Brevet FR2685084A1 — publié le 19930618

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE VOLUME RESIDUEL DE LIQUIDE DANS UN RESERVOIR SOUS PRESSION A SOUTIRAGE DE LIQUIDE La présente invention concerne la mesure périodique du volume résiduel de liquide dans un réservoir fermé sous pression, contenant le liquide, qui est progressivement soutiré, et un gaz faiblement miscible avec lui. La plupart des dispositifs de mesure de volume résiduel de liquide dans un réservoir utilisent une jauge plongeant dans le liquide sur une profondeur variable suivant le volume résiduel. Ces dispositifs sont en défaut lorsque le liquide ne présente pas une surface libre régulière, orthogonale à la direction dlun champ d'accélération. Or il existe de plus en plus d'applications où l'on se trouve dans cette situation. C'est notamment le cas dans le domaine spatial, où la présente invention trouve une application particulièrement importante, car il est impossible d'utiliser des jauges traditionnelles pour mesurer le volume résiduel d'ergol lors des phases de fonctionnement en apesanteur.Or il est nécessaire, sur un satellite de connaître le volume résiduel afin d'interrompre la consommation d'ergols pour la retenue à poste lorsque la quantité restante est juste suffisante pour envoyer le satellite, en fin de vie, sur une orbite poubelle. En aéronautique militaire, il existe également des situations où les jauges traditionnelles ne donnent pas d'indication fiable. La présente invention vise notamment à fournir un procédé et un dispositif de mesure de volume résiduel répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils permettent de mesurer le volume résiduel quelle que soit la répartition du liquide dans le réservoir. L'invention utilise dans ce but le fait qu'il suffit en général d'effectuer une mesure périodique du volume résiduel, à des instants entre lesquels il y a eu soutirage d'une fraction du liquide. L'invention propose en conséquence un procédé caractérisé en ce que l'on empêche en permanence la pression dans le réservoir de descendre audessous d'une valeur P prédéterminée et en ce que, à chaque mesure : on relie le réservoir à une source du gaz sous une pression qui est supérieure à la pression interne P d'un incrément AP prédéterminé, faible par rapport à P, par l'intermédiaire d'un étranglement de limitation de débit on mesure la durée de venue de la pression interne à P+AP et on en déduit le volume de gaz et donc de liquide. Le procédé est susceptible d'être mis en oeuvre chaque fois que la consommation de liquide entre deux mesures successives est suffisante pour ramener la pression interne de P+AP à P. Etant donné que AP peut être très faible par rapport à P et que souvent les mesures de volume peuvent être très espacées, cette contrainte n'est dans la plupart des cas pas gênante. L'arrivée de la pression interne à P+AP peut être constatée par mesure de pression ou par détermination de l'instant auquel le débit à travers 1 'étranglement cesse. L'étranglement est avantageusement prévu de façon à constituer un col sonique : dans ce cas en effet, le débit qui le traverse ne dépend pas de la différence de pression aussi longtemps qu'elle est suffisante pour que la vitesse d'écoulement reste sonique au col. Dans ce cas, la formule donnant le volume résiduel en fonction du temps d'établissement de la pression P+AP est simplifiée. La présente invention présente un intérêt tout particulier dans le cas d'un réservoir où il est souhaitable de maintenir, jusqu'à épuisement du combustible, une pression sensiblement constante de gaz au fur et à mesure de l'épuisement. Ce cas se présente notamment sur les satellites munis de tuyères de maintien à poste ou de commande d'attitude, qui fonctionnent d'autant mieux qu'elles sont alimentées en ergol sous une pression proche d'une pression de consigne. L'invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'il comprend une source de gaz sous pression, un régulateur-détendeur alimentant le réservoir et constitué de façon à empêcher en permanence la pression dans le réservoir de descendre au-dessous d'une valeur P prédéterminée, des moyens permettant d'admettre du gaz sous une pression P+AP dans le réservoir à travers un étranglement et des moyens de mesure de la durée de passage de la pression interne de P à P+AP. Les moyens permettant d'alimenter le réservoir sous une pression P+dP peuvent être constitués par un organe de modification temporaire du tarage du régulateur-détendeur, faisant passer la pression en aval de ce dernier de P à P+AP . I1 est également proposé une installation d'alimentation des tuyères d'un satellite en ergol comportant, en plus d'un réservoir muni d'une canalisation de puisage d'ergol et d'une canalisation, obturable de façon définitive par une vanne pyrotechnique, d'amenée de gaz sous une pression déterminée au réservoir, un régulateur de détente alimenté par la source, qui dans un premier état empêche la pression dans le réservoir de descendre au-dessous d'une valeur P et, dans un second état où il peut être amené de façon provisoire, alimente le réservoir sous une pression P+AP, le régulateur étant relié au réservoir par l'intermédiaire d'une conduite munie d'un étranglement et d'un capteur de présence de débit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif suivant l'invention (l'échelle n'étant pas respectée), appliqué à la mesure du volume résiduel d'ergol dans un réservoir de véhicule spatial - la figure 2 montre une constitution possible de détendeurs utilisables dans un dispositif selon la figure 1, permettant de fournir un incrément de pression, en coupe suivant un plan passant pas son axe ; - la figure 3 montre, en coupe suivant un plan passant par son axe, une constitution possible d'un capteur de débit utilisable dans le dispositif de la figure 1 ; - les figures 4 et 5 montrent des variantes de réalisation du dispositif suivant la figure 1. Le réservoir 10 montré schématiquement en figure 1 est destiné à contenir un ergol liquide 12. Il est muni d'une canalisation de puisage 14 disposée de façon que les accélérations éventuelles données au véhicule spatial par son moteur de propulsion (moteur d'apogée par exemple) tendent à amener le liquide vers la canalisation de puisage. Cette canalisation est généralement munie de moyens de collecte 16 utilisant les forces capillaires et permettant de disposer en permanence d'un volume d'ergol d'amorçage du moteur d'apogée et/ou de tuyères de pilotage. Le réservoir est également muni d'un système de pressurisation qui comporte une bouteille 18 d'hélium sous haute pression (250 bars par exemple) alimentant le réservoir 10 par l'intermédiaire d'un détendeur 20 et d'une vanne 22. Le détendeur 20 permet de ramener la pression d'hélium à une valeur acceptable pour l'alimentation des tuyères, par exemple 18 bars. Dans la plupart des cas, la vanne 22 interposée entre le détendeur 20 et le réservoir 10 est fermée définitivement à la fin du fonctionnement du moteur d'apogée. La vanne est alors généralement une vanne pyrotechnique, qui garantit une fermeture étanche pendant toute la durée de vie du satellite, qui peut atteindre une quinzaine d'années. Dans une réalisation qu'on peut considérer comme représentative, le réservoir 10 contient initialement 250 litres d'ergol dont les deux tiers sont consommés lors du fonctionnement du moteur d'apogée et dont le dernier tiers est consommé pour les tuyères de maintien à poste, sauf 12,5 litres qui doivent être conservés pour l'envoi sur une orbite poubelle et doivent être mesurés avec une precision d'au moins ≈2,5 litres. Le dispositif montré en figure 1 comporte des moyens permettant, après fermeture définitive de la vanne 22, - d'empêcher la pression P dans le réservoir de descendre au-dessous d'une valeur prédéterminée P pour le fonctionnement normal, - d'amener la pression dans le réservoir 12 à une valeur P+AP pour les mesures de volume résiduel. Dans la pratique, il suffit d'une variation AP représentant au moins un centième de la pression P pour obtenir une précision satisfaisante. Dans une installation que l'on peut considérer comme représentative, la bouteille 18 fournit de l'hélium sous une pression de 250 bars, qui est réduite à 18 bars par le détendeur 20. Les moyens permettant de modifier la pression dans le réservoir sont constitués par un détendeur secondaire 24 empêchant dans son état normal la pression dans le réservoir de descendre à une valeur P=17,5 bars et fournissant à sa sortie, pour la mesure de volume résiduel, une pression P+AP qui est in férieure ou égale à la pression amont, fournie par le détendeur 20. Le volume de gaz dans le réservoir 12 est déterminé en mesurant le temps t nécessaire pour que la pression à l'intérieur du réservoir passe de P à P+AP, par apport de gaz supplémentaire à travers un étranglement 26, lorsque la pression fournie par le régulateur secondaire passe ellemême de P à P+AP. On donne avantageusement à l'étranglement 26 une section S suffisamment faible pour que cet étranglement constitue un col sonique, à travers lequel le débit dépend uniquement de la section jusqu a ce que la différence de pression soit devenue tellement faible que la durée résiduelle n'ait plus d'incidence appréciable sur la mesure. Dans ce cas le débit masse W à travers l'étranglement est donné par W = S. S est la section étranglée de T est la température, Le volume V de gaz dans le réservoir est relié au temps t de passage par la formule V = = (P+hP)B.t) / (AP.M) où M est la masse molaire du gaz, R est la constante universelle des gaz parfaits, ss est une constante de proportionnalité liée aux unités utilisées. La durée de chaque mesure est suffisamment courte pour que la température T reste constante. Dans le mode particulier de réalisation montré en figure 1, la durée t est déterminée par détection de la présence d'un débit d'alimentation du réservoir 10 à partir du régulateur secondaire 24. Pour cela, le dispositif comprend un détecteur 28 contenant un capteur d'écoulement qui fournit un signal électrique à un bloc électronique de mesure 30 aussi longtemps que du gaz traverse le détecteur. Le bloc de mesure 30 commande le détendeur secondaire 24 chaque fois qu'une mesure nouvelle est à effectuer. Un capteur de pression peut être prévu sur le réservoir 10 ou à la sortie du détecteur 28, afin de permettre au bloc de mesure 30 de vérifier, avant toute mesure, que la pression dans le réservoir est redescendue jusqu'a P. Le détendeur secondaire 24 peut avoir la constitution montrée en figure 2, qui ne se différencie de celle d'un détendeur classique que par l'adjonction de quelques composants. Ce détendeur secondaire comporte un boîtier 32 en plusieurs pièces assemblées délimitant un trajet de circulation de gaz suivant les flèches f. Le boîtier contient un siège de clapet 34 destiné à recevoir une bille 36 pour interrompre le passage du gaz. La bille est portée par une tige 38 qu'un ressort 40 repouse vers le siège (34) avec une force faible. Le détendeur secondaire contient des moyens d'ouverture forcée du clapet 36 lorsque la pression en aval est inférieure à une valeur de tarage déterminée. Ces moyens comprennent un flasque 42 interposé entre la bille 36 et un flasque 42 constituant le fond d'un soufflet 44 soumis à la pression qui règne en aval. Le flasque 42 est soumis à l'action d'un ressort principal 46, qui prend appui sur le boîtier, et d'un ressort de tarage 48, de raideur très inférieure à celle du ressort 46, qui prend appui sur un poussoir 50. Pour permettre de modifier le tarage du détendeur, le poussoir 50 est porté par l'équipage mobile d'un électro-aimant 52. Lorsque cet électro-aimant n'est pas excité, le poussoir 50 occupe la position dans laquelle il est représenté en figure 2 : le détendeur fournit alors la pression P. Lorsque l'électro-aimant est excité, il avance le poussoir 50 d'une distance prédéterminée, et soulève alors la bille 36 jusqu'à ce que la pression aval ait atteint la valeur P+AP. Un tel détendeur se différencie essentiellement d'un détendeur traditionnel par la présence des moyens de modification temporaires du tarage, constitués par le ressort de tarage additionnel 48, le poussoir 50 et l'électro-aimant de commande 52 prévu pour être excité par le bloc de commande 30 pendant les intervalles de temps nécessaires aux mesures. L'étanchéité entre les différents composants est assurée par des joints. Le détecteur 28 peut avoir la constitution montrée en figure 3. Dans ce cas il comprend un corps 54 dans lequel est ménagé un trajet de circulation suivant les flèches f. Sur ce trajet est interposé un élément mobile 56 destiné à être entraîné par l'écoulement contre l'action d'un ressort de rappel 58. Une vis 60 peut être prévue pour tarer l'effort de rappel. Les déplacements de l'élément 56, à partir de la position de repos où il est représenté en figure 3, sont détectés par un capteur électro-magnétique 62 fournissant un signal de sortie au bloc 30. Le fonctionnement du dispositif apparaît immédiatement : pour effectuer une mesure, l'électro-aimant 52 est excité, pendant une durée supérieure à celle nécessaire pour que la pression P+AP s'établisse dans le réservoir. Le bloc 30 mesure le temps qui s'écoule depuis le début de l'apparition d'un signal indiquant un écoulement à travers le détecteur 28 jusqu'à la fin du signal. Un circuit de calcul continu dans ce bloc en déduit le volume de gaz et, par différence, le volume résiduel de liquide. Sur la figure 4, qui montre une variante de réalisation de l'invention, les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence. Les éléments indispensables dans cette variante sont représentés en traits pleins, alors que ceux qui sont simplement optionnels sont indiqués en traits mixtes. L'installation de la figure 4 comprend encore un régulateur-détendeur 20 destiné à réduire la pression de l'hélium contenu dans la bouteille 18 jusqu'à une valeur prédéterminée. Ce régulateur, qui n'intervient que pendant la phase initiale de fonctionnement, lorsque le débit d'ergol consommé est important, peut être un régulateurdétendeur pneumatique simplifié ou un régulateur électronique. Une vanne pyrotechnique 22, initialement ouverte, est fermée après la phase initiale mentionnée ci-dessus, est avantageusement interposée en aval du régulateurdétendeur 20. Le dispositif de mesure montré en figure 4 comporte encore un régulateur-détendeur secondaire 24a, constitué cette fois par une électro-vanne normalement fermée, commandée par le bloc de mesure 30. La sortie de l'électrovanne est reliée, par l'intermédiaire d'un étranglement 26 et de moyens de mesure 28a, au réservoir 10. L'électro-vanne peut notamment être commandée par des impulsions de rapport cyclique variable, à fréquence élevée, de façon à générer, en amont de l'étranglement 26, une pression qui est soit la pression normale de fonctionnement P, soit (pendant la durée d'une mesure) la pression P+AP. Un capteur de pression 64 peut être prévu dans le trajet d'alimentation du réservoir 10 à partir de l'un ou l'autre des régulateurs. Les moyens de mesure 28a sont prévus pour determi- ner la durée nécessaire à l'accroissement de la pression dans le réservoir de P à P+AP, à partir de l'instant où la pression de sortie du régulateur-détendeur secondaire 24a passe de P à P+AP. Les moyens 28a montrés en figure 4 mesurent pour cela la pression différentielle entre un compartiment 66 en communication avec le réservoir et un compartiment 68 qui en est séparé dès le début de la mesure par fermeture d'une électro-vanne 70. Un capteur de pression différentielle 72 est interposé entre les deux compartiments. Il faut remarquer que le débit qui traverse le circuit de mesure comprenant le régulateur-détendeur secondaire 24a, l'étranglement 26 et les moyens de mesure 28 est toujours très faible. Tous les composants de ce circuit peuvent en conséquence être de faible dimension et les canalisations peuvent elles-mêmes être de très faible diamètre. L'installation montrée en figure 4 peut être complétée par une vanne pyrotechnique supplémentaire 74 permettant d'isoler totalement le réservoir 10, qui fonctionnera alors en dégonglage pour le reste de sa durée d'utilisation. I1 est également possible de prévoir une électro-vanne réversible 76 constituant un régulateur à haut débit, débouchant en amont de la vanne pyrotechnique 22 puisqu'elle n'intervient que pendant la phase initiale de fonctionnement. L'installation peut comporter deux dispositifs de mesure identiques, dont l'un constitue un système de secours et n'est mis en service qu'en cas de défaillance du premier qui est alors isolé. La figure 5 montre une telle installation dans laquelle un seul des deux systèmes 78a est représenté en détail. Le second système 78b est identique. Chacun des systèmes a une constitution similaire à celle déjà montrée en figure 4. Mais il comprend de plus une électro-vanne d'isolement amont 80. I1 peut comporter également une vanne pyrotechnique supplémentaire d'isolement aval 82. Dans le système de mesure utilisé en fonctionnement normal, la vanne pyrotechnique 80 (ainsi que la vanne pyrotechnique 82 si elle est prévue) est ouverte avant fonctionnement. Elle est fermée de façon définitive lorsque le système doit être isolé. Inversement, les vannes pyrotechniques incorporées dans le système 78b sont à l'état normalement fermé. Elles s'ouvrent lorsqu'elles sont actionnées, pour mettre en service le système 78b. On donnera maintenant un exemple chiffré de réalisation d'un dispositif, destiné à une installation comprenant un réservoir 10 ayant une contenance de 250 litres. La section de passage adoptée S était de 0,184 mm2 et la différence de pression AP de 17 millibars. Pour une température de fonctionnement de 273 K, une pression P de 17,5 bars, avec R=8,31 joule/mole.K et M=4 g/mole, le volume V de gaz est donné par V = 106,5 t. Le volume de liquide s'en déduit immédiatement par différence. Les exemples donnés ci-dessus ne sont évidemment pas limitatifs. En particulier la section étranglée peut varier dans des limites relativement larges, bien que pratiquement elle soit toujours d'au moins 0,1 mm2 et inférieure à 1 mm2. La pression AP peut également être supérieure ou inférieure à 17 millibars. Dans la pratique, AP sera généralement de l'ordre de du millième de la pression P mais peut cependant être choisie à une valeur plus élevée, notamment pour que l'étranglement constitue un col sonique pendant la partie prépondérante de la durée de mesure. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure périodique du volume résiduel de liquide dans un réservoir fermé sous pression contenant le liquide, qui est progressivement soutiré, et un gaz faiblement miscible avec lui, caractérisé en ce qu'on empeche en permanence la pression dans le réservoir (10) de descendre au-dessous d'une valeur P prédéterminée et en ce que, à chaque mesure : on relie le réservoir à une source du gaz sous une pression qui est supérieure à la pression interne P d'un incrément ÂP prédéterminé, faible par rapport à P, par l'intermédiaire d'un étranglement de limitation de débit on mesure la durée de venue de la pression interne à P+AP et on en déduit le volume de gaz et donc de liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arrivée de la pression interne à P+AP est constatée par mesure de pression ou par détermination de l'instant auquel le débit à travers l'étranglement cesse. 3. Procedé selon la revendication 1 ou 2, caractérise en ce que l'étranglement est prévu de façon à constituer un col sonique. 4. Dispositif de mesure périodique du volume résiduel de liquide dans un réservoir fermé sous pression contenant le liquide, qui est progressivement soutiré, et un gaz faiblement miscible avec lui, caractérisé en ce qu'il comprend une source de gaz sous pression (18), un régulateur-détendeur (24,24a) alimentant le réservoir (10) et constitué de façon à empêcher en permanence la pression dans le réservoir de descendre au-dessous d'une valeur P prédéterminée, des moyens permettant d'admettre du gaz sous une pression P+AP dans le réservoir à travers un étranglement (26) et des moyens de mesure de la durée de passage de la pression interne de P à P+AP. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens permettant d'alimenter le réservoir (10) sous une pression P+P sont constitués par un organe (52) de modification temporaire du tarage du régulateurdétendeur, faisant passer la pression en aval de ce dernier de P à P+AP. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la durée de passage de la pression interne de P à P+AP comprennent un capteur d'écoulement (28) ou un capteur de pression différentielle (28a). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur de débit comporte un élément (56) soumis aux actions antagonistes de l'écoulement de gaz et d'un ressort de rappel (58) et comporte un capteur (7) fournissant un signal électrique lorsque l'élément (56) est hors de la position de repos vers laquelle il est ramené par le ressort. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure de pression différentielle comprennent un premier compartiment (66) en communication permanente avec le réservoir (10), un second compartiment (68) muni de moyens (70) permettant de le séparer du premier pendant la durée de chaque mesure, et un capteur (72) de détection de la pression différentielle entre les compartiments (66,68). 9. Installation d'alimentation des tuyères d'un satellite en ergol comportant un dispositif selon lune quelconque des revendications 4 à 8. 10. Installation d'alimentation des tuyères d'un satellite en ergol comportant un réservoir (10) muni d'une canalisation de puisage d'ergol (14) et d'une canalisation, obturable de façon définitive par une vanne pyrotechnique (22), d'amenée de gaz sous une pression déterminée au réservoir, caractérisée en ce qu'elle comprend, de plus : un régulateur-détendeur (24) alimenté par la source, qui dans un premier état empêche la pression dans le réservoir de descendre au-dessous d'une valeur P et, dans un second état où il peut être amené de façon provisoire, alimente le réservoir sous une pression P+P, le régulateur étant relié au réservoir par l'intermédiaire d'une conduite munie d'un étranglement (26) et d'un capteur (28) de présence de débit, et des moyens (30) de mesure de la durée de passage d'un débit.