Brevet FR2002783A1 — publié le 19691031

La présente invention est relative à une nouvelle méthode et à un appareil en faisant application pour la mesure de la quantité de liquide contenue dans un réservoir en mouvement partiellement rempli, ce réservoir contenant également un gaz en relation avec le liquide, 5 dans lesquels on introduit des signaux électriques appartenant à une bande de fréquence déterminée dans le réservoir contenant le liquide et le gaz et l'on détermine le nombre de résonances produites dans ce réservoir par lesdits signaux. La configuration de la surface de séparation liquide-vapeur dans 10 un réservoir partiellement rempli sous l'effet des forces de pesanteur classiques peut être facilement déterminée car c'est une configuration qui est perpendiculaire au vecteur pesanteurs pour mesurer la quantité de liquide restante dans des conditions de pesanteur normales, il suffit de localiser cette surface de séparation à l'aide 15 de flotteurs au moyen des techniques des cavités résonantes ou de toute autre technique bien connue dans ce domaine. Les formes géométriques aléatoires que peuvent prendre les liquides dans les réservoirs des véhicules spatiaux quand ces derniers sont soumis à diverses accélérations interdisent la plupart du temps 20 l'utilisation des jauges de niveau de liquide classiques. Quelques-uns des facteurs qui affectent les systèmes à jauges pour les réservoirs à liquides à parois rigides dans les véhicules spatiaux sont: a) l'effet des dimensions et de la forme du réservoir; b) les conditions de l'environnement telles que: accélération, vibration, température, 25 pression, rayonnement etc.; c) la méthode de prélèvement du liquide ou de la vapeur; d) la vitesse à laquelle le liquide peut être prélevé du réservoir; e) les propriétés physiques et électriques du liquide et du gaz dans le volume vide; et f) l'effet des autres mesures sur le réservoir. 30 Le système de jauge idéal d'une masse liquide dans l'espace de vrait avoir les caractéristiques suivantes-; a) chaque molécule du liquide devrait avoir une influence uniforme sur la mesure indépendamment de sa position dans la masse, de la température et des variations de pression; b) la vitesse de modification de la distribution molécu-35 laire du liquide ne devrait pas influencer la mesure; c) la mesure ne devrait pas être sensible aux variations de tous les autres paramètres du réservoir et de l'environnement. Si tous ces critères doivent être préservés, la mesure ne peut pas dépendre de la pesanteur et cela élimine la plupart des méthodes 30 actuellement connues de mesure de masse liquide. fcow *'« b9 05033 2 2002783 D'autre part le brevet américain n° 3.312,107 accordé le 4 avril 1967 décrit on système de mesure en dehors du champ de pesanteur. Celui-ci utilise un oscillateur à fréquence de balayage qui fournit un signal de fréquence balayant une bande de fréquence désirée commen-5 çant à une fréquence déterminée. le balayage est interrompu et repria à nouveau chaque fois que l'on détecte une fréquence de résonance. Ce cycle d'opérations est continuellement répété et l'intervalle de tenjB compris entre deux cycles de balayage est utilisé pour indiquer la quantité de liquide dans le réservoir. Un tel appareil est basé sur 10 la supposition que la fréquence de résonance d'une cavité métallique contenant un liquide diélectrique change en fonction de la quantité de diélectrique présente dans la cavité. Cependantil a été découvert que la fréquence de résonance change aussi lorsque l'orientation du liquide diélectrique varie dans- le réservoir. Par conséquent un sys-15 tème de mesure qui dépend d'une corrélation entre la fréquence de résonance et le volume de diélectrique liquide a tendance à donner des résultats inexacts lorsque les conditions de l'environnement sont telles que l'orientation du liquide dans le réservoir varie. la présente invention permet d'éviter ces inconvénients. 