Acquisition et post-traitement des données

Les sondes ont été disposées au milieu des quatre premiers bassins à L/2 et B/2 perpendiculairement au radier (Figure II-11).

Figure II-11. Position des sondes acoustiques dans les bassins. Figure II-10. Evolution du coefficient de débit sur la largeur du bassin.

L/2 B/2

57 Les sondes ont été positionnées dans le repère de

la passe, perpendiculairement au radier (Figure II-12). Elles sont montées sur des guides en aluminium munis d’une crémaillère qui permet un déplacement précis (au dixième de millimètre) le long de l’axe Z. Ces guides possèdent un afficheur numérique avec une fonction remise à zéro. Chacun d’entre eux est fixé sur une traverse en aluminium Norcan vissée sur des longerons au-dessus du canal. Il est ainsi possible de déplacer ces sondes dans les trois directions de l’espace, ce qui a permis un positionnement rapide des 4 sondes pour chacune des 284 configurations étudiées.

Les signaux de hauteur sont acquis par l’intermédiaire d’un convertisseur courant/tension 4-20 mA et d’un boîtier d’acquisition National Instrument USB-6000.

Figure II-13. Schéma de la chaine d’acquisition des hauteurs d’eau dans les bassins.

La chaine d’acquisition est schématisée sur la figure II-13. L’interface utilisée a été développée sous Labview et permet de visualiser les signaux de hauteur fournis par les sondes. Les sondes

Figure II-12. Montage des sondes acoustiques dans

les bassins.

Figure II-14. Zone de détection des sondes acoustiques. Sonde

Guide

x z

Conversion tension/distance via procédure d’étalonnage

+ post-traitement Boîtier d’acquisition Labview PC Alimentation 24 V DC Sonde U_mes (V) Cible D (m) Conversion courant/tension I (A) Conversion distance/courant Conversion analogique/numérique (Source : http://www.microsonic.de)

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de hauteurs utilisées ont une zone de mesure comprise entre 30 mm et 250 mm (Figure II-14). Associées au système de guidage, ces sondes sont capables de mesurer les hauteurs d’eau de l’ensemble des configurations.

II.2.2.a Etalonnage et mesure de la hauteur de référence

Pour l’étalonnage, une cale est positionnée entre le radier et le capteur. Cinq acquisitions sont ensuite réalisées sur toute la gamme de mesure du capteur. Pour la première acquisition, l’écart entre le capteur et la cale est mesuré à l’aide d’un pied à coulisse, les suivantes étant réalisées de manière relative grâce à l’afficheur numérique du guide de réglage puis renseignées dans le logiciel d’acquisition. Les coefficients de la droite d’étalonnage sont ensuite calculés, permettant ainsi de convertir le signal initialement en unité de tension, en unité de distance. Le capteur renvoie un signal permettant de déterminer la distance qui le sépare d’un obstacle. Dans le cas de la passe à poissons l’obstacle étant la surface libre de l’écoulement, il est nécessaire de connaitre la position du capteur par rapport au radier pour en déduire le niveau d’eau. La distance séparant le radier du capteur (hauteur de référence) est mesurée à chaque changement de position de ce dernier et renseignée dans le logiciel qui effectue ensuite la soustraction (niveau d’eau = hauteur de référence – distance mesurée).

II.2.2.b Interface graphique et critère d’équilibre

Une interface (Figure II-15) a été développée sur Labview au sein du laboratoire pour permettre l’acquisition des signaux délivrés par les sondes acoustiques.

Figure II-15. En arrière-plan : visualisation des variations de hauteur d’eau dans chaque bassin. Au premier plan :

cadran circulaire à aiguilles et graphe déroulant pour la visualisation de l’état d’équilibre des hauteurs d’eau. Cette interface, composée d’un graphique déroulant, permet de visualiser les variations de hauteur d’eau mesurées par les sondes au cours du temps. La fréquence d’acquisition choisie correspond à la fréquence d’acquisition maximale des sondes soit 200 Hz. Pour faciliter la visualisation des signaux, une moyenne temporelle est effectuée avec un fenêtrage d’une seconde (temps de bloc). Un point qui correspond à la moyenne de 200 points est donc tracé toutes les secondes. Les hauteurs mesurées sont sur l’axe des ordonnées (mm) et les temps de blocs sur l’axe des abscisses (s). Pour visualiser le déséquilibre de hauteur d’eau et, a fortiori, le déséquilibre des hauteurs de chutes entre chaque bassin, un indicateur donne la valeur des écarts de hauteurs, moyennés à chaque temps de bloc, entre chacun des quatre bassins. Un second graphique donne accès à la variation de la valeur moyenne des écarts de hauteurs existant entre chaque bassin au cours du temps. Lorsque cette dernière tend vers une valeur asymptotique (autour de 0, en général +/-5 mm) les hauteurs de chute sont considérées équilibrées.

59 La position des guides sur lesquels sont installés les capteurs a été définie de manière à pouvoir mesurer le niveau d’eau dans toutes les configurations, sans avoir à effectuer un repositionnement du guide¹. Pour pouvoir utiliser pleinement les 250 mm de la zone de détection², le capteur a été positionné à 30 mm au-dessus du niveau d’eau maximal atteignable (correspondant à la hauteur des bassins : 550 mm). De cette manière, des hauteurs d’eau variant de 300 mm à 550 mm peuvent être mesurées (dans le repère de la passe).

II.2.2.c Acquisition des données

En ce qui concerne l’acquisition des données, elle est réalisée à la fréquence maximale (200 Hz). Pour définir le temps d’enregistrement des données, une acquisition de 15 min a été effectuée sur une configuration présentant visuellement une oscillation basse fréquence d’amplitude importante. Une FFT a ensuite été déterminée sur cette acquisition (Figure II-16).

Figure II-16. Spectre du signal de hauteur pour une acquisition de 15 minutes.

Il existe un pic sur le spectre à une fréquence 𝑓 = 7,8. 10−3 Hz. Dans le domaine temporel cette fréquence correspond à une période de 128 s. Pour prendre en compte l’amplitude de hauteur associée à cette fréquence, un temps d’acquisition de 300 s a été retenu pour l’ensemble des acquisitions (afin d’obtenir au moins deux périodes), l’échantillonnage a été fixé à 200 Hz. II.2.2.d Post-traitement des données

Les résultats récupérés à l’issu des séries de mesures sont au format ASCII (.txt) recensant les hauteurs mesurées sur chacun des capteurs à chaque pas de temps à une fréquence de 200 Hz pendant 5 min.

Les fortes déformations de la surface libre ainsi que les projections de gouttelettes d’eau durant les phases d’acquisitions ont régulièrement fait perdre le signal de retour des capteurs, ce qui crée des valeurs aberrantes se retrouvant sous forme de pics dans les fichiers de données enregistrés (Figure II-17).

1

Un repositionnement du guide implique d’effectuer une nouvelle fois la mesure des hauteurs de références.

2 La gamme de détection varie de 30 mm jusqu’à 280 mm à partir du capteur

60

Figure II-17. Exemple d'une acquisition de hauteur comportant des valeurs aberrantes dues à la perte de signal du

capteur.

Ces fichiers bruts de points ont donc été filtrés avant toute autre opération et analyse. L’utilisation d’un filtre passe-bas est suffisante pour atténuer tous les pics. En revanche, avec ce type de filtre l’information concernant l’amplitude des fluctuations est perdue. Afin d’éviter cela, un filtre de vitesse a été développé qui calcule dans un premier temps la dérivée du signal de hauteur (Figure II-18).

Figure II-18. Signal de hauteur (en bleu) et sa dérivée (en vert) pour la détection des pics.

Elle est l’image de la vitesse à laquelle varie la hauteur d’eau mesurée entre deux points consécutifs. La suppression des points aberrants débute dès lors que la valeur de la vitesse entre deux points est supérieure à une valeur seuil. Cette valeur correspond à l’application d’un coefficient multiplicateur kf sur l’écart-type calculé de l’ensemble du signal³. La valeur de kf

(entre 2 et 4) est définie par l’utilisateur de manière à enlever les pics sans atténuer l’amplitude du signal. La suppression des points s’arrête dès qu’un point revient dans une zone définie par

3

61 l’écart-type autour de la moyenne du signal de hauteur. Les points supprimés sont ensuite remplacés au moyen d’une interpolation (Figure II-19).

Figure II-19. Signal non filtré (en bleu) et signal après filtrage (en rouge).