Brevet FR2640748A1 — publié le 19900622

DE LICJIDE A SEIBILITE ELEVEE AU VOISINAGE DU ZERO ta présente inventiona coerne des agMcements de détection de liquide et plus particulièrent de tels agenoments utilisant des détecteurs él1ect rnautiques. Dans de rnombreux cas, il est beaucoup plus imrtant de conraitre la quantité de liquide dans un récipient quarnd celui-ci est presque vide que quarnd il est presque plein. Le problème est particulièrement net quarnd un événement indésirable compone l'qtuisement du liquide et/ou quarnd des techniques de moesure à étranglement, telles qu'une partie à fond étroit d'un récipient dans lequel le liquide restant repose, ne fonctionnent pas. Un exemple d'un cas o le problème précédent se pose est le cas d'un système de commande d'attitude de satellite utilisant des jets de gaz ou des propulseurs. Le gaz des jets ou le carburant des propulseurs est habituellement stockê sous forme liquide dans des récipients ou réservoirs sur le satellite. Quarnd le gaz cu carburant est complètement utilisé, la plupart des satellites ne fncrtionnent plus ou souffrent au moins de capa- cités rixtablement dégradées. En autre, en l'absence de gravité pDur rassembler le liquide dans le réservoir, oelui-ci tend à se répartir en réponse à d'autres forces. Le terme carburant est raleent utilisé ici pour désigner le contenu en fluide du réservoir, que le liquide doivent être considré strictemeint comeu un carburant ou non. La durée pendant laquelle une charge fluide particu- lière assurera le fnctionnement d'un satellite ne peut pas être predite de façon précise car elle dépend de conditions d'environ- nement, telles que la pression du vent solaire et les fluctua- tions magrnétiques. En outre, la quantité exacte de carburant uti- lise au cours de chaque marneuvre dépend également des caracté- ristiques exactes des dispositifs de commxnde qui peuvent légère- ment varier en fncition du btçps et de il 'envir ent. Ainsi, la quantité exacte de carburant restant dans un engin spatial devient moins bien connue tandis que le temçps s'écoule, à moins qu'un processus de moesure adapté soit utilisé. A la fin de la durée de vie d'un satellite gostation- naire, par exemple, le carburant restant est utilisé pour l'enle- ver de sa position orbitale affectée de sorte qu'un satellite de remplacement puisse être utilisé à oette position orbitale. Pour autant que l'on cxnfère à l'ancien satellite une vitesse suf- fisante pour qu'il évacue les régions intéressantes, peu importe la vitesse supplémentaire qu'il lui est conférée. Si la quantité de carburant restant dans les réservoirs à l'instant o il est éjecté de sa position orbitale dépasse la quantité récessaire, le carburant en excès pourrait avoir été utilisé pour obtenir une durée utile supplémentaire en orbite. Comme la quantité de carbu- rant requise pour rester en poste est très faible, des mois de durée de vie utile éventuelle pourraient être gaspillés si l'éjection de la position orbitale survenait trop tôt. Par contre, si la décision est prise trop tard, il peut rester insuf- fisamment de carburant pour amener le satellite à être enlevé de sa position orbitale et la position orbitale qu'il occupe peut ne pas être utilisable pour un satellite de remplacement. Le poids des satellites de comunication est étroite- ment ccntrôlé pour conférer la plus grande charge possible de carburant pour le maintien en station, fournissant ainsi la plus grande durée de vie utile possible. Pour un satellite munni de 24 émetteurs-récepteurs qui sont multiplexés en polarisation pour fournir 48 canaux de communication effectifs, la valeur du carbu- rant utilisable supplémentaire peut être de plusieurs millions de dollars par mois supplémentaire de durée de vie utile. Ainsi, il est très intéressant de pouvoir déterminer la quantité de cerburant restant. ToUtefois, la mesure est rendue complexe car, dans des cxnditions d'apesanteur, le carburant s'étale dans le réservoir. Pour empêcher le carburant de se formar en billes dispersées dans le réservoir, les réservoirs oomprernt une ou plusieurs bardes périphériqt3s