Brevet FR2682185A1 — publié le 19930409

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE VOLUME RESIDUEL DE LIQUIDE DANS UN RESERVOIR FERME La présente invention concerne la mesure du volume résiduel de liquide dans un réservoir fermé sous pression, contenant le liquide et un gaz non 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 d'un champ d'accélaration. 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 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. Dans ce but l'invention propose notamment un procédé selon lequel on modifie le volume limité par le réservoir d'une quantité déterminée, faible par rapport au volu me de gaz contenu dans le réservoir, on mesure la variation de pression correspondante dans le réservoir et on en déduit le volume de gaz et, par différence, le volume résiduel. L'invention est utilisable aussi bien dans le cas d'un réservoir où la pression moyenne diminue progressivement du fait de la consommation de liquide que dans le cas d'un réservoir où la pression moyenne est maintenue sensiblement constante par apport de gaz au fur et à mesure de l'épuisement du liquide. Le premier cas est celui des réservoirs d'ergol utilisés sur les satellites et fonctionnant en "dégonflage" ou "blow-down", l'arrivée de gaz de pressurisation étant coupée de façon définitive à l'issue du fonctionnement du moteur d'apogée alors que le réservoir est à une pression déterminée, par exemple de 17 ou de 18 bars. La variation de quantité peut être effectuée sous forme d'un échelon de volume. Elle peut également être réalisée sous forme d'un créneau ou d'un certain nombre d'alternances. Dans le cas où ces alternances sont à fréquence élevée, il peut être intéressant d'effectuer la mesure en utilisant la transformée de Fourier rapide des variations résultantes de pression, plutôt qu'en partant de l'hypothèse que la mesure est faite à l'état stable. L'invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comportant d'une part une paroi délimitant une cavité reliée au réservoir et déplaçable à volonté entre deux positions pour donner au volume de gaz dans le réservoir une variation faible par rapport à ce volume et d'autre part au moins un capteur de la pression dans le réservoir. En cas d'utilisation pour mesurer le volume résiduel d'ergol dans un réservoir monté sur un satellite, qui est muni d'une canalisation, obturable par une vanne, d'amenée de gaz sous pression déterminée au réservoir et d'une canalisation de puisage d'ergol, les moyens et le capteur sont placés avantageusement sur la canalisation d'amenée, entre la vanne et le débouché de la canalisation dans le réservoir. 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 est une courbe représentative de la variation de pression AP en fonction du volume résiduelle V de liquide dans un cas particulier (Po=18 bars et Au=0,13 litres) - la figure 3 montre un montage possible des moyens de variation de volume et de mesure de variation de pression dans un dispositif du genre montré en figure 2 - la figure 4 est un schéma montrant un montage possible d'un capteur de pression dans un dispositif du genre illustré en figure 1 - la figure 5, similaire à la figure 2, montre la courbe correspondant à une variante. 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 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. Après fermeture de la vanne 22, la pression dans le réservoir 10 diminue régulièrement au fur et à mesure de la consommation de l'ergol 12 et passe par exemple progressivement de 18 bars ou de 17 bars à 5 bars.Ce cas est celui d'un réservoir contenant 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 pression d'au moins t 2,5 litres. Le dispositif montré en figure 1 comporte des moyens 24 permettant de modifier le volume délimité par le réservoir 10, d'une quantité faible par rapport à ce volume, et un capteur de pression 26, généralement constitué par un capteur piézo-électrique de type connu. Dans la pratique, il suffit de variations représentant au moins 1/100 du volume maximum de gaz pour obtenir une précision satisfaisante. En supposant que l'hélium est un gaz parfait, ce qui est exact à la précision recherchée, la pression P, le volume de gaz V et la température T dans le réservoir sont reliés par l'équation classique d'état des gaz parfaits PV = nRT (1) La température est constante dans l'intervalle de temps nécessaire à une mesure, ainsi que n et R. En conséquence, on peut écrire, si on désigne par VO le volume de gaz à un instant donné, par AV la variation de volume imposée par les moyens 24 et par AP la modification de pression V = (K.AV/AP)1/2 où K est une constante. On considèrera tout d'abord un mode de réalisation de l'invention destiné à un réservoir 10 dans lequel la pression est maintenue à une valeur constante, par exemple 18 bars, par apport de gaz à travers le détendeur 20 au fur et à mesure que le volume résiduel d'ergol 12 diminue. Dans ce cas la formule (1) ci-dessus peut stécrire, en tenant compte de ce que AP est très faible par rapport à V = P0 AV (2) AP Cette formule ne fait intervenir que AV, qui est une donnée de construction, et AP et P0 (pression de régulation) qui sont mesurables à l'aide du capteur 26. Le volume résiduel U de liquide est déduit de V par une simple soustraction. Dans le cas particulier évoqué plus haut d'un réservoir de 250 litres et d'une variation de volume AV de 0,125 litre on peut mesurer une quantité résiduelle de 12,5 1 de liquide avec une précision de 2,5 1 à condition de disposer d'un capteur dont l'erreur maximale est de 0,1 mbar, pour une pression de Po=18 bars maintenue par le détendeur. Cette condition est facile à réaliser avec des capteurs piézo-électriques existants. La relation entre le volume résiduel de liquide U et la variation de pression présente l'allure montrée en figure 2. Les moyens 14 peuvent être actionnés alternativement pour diminuer et accroitre le volume, avec une période de l'ordre de la minute. La consommation éventuelle des tuyères pendant un laps de temps aussi court ne trouble pas la mesure. Les moyens 24 peuvent avoir des constitutions très diverses. Dans le cas illustré schématiquement sur la figure 1, ils comprennent un soufflet 27 dont la base est fixée au fond d'une douille 28 reliée à la paroi du réservoir et qui délimite ainsi une chambre qu'une électro-vanne 38 permet de mettre à l'une ou l'autre de deux pressions. L'une des pressions est suffisamment élevée pour que le soufflet soit complètement expansé. L'autre pression est suffisamment faible pour que le soufflet soit complètement écrasé. Dans un autre mode de réalisation, la paroi terminale du soufflet est reliée par une tringle à un actionneur qui peut être électromagnétique ou constitué par une bielle-manivelle. Les solutions qui viennent d'être décrites exigent de traverser la paroi du réservoir, ce qui affaiblit ce dernier et complique sa fabrication lorsqu'il est enveloppé d'un enroulement filamentaire. Dans le mode de réalisation montré en figure 2, les moyens 24 et le capteur 26 sont placés sur la canalisation d'amenée de gaz, en aval de la vanne 22. Les moyens 24 représentés comportent un soufflet 27 dont la face terminale est fixée à un poussoir 32 actionné par une came rotative 34. Comme on l'a indiqué plus haut, le procédé est également applicable dans le cas d'un réservoir fonctionnant en dégonflage, où la pression P0 varie alors au fur et à mesure de la consommation, par exemple de 18 à 5 bars. Dans ce cas la mesure peut être effectuée aussi bien lors d'une diminution de volume dans le réservoir que lors d'un accroissement de volume. Dans le cas d'une pression de départ variable il est nécessaire de déterminer la valeur du coefficient C. Cette détermination peut notamment être effectuée par le calcul. La courbe de variation de AP en fonction du volume résiduel est légèrement différente de la courbe de la figure 2, du fait des variations de la pression. Elle peut notamment, dans un exemple représentatif, être celle de la figure 5, dans le cas d'un réservoir de 250 litres, avec une variation AV de 0,25 litre et un coefficient c égal à 1 188 bar.l. La séquence des opérations nécessaires et les calculs peuvent être effectués par une unité centrale 35 qui commande l'électro-vanne 30 et reçoit les signaux de sortie du capteur 26. Lorsqu'il suffit de mesurer la différence de pression Ap provoquée par une variation de volume AV, on peut utiliser le montage représenté en figure 4 pour le capteur de pression. L'élément sensible 36 est placé entre une chambre 38 en communication directe avec le réservoir et une chambre 40 où la pression ne varie que très lentement, du fait qu'elle communique avec le réservoir par un orifice étranglé 42. La pression dans la chambre 40 ne change pas sensiblement lors des variations rapides de pression provoquées par les moyens 24. Enfin il est possible de faire la mesure à pression variable sans étalonnage préalable : dans ce cas on déduit le volume de gaz des résultats de deux mesures successives des deux variations de pression (AP) obtenues par deux modifications successives du volume limité. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure du volume résiduel de liquide dans un réservoir fermé sous pression contenant le liquide et un gaz non miscible avec lui, caractérisé en ce que : on modifie le volume limité par le réservoir (10) d'une quantité déterminée, faible par rapport au volume de gaz ; on mesure la variation de pression correspondante (ÂP) dans le réservoir ; et on en déduit le volume de gaz et, par différence, le volume résiduel de liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que : on laisse la pression du gaz diminuer progressivement au fur et à mesure de la consommation de liquide ; et on déduit le volume de gaz de ladite variation de pression (bP) en tenant compte de la pression dans le réservoir avant ou après variation. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que : on laisse la pression du gaz diminuer progressivement au fur et à mesure de la consommation de liquide sans la mesurer ; et on déduit le volume de gaz de deux desdites variations de pression (AP) obtenues par deux modifications successives du volume limité, connu et échelonné dans le temps. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on modifie alternativement le volume limité par le réservoir d'une quantité déterminée, dans le sens de l'augmentation et de la diminution ; on mesure les variations de pression correspondantes et on effectue une transformée de Fourier sur le signal de variation de pression, afin de réduire les bruits parasites par filtrage fréquentiel. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la variation de volume est alternativement dans le sens de l'augmentation et de la diminution. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la variation est supérieure à 1/100 du volume de gaz. 7. Dispositif de mesure du volume résiduel de liquide dans un réservoir fermé sous pression contenant le liquide et un gaz non miscible avec lui, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, des moyens (24) ayant une paroi (27) délimitant une cavité reliée au réservoir et déplaça- ble à volonté entre deux positions pour donner au volume de gaz dans le réservoir une variation (AV) faible par rapport à ce volume et, d'autre part, au moins un capteur (26) sensible à la pression dans le réservoir (10). 8. Dispositif selon la revendication 7, destiné à un réservoir comportant une canalisation d'amenée de gaz sous pression obturable par une vanne (22) et une canalisation de puisage, caractérisé en ce que lesdits moyens (24) à paroi mobile (27) sont placés sur la canalisation d'amenée, entre la vanne (22) et le débouché de la canalisation dans le réservoir. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite paroi (27) est constituée par un soufflet actionné par pression d'un fluide ou mécaniquement.