Brevet FR2412060A1 — publié le 19790713

La présente invention est relative à un dispositif permettant de mesurer le débit de liquide en écoulement dans des canaux ouverts, tels que par exemple des canaux d'irrigation. La mesure des débits en canaux ouverts s'effectue généralement au moyen de déversoirs, ou encore d'un flotteur disposé en amont d'un étranglement, ce qui ramène la mesure de débit à une mesure de niveau. Ces dispositifs connus ont les inconvénients d'être peu précis et de nécessiter la présence d'une source d'air comprimé et/ou d'alimentation électrique, ainsi que des intégrateurs compliqués quand on désire compter la quantité de liquide écoulé, c'està-dire avoir l'information du débit cumulé, et non plus seulement instantané. L'invention a pour objet un dispositif fonctionnant à la manière d'un organe à relaxation dont la période, ou la fréquence, est représentative du débit à mesurer et qui se prête facilement au comptage. Ce dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qutil comporte - une porte, montée transversalement dans le canal de manière pivotante autour d'un axe horizontal disposé légèrement au dessous du tiers de sa hauteur et équipée à sa base d'un contrepoids, - des moyens d'appui fixes contre lesquels s'applique la porte en position de fermeture sous l'effet dudit contrepoids, la porte pouvant retenir à son a mont un volume de liquide ayant un niveau de valeur prédéterminée, et - des moyens de comptage des basculements que la porte effectue autour de son axe chaque fois que le niveau de liquide en amont de la porte atteint ladite valeur prédéterminée. Ainsi, chaque fois que le niveau du liquide en amont de la porte atteint une hauteur prédéterminée, correspondant à trois fois le niveau de l'axe de pi votement, la porte bascule sous l'effet de la poussée du liquide retenu dont le centre d'application passe au-dessus de cet axe. La porte en position basculée libère alors un volume d'eau approximativement constant, puis se referme sous l'effet du contrepoids. Le volume en amont de la porte, ou volume de mesure acyclique, se remplit à nouveau de liquide > et le fonctionnement se renouvelle de façon acyclique, la période de remplissage, ou la fréquence de basculement de la porte étant représentative du débit dans le canal. Connaissant le volume de mesure cyclique et le nombre de basculements, il est alors facile de déterminer la quantité de fluide qui s'est écoulée dans le canal pendant un intervalle de temps donné. Cependant, les fuites inévitables autour de la porte en position de fermeture, d'une part, et le débit permanent du canal pendant les périodes d'ouverture de la porte, d'autre part, constituent des sources d'erreur variables suivant la gamme de débits considérée. L'invention prévoit à cet effet des dispositions complémentaires en vue d'augmenter la précision de la mesure. Suivant une première disposition complémentaire, il est prévu un moyen d'obturation tel qu'une porte auxiliaire par exemple, commandée en opposition de phase par la porte principale pour isoler de l'amont du canal le volume de mesure cyclique quand la porte basculante est ouverte, et vice-versa. Suivant une seconde disposition complémentaire, il est prévu de monter la porte en dérivation avec un déversoir laissant passer librement la majeure partie du débit, l'entrée de espace constituant le volume cyclique de mesure en amont de la porte étant constituée par un petit déversoir auxiliaire présentant un profil convenablement déterminé. On arrive ainsi à rendre le volume cyclique de mesure à peu près indépendant du débit du canal dans une étendue de mesure relativement large. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en relation avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs. Sur ces dessins - les fig. 1 et 2 montrent schématiquement le principe de fonctionnement d'un dispositif à porte simple conforme à l'invention. - les fig. 3 et 4 montrent sdhématiquement un dispositif à double porte suivant l'invention. - la fig. 5 est une vue perspective d'un dispositif à porte et déversoirs sui vant l'invention. - la fig. 6 représente les hauteurs relatives des déversoirs de la fig. 5 vus depuis l'aval. - les fig. 7 et 8 sont des diagrammes représentant les variations du volume de mesure en fonction du débit dans le canal. En se reportant à la fig. I qui représente une vue de profil d'un canal 10 supposé par exemple de section rectangulaire, on voit une porte 11, de mé- mes dimensions que celles de la section du canal. Cette porte 11 est montée à pivotement autour d'un axe horizontal 12 perpendiculairement à la ligne moyenne du canal. Elle est munie à sa base d'un contrepoids 13 de volume important fixé par exemple sur sa face amont à gauche, sur la figure et qui, par gravité, la maintient normalement en position de fermeture, c'est-à-dire verticale, contre des moyens d'appui fixes tels que des rebords 14 A , 14 B jouant aussi le rôle de joints d'étanchéité. De préférence, le contrepoids 13 n'est pas fixé au contact même de la porte, mais avec un espace suffisant pour permettre au liquide de s'écouler le long de la face amont de la porte quand celle-ci est inclinée en position d'ouverture. Les rebords 14 sont disposés sur chaque paroi latérale du canal de telle sorte que, en position fermée ou verticale (fig. 1), la partie supérieure de la porte 11 au dessus de l'axe 12 s'appuie contre les rebords 14 A situés en amont, tandis que sa partie inférieure au dessous de l'axe 12 s'appuie contre les rebords 14 B situés en aval. L'axe 12 est disposé légèrement au dessous du tiers de la hauteur de la porte 11. Cet axe ests en outre, solidaire de moyens (non représentés) permettant de compter les basculements effectués par la porte 11, par exemple du genre à cliquet entrainant un totalisateur mécanique, ou tout autre système équivalent. Cette porte 11 fonctionne automatiquement et cycliquement de la façon suivante : la porte étant supposée en position de fermeture sous l'effet de son contrepoids 13, le niveau du liquide > par exemple d'eau, arrivant de l'amont commence à monter et la pression de liteau tend ainsi à fermer la porte en la maintenant appuyée contre les rebords 14 -jusqu'8 ce que le niveau de l'eau atteigne trois fois la hauteur de l'axe de pivotement 12, l'eau remplissant alors un certain volume appelé volume de mesure cyclique.A ce moment, le centre d'application des forces de pression hydraulique qui, auparavant, agissait en dessous de l'axe 12, passe au dessus de cet axe et la porte s'ouvre sous la poussée de l'eau en pivotant autour de l'axe 12 suivant le sens de la flèche pour prendre la position représentée à la fig. 2. L'eau retenue derrière la porte s'écoule brusquement, la porte tant maintenue ouverte par la flottabilité du contrepoids 13 et par la masse de l'eau en écoulement. Lorsque l'eau s'est écoulée, la porte se referme sous l'influence de son contrepoids. Un nouveau cycle de remplissage du volume de mesure, basculement et vidange, analogue au précédent se reproduit, et ainsi de suite. En supposant que la porte, au moment de chaque basculement, libère un volume d'eau défini, égal au volume de mesure acyclique, le nombre de ses basculements pendant un temps déterminé, ou encore sa fréquence ou sa période de basculement, permet de déduire le débit cumulé ou le débit instantané du liquide dans le canal considéré, le total des -basculements étant indiqué par le totalisateur entrainé par l'arbre 12 et mentionné plus haut. On peut démontrer que l'expression du volume V de liquide s'écoulant réellement dans le dispositif de mesure au cours de chaque cycle, est une fonction du débK Q dans le canal de la forme V = vO + T.Q + vo.F (1) Q où vO désigne le volume de liquide renfermé derrière la porte, T la durée de manoeuvre de la porte (temps d'ouverture, de vidange, de fermeture), F le débit de fuite. Cette expression confirme ce qui est constaté par l'expérience, à savoir que - aux faibles débits, la précision est limitée par les fuites se produisant en position de fermeture de la porte - aux forts débits, la précision est limitée par le débit permanent du fluide pendant la manoeuvre de la porte, autrement dit par les "fuites" échappant à la mesure en position d'ouverture de la porte. Le diagramme expérimental de la fig. 7 montre l'allure de la courbe correspondante des variations du volume V en fonction du