mnces près de la surfaoe interre du réservoir. Ces bardes captent la bulle centrale qui tend à se former, mantenant le carburant restant cotre les parois extérieures et les bandes. Puisque le carburant restant au voisinage de la fin de la durée de vie a un relativement faible volume en comparaison du volume du réservoir, des procédés de mesure qui cornparent des volumes marquent de sensibilité au voisinage de la fin de la durée de vie d'un engin spatial, quand le réservoir est presque vide, c'est-à-dire quand la précisica est la plus utile. De façon similaire, des procédés qui dépendent de la masse de carburant marquent de sensibilité en raison de l'effet croissant de la masse du réservoir et des objets envircnnants. La forme extrm- menit irrégulière du carburant tandis qu'il a e par tension de surface au réservoir et aux bandes périph4riqoes oomplique encore le problàmx. De plus, la dimension et le poids d'un détecteur de carburant ne doivent pas être assez grands pour que le carburant sçplâmentaire qu'il déplce_ à partir de l'engin spatial dépasse la quantité supplgmntaire de carburant rendue utilisable par une connaissance de la quantité réelle de carburant restant. Selon l'invention, un agxement de ligne de transmis- sion életomagrtique qui s'étend dans un récipient présente un champ éluctrcngitique qui s'étend dans le liquide. les caractê- ristiques de l'agexnmt de la ligne de transmission sont affecées par un e rsque du liquide telle la o-nstante diélectrique et/ou les cra béristiques de perte. L'agenoement de ligoe de transmission est alLmenté et ses caracéristiques mesu- rées pour établir la quantité de liquide restant. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en perspective d'un réservoir de carburant sphrique, partiellement écorchd pour révéler une barxnde ou vannre interne à lauelle le carburant adhere par effet de tension de surface; les figures 2a, 2b et 2c illustrent, en coupe, le réservoir et la vanne de la figure 1, montrant la distribution du carburant dans diverses conditions de volume résiduel, l'épais- seur des vannes est exagérée par souci de clarté; la figure 3 est une vue de dessus de la vanne des figu- res 1 et 2 dans une coupe du réservoir; la figure 4 est une vue développée de l'o-gencent de la figure 3; la figure 5 illustre l'agaxement de la figure 4 connecté à une ligne de transmission; la figure 6 représente des connexions à la ligne de transmission de la figure 5; les figures 7a, 7b et 7c sont respectivement des vues de dessus, en coupe, et de c5té d'un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la vanne est un diéleaique métallisé définissant de ncmbreuses lignes de transmission à micreabdes; la figure 8 est un détail de la figure 7b illustrant une modification pour plus de sensibilité; et la figure 9 représente un genement pour modifier une vanne existante pour la présente invention. La figure 1 est une vue en perspective d'un réservoir de carburant sphérique (10), partiellement é_ch- pour indiquer une vanne ou ceinture périphérique irnterre 12. Le bord externe de la varnne 12 est espacé d'un petit intervalle 11, ayant typique- ment une valeur S de quelques millièmes de cm (quelques millimes de puces), de la surface interne du réservoir 10 qui a un diamo- tre D. La partie interne de la vanne 12 définit un cercle dont seulement la moitié peut être vue, ayant un diamotre d. Le diamè- tre interne d de la vaxre 12 est de préférence dcoisi pour être aropin8tiveist égal au diamètre de la bulle restant dans le réservoir de carburant après qu'il est chargé par sa charge ini- tiale de carburant. La balle peut, mais ne doit pas rkcessaire- menit, contenir un gaz saus pression. Dans l'espaoe, quarid les foroes de gravitation sont faibles ou pratiquement rulles et que les foroes liées à la tension de surfa&e sont dominantes, la bulle s'attche d'elle- mâme au bcxrd interne de la vanrm 12 car elle essaye de minimiser sa surfaoe. Tandis que le carburant est oczmx3m et que la bulle graniit, elle reste fixée à la vanne. 