20 Suivant l'invention la méthode pour mesurer la masse de liquide ou le volume variable d'une enceinte métallique à l'intérieur d'une cavité métallique fermée qui consiste à exciter le vôlume délimité par cette cavité métallique fermée avec des signaux d1 énergie électromagnétique à une fréquence de balayage parcourant une bande de fré-25 quences prédéterminée, est remarquable en ce que l'on détecte et compte le nombre dè résonances produites dans cette cavité par ces signaux sur la totalité de cette bande de fréquences. Suivant une caractéristique de la méthode de l'invention 3abande de fréquences prédéterminée est sélectionnée d'après la géométrie de 30 la cavité métallique fermée et la constante diélectrique du contenu de la cavité. Une cavité métallique donnée contenant une masse donnée de liquide diélectrique possède un nombre déterminé de fréquences de résonance ou modes à l'intérieur d'une bande de fréquences déterminée. 35 On a découvert que quand cette cavité est balayée par des signaux é-léctriques dans cette même bande de fréquences,'le nombre de modes change en fonction de la masse de liquide diélectrique présente dans la cavité. Suivant l'invention par conséquent on compte le nombre de modes pour chaque balayage sur la même bande de fréquences pour obte-40 .nir la masse de liquide dans le réservoir, le nombre de modes, étant 69 05033 3 2002783 indépendant de l'orientation du liquide dans le réservoir. Lorsque le diélectrique liquide est un diélectrique imparfait, notamment un liquide qui dissipe l'énergie électromagnétique, les modes sont plus difficiles à compter avec l'appareillage de détection des signaux 5 présentement disponible. Dans des cas semblabes par conséquent un nombre représentant le nombre de modes est obtenu sans réellement compter les modes; mais la même méthode est encore utilisée puisque le nombre représentatif est dans tous les cas proportionnel au nombre réel de modes, 10 Un réservoir contenant un liquide a une constante diélectrique moyenne qui varie entre une valeur moyenne quand le réservoir est plein et une autre valeur moyenne quand le réservoir est vide. Le nombre de modes d'oscillations qui peut être décompté dans le réservoir dépend de la constante diélectrique moyenne du mélange de liquide et 15 de gaz à l'intérieur du réservoir et dans la bande de fréquences d'excitation. Dans une bande de fréquences déterminée, le nombre de modes qui peut être excité est une fonction de la constante diélectrique du réservoir vide. Puisque la constante diélectrique moyenne varie directement avec la densité du liquide dans le réservoir, le 20 nombre de modes décroît lorsque la masse du liquide dans le réservoir décroît. Plus particulièrement le nombre de modes excités dans le réservoir par des signaux d'excitation d'énergie électromagnétique compris dans une bande délimitée par des fréquences f^ et fg est déterminé 25 par l'expression: dans laquelle: H est le nombre de modes d'oscillations excités dans le réservoir; Y est le volume du réservoir en centimètre cube; 30.0 est la vitesse de la lumière dans le vide; E est la constante diélectrique moyenne du contenu total du réservoir. Par conséquent le nombre de modes produits varie comme le cube de la fréquence et l'énergie électrique d'excitation peut être conservée en utilisant une bande de fréquence sélectionnée de façon 35 appropriée pour le volume du réservoir et la variation de constante diélectrique de son contenu. - Puisque f^ et f^ sont connues pour une bande de fréquences données, le nombre de modes U peut êt¥e utilisé pour déterminer E qui en échange est représentatif, de la masse de liquide dans le réservoir. 40 II en résulte qu'un appareillage de traitement de l'information peut COPY 69 05083 r 2002783 être programmé pour on réservoir donné et un liquide donné pour convertir directement le nombre de modes en masse de. fluide dans réservoir. A titre d'exemple, si l'intérieur d'un réservoir parallclépi-,:-. 