débit du canal Q, pour un appareil de caractéristiques suivantes - longueur : 20 cm - largeur : 15 cm - dénivellation : 10 cm (hauteur du liquide derrière la porte au moment de son basculement) - vO = 3 litres - T = 0,5 s. Pour améliorer la précision de la mesure l'invention prévoit, dans un second mode de réalisation, d'adjoindre à la porte principale de vidange, une porte auxiliaire d'isolement disposée en amont et commandée en opposition de phase par la première pour isoler le volume de mesure cyclique de l'amont pen- dant les périodes de vidange où la porte principale reste ouverte. Ce mode de réalisation est représenté fig. 3. La porte principale 11 reste disposée et fonctionne comme dans le cas précédent exposé au moyen des fig. 1 et 2, actionnant à chaque basculement les moyens de comptage. Mais il est, en outre, prévu en amont un déversoir 20 et ce déversoir coopère avec une porte 21, montée pivotante par l'intermédiaire d'un bras 23 autour d'un axe horizontal 22 disposé entre les portes 11 et 21.Cet axe 22 est par exemple monté sur la paroi du canal 10, ou sur tout autre support fixe. Un second bras 24 solidaire du bras 23 et muni d'un contrepoids 25 à son extrémité libre, fait coopérer l'axe 22 avec la porte 11, de telle sorte que le basculement de la porte 11 provoque la pivotement de la porte 21 vers le bas et son positionnement à l'aplomb du déversoir 20 dont elle remonte artificiellement la hauteur, comme cela est représenté fig. 4. On voit sur la fig. 3 que la porte 11 étant en position de fermeture, la porte 21 est soulevée sous l'effet du contrepoids 25. L'espace du canal compris entre la porte 11 et le déversoir 20 et constituant le volume de mesure cyclique peut se remplir librement en recevant le débit du canal 10 qui passe au dessus du déversoir 20. Quand le niveau prédéterminé est atteint, la porte Il bascule comme expliqué précédemment, et dans son mouvement de basculement, elle entraine la fermeture de la porte 21, isolant ainsi de l'amont le volume de mesure qui, à son tour, se déverse vers l'aval (fig. 4). Grâce à lladjonc- tion de la porte 21, les erreurs de mesure dues au débit permanent du canal lorsque la porte 11 est ouverte, sont notablement diminuées. Au lieu d'utiliser une porte pour réhausser la hauteur d'un déversoir, on peut plus généralement prévoir de disposer une cloison formant barrage transversalement au canal, cette cloison présentant une ouverture pour per mettrè le remplissage du volume cyclique de mesure compris entre cette cloison et la porte de vidange La porte d'isolement est alors, comme précédemment, commandée en opposition de phase par la porte de vidange pour obturer cette ouverture pendant les périodes de basculement où cette dernière est ouverte. Un autre mode de réalisation représenté en perspective à la fig. 5, permet encore de rendre le volume cyclique de mesure approximativement indépendant du débit du canal, sans utiliser de porte auxiliaire d'isolement. Suivant cette réalisation} la porte ll est montée en dérivation avec un déversoir principal qui pourrait être unique, mais qui, dans l'exemple représenté fig. 5 est constitué par deux déversoirs à profil rectiligne horizontal 30 A, 30 B, semblables et disposés de part et d'autre de la porte 11 placée dans l'axe du canal 10.Le volume cyclique de mesure en amont de la porte Il est délimité par deux cloisons verticales 32, 33 parallèles aux parois du canal 10, et par un déversoir auxiliaire 34 dont le profil présente une configuration appropriée, explicitée plus loin, et dont la base horizontale rectiligne est disposée à la même hauteur que les autres déversoirs 30 A, 30 B, comme cela ressort de la fig. 6 qui représente les trois déversoirs 30 A, 34, 30 B vus de l'aval, la porte 11 enlevée. -La répartition des débits entre le flux principal s'écoulant par les déversoirs et le dispositif de mesure doit alors être telle que le volume cyclique de mesure soit indépendant du débit. Partant de la relation (1) donnée plus haut, le calcul montre que, pour des déversoirs 30 A, 30 B choisis à profil rectiligne, on peut déterminer analytiquement le profil du déversoir auxiliaire 34 de telle sorte que les dérivées dW et dW soient nulles, dQ dh W désignant dans ce cas le volume cyclique de mesure s'écoulant dans le ca nal 10 entre deux ouvertures successives de la porte, Q le débit dans le canal, et h la hauteur -du niveau amont au dessus du déversoir 34. I1 a été trouvé qu'un profil de forme parabolique du type x = xo + ah2 satisfait aux conditions précédentes, xo désignant la longueur de la partie rectiligne à la base du déversoir 34 x l'abscisse courante et a un coefficient constant (fig. 6). En se donnant la largeur des déversoirs 30 A, 30 B et en fixant à priori la valeur xo du déversoir 34, on peut en fonction de certaines données (telles que le volume renfermé derrière la porte, le débit de vidange du dispositif en fin de vidange > le temps de manoeuvre de la porte) mesurées expérimentalement, déterminer le coefficient a qui caractérise complètement la courbe x(h) du déversoir 34. A titre d'exemple, pour un dispositif ayant les mêmes dimensions que celles indiquées précédemment, c'est-à-dire - longueur : 20 cm - largeur : 15 cm - dénivellation : 10 cm les autres caractéristiques sont les suivantes - volume renfermé derrière la porte ll : 3 1 - débit du canal 4 12 1/s. - débit moyen de vidange du dispositif : # 2,7 1/s. - fuites : , 0,015 1/s. - durée (ouverture + fermeture)de la porte : ~ 0,5 s. - hauteur des déversoirs : 10 cm - largeur totale du déversoir 30 : 70 cm - coefficient : a N 0 > 2 cm-1 - largeur : xo 15 ~ 3,5 cm Avec cet exemple de réalisation, on a trouvé un volume W de valeur voisine de 60 1. à + 5 % pour une dynamique de 10. La courbe de la fig. 8 représente terreur #W en % sur le volume W en fonction du débit du canal Q. Un dispositif conforme à ce dernier mode de réalisation, est par exemple utilisable pour mesurer des débits allant d'environ 10 l/s à 40 l/s dans des canaux d'irrigation présentant une largeur de 0,40 m à I m. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la mesure de débit d'un liquide en écoulement dans un ca nal ouvert, caractérisé en ce qu'il comporte - une porte, montée transversalement dans le canal de manière pivotante autour d'un axe horizontal disposé légèrement au dessous du tiers de sa hauteur et équipée à sa base d'un contrepoids, - des moyens d'appui fixes contre lesquels s'applique la porte en position de fermeture sous l'effet dudit contrepoids, la porte pouvant retenir à son amont un volume de liquide ayant un niveau de valeur prFdéterminée, et - des moyens de comptage des basculements que la porte effectue autour de son axe chaque fois que le niveau de liquide en amont de la porte atteint ladite valeur prédéterminée. 2 - Dispositif suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'il comporte > en outre - d'une part, une cloison transversale disposée en amont de la porte et présentant une ouverture de remplissage, - d'autre part, un moyen d'obturation de ladite ouverture commandé en oppo sition de phase par ladite porte, de telle sorte que, lorsque la porte est ferme, l'ouverture de remplissage est ouverte, et vice-versa. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cloi- son est constituée par un déversoir et que ledit moyen d'obturation est une seconde porte auxiliaire montée pour venir, en position de fermeture, se placer à l'aplomb du déversoir et réhausser artificiellement sa hauteur quand la première porte est ouverte. 4 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte > en outre, un déversoir principal monté en dérivation avec ladite porte, un déversoir auxiliaire disposé en amont de ladite porte et une cloison verticale isolant l'espace compris entre le déversoir auxiliaire et la porte du reste du canal. 5 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit déver soir auxiliaire a un profil déterminé de telle sorte que le volume de li quide s'écoulant dans le canal entre deux basculements successifs de la porte est sensiblement indépendant du débit dans le canal. 6 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit profil du déversoir auxiliaire est de forme paraholique. 7 - Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit profil du déversoir auxiliaire présente une partie horizontale rectiligne la même hauteur que le déversoir principal.