'En d'autres termes, le carburant adhère au se colle aux parois et & la vanne. L'espacement entre la vanns 12 et le réservoir 10 d'une valeur S tend à maintenir les dernières quantités restantes de carburant entre la vanne et la surface du réservoir par tension de surface. Une sortie de carburant 13 womnrnique à travers la paroi du réservoir 10 avec l'intervalle li de façon à extraire la dernière quantité restante de carburant. La figure 2a représent une vue en coupe du réservoir et de la vanne 12 avec une quantité notable de carburant restant, la figure 2b représente la même oupe avec mooins de carburant restant, et la figure 2c représente une quantité mini- male de carburant. (Les épaisseurs des réservoirs et des vannes dans les figures ne sont pas traes à l'échelle). En figure 2a, la quantité des carburant est désignée par 14 et le volume vide en forme de bulle sphénmrique déformée par 16. En figure 2b, le carburant oontre la surface interne du réservoir 10 a l'épaisseur minimale, mais, prés de la vaxxe 12, la présenxe des deux sur- faces auxqulles le carburant peut adhérer crée uns aocumlation en forme de ménisque. En figure 2c, le carburant restant a migré vers l'intervalle fin S et adhère aux bords de la vanse et à la surfaoe de parois adJace&tes du réservoir 10 d'o il peut être extrait par la corduite de sortie 13. La figure 3 est une vue en co:pe du réservoir 10 mon- trant la vue en plan de la vanne 12 dans oe réservoir et l'inter- valle circulaire 11 cxuiniquant av la sortie 13. La figure 4 est une vue cldvelcçipée de la varre et du réservoir de la figure 3. En effet, la figure 4 oarrespond à la structure de la figure 3 o:upée le lcrU de la ligne en pointiliés et dépliée ou rendue droite. Alors que ceci peut être fait dans des buts d'explication, il est évident que cela ne peut pas être fait sur un réservoir et une vanne pysique. En figure 4, on peut voir que la structure ressemble à une ligne de transmission à microbandes avec une bande formne par la vanne 12 espacée de l'intervalle S d'un plan de masse plus large formé par la paroi du réservoir 10. La lcngueur de la ligne est la r-rconférexne C soit w fois le diamètre D du réservoir 10. La figure 5 représente la structure dcvelo-pée de la figure 4 avec l'addition d'une souroe de signal 22 qui peut être une souroe de signaux micrcondes. Cet ageocement est ommode dans un engin spatial car une source de microcdes à basse puissance est déjà disponible dans d'autres buts dans l'engin spatial, et la vanne 12 de l'art antérieur assure une fcncticn méanique et nxn une fonction éleLtrique. En conséquence, la varre 12 peut être constituée de tout matériau ayant des prcpriétés mécaniques appropriées, pour autant qu'une partie est acnduLrzioe et qu'une partie (cormrme la ligne de coupe 20 de la figure 3 au les extrêmes gauche et droit de la figure 4) est non conductrice. Ainsi, la vanne 12 pcurrait être faite d'une matière plastique m-ta11isée de faqon appropriée. Avec l'agoement de la figure 5, l'intervalle G entre le réservoir de plan de masse 10 et la varre coducLtrice 12 contiendra du carburant quard le réservoir contient du carburant mais sera vide quard tout le carburant est cnsar,é. Puisque le carburant a des caractéristiques diélectriques et/ou de pertes différentes du vide, diverses caractéristiqres de la ligne de transnission 11 ainsi formées varient en fcrtion de la présence cu de l'absence de carburant. Eh préseroe de carburant, la cons- tante diélectrique du carburant augTente la capacité effective entre la vanne 12 et le réservoir 10, réduisant ainsi 1'iLpédance car&téristique de la ligne de transmission 11 ainsi formée. Si une mesure de 1'impféae caractéristique est réalisée, la pré- sence ou l'absence de carburant dans l'intervalle, sinon la quan- tité de carburant restante, peut être determinée. Toutefois, un apareil de mesure d'ỉqDdarx caracté- ristique peut être trop ermbrant lourd ou oomplexe. Si une Içpédance de charge 24 est connectée à l'agcmennt de la figure 5 et est adaptée à l'impédace caractéristique déterminée par la structure de bande 12 et de plan de messe 10, de l'énergie circu- lera de la souroe 22 à la charge 24 selon le mode normal des lignes de transmission. Si l'impédance caractéristique de la charge 23 diffère de oelle de la ligne de transmission 11, la puissance diminuera puisque des réflexions surviennent au point de racorxdement entre la ligne de transmission 11 et la charge 24. Si la résistance de charge 24 comprend ou fait partie d'un système de mesure de puissance, une indication directe de la prsence ou de l'absence de carburant dans l'intervalle de la ligne de transmission 11 est possible. On sait que la présence de réflexions du signal per- turbe les tensions au niveau de la source et de la charge. En COnEséquenOe, l'agncement de la figure 6 utilise des coupleurs direRicrinels pour réduire les effets de la réflexion. En figure 6, la source 22 oamrend une résistance interne 22' égale à oelle de la ligne de transmission 11 en présence de carburant dans l'intervalle entre la bande 12 et le plan de masse 10. Celle-ci peut être de 50 ohms, par exemple, une imiédance standard pour laquelle des équipements sont facilement dispcnibles. Un coupleur directionnl à 50 ohms 26 couple la plus grande partie de l'ner- gie vers la ligne de transmission 11, et un échantillon de plus faible puissance connu vers un mesureur ou indicateur de puis- sanoe 30. Un coupleur directionnel à 50 ohms 28 couplé entre la sortie de la ligne de transmission 11 et la charge 24 couple la plus grande partie de la puissance reçue à partir de la ligne de transnission 11 vers la charge 24 et une partie prédtermirn vers l'irdicateur de puissance 30. L'indicateur de puissance 30 peut être un sirmple détecteur à dicodes qui peut être caouplé de fatzn alterrée pour recevoir du signal à partir des Ioupleurs directionnels 26 et 28. En présence de carburant dans l'intervalle de la ligne de transnission 11, et avec une ligne de transission 11 dinen- sionnre pour avoir, par exemple, une impédance de 50 chms dans ces conditions, un système arde existe, et les coupleurs directionnels 26 et 28 recevront dchaun environ la même quantité d'énergie. Si chacun a le nmême facteur de couplage (par exemple dB), l'irndicateur de puissance 30 présentera la même sortie quand il est connecté de façon alternée aux coupleurs direction- nels 26 et 28. Toutefois, en l'absence de carburant, un désaccord existe et les puissances relatives différeront et proqoerx-ont des sorties différentes de l'indicateur 30, indiquant ainsi une absence de carburant dans l'intervalle. Commaie cela a été décrit jusqu'à maintenant, une seule indication est possible, à savoir la présence ou l'absence de carburant dans l'intervalle, ce qui correspond à la plus petite quantité de carburant avant que l'engin spatial soit en panne de carburant. L'agencement de la figure 7 fournit des indications pour divers niveaux distincts de carburant. En figure 7a, la vanne 12 est formée d'un diélectrique métallisé 36. La ccnfigu- ration des métallisations oomprend un plan de masse 38 et une pluralité de bandes 40, 42, 44, 46...50. La figure 7b est une vue de face, montrant que ces parties métallisées 40... 50 sont allongées et parallèles les unes aux autres. La figure 7c repré- sente chacun des oxnducteurs en bande 40...50 couplés à travers la paroi du réservoir 10 par des onnecteurs d'alimentation coaxiaux 60...70 (seuls les Doenecteurs 60, 62 et 70 sent repré- sentés) qui empichent une fuite de carburant, et couplent le plan de masse 10 au plan de masse 38 et le conductaur central à la bande associée 40...50. Ainsi, l'une quelconque des bandes 40...50 peut être alimentée Ment de toute autre. Tles extrémités éloignées des barndes peuvent également être couplées à travers la paroi 10 de façon similaire à oe qui est représenté en figure 7c. Chacun des correcteurs coaxiaux est connecté électri- quement à un circuit 75, tel qu'un multiplexeur, qui relie sélec- tivement les paires de bandes à des dispositifs d'alimentation et de charge. Dans l'agenoement de la figure 6, si le dispositif 75 est un multipleeur, par e pe, un seul multiplexeur pourrait être interposé entre les élêments de ligne de transmission 10 et 12 (et les autres banrdes) et le coupleur directioerel 26 sur la première extremité, et un autre multiplexeur pourrait être inter- posé entre les autres extrémités des éléments 10 et 12 (et les autres bandes) et le coupleur 28. A titre de variante, le dispo- sitif 75 pourrait répcndre en continu aux signaux sur chaque paire de bandes formant les lignes de transmission, l'indication étant produite par une comparaison de ces signaux. Il est bien ocnnu que deux ondiuteurs à bandes paral- lèles tels que oeux illustrés en figure 7 ont un couplage qui change selon la constante diélectrique du milieu de séparation. La présence de carburant plutôt que de vide, de vapeur, ou de gaz sous pression produit oe changement. D'autres facteurs sont éga- lement impliqués, tels que la fréquence de fonctionnement, la longueur des bandes et leur niveau d'impédane relatif, mais oeux-ci sont des constantes de conception qui peuvent être contrôlées. Quand le carburant est à un niveau particulier, tel que le niveau indiqué par la ligne en pointillés 72, il n'y a pas de carburant dans l'intervalle entre les barndes 48 et 50, de sorte que le couplage entre celles-ci sera faible. Par contre, il y aura enore un couplage relativement élevé entre les bandes 44 et 46, 42 et 44, et 40 et 42. Ainsi le niveau de carburant est connu avec la prcisiton d'une largeur de bande et d'un inter- valle. La figure 8 est une vue en coupe d'une variante de l'agenoement de vanne 12 illustré en figure 7 dans laquelle le matériau diélectrique 106 est creusé enLtre les bandes de métal- lisation 46, 48, 50, etc. pour augmenter la sensibilité à la prOseoer de fluide. La figure 9 représente un agencement dans lequel une bande diélectrique 90 portant des csathturs mItallisés 92, 94, 96 est fixée par un adhésif à la vanne existante 12 d'un réser- voir 10. La vanne 12 dans oet agenst peut être en métal ou autre matériau conducteur parmi lesquels le titane est fréquemn- ment utilisé en raison de son faible poids et de sa forte résis- tance mécanique. Une telle bande métallisée est très légère et ne déplace pratiquement pas de fluide. D'autres modes de réalisation de l'invention apparai- trLct à l'homme de 1'ert. Par exemple, le carburant tend à s'accuuler dans les coins des vannes croisés selon une forme hyperbolique. Les lignes de transmission peuvent être courbes pour suivre la forme attendue, pour donner une irndication plus positive du niveau. Une autre caractéristique d'une ligne de transmission peut être mesurée, telle que la longueur effective, la crpaité, 1' impdanc caractéristique, ou couplage mutuel, les pertes, etc. Alors que la mesure de "carburant" a été dérite, l'invention s'applique également à la mesure de comburant ou d'autres fluides, ainsi qu'à des réservoirs ayant des formes autres que sphériques et à des réservoirs sans vanne. En outre, on envisage par exemple que l'intervalle 11 ne soit pas rcessairemsent uniforme. Par exemple, en figure 3, on peut rendre l'intervalle plus petit au voisinage de la sortie 13 et plus grand aux points éloignés de oette sortie. Tout effet que cette intervalle non uniforme peut avoir sur la mesure de niveau de carburant peut êtLre élimiré quand l' nrment de mesure est étalonneé. En outre, le carburant n'a pas besoin d'être non conducteur si un revêtement mirnce, faiblement diéletrique, tel que la couche 98 en figure 9 est utilisé pour isoler le fluide des ornducteurs de la ligne de transmission. REVEDICATIOh 1. Agencement de mresure d'un liquide dans un réservoir, csractérisé en ce qu'il comprend: au moins une ligne de transmission électrcmagnrtique s'étendant dans le réservoir (10), les champs de cette ligne de transmission s'êtendant dans la région de stcage du liquide de oelui-ci; et des moyens (26, 28, 30) pouxr moesurer une caractéris- tique dans la ligne de transmission qui dépend de la présence ou de l'absence liquide au voisinage de la ligne de transmission. 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en oe que les moyens de moesure sont sensibles au signal électro- magnétique à une extrémité de la ligne. 3. Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de nesure sont sensibles au niveau de puissance du signal éle ceagnétique. 