Brevet FR2748085A1 — publié le 19971031

PROCEDE ET DISPOSITIF DE REMPLISSAGE D'UNE ENCEINTE TELLE QUE NOTAMMENT UN BALLON STRATOSPHERIQUE EN VUE DU LANCEMENT DE CE DERNIER, AU MOYEN DE BOUTEILLES DE GAZ. L'invention concerne un procédé et un dispositif de remplissage d'une enceinte telle que notamment un ballon stratosphérique en vue du lancement de ce dernier, au moyen d'un gaz renfermé dans une pluralité de bouteilles identiques reliées par une conduite dotée d'une vanne de sortie d'alimentation. La méthode actuellement utilisée pour définir la quantité de gaz à introduire dans un ballon stratosphérique, en vue du lancement de ce dernier, a un caractère essentiellement théorique. Elle repose sur la connaissance du volume des bouteilles à mettre en jeu, sur la mesure de la pression initiale et de la pression finale de ces bouteilles, et sur une loi théorique de refroidissement du gaz. Une telle méthode donne satisfaction lorsque la procédure de gonflage se déroule de façon classique. Toutefois, du fait qu'elle se fonde sur l'application d'une loi théorique de refroidissement du gaz, elle introduit un aspect simplificateur qui ne permet pas de contrôler les dérives éventuelles, volontaires ou non, de la procédure de gonflage. Ainsi, l'utilisation d'un même ensemble de bouteilles pour gonfler un ballon auxiliaire puis le ballon principal, les arrêts et reprises de gonflage en cours d'opération, des vitesses de gonflage non classiques sont autant d'éléments qui conduisent à une dégradation de la précision de pesée, en raison de la méconnaissance de la température du gaz dans les bouteilles. Or, de telles dérives peuvent avoir des conséquences fâcheuses qui s'échelonnent de l'échec pur et simple du vol, à l'inadéquation des vitesses ascensionnelles ou des masses de lest embarquées en vue de la réalisation d'une mission donnée. La présente invention vise à pallier cet inconvénient et a pour objectif de fournir un procedé et un dispositif, d'une part, permettant un contrôle précis de la masse réelle de gaz injectée à l'intérieur d'une enceinte, et ce en toutes circonstances, et d'autre part, d'une grande souplesse quant à leur application opérationnelle. A cet effet, l'invention vise un procédé de remplissage d'une enceinte au moyen d'un gaz renfermé dans une pluralité de bouteilles identiques, consistant - à intégrer dans l'ensemble de bouteilles de gaz au moins une bouteille, dite pilote, de même nature et de même volume que lesdites bouteilles, chacune desdites bouteilles-pilotes comportant des moyens de mesure de la température et de la pression du gaz renfermée dans cette dernière, - en vue de chaque opération de remplissage d'une enceinte, et dans une phase préalable - à déterminer la masse théorique de gaz à injecter et le nombre de bouteilles à mettre en jeu lors du remplissage, - à mettre en communication toutes les bouteilles, y compris chaque bouteille pilote en maintenant la vanne de sortie d'alimentation fermée, - et à relever la température et la pression initiales du gaz dans chaque bouteille-pilote, de façon à déterminer la masse de gaz initiale réelle contenue dans l'ensemble des bouteilles, - et lors du remplissage d'une enceinte - à ouvrir la vanne de sortie d'alimentation, - à relever périodiquement la température et la pression du gaz dans chaque bouteillepilote, - à calculer, pour chaque relevé de mesures, la masse réelle de gaz injectée, et à la comparer avec la masse théorique de gaz à injecter initialement déterminée, - et à interrompre le remplissage lorsque la masse réelle de gaz injecté est égale à la masse théorique de gaz à injecter. Un tel procédé permet donc de calculer, d'une part, la masse initiale réelle contenue dans les bouteilles, et d'autre part, à chaque instant, la masse de gaz réelle restant dans les bouteilles lors du remplissage, et ainsi, de déterminer, à chaque instant, la masse réelle de gaz injecté, et ce quelles que soient les dérives éventuelles de la procédure de remplissage. En effet, la température et la pression relevées dans chaque bouteillepilote sont représentatives de la température et de la pression du gaz de l'ensemble des bouteilles du fait, d'une part, de l'identité de toutes les bouteilles, et d'autre part, de la proximité de ces dernières qui se trouvent donc soumises à des conditions météorologiques identiques. Ainsi, par exemple, il est possible d'interrompre puis de reprendre la phase de remplissage sans altérer la précision du remplissage final, d'où une grande souplesse opérationnelle. Appliqué au gonflage de ballons stratosphériques, en vue du lancement de ces derniers, un tel procédé permet de garantir l'injection de la quantité de gaz adéquate pour le type de mission programme. Selon un mode de mise en oeuvre préférentiel - la masse de gaz initiale réelle est calculée selon la formule suivante : M(i) = Vr P (i) Mg Z R T (i) où Vr est le volume des bouteilles mises en jeu, P(i) est la pression initiale mesurée dans chaque bouteille-pilote, Mg est la masse molaire du gaz utilisé T (i) est la température initiale mesuree dans chaque bouteille-pilote, Z