5 dique de base rectangulaire ayant des dimensions de 25cm x25an xlCC:... et rempli d'air est excité avec des signaux électriques compris la bande de fréquences de 8 à 9 gigacycles, on compte 1750 môdes= Lorsque le.réservoir est rempli d'un liquide ayant une constante diélectrique de 2 on compte 3220 modes dans la bande de fréquences d® 10 8 à 9 gigacycles. Par conséquent il y a une différence de 1470 mcûos dans la bande de 8 à .9 gigacycles entre les situations de réservoir vide et de réservoir plein. Le dispositif dé comptage dés modes suivant l'invention est c,--vantageux parce qu'il est utilisable avec n'importe quelle sorte As 15 réservoir métallique comprenant notamment ceux ayant des formes irrégulières et ceux ayant des baffles intérieurs. Des modifications dans la géométrie de l'interface liquide-gaz à l'intérieur du réïsr-voir n'ont pas d'influence sur le comptage des modes; l'appareil fonctionne aussi bien pendant le remplissage de liquide que durant 20 la vidange et est totalement à l'extérieur du réservoir à part av-3 ou deux sondes qui sont montées dans la paroi du réservoir. Suivant l'invention l'appareil de mesure de la masse de liqj.id.3 ou du volume variable d'une enceinte métallique à l'intérieur d'une cavité métallique fermée comprend une source d'énergie à fréquence 25 radio-électrique dont la fréquence peut être modifiée à l'intérieur d'une bande de largeur donnée. La bande de fréquence est sélectio-n™ née d'après la géométrie du réservoir et la constante diélectriques'-du contenu. Un générateur de tension de balayage est utilisé pour commander un oscillateur contrôlé en tension afin de produire 1 40. ,D!autres caractéristiques ressortiront de la description qui rs r BAD ORIGINAL 69 05083 5 2002783 * suivre et qui n'est donnée qu'à titre d'exemple. A cet effet on se reportera aux dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est un schéma-bloc du circuit d'un premier mode de réalisation de l'appareil suivant l'invention; 5 - la figure 2 est une représentation en section du réservoir de l'appareil suivant l'invention montrant une sonde de signal; - la figure J représente une courbe type telle qu'elle peut être relevée avec l'appareil de la figure 1 ; - la figure 4 représente une courbe montrant la relation entre X) la masse et le nombre de modes pour un fuel spatial type dans un réservoir type; - la figure 5 est un schéma-bloc du circuit suivant un autre mode de réalisation de l'appareil suivant l'invention; - la figure 6 représente une courbe type telle qu'elle peut être 15 relevée avec l'appareil de la figure 5» et N - la figure 7 est une représentation en élévation d ' un réservoir type contenant une vessie métallique illustrant l'application de l'appareil de l'invention à ce dernier pour mesurer le liquide contenu dans la vessie. 20 Suivant le mode de réalisation de la figure 1, le circuit 1 de l'appareil suivant l'invention est représenté en fonctionnement avec un réservoir 2 qui peut avoir n'importe quelle configuration et une forme irrégulière. Le liquide 4 contenu dans le réservoir peut se présenter en volumes séparés ou en un volume unique continu diune 25 quelconque configuration. Un milieu favorable à la propagation du gaz 6 à l'intérieur du réservoir remplit la totalité du volume du réservoir à l'exception de celui occupé par le liquide. Un programmeur 12 est le circuit directeur de l'appareil. Il envoie un signal par un conducteur 13 à un générateur de balayage 14 30 ainsi qu'un signal de commande par un conducteur 15 à un compteur 16. Le programmeur 12 envoie encore un signal par un conducteur 17 à une machine à traiter l'information 18 pour assurer la synchronisation entre le générateur de balayage 14» le compteur 16 et la machine à traiter l'information 18. Autrement dit, le programmeur 12 assure la corrélation du recyclage du générateur 14 et du compteur 16 si bien qu'un compte des modes est obtenu pour chaque cycle de balayage. Le générateur de balayage 14 engendre une onde de tension en forme de dent de scie dont la synchronisation est commandée par le programmeur 12. Le générateur de balayage 14 transmet un signal en tension par un 40 conducteur 19 à 1 ' oscillateur 20 pour déterminer la bande de fréquence 69 05033 6 200-2783 de fonctionnement de ce dernier ainsi que son cycle de balayage dans cette bande de fréquence. La bande de fréquence sélectionnée