4. Agenement selon la revendication 1, caractérisé en oe que les moyens de mesure sont sensibles aux signaux électro- magnatiquas à ladite première extrmité et à l'autre extrémité de la ligne de transmission. 5. Agencemnt selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont sensibles au niveau de puissance relatif des signaux électri, gntiques auxdites première et autre extrémits. 6. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en oe que les lignes de transnission comprend: un premier concteur dispos sur une surfaoe interne du réservoir (10); et un second conducteur disposé sur une structure (12) mcntée en relation d'espacement par ros rt à ladite surface interne du réservoir. 2-640748 7. Agenocment selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une seconde ligne de transmission formée dudit second conducteur (40) et au moins un troisièe conducteur (42...50) disposé sur la structure. 8. Agernoment selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de moesure curennent: une source de signaux électrcmagnétiques (22) couplée à une première extr;mité de la ligne de transLission (10, 12); un dispositif de terminaison (24) couplé à une auLtre extrémité de la ligne de transmission; et des moyens sensibles au signal électrcmagnrétique à l'une des extrémités de la ligne de transmission pour fournir une indication de oette Ccaractéristique. 9. Agencement selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens pour fournir une indicaticn comptrennent un coupleur directicnnel (26, 28) couplé entre la ligne de transmis- sion et la source (22) ou la charge (24), et un détectbaur (30) couplé au coupleur directionnel pour fournir ladite indication. 10. Agerceent pour mesurer le niveau de liquide dans un réservoir de stockage de liquide couprenant une structure interne espacée d'une surface interne du réservoir, dans lequel un liquide stocké dans le réservoir tend à s'accmuler dans l'espace entre la structure et la surface interne, caractérisé en ce qu'il comprend: une ligne de transmission électromagnrtique ayant un premier corduicteur disposé sur ladite surface interne (10) et un second conducteur formé sur ladite structure (12), le champ de la ligne de transmission s'étendant dans ledit espace; des moyens (22) pour appliquer une paissance électLo- magnétique à la ligne de transmnission; et des moyens sensibles à l'énergie électromagnétique introduite pour mesurer une caractéristique de la ligne de trans- mission qui dépend de la présence ou de l'absence du liquide dans ledit espace. il. Agemmnmt selon la reveadication 10, caractérisé en oe que le secxnd cExhixeur (12; 40) s'étend selon un bord de ladite structure qui définit l'espace ent la struture et la surfaoe interne. 12. Agencement selon la reverdication 10, caractérisé en oe qu'il cmcprend en autre au ooins une ligne de transmission sç1êitaire int un troisième oducteur (42... 50) disposé en relaticri de ligna de transmissicxn avec le secxn3 oCdcrÉUeur o 13. Agenament selon la revedicaticn 12, caractérisé en oe que le second conduztaer s 'étend le lcrg d 'iun bord de la structure qui définit 1 'espaoe entre la structure et la surfaoe interne et le troisième conduteur est sensiblement uniforéent séparé du seocd onutseur. 14. Agencement selon la revendication 13, caractérisé an ce que les secxnd et troisième ooducteurs sont sensiblement parallèles. 15. Agerxx- mt selon la revedication 13, caractérisé en ce que les tooyens de mesure (26, 28, 30) coeprennent des nryens sensibles aux signaux électromanrétiques respectifs à une exutrnité respective de chacune des lignes de trsmissio n pour fournir une indication de oette caractéristique. 16. Agencement selon la revendication 13, caractérisé en oe que les seonrd et troisièMe ccrúhàcteursx ociçprenrnmt des. bandes nétallisées (40... 50) formes sur une couche diélectrique (36) qui est fixée à ladite st ture. 17. Agencement selon la revendicatice 16, caractérisé en ce que la cxuce diélectrique (36) est creusée dans la région cuprise entre les bandes métallisées.