Brevet FR2755230A1 — publié le 19980430

DISPOSITIF POUR LA MESURE DU DEBIT D'UN LIQUIDE, NOTAMMENT DU DEBIT D'EAU COURANTE, D'UN COURS D'EAU. La présente invention concerne un dispositif pour la mesure du niveau et de la vitesse des cours d'eau. Ce dispositif étant destiné plus particulièrement à la mesure en temps réel du débit des cours d'eau susceptible de varier dans le temps, en vue de la détermination des crues, pour dans un premier temps: prévenir les populations des risques d'inondations ; dans un deuxième temps: de contrôler ces risques pour les éliminer partiellement, voir totalement. Par ses applications, cette invention se rapporte entre autres, aux domaines de l'hydrologie, de l'hydrométrie, de l'hydrographie, de la géotechnique, du génie civil et de l'agriculture. Les crues résultent de la fonte des neiges, des glaces ou de la pluie ; elle est d'autant plus brutale que la pente est forte, et les terrains imperméables. Le débit d'un cours d'eau, évalué en mètres cubes, se calcule en multipliant la surface de la section mouillée par la vitesse moyenne en mètres par seconde. il faut faire des jaugeages en différents points de la section, car la vitesse n'y est pas partout identique. Le débit varie le long du cours en fonction de l'alimentation. Les principaux débitmètres utilisés sont constitués par des déversoirs dans le cas de canaux ou de rivières. Pour ces raisons évidantes de difficultés techniques, les relevés du niveau et de vitesse du débit des cours d'eau ne sont pas fait en temps réel mais calculés en prévision des conditions climatiques en tenant compte des années précédentes, d'où les risques d'inondations. Les dispositifs selon l'invention permettent de remédier à ces inconvénients, d'une part, l'évolution du niveau et du débit des cours d'eau, l'un et l'autre étant implicitement lié, d'autre part, ce débit répondant à l'intensité des pluies, des intempéries et avec un certain retard. Il en résulte que, si l'on surveille le débit des cours d'eau et que l'on compare l'évolution de ce débit avec la pluviosité en temps réel, la constatation d'une anomalie dans l'évolution du débit peut indiquer un incident tel que éboulement, glissement de terrain, barrage naturel et/ou risque de crue donc d'inondation. Pour appliquer cette méthode, il convient de disposer de moyens permettant de mesurer et d'enregistrer automatiquement en temps réel, sur une période assez longue, le niveau et la vitesse des cours d'eau, donc le débit de manière à pouvoir ensuite exploiter les mesures effectuées. On doit utiliser dans le cas présent, des moyens capables de mesurer de façon précise le débit des cours d'eau dont l'écoulement est généralement assez rapide. Cet écoulement étant de surcroît turbulent notamment en raison de la confluence de plusieurs cours d'eau. Les moyens utilisés doivent, en outre, être simples et fiables, pour pouvoir fonctionner correctement dans un milieu nécessairement humide et soumis aussi à d'importantes variations de température. A cet effet, l'invention a pour objet deux dispositifs pour mesurer le débit d'un liquide, plus particulièrement le débit des cours d'eau susceptibles de varier dans le temps. Le premier dispositif pour la mesure du niveau de liquide, le deuxième dispositif pour la mesure de la vitesse du liquide. Ces deux dispositifs de mesure des cours d'eau étant essentiellement en combinaison. Le dispositif pour mesurer le niveau de l'eau courante est caractérisé en ce qu'il comprend, une barre de détecteurs ou de capteurs. Ces détecteurs ou capteurs sont caractérisés en ce qu'ils comprennent des électrodes en batterie, une ou plusieurs anodes une ou plusieurs cathodes reliées à un appareil d'enregistrement telque par exemple un ampèremètre ou un voyant, ces exemples n'étant pas limitatif, le tout est alimenté par un transformateur 12 voltes. Le dispositif pour mesurer la vitesse de l'eau courante, aussi dénommé débitmètre, est caractérisé en ce qu'il comprend un passage d'écoulement de l'eau courante, ouvert à ses deux extrémités ; un axe monté libre en rotation en un point le long et sur le côté du dit passage, lequel axe est pourvu de moyens pour l'entraîner en rotation sous l'effet d'un flux de l'eau courante dans le dit passage, selon une vitesse et un sens de rotation dépendant respectivement de la vitesse et du sens du dit flux; et des moyens optiques pour détecter l'amplitude de déplacement angulaire du dit axe afin d'en déduire la vitesse du flux dans le dit de passage. Cette lecture optique de l'amplitude de déplacement angulaire de l'axe présente l'intérêt de n'induire aucun effort résistant susceptible d'augmenter l'inertie du système. Par conséquent, celle-ci ne dépend pratiquement que des forces de frottement dans les paliers portant le dit axe, et elle est donc quasi négligeable. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens optiques comprennent un disque codé à sa périphérique, dont le déplacement en rotation est fonction de celui du dit axe. Dans une forme de réalisation simple, le disque codé est monté sur l'arbre, solidaire de celui-ci en rotation, mais en variante, il peut également y être relié par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission, notamment si on désire que sa vitesse de rotation soit différente de celle du dit axe. Dans une variante caractéristique de l'invention, les dits moyens optiques peuvent être, un aimant incrusté à la périphérie du disque, à chaque rotation l'aimant passe devant un contact électrique, contact qui devient passant, ou une self qui engendre un courant induit, ce qui permet de compter le nombre de rotation pendant un temps donné et de déterminer la vitesse du flux de l'eau courante. Les moyens d'entraînement en rotation du dit axe peuvent être du type à hélice, à cuillères ou autres. Toutefois, dans une forme de réalisation préférée, il s'agit d'ailettes de forme sensiblement rectangulaire, disposées régulièrement autour de l'axe, et dont la surface correspond sensiblement à la section du dit passage au droit de l'axe, lequel se trouve dans le plan du côté supérieur du dit passage. Les ailettes sont soit galbées, toutes dans le même sens transversalement par rapport à l'axe, ou bien planes. Pour augmenter la sensibilité de l'appareil, une des extrémités du dit passage est évasé, de manière à augmenter la section d'ouverture d'admission. On réalise ainsi un dispositif capable de mesurer le débit d'un liquide en écoulement, même rapide et turbulent, tel que les cours d'eau. La barre de capteurs du niveau d'eau ainsi que le débitmètre réalisés peuvent être associés à un ensemble électronique de mesure et de mémorisation, dans lequel les mesures effectuées automatiquement en temps réel à des intervalles de temps prédéterminés sont enregistrées. Le dispositif objet de l'invention est applicable plus particulièrement, quoique non exclusivement, à la mesure du débit des cours d'eau en un point voulu. Il est alors facile de placer le dispositif de mesure du niveau de l'eau dans un puits aménagé sur la rive en un point voulu du cours d'eau considéré, dont l'un des côtés est grillagé; quant au débitmètre, il sera placé en un point voulu dans le lit du cours d'eau. L'ensemble électronique de mesure et de mémorisation, associé aux capteurs de niveau et de vitesse peut être disposé à une certaine profondeur dans le puits ou au sommet ; cet ensemble peut être raccordé par une liaison électrique à un connecteur placé au sommet du puits. Le connecteur étant prévu pour le branchement d'un dispositif transportable de collecte des mesures, ou de transmission automatique. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, seront rnieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence aux dessins schématique annexés représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce dispositif pour la mesure du niveau, et de la vitesse des cours d'eau, dans lesquels: la figure 1 est une vue générale, en coupe verticale, illustrant l'implantation des dispositifs conforment à l'invention dans un cours d'eau; la figure 2 est un schéma électrique des capteurs, qui sont utilisés dans la barre de capteurs de niveau d'eau, visible à la figure 1, 3 et 4 ; la figure 3 est une vue en coupe horizontale, à plus grande échelle, du puits et du dispositif servant à mesurer le niveau d'eau, visible à la figure 1 ; la figure 4 est une vue en coupe verticale, à plus grande échelle, du puits et du dispositif servant à mesurer le niveau d'eau visible, visible à la figure 1 et 3 la figure 5 est une vue en coupe verticale, à plus grande échelle, du dispositif servant à mesurer la vitesse du cours d'eau, visible à la figure 1 et 6; la figure 6 est une vue en coupe horizontale, à plus grande échelle, du dispositif servant à mesurer la vitesse du cours d'eau, visible à la figure 1 et 5; la figure 7 est vue en perspective illustrant schématiquement et partiellement une barre de capteurs, visible à la figure 1, 3 et 4. Dans l'ensemble des dessins, les mêmes références ont été utilisées pour désigner les mêmes éléments. En référence à ces schémas, la figure 1 montre un cours d'eau (1) comportant sur un côté de la rive (2) un puits (3), dont la paroi verticale (4) située au-dessus du niveau de la rive (2), reçoit un tampon amovible (5) obturant normalement le puits (3), qui est équipé de la barre de capteurs de niveau (6), le débitmètre (7) peut être placé en différents endroits stratégiques du cours d'eau (1). Lorsque le niveau d'eau varie dans le cours d'eau (1) il varie également dans le puits (3), représenté sur la figure 3 et 4 à une échelle plus grande, où l'un des côtés grillagé (8) est placé fasse au courant ; La barre de capteurs (6) est disposée sur le côté opposé. La barre de capteurs (6) est une barre en forme de U figure 7 refermé par un couvercle, elle comporte des détecteurs figure 2 disposés à des hauteurs prés déterminées, composés d'électrodes en batterie (11), une ou plusieurs anodes (12), et au dessus de celle-ci une ou plusieurs cathodes (13), ces dernières étants reliées à un dispositif d'enregistrement et de visualisation (14) tel que ampèremètre (15), ou un voyant (16), ces dispositifs de visualisation sont uniquement sité en exemple et ne sont donc pas limitatif dans le choix de dispositifs, le tout étant alimenté en électricité par un transformateur 12 voltes (17). Lorsque le niveau du cours d'eau (1) atteint la cathode (13), par effet d'électrolise le circuit devient passant, pour avoir une lecture précise du niveau d'eau, la barre de capteurs (6) comportera plusieurs capteurs figure 2, mais le dispositif ne serrait pas complet s'il ne comportait un système pour mesurer la vitesse d'écoulement en temps réel. C'est pour cela le débitmètre (7) illustré par la figure 5 et 6, comprend un passage (P) rectiligne et ouvert à ses deux extrémités (18) et (19) grillagées. H est de section rectangulaire plus large que haut, délimité par deux parois latérales (20) et (21), qui forment sur le côté du passage (P) avec la paroi supérieure (22), à distance des extrémités (18) et (19), unrenflementsemi-cylindrique (R), pour loger le capteur de vitesse (V) proprement dit. Le capteur de vitesse (V) comporte un axe horizontal (23) monté libre en rotation, portant une pluralité d'ailettes (24) régulièrement écartées angulairement, comme on le voit à la figure 5, les ailettes (24) sont rectangulaires, leur hauteur et leur largeur n'étant que légèrement plus petite que la hauteur et la largeur du passage (P). Ainsi sous l'effet d'un flux (F) dans le passage (P), seules les ailettes (24) qui s'y trouvent sont sollicitées, et elles sont donc capables d'entraîner l'axe (23) en rotation. L'axe (23) est monté entre un palier (25) prévu dans la paroi (20) et un palier (26) dans le boîtier (B), figure 6, fixé sur la paroi (21). Au niveau de celle-ci, l'axe (23) passe dans un palier intermédiaire (27). Lue boîtier (B) précité contientdes moyens optiques pour, selon l'invention, engendrer des signaux relatifs à la rotation de l'arbre (23), ces signaux étant traités par des moyens électroniques, non montrés, qui en déduisent des informations de vitesse de flux. Les moyens optiques comprennent d'une part un disque (28) solidaire en rotation de l'arbre (23), fixé sur celui-ci aumoyende goupilles, présentant à sa périphérie un codage optique (29) et, d'autre part, un détecteur optique (30) engendrant des signaux à chaque rotation du disque (28). En variante, le disque (28) est monté à l'écart de l'axe (23), relié à celui-ci par un mécanisme d'engrenages. Plus précisément ces moyens optiques selon l'invention sans être limitatif dans le choix de dispositifs peuvent être : un aimant (29) incrusté au bord du disque (28) et un contact magnétique ou une self (30), à chaque rotation du disque (28) l'aimant (29) passera devant le contact magnétique ou la self (30) qui deviendra passant ou engendrera un courant induit, le contact ou la self étant relié à un conteur électrique ou autre, qui comptabilisera le nombre de rotations du disque (28) pendant un temps seconde, compris dans l'appareil d'enregistrement (14) visible à la figure 1, 3 et4. Le dispositif précité constituant le capteur de vitesse (V), constitué du disque (28) et du contact magnétique ou de la self (30) sont accessibles en démontant le boîtier (B) et le couvercle (C). Le débit d'un cours d'eau, évalué en mètre cubes, se calcule en multipliant la surface de la section mouillée dont la hauteur est donnée par la barre de capteurs de niveau (6), la largeur étant celle du cours d'eau (1), par la vitesse en mètres par seconde, donnés par le nombre de rotations du disque (28) par seconde du débitmètre figure 1, 5 et 6; il est possible donc de savoir le débit du cours d'eau en temps réel en multipliant le nombre de rotations en seconde du disque (28) par sa circonférence, et en multipliant par la surface de section mouillée. D = m/s.S ; D = (nr.cYs.S L'équipement d'enregistrement (14) comprend encore un ensemble électronique de mémorisation, avec convertisseur analogique-numérique transformant l'information analogique, donnée par la barre de capteurs de niveau (6) et du débitmètre (7), en un signal numérique pouvant être enregistré dans une mémoire. L'ensemble électronique, comprenant une alimentation électrique autonome, effectue de façon automatique à des intervalles de temps prédéterminés des mesures et des enregistrements de valeurs correspondant au niveau d'eau dans le puits et de la vitesse du cours d'eau figure 1. Les valeurs enregistrées peuvent être relevées, périodiquement, à l'aide d'un dispositif transportable, ou de transmission automatique de collecte des mesures qui vide la mémoire de l'équipement d'enregistrement (14). Comme montre la figure 4, l'équipement d'enregistrement (14) qui est situé vers le sommet du puits (3) comporte un connecteur, qui est facilement accessible après retrait du tampon (5), pour le branchement du dispositif de collecte (31). Ces dernières dispositions restent facultatives, et l'on peut envisager aussi que le relevé des valeurs enregistrées soit fait directement au niveau de l'équipement d'enregistrement (14), ceci obligeant éventuellement le préposé à descendre à une certaine profondeur à l'intérieur du puits (3). Dans l'application particulière ici considérée, les valeurs de niveau et de la vitesse du cours d'eau (1) mesurées sur une certaine période et collectées comme décrit précédemment, sont traitées par conversion en valeurs correspondantes de débit du cours d'eau et l'évolution des valeurs de débit du cours d'eau est corrélée avec la pluviosité, enregistrée par d'autres moyens connus en soi durant la même période. Par telle analyse, il devient possible de détecter une situation anormale du cours d'eau et de prévenir ainsi une éventuelle déstabilisation du terrain et/ou un risque de crue donc d'inondation. Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif pour la mesure du niveau et de vitesse d'un cours d'eau qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle embrasse au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. En particulier, l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention par des modifications de détail concernant, par exemple, la forme, le type de capteurs de niveau, le type de capteurs vitesse des cours d'eau, le type d'équipement de mesure et d'enregistrement pour la détermination du débit d'un cours d'eau, mais encore dans toutes canalisations en surface ou souterraines, véhiculant de l'eau ou d'autres liquides dont le niveau et le débit sont susceptibles de subir des variations, par exemple des canalisations utilisées pour l'écoulement des eaux usées ou pour l'irrigation. Etant particulièrement adapté à la mesure de niveaux et de débits de liquides en écoulements, même rapide et turbulent le dispositif objet de l'invention convient aussi à la surveillance des nappes phréatique, des cours d'eau souterrain, son domaine d'application n'étant nullement limité à des cours d'eau. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mesure du niveau et de la vitesse des cours d'eau; plus particulièrement à la mesure en temps réel du débit des cours d'eau susceptible de varier dans le temps, en vue de la détermination des crues, pour dans un premier temps: prévenir les populations des risques d'inondations ; dans un deuxième temps : de contrôler ces risques pour les éliminer partiellement voir totalement, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement en combinaison deux dispositifs, l'un et l'autre étant implicitement et réciproquement liés: - le premier dispositif pour la mesure du niveau de liquide, - le deuxième dispositif pour la mesure de la vitesse du liquide. 2. Dispositif pour mesurer le niveau de l'eau courante selon la revendication 1 est caractérisée en ce qu'il comprend - une barre de capteurs ou de détecteurs (6) en forme de U refermé par un couvercle. 3. Dispositif des détecteurs ou capteurs selon la revendication 2 sont caractérisés en ce qu'ils comprennent des électrodes en batterie (11), une ou plusieurs anodes (12), une ou plusieurs cathodes (13) reliée à un appareil d'enregistrement (14), le tout alimenté en 12 voltes. 4. Dispositif pour mesurer la vitesse de l'eau courante, aussi dénommé débitmètre (7), selon la revendication 1 est caractérisé en ce qu'il comprend un passage (P) d'écoulement d'eau ouvert à ses deux extrémités (18) et (19); un axe(23) monté libre en rotation en un point le long et sur le côté du dit passage (P), lequel axe est pourvue de moyens pour l'entraîner en rotation sous l'effet d'un flux de l'eau courante dans le passage (P), selon une vitesse et un sens de rotation dépendant respectivement de la vitesse et du sens du flux (F) ; et des moyens optiques pour détecter l'amplitude de déplacement angulaire de l'axe (23) afin d'en déduire la vitesse du flux dans le passage. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisée en ce que le débitmètre, les moyens optiques comprennent un disque (28) codé à sa périphérie et apte à tourner sur lui même, dont la rotation est fonction de celui de l'axe (23); le disque codé (28) est monté sur l'axe (23), de façon à en être solidaire en rotation. '6. Dispositif selon la revendication 4 caractérisée en ce que dans le débitmètre, le disque codé (28) est relié à l'axe (23) par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission. 7. Dispositif selon l'une des revendication 4 à 6 caractérisée en ce que dans le débitmétre, le disque (28) a un aimant (29) incrusté à sa périphérie, à chaque rotation l'aimant (29) passe devant un contact électrique (30), contact qui devient passant et qui engendre une impulsion à chaque passage de l'aimant (29) devant le contact magnétique (30), ce qui permet de compter le nombre de rotations pendant un temps et de déterminer la vitesse du flux (F) de l'eau courante. 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisée en ce que dans le débitmètre le contact magnétique (30) est remplacé par une self qui engendre un courant induit à chaque passage de l'aimant (29). 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8 caractérisée en ce que dans le débitmètre, les moyens pour entraîner en rotation l'axe (23) sont des ailettes (24) planes de forme sensiblement rectanggulaire, disposées régulièrement écartées au tour de l'axe (23), et dont la surface correspond sensiblement à la section du dit passage (P) au droit de l'axe (23), lequel se trouve dans le plan du côté supérieur (22) du dit passage (P) ; pour augmenter la sensibilité de l'appareil l'ouverture d'admission (18) est évasées. 10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisée en ce que dans le débitmètre, les ailettes (24) sont galbées dans le même sens autour de l'axe (23).