à la sortie de l'oscillateur 20, qui est normalement d'une octave, est transmise par un conducteur 21 à une sonde d'excitation 8 montée dans la 5 paroi du réservoir 2. La sonde 8 introduit dans la cavité du réservoir en milieu favorable à la propagation un signal électrique de fréquence variable dont le balayage en fréquence est déterminé par la commande de l'oscillateur 20. lorsque la cavité du réservoir est excitée par de l'énergie électrique à une fréquence différente d'une 10 fréquence de résonance de la cavité, l'intensité du champ électromagnétique est extrêmement faible. Lorsque l'excitation se fait à une fréquence de résonance, l'énergie électromagnétique peut être emmagasinée dans la cavité. L'amplitude maximum de l'intensité du champ électromagnétique survient donc lcrsqie la fréquence de la source d'ex-15 citation est égale à une des fréquences de résonance de la cavité du réservoir. Les fréquences de résonance ou modes sont par conséquent détectés sans difficulté. Dans le dispositif suivant l'invention les fréquences de résonance dans le réservoir 2 sont prélevées par une sonde de sortie 10 20 qui est identique à la sonde d';excitation 8 et est représentée à la figure 2. le signal sur la sonde de sortie 10 qui est modulé en amplitude par les modes de résonance du réservoir est transmis, par un conducteur 23 à un détecteur à cristal 24. Le détecteur à cristal 24 détecte la modulation d'amplitude des signaux reçus par.la sonde 10 25 qui est engendrée par les modes de résonance. La sortie du détecteur est reliée par un conducteur 25 à un amplificateur 26 puis par un conducteur 27 à un circuit détecteur de crête 28 qui coopère avec l'a»-? plificateur 26 pour fonctionner en détecteur de mode, ainsi qu'avec un circuit de commande automatique de gain 30 par un conducteur 29. 30 La fonction du circuit de commande automatique de gain 30 est la com-ttaiide de l'aaplitode du signal à la sortie de l'oscillateur 20 pour engendrer un signal d'excitation d'amplitude contrôlée. Pour parvenir à ce résultat le circuit 30 envoie un signal de tension appropriée par un conducteur 31 à l'oscillateur 20. 35 Le circuit détecteur de crête 28 a pour fonction la génération d'une impulsion pour chaque crÉfea de signal de façon à faire fonctionner un compteur 16 dans les meilleures conditions. Les impulsions en provenance du détecteur de crête 28 sont transmises par le conducteur 33 au compteur 16 contrôlé par le programmeur 12. Le compteur fait le 40 compte des impulsions qui représente le nombre de modes de résonance 69 05033 ' 2002783 produits dans la bande de fréquence du cycle de balayage. Le signal de sortie du compteur est transmis par un conducteur 35 à l'appareil de traitement de l1information 18 qui est également sous le contrôle du programmeur 12 par un conducteur 17. L'appareil de traitement de 5 l'information 18 est calibré de façon telle que son signal de sortie soit une fonction de la masse du liquide particulier quel'on mesure. La figure 4 illustre la relation représentée par une courbe 52 cyti. relie le nombre de modes au poids d'un fuel type dans un réservoir type pour lesquels l'appareil de traitement de l'information a été calibré. 10 Suivant le mode de réalisation de la figure 2, la paroi 38 du réservoir 2 présente une extension tubulaire 40 agissant en tant que conducteur extérieur d'un cable coaxial ayant .un conducteur filiforme intérieur 42. Le conducteur 42 est représenté comme se terminant sous la forme d'une boucle 43 bien qu'il puisse également prendre la for-15 me d'une sonde droite agissant comme une antenne. L'antenne 43 est empotée dans une substance isolante solide 44 qui peut être avantageusement un polytetrafluorure. L'antenne 43 agit comme une•source d'excitation quand elle est utilisée dans la sonde 8 et comme une antenne de réception quand elle est utilisée dans la sonde 10. 50 20 La figure 3 représente le signal de sortie avec les. modesyqui sont produits dans le cas d'un fuel spatial type dans un réservoir type à l'intérieur d'une bande de fréquences type. Les amplitudes crêtes des modes 50 ne sont pas mesurées mais le nombre des crêtes est simplement compté pour déterminer la masse de fuel liquide dans le réservoir. 25 L'appareil de traitement de l'information 18 de la figure 1 est calibré en liaison avec la courbe 52 de la figure 4 qui s'applique et fournit la masse de fuel directement à partir de l'information reçue sous la forme du nombre de modes. Un circuit 60 permettant la mise en oeuvre'de la méthode de 30 l'invention en employant une technique de réflexion de l'énergie électromagnétique est illustré à la figure 5 en .coopération avec le réservoir 2. Les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner les mêmes organes dans, les figures 1 et-5. Dans le circuit 60 la sonde de prélèvement 10 du circuit 1 est éliminée et la sonde 8 35 fonctionne simultanément comme sonde d'excitation et sonde de prélèvement. Un circulateur à trois branches 62 est interposé dans le conducteur 21 entre.1'oscillateur 20 et la sonde 8; il est en outre connecté au détecteur à cristal 24 par sa troisième branche. Lorsque le circuit 60 fonctionne, la cavité.dans le réservoir 2 43„Aest excitée avec de^l*énergie-électromagnétique, sur une. bande de COPY m- -V 69 05083 2002783 fréquences sélectionnée par la sonde 8. Lorsque cette énergie est à une fréquence différente de l'une des fréquences de résonance de la cavité, asnsible&ent toute l'énergie se retrouve à la sortie sur la sonde 8 en direction du circulateur 62 et le niveau de cette énergie 5 est continuellement détecté par le détecteur à cristal 24. Par contre à une fréquence de résonance, l'énergie électromagnétique est emmagasinée dans la cavité du réservoir si bien que le niveau de l'énergie électromagnétique récupérée à la sortie chute et cette chute de niveau est détectée par le détecteur à cristal 24. 10 Le niveau d'énergie détecté par le détecteur 24 «st représenté schématiquement à la figure 6 dans laquelle le niveau d'énergie détectée aux fréquences autres que les fréquences de résonance est indiqué en 64. Les modes de résonance sont indiqués par les chutes de niveau d'énergie 66 qui sont comptées par le compteur 16 pour four-15 nir l'indication de la masse de liquide dans le réservoir 2. Par conséquent la représentation graphique du signal de sortie sur la figure 6 est l'inverse de celle de la figure 3 mais les deux circuits 1 et 60 assurent néanmoins la même fonction, c'est-à-dire un compte de modes. 20 La méthode et l'appareil de l'invention peuvent également être utilisés pour déterminer le volume variable d'une enceinte métallique qui contient un volume variable de substance métallique. Ceci est représenté à la figure 7 dans laquelle un réservoir métallique est indiqué en 70 comme contenant une vessie métallisée 72 contenant un 25 fluide. La vessie 72 change de forme au fur et à mesure que le volume de fluide contenu varie, d'où il résulte que le volume du réservoir 70 non occupé par la vessie 72 change également. Les sondes 8 et 10 du circuit 1 sont reliées au réservoir 70 comme il est représenté à la figure 7 et l'oscillateur 20 est utilisé pour produire des si-30 gnaux de balayage sur une bande de fréquence prédéterminée pour exciter la cavité du réservoir. Les modes de résonance engendrés dans le réservoir 70 durant chaque balayage de fréquence sont détectés et comptés par le circuit 1 comme décrit précédemment. Chaque variation du volume du réservoir 70 non occupé par la vessie 72 a pour résultat 35 un nombre de modes différent, ce qui permet de calibrer l'appareil de traitement de l'information 18 pour indiquer soit le volume vide du réservoir 70 soit le volume de liquide dans la vessie 72. Ge serait le même cas si le réservoir était partiellement rempli directement avec un liquide métallique tel que du mercure auquel cas le cir-40 cuit 60 serait utilisé pour indiquer par un comptage de modes le 69 05083 9 20Û2783 volume du mercure dans le réservoir 70. On voit donc que grâce à la présente invention une cavité d'un réservoir métallique est excitée avec des signaux d'énergie électromagnétique à des fréquences s'étendant sur une gamme