Essais & Simulations n°122

mesures et methodes de

mesures et methodes de mesure La figure n° 2, issue de la thèse en référence [1], montre les courbes de rendement d’une turbine en fonction de sa vitesse de rotation, pour différents angles d’incidence du courant :0°,10°,20° et 30 °.Ilest visible qu’au-delà de 20 ° d’incidence, le rendement décroîtfortement. Il est donc important de pouvoirdéterminer avec exactitude la direction des courants marins afin d’orienter convenablement le support des hydroliennes. Jusqu’à présent, il n’y avait aucun instrument qui permette de garantir l’exactitude des mesures de direction des courants marins, ainsi que les spécifications des constructeurs. Le SHOM disposant d’un parc de 43 courantomètres et 47 profileurs, il a été décidé de concevoir et de fabriquer une plateforme d’étalonnage pour répondre à ces besoins. Conception et fabrication de la plateforme Le besoin a été spécifié afin d’obtenir des incertitudes sur les angles de référence, qui soient meilleures que celles des courantomètres qui sont de : ±2 ° en cap, ±0,2 ° pour les inclinaisons, avec une fidélité de 0,5 ° pour le cap et 0,1 ° pour les inclinaisons. Le capteur d’inclinaison est nécessaire afindecorriger l’angle que peut prendre l’instrument par rapport à la verticale, lorsqu’il estdéposé sur le fond ou quand il se balance sur une ligne de mouillage. Il permet, dans le cas des profileurs, de retrouver les valeurs vraies des vitesses et de la distance des cellules de mesure. Les angles de cap sont mesurés par un compas magnétique etcelui-ci est sensible aux anomalies du champ magnétique terrestre. Ces anomalies peuvent être engendrées par des éléments métalliques magnétiques présents à proximité du compas. Il est donc nécessaire d’étalonner ces derniers dans leur environnement de travail, c’est-à-dire, montés dans lacage de mouillage instrumentée qui servira aux mesures in situ. Decefait, la plateforme adû être conçue pour supporter (sans déformation)des charges allant jusqu’à 800 kg. Dans son principe, la conception de la plateforme répond à des expériences de faisabilité réalisées en 2007 [2] et elle a été l’objet d’une seconde publication en 2014 [3], dont une traduction simplifiéea étééditéedans Essais &Simulation [4]. Une cartographie magnétique a été réalisée endifférents endroits sur le site du SHOM afin dedéterminer un emplacement où les gradients magnétiques sont inférieurs à 5nTm -1 .Ces mesures, corrigées des variations temporelles et séculairesduchamp magnétique terrestre, ont été réaliséeavec un magnétomètre à proton GSM 19. Al’emplacement où les gradients sont minimaux, un support en béton a été coulé. Ilprésente une pente maximale de 3mm/m ce qui correspond à 0,18 ° d’erreur, etsarugosité équivaut à une incertitude de 0,15°. Unsupport amagnétique tournant et inclinable a été réalisé et installé. Son inclinaison peut être mesurée à l’aide d’un rapporteur électronique étalonné dans un laboratoire de référence avec une incertitude de 0,12 °.Une fois ces travaux terminés, une seconde cartographie magnétique a été réalisée pour vérifier l’uniformité du champ sur et autour de la plateforme. Une direction deréférence a été déterminée à l’aide d’un récepteur GPS Leica utilisé en mode RTK(Real Time Kinematic), par rapport à une station terrestre de référence, puis le bloc en béton a été gradué à l’aide d’un rapporteur à alidade. L’incertitude élargie (calculée selon la référence [5]) sur les directions de référence a étéétablie à 0,55 °.Lareproductibilité des mesures sur la plateforme a été évaluée (0,18 °), de même que l’homogénéité du champ magnétique. Au final, l’incertitude élargie sur lesdirections de référence, tenant compte des incertitudessur le positionnement et sur le champ magnétique est de 0,97 °.Sila fidélité descourantomètres, donnéepar le fabricant, est prise en compte, cette incertitude élargie se monte à 1,1 °. Mise en évidence des effets d’une cage instrumentée Un courantomètre AQD NORTEK n° 2060 atout d’abord étéétalonné seul, fixé dans une cage amagnétique. Il aensuite été installé dans une cage DORA équipée pour une campagne de mesures, de son lest, d’un largueur iXsea, d’un turbidimètre WETLAB, d’une sonde SBE 39 et d’une lampe flash (Figure 3). Figure 2. rendement (CT) de la turbine d’une hydrolienne en fonction de différents angles d’incidence (yaw) du fluide, et de la vitesse de rotation (TSR), d’après [1] Avant l’installation dans la cage DORA, l’amplitude de la fonction d’erreur du compas était de ±4 ° crête-crête. Après son installation, cette fonction présente des écarts entre –10 ° et +5,7 ° et deux maximums au lieu d’un. Ces erreurs peuvent être corrigées avec la relation dite d’Archibald Smith [6], ou avec une fonction polynomiale. Elle permet d’obtenir un écart type sur les erreurs résiduelles de 0,59 ° (Figure 4). Les réponses des capteurs de tangage et de roulis ne sont pas affectées par le placement dans la cage. Celles-ci peuvent être corrigées par des relations polynomiales. Le logiciel Hypack [7], utilisé pour traiter les données de courant, a été programmé pour prendre en compte ces relations. Essais & Simulations • SEptEmbrE 2015 • pAGE 16

mesures et methodes de mesure Étude des erreurs du parc des AQD et AQP du SHOM 30 courantomètres NORTEK du type AQD 200, 2000 et 6000 mappartenant au SHOM, ont été étalonnés sur la plateforme, de même que 22 profileurs NORTEK AQP 400 kHz, 600 kHz et 1MHz, 5AWACdemarque NORTEK et 3ADCP Workhorse de la société Teledyne RDI. Figure 3. À droite, plateforme avec un AQD durant une phase de test. À gauche, cage DORA instrumentée avec un système d’alignement, durant son étalonnage en inclinaison. Concernant les 30 AQD, si l’on prend en compte l’erreur crête-crête de leurs compas, on peut voir que 87 % présentent des erreurs inférieures à 10 ° et 37 %sont dans la spécification constructeur des ±2 ° (Figure 5). 10 ° est la tolérance requise pour la réalisation des cartes de courants. Figure 4. Carrés bleus, fonction d’erreur de l’AQP n° 2060 seul. Triangles verts, fonction d’erreur après installation dans la cage DORA. Carrés mauves, résidus de la correction. Figure 5. répartition des erreurs crête-crête des compas des 30 AQD 200, 2000 et 6000 mduSHOM. du 21 au 24 sept P a r i s wwww.metrologie2015.com mesurer analyser innover avec Essais & Simulations • SEptEmbrE 2015 • pAGE 17