requise au-dessus et en dessous de la corde pour les différentes
fréquences de transducteur et longueurs de corde est donnée dans le Tableau 3 (colonne 3).
La profondeur d’eau totale minimale est donnée dans le Tableau 3 (colonne 4). La valeur de d est le
min
double de la hauteur minimale pour le capteur en dessous de la surface de l’eau libre.
Tableau 3 — Exemples de hauteur minimale pour différentes fréquences de transducteur et
longueurs de corde
Profondeur d’eau totale
Longueur de corde Fréquence du transducteur Hauteur minimale
minimale
L f d
min
m kHz m m
1 1 500 0,02 0,04
1 1 000 0,03 0,06
1 500 0,04 0,08
3 1 000 0,045 0,09
3 500 0,065 0,13
10 500 0,12 0,24
10 200 0,19 0,38
30 500 0,21 0,42
30 200 0,33 0,66
50 500 0,27 0,54
50 200 0,43 0,86
100 200 0,60 1,20
100 100 0,90 1,80
7 Configuration du système de mesure
7.1 Généralités
7.1.1 Les stations de mesure du débit utilisant la méthode ultrasonique peuvent être configurées de
nombreuses façons pour tenir compte:
a) des configurations locales du site,
b) de l’incertitude de mesure et de la fiabilité opérationnelle requise,
c) de la gamme de débits pour lesquels des données fiables sont requises,
d) des ressources dont dispose l’utilisateur pour maintenir le système de mesure dans un état
opérationnel.
7.1.2 Il est possible de spécifier le nombre de capteurs de profondeur, le nombre de cordes,
l’espacement vertical, l’angle par rapport à l’écoulement, l’utilisation de configurations en ligne, croisées
ou réfléchies.
7.2 Systèmes à corde unique
7.2.1 Sous sa forme la plus basique, le système de mesure ultrasonique peut fonctionner correctement
avec une seule paire de transducteurs, donnant une seule détermination de vitesse de la «corde». Il n’est
pas forcément nécessaire d’installer cette paire de transducteurs à l’horizontale.
Il faudra effectuer un étalonnage en raison de l’incertitude d’estimation de la vitesse moyenne. Avant
d’obtenir un étalonnage satisfaisant, il est possible d’estimer la vitesse moyenne en utilisant la théorie
du profil de vitesse.
10 © ISO 2017 – Tous droits réservés
7.2.2 Le système de mesure à corde unique repose également sur l’existence d’un profil de vitesse
relativement stable, quasiment non influencé par les changements de relation entre le niveau d’eau et
le débit.
7.2.3 Le système de mesure à corde uniqu
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
Loading comments...