Le corrélateur, appareil de détection de fuites par corrélation acoustique, est l’un des outils qui a permis d’arriver à ce résultat en apportant une solution fiable et performante dans le domaine de la détection et de la localisation des fuites.
La technique de détection de fuites par corrélation acoustique a montré depuis dix ans sa supériorité sur toute autre méthode et notamment sur les systèmes d’écoute au sol traditionnels. Le corrélateur, qui en est l'élément, constitue aujourd’hui un outil incontournable dans le domaine des recherches de fuites sur conduites enterrées et il fait partie de l’équipement de base des exploitants de réseaux. Bien qu’employés essentiellement dans le domaine de la distribution d'eau, les corrélateurs peuvent également être utilisés sur tout autre fluide ou gaz tel que le pétrole, l’air, le gaz naturel, …
Le principe de fonctionnement d’un corrélateur repose sur l'analyse statistique des bruits émis par une fuite. Il s’agit par conséquent d’une méthode acoustique utilisant les propriétés caractéristiques suivantes :
- - la propagation du bruit de fuite, qui se fait à vitesse constante en milieu homogène (conduites et fluides),
- - la permanence du bruit de fuite,
- - son caractère aléatoire.
Principes de la détectionet de la localisation des fuites
Un corrélateur permet de déterminer à la fois la présence de fuites et leur localisation sur une longue distance, sur tout type de conduites (métallique, plastique, ciment, etc.) et toute nature de fluides. En fonction de ces différents paramètres et des pressions de service, la distance de détection peut varier de 100 m à 2 km.
Le corrélateur
Un corrélateur est composé essentiellement, comme nous le verrons ci-après, de deux capteurs, deux amplificateurs et d'une unité centrale.
Les capteurs
Véritables « oreilles » électroniques, les capteurs ont pour rôle de recueillir les bruits se propageant au sein d’une canalisation. Ils captent les vibrations
[Figure : Plage d’utilisation des accéléromètres et des hydrophones.]
[Photo : Mode opératoire.]
Si on appelle C(τ) la fonction d’intercorrélation entre deux signaux x(t) et y(t),
C(τ) = 1/T ∫ x(t) · y(t - τ) dt
cette fonction se décompose en trois opérateurs élémentaires :
* un opérateur Retard faisant correspondre y(t - τ) à y(t),
* un opérateur multiplicateur réalisant le produit x(t) · y(t - τ),
* un opérateur intégration réalisant C(τ) = 1/T ∫ x(t) · y(t - τ) dt.
Estimer une fonction de corrélation, c’est donc mesurer C(τ) pour différentes valeurs de τ, en nombre suffisant pour obtenir une suite de valeurs C(0), C(τ1), C(τ2), …, C(τm) pour n valeurs de τ convenablement réparties.
[Photo : Fonction de corrélation.]
(fréquences) engendrées par une fuite le long d’une conduite ou à l’intérieur de celle-ci.
Il existe trois types de capteurs utilisés suivant différents critères :
• les accéléromètres : ce sont des capteurs piézo-électriques, avec préamplificateur interne, d’une sensibilité de 0,1 à 10 V/g. Ils sont constitués de deux céramiques précontraintes et d’un circuit hybride.
Ils sont généralement utilisés sur des conduites métalliques (fonte, acier, etc.) de diamètre inférieur à 800 mm. Ils sont conçus pour travailler en moyennes et hautes fréquences (100 à 5 000 Hz) et couvrent 80 % des applications ;
• les hydrophones : ce sont également des capteurs piézo-électriques, avec une seule céramique et sans pré-amplificateur. Ils sont utilisés sur des conduites non métalliques (plastique, PEHD, PVC, etc.) ou sur conduites métalliques de gros diamètre. En règle générale ils sont plus particulièrement adaptés aux basses fréquences (inférieures à 250 Hz). La figure 1 précise le champ d’application de ces deux types de capteurs ;
• les microphones : ce sont des capteurs de type microphone à électret ; ils sont utilisés uniquement sur les gaz, quelle que soit la nature de la conduite.
Les amplificateurs
Ce sont des amplificateurs de type CAG (Contrôle Automatique de Gain) avec préfiltrage intégré des signaux.
Leur fonction est d’amplifier les signaux en provenance des capteurs, de les pré-filtrer et de les transmettre pour traitement à l’unité centrale, soit par câbles, soit par radio (UHF). Actuellement la transmission par câble est pratiquement abandonnée au profit de la transmission hertzienne, qui apporte une plus grande souplesse d’utilisation.
[Photo : La corrélation électronique.]
L’électronique numérique et la conversion Analogique/Numérique permettent aujourd’hui de calculer la fonction de corrélation en temps réel.
L’unité centrale
Véritable ordinateur, elle constitue le centre-pilote du système. Elle traite d’une part toutes les données transmises par la chaîne « capteurs-amplificateurs » ; elle joue, d’autre part, le rôle de poste de contrôle pour l’opérateur qui devra y entrer toutes les données et paramètres nécessaires à la recherche de fuites.
Il existe plusieurs configurations et options pour les unités centrales qui peuvent être des systèmes fixes, transportables (embarqués dans un véhicule) ou portables. De plus, un certain nombre d’options telles qu’imprimantes, cartes-mémoires, etc. peuvent leur être incorporées afin de les rendre plus facilement exploitables.
d = D – V Δt
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Fig. 5 : Localisation de la fuite.
V : vitesse de propagation du son dans la canalisation,
d : distance de la fuite par rapport au capteur de référence (bleu),
t1 : temps mis par le bruit pour aller de la fuite au capteur bleu,
t2 : temps mis par le bruit pour aller de la fuite au capteur rouge,
D : distance entre les capteurs,
Δt = t2 – t1 : retard entre le temps d’arrivée du bruit au capteur bleu et le temps d’arrivée du bruit au capteur rouge.
de l’une ou l’autre des configurations est déterminé en fonction des applications auxquelles elles sont destinées.
Les « systèmes fixes » sont utilisés en surveillance permanente sur des réseaux critiques où l’aspect sécurité des biens ou des personnes constitue une priorité. Ils peuvent être asservis avec des organes de sécurité tels qu’alarme, fermeture automatique de vannes, etc.
Les systèmes « transportables » sont utilisés pour une recherche systématique de fuites (préventive et/ou corrective) et pour des linéaires importants. Ils sont particulièrement bien adaptés à la recherche de fuites sur les réseaux de distribution d’eau des villes de grande et moyenne importance. Ces systèmes représentent 70 % des applications actuelles.
Les systèmes « portables » sont utilisés en recherches ponctuelles et/ou pour des applications occasionnelles. Ils sont particulièrement bien adaptés aux besoins des petites compagnies ou des petites communes n’ayant pas la nécessité ou les moyens d’investir dans de gros systèmes. Actuellement, les ventes de ces types d’appareils ne représentent qu’une faible part du marché.
Mode opératoire
Arrivé sur le terrain, l’opérateur dispose deux capteurs sur la conduite, de part et d’autre de la fuite supposée (figure 2), et introduit dans l’unité centrale les paramètres nécessaires aux calculs :
- – distance entre capteurs,
- – vitesse de propagation du son dans la conduite,
- – nature du matériau ou du fluide,
- – diamètre de la conduite et son épaisseur.
La présence de fuites est détectée par l’analyse des spectres de bruit se propageant dans la conduite. L’unité centrale mesure le retard des signaux reçus sur les capteurs et détecte ainsi la présence dans le temps d’une similitude et d’un caractère répétitif et permanent (plage de fréquences) correspondant à une fuite.
La fonction mathématique dite de corrélation (figure 3), réalisée électroniquement (figure 4), permet cette opération.
La localisation des fuites est réalisée par un calcul simple qui utilise trois paramètres, la vitesse de propagation du son dans la conduite (V), la distance entre capteurs (D) et le retard entre le temps d’arrivée du bruit de fuite sur les capteurs (t1 – t2). Par convention, on positionne la fuite par rapport au capteur de référence, et la distance (d) entre le point de fuite et ce capteur s’exprime alors par la formule suivante :
D – V Δt
d = ------------
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dans laquelle :
V = vitesse de propagation du son,
D = distance entre capteurs,
Δt = (t1 – t2) exprime le retard entre l’arrivée du signal sur le premier (t1) et le second (t2) capteur, lequel est calculé automatiquement par l’unité centrale.
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Comme on le voit, le corrélateur fait appel à une technologie relativement complexe et variée (domaines de la vibration, de l’électronique, de la transmission radio et de l’informatique), et sa qualité dépend de ses composants.
Du fait des progrès enregistrés dans ces différents domaines, les performances de ce type d’appareil ont particulièrement évolué ces dernières années. Toutefois, l’exploitation en matière de recherche et de localisation de fuites reste liée à la qualité de l’opérateur, qui doit posséder une bonne connaissance de l’environnement dans lequel il opère. En effet, le paramétrage et l’interprétation des données conditionnent le résultat final et le succès de l’entreprise.
[Photo : Le corrélateur DF 5000.]
[Photo : Amplificateur.]
[Photo : Le corrélateur DF 500.]