prédéterminée 5 pour occasionner des modes d'oscillations résonants qui peuvent être comptés; le nombre résultant du comptage des modes étant utile de façon variée. Une sonde prélève le signal à la sortie du réservoir qui a la forme d'un signal modulé en amplitude, la variation d'amplitude étant provoquée par les modes d* oscillation. Ce signal est détecté et 10 utilisé pour déclencher un compteur qui décompte le nombre de variations d'amplitudes ou modes produits pendant un balayage au travers de la bande de fréquence par l'oscillateur contrôlé en tension. Le nombre de modes est transmis à un appareil de traitement de l'information pour transposer ce nombre en l'information désirée dans cha-15 que cas. Par conséquent grâce à la présente invention un signal électrique peut être introduit dans un réservoir contenant une quantité inconnue d'un liquide et d'un gaz et en connaissant la relation 52 entre le nombre de modes et le contenu du réservoir, le nombre de modes peut être compté et transposé en information concernant le 20 contenu de liquide. Dans le cas de quelques diélectriques liquides, le pouvoir de polarisation du diélectrique change avec la température. Dans un cas semblable un élément classique sensible à la température peut être ajouté au réservoir 2 de façon à fournir une indication continae de la température du "liquide à l'intérieur. Cet élément 25 est relié à l'appareil de traitement de l'information 18 de façon à modifier le signal de sortie de ce dernier et fournir une indication directe de la masse liquide; autrement l'indication est celle du volume de liquide. Bien entendu 1*invention n'est nullement limitée à la méthode 50 et aux modes de réalisation représentéè"et décrits. Il appartiendrait au technicien d'y apporter de nombreuses modifications sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. 69 05083 10 2002783 Revendications 1 ) Méthode de mesure de la masse de liquide ou du volume variable d'une enceinte métallique à l'intérieur d'un réservoir métallique fermé, caractérisée en ce que: l'on excite le volume délimité par 5 cette cavité métallique fermée avec des signaux d'énergie électromagnétique à une fréquence de balayage parcourant une bande de fréquences prédéterminée; on détecte et compte le nombre de résonances pro-diifces dans cette cavité par les signaux d'énergie électromagnétique sur la totalité de la bande de fréquences. 10 2) Méthode de mesuré suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la bande de fréquences est sélectionnée d'après la géométrie du réservoir métallique fermé et la constante diélectrique du contenu. 3) Appareil de mesure de la masse de liquide ou du volume variable d'une enceinte métallique à l'intérieur d'un réservoir métallique 15 fermé faisant application de la méthode suivant les revendications ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte: un oscillateur de ba]ayags qui produit d'une manière cyclique des signaux de sortie qui varient à l'intérieur de la bande de fréquences présélectionnée et une sonde d'excitation réliée à cet oscillateur pour introduire lesdits signaux 20 dans la cavité. 4) Appareil de mesure suivant la revendication 3» caractérisées ce qu'il comporte une sonde de prélèvement reliée à la cavité à une certaine distance de la sonde d'excitation. 5) Appareil de mesure suivant la revendication 3, caractérisé en 25 ce qu'il comporte un circulateur à trois branches disposé entre et relié à l'oscillateur de balayage et la sonde d'excitation, cette dernière servant également de sonde de prélèvement. 6) Appareil de mesure suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit détecteur de si- 30 gnal modulé en amplitude et un compteur relié à ce dernier. 7) Appareil de mesure suivant les revendications 3 ®t 6, caractérisé en ce qu'il comporte un programmeur relié entre le générateur de balayage connecté à 1'oscillateur et le compteur. 8) Appareil de mesure suivant la revendication 6, caractérisé en 35 ce que le circuit détecteur de signal modulé en amplitude comporte: un détecteur à cristal et un détecteur de crête. BAD OfiJGlN;^