Les mesures de débit sans contact au service de la recherche océanographique

Les navires de recherche remplissent des missions variées sur les mers de notre planète. Véritables laboratoires scientifiques en haute mer, ils constituent des outils indispensables pour comprendre le système terrestre. Ils couvrent toute une série de domaines de recherche marine dans les domaines de la biologie, de la géologie, de la géophysique, de la glaciologie, de la géochimie, de l'océanographie et de la météorologie.

Le FS METEOR est un navire de recherche multidisciplinaire opérant à l'échelle mondiale, propriété de la République fédérale d'Allemagne, exploité et coordonné par le CENTRE DE COORDINATION DES NAVIRES DE RECHERCHE ALLEMANDS / l’université de Hambourg et exploité par la société BRIESE SCHIFFAHRTS GmbH & Co. KG / département FORSCHUNGSSCHIFFFAHRT. Les missions du METEOR relèvent de la compétence du ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche et de la Communauté allemande de recherche (DFG), au nom desquels il explore les mers et les océans de notre planète.

Dans ce contexte, le FS METEOR remplit notamment deux missions concrètes : D'une part, à l'aide d'un système dit « thermosalinographe », il mesure des paramètres océanographiques typiques tels que la conductivité, la salinité, la température et la densité des eaux de surface (jusqu'à environ 6 m de profondeur) et met les résultats obtenus à la disposition de bases de données scientifiques et de systèmes d'analyse à terre. Les institutions et groupes de recherche actifs dans le domaine de la recherche océanographique peuvent ensuite exploiter ces données. Ainsi, les variations de température mesurées dans un delta fournissent par exemple des indications sur la façon dont les apports d’eau douce dans l’eau de mer varient. Cela permet de tirer des conclusions sur les changements climatiques et les variations des courants marins et aboutit finalement à une représentation fidèle de la circulation océanique actuelle.

La deuxième mission du METEOR consiste d’autre part à mesurer en continu la vitesse du son à la surface des océans, qui varie entre 1 400 m/s et 1 800 m/s en raison des fluctuations des paramètres océanographiques, afin de pouvoir étalonner les systèmes de sondeurs acoustiques en tenant compte de la vitesse du son corrigée, et par conséquent de mesurer et de cartographier avec précision les fonds marins. Des vitesses du son mal calculées entraînent des erreurs dans l’étalonnage des sondeurs et, en fin de compte, une cartographie océanographique erronée.

L’exploitant a imposé plusieurs exigences au système de mesure du débit. La caractéristique la plus importante pour la recherche était une mesure sans contact du débit de l’eau de mer, c’est-à-dire l’absence de contact avec des sondes de mesure invasives, des métaux ou des plastiques, afin de ne pas altérer chimiquement l’eau de mer et de ne pas fausser ainsi les résultats d’analyse. De plus, les capteurs de processus devaient être aussi compacts que possible afin de pouvoir concevoir des canalisations courtes, exemptes de géométries susceptibles d’influencer l’écoulement. Comme plusieurs systèmes de niveau supérieur devaient être alimentés, via des interfaces, par les résultats de mesure issus du processus, il fallait trouver des appareils offrant un large choix et une grande flexibilité en matière d’interfaces.

La compagnie maritime a trouvé ce qu’elle cherchait chez Katronic et, grâce aux conseils prodigués au cours du projet, a acquis un dispositif de mesure de débit adapté. Deux débitmètres à ultrasons de type « clamp-on » non invasifs, du modèle KATflow 100, ont donc été installés sur des conduites en PVDF de diamètre nominal DN 25 à 40 mm à bord du METEOR.

Afin de déterminer avec précision la vitesse du son, des paramètres océanographiques essentiels tels que la conductivité, la salinité, la température et la densité de l’eau de mer sont mesurés et enregistrés en continu pendant la navigation du METEOR. À cette fin, l’eau de mer, dont la température est comprise entre 8 et 18 °C, est pompée en permanence à travers des conteneurs de mesure dans des systèmes de circulation. Pour la commande et la surveillance des équipements techniques, les paramètres de processus que sont le débit et la pression revêtent une importance fondamentale ; ceux-ci sont également surveillés et enregistrés en vue de la validation ultérieure des données. Sans paramètres de processus valides, il n’y a pas de résultats de mesure valides. De plus, les méthodes de mesure optiques utilisées en service nécessitent des débits continus afin d’éviter la formation de tourbillons devant les optiques des capteurs. Pour la régulation de ces dispositifs de mesure, il est impératif de disposer de mesures de débit constantes, sans dérive et stables en température. Comme l’explique la compagnie maritime elle-même : « Alors que les capteurs scientifiques hautement précis et sophistiqués se comportent souvent comme des caprices en cours d’exploitation, les capteurs techniques de processus doivent être exactement le contraire. Stabilité, fiabilité et robustesse sont ici indispensables. »

D’un point de vue général, les résultats des mesures de débit en continu effectuées sur le METEOR permettent de tirer des conclusions sur l’état du système en ce qui concerne la prolifération organique et la sédimentation dans les réseaux de canalisations et au niveau des capteurs, et bien sûr de vérifier si les commandes des pompes et des vannes sont correctement réglées. « Le débitmètre joue globalement un rôle central. Sans mesure du débit, tout ce que nous mesurons dans ces systèmes n’a en réalité aucun sens », explique M. Wolf, l’un des inspecteurs techniques responsables de la compagnie maritime.

« La société BRIESE SCHIFFAHRTS GmbH & Co. KG a trouvé en Katronic un partenaire fiable pour cette application grâce à ses systèmes de mesure de débit. Depuis 2014, les scientifiques peuvent ainsi procéder sans interruption à une validation et à une classification fiables des données recueillies. » À ce jour, le système mesure les débits dans des systèmes d’analyse scientifique de l’eau de lac pure et les archive à titre de preuve pour la recherche.

Crédit photo : CENTRE DE COORDINATION DES NAVIRES DE RECHERCHE ALLEMANDS / Université de Hambourg