est le coefficient de compressibilité du gaz à pression et température données, et R est la constante des gaz parfaits, - et lors de chaque relevé de mesures, on détermine la masse réelle de gaz injecté selon la formule suivante M (t) = M (i) - Vr P (t) Mg Z R T (t) où P (t) et T (t) correspondent aux pression et température mesurées dans chaque bouteillepilote. De plus, dans un but de précision, on délivre préférentiellement un signal de pré-remplissage lorsque la masse réelle de gaz injecté atteint une valeur prédéterminée proche de la masse théorique de gaz à injecter, de façon à commander une réduction du débit de gaz injecté. En outre, afin de déterminer de la façon la plus précise possible la masse initiale de gaz, on procède préférentiellement, dans la phase préalable au remplissage, à des relevés de la température et de la pression du gaz dans chaque bouteille-pilote jusqu'à ce que ces relevés soient stables sur une période de temps prédéterminée, avant d'autoriser le calcul de la masse de gaz initiale réelle. Par ailleurs, afin de pallier une défaillance du système et malgré les aléas que présente la méthode traditionnelle actuelle, on calcule, dans la phase préalable, et selon cette méthode traditionnelle, la pression de coupure théorique de façon à disposer d'une information apte à permettre d'assurer le remplissage dans le cas d'une telle défaillance. L'invention s'étend à un dispositif de remplissage d'une enceinte telle que notamment un ballon stratosphérique en vue du lancement de ce dernier, comprenant une pluralité de bouteilles de gaz identiques reliées par une conduite dotée d'une vanne de sortie d'alimentation. Selon l'invention, ce dispositif comporte - au moins une bouteille-pilote intégrée dans l'ensemble de bouteilles de gaz, de même nature et de même volume que ces dernières, chacune desdites bouteilles pilotes comprenant des moyens de mesure de la température et de la pression du gaz renfermés dans cette dernière, - une unité électronique d'acquisition des mesures connectée aux moyens de mesure de chaque bouteillepilote, comprenant des moyens de conversion analogique/numérique, - un microcalculateur relié aux moyens de conversion analogique/numérique, programmé pour gérer l'acquisition périodique des mesures de la température et de la pression du gaz dans chaque bouteille-pilote, calculer, lors de chaque prélèvement de mesures, la masse de gaz réelle contenue dans l'ensemble des bouteilles. En outre, selon une autre caractéristique de l'invention - les moyens de mesure de la température du gaz dans chaque bouteille-pilote comprennent un thermocouple doté d'une soudure froide intégrée dans un boîtier thermostaté, - une électronique de chauffage est connectée au boîtier thermos taté et adaptée pour réguler thermiquement la soudure froide. Cette disposition permet de minimiser les variations de la température de la soudure froide, et ce, au moyen d'une boite thermostatée qui peut être utilisée dans des conditions de températures très basses, au contraire des électroniques traditionnelles de compensation de cette température qui fonctionnent dans une plage de températures comprises entre 0 C et 30a C. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description - la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif de remplissage conforme à l'invention, - et la figure 2 est une coupe longitudinale schématique par un plan axial d'une bouteille-pilote de ce dispositif. Le dispositif de remplissage représenté à la figure 1 est particulièrement destiné au gonflage, au moyen d'hélium ou d'hydrogène, de ballons stratosphériques, en vue du lancement de ces derniers. Ce dispositif comprend, en premier lieu, une pluralité de bouteilles telles que 1, de même nature et de même volume, reliées entre elles par une conduite 2 dotée d'une vanne de sortie d'alimentation 3. Ce dispositif comprend, en outre, intégrée parmi ces bouteilles 1, une bouteille-pilote 4 identique auxdites bouteilles, incorporant, tel que représenté à la figure 2, un capteur de pression à couche mince 5, et un thermocouple 6, disposés au centre de cette bouteillepilote 4 de façon à effectuer les relevés de température et de pression au coeur de cette dernière. La soudure froide de ce thermocouple 6 est, en outre, disposé à l'intérieur d'une boite thermostatée 7. Ce dispositif comprend également une électronique d'acquisition 8 reliée à la soudure froide du thermocouple 6 et au capteur de pression 5, et adaptée pour assurer - l'acquisition des mesures relevées par le thermocouple 6 et le capteur de pression 5, - la conversion analogique/numérique de ces signaux, - et la régulation thermique et la compensation de la soudure froide du thermocouple 6, adaptées pour maintenir cette température à 400 C avec une tolérance de plus ou moins 0,20 C. Cette électronique d'acquisition 8 est, en outre, alimentée électriquement par des moyens d'alimentation autonome comprenant une batterie 9 rechargeable sur le secteur et une minuterie de charge 10. Le dispositif comprend, enfin, un microcalculateur 11 relié à l'électronique d'acquisition 8 par une liaison série 12 RS422 / RS232 et programmé pour - calculer dans une phase préalable la masse théorique de gaz à injecter et le nombre de bouteilles 1, 4 à mettre en jeu, - calculer, selon une méthode traditionnelle, la pression de coupure, - gérer l'acquisition périodique, toutes les 500 millisecondes, des mesures de la température et de la pression du gaz dans la bouteille-pilote 4, - calculer, dans une phase préalable, et selon la formule ci-après, la masse initiale de gaz M (i) contenue dans les bouteilles 1, 4, ce calcul étant effectué uniquement une fois les relevés de mesures stables à deux dixièmes de degré près pour la température, et à deux dixièmes de bars près pour la pression, durant une période minimale de trente secondes M(i) = Vr P (i) Mg Z R T (i) où Vr est le volume de bouteilles mises en jeu, P(i) est la pression initiale mesurée dans chaque bouteille-pilote, Mg est la masse molaire du gaz utilisé T (i) est la température initiale mesuree dans chaque bouteille-pilote, Z est le coefficient de compressibilité du gaz à pression et température données, et R est la constante des gaz parfaits, - calculer, lors de chaque acquisition, la masse réelle de gaz injectée selon la formule suivante M (t) = M (i) - Vr P (t) Mg Z R T (t) où P (t) et T (t) correspondent aux pression et température mesurées dans chaque bouteillepilote, - délivrer un signal de pré-remplissage lorsque la masse de gaz injecté atteint une valeur correspondant à 95 de la masse théorique calculée de gaz à injecter, - assurer la surveillance de toutes les anomalies de fonctionnement telles que état du thermocouple 6 et du capteur de pression 5, valeurs butées des différentes mesures..... Ce microcalculateur 11 comprend, en outre, une mémoire vive de mémorisation des signaux numériques représentatifs des valeurs mesurées de la température et de la pression dans la bouteille-pilote 2. Il est de plus associé à une interface homme / machine possédant des moyens d'affichage, tel qu'un écran, des valeurs des masses de gaz réelles calculées, de la valeur de la masse de gaz initiale, et de la valeur de la pression de coupure. Il est à noter que l'affichage de cette pression de coupure, redondant en lui-même, vise à pallier une défaillance éventuelle du système de façon à permettre de poursuivre la procédure dans le cas d'une telle défaillance. Toujours dans le même but, le dispositif comprend un manomètre 12 disposé de façon à indiquer la pression du gaz dans la bouteille-pilote 4, et destiné a être utilisé en cas de défaillance majeure. Les différentes étapes d'une procédure de gonflage d'un ballon stratosphérique, selon le dispositif conforme à l'invention, sont décrites ci-après. La première phase interactive consiste à fournir au microcalculateur 11 les renseignements techniques destinés à permettre le calcul de la masse théorique de gaz à injecter dans le ballon ainsi que le nombre de bouteilles 1, 4 à mettre en jeu lors de ce gonflage. Ces renseignements techniques consistent classiquement en - les masses solides composant l'équipage (ballon, chaîne au sol, nacelle, lest), - le taux de force ascensionnelle libre isotherme en pourcentage relatif par rapport aux masses solides, - la pression moyenne de gonflage des bouteilles 1, 4, - le volume unitaire moyen des bouteilles 1, 4, - la masse molaire du gaz utilisé, hélium ou hydrogène, - le taux usuel d'extraction du gaz des bouteilles pour le gonflage d'un ballon. La deuxième phase également interactive permet de calculer le volume total exact à prendre en compte dans le calcul de la masse de gaz transférée à un instant donné. Lors de cette phase, l'opérateur est amené, à cet effet, à consigner dans un tableau affiché à l'écran, le volume total réel des bouteilles 1, 4 mises en jeu lors du gonflage. La troisième phase est une phase d'initialisation en vue de laquelle toutes les bouteilles 1, 2 doivent être mises en communication, la vanne de sortie d'alimentation 3 étant fermée. Au cours de cette phase, le microcalculateur 11 acquiert les signaux numériques représentatifs de la température et de la pression dans la bouteille-pilote 4, de façon à calculer, une fois ces mesures stables durant une période de trente secondes, la masse réelle de gaz initiale contenue dans les bouteilles 1, 4. La quatrième et dernière phase consiste en la phase de gonflage du ballon, au cours de laquelle la masse de gaz transférée dans ce ballon est calculée toutes les 500 millisecondes. La fin de cette phase intervient quand la masse de gaz injectée correspond à la masse théorique calculée de gaz à injecter. Toutefois, avant d'atteindre cette valeur, le microcalculateur délivre un signal de préremplissage commandant, soit manuellement, soit automatiquement, si la vanne 3 est une électrovanne commandée, la fermeture partielle de cette vanne 3. REVENDICATIONS 1/ - Procédé de remplissage d'une enceinte, telle que notamment un ballon stratosphérique en vue du lancement de ce dernier, au moyen d'un gaz renfermé dans une pluralité de bouteilles identiques (1) reliées par une conduite (2) dotée d'une vanne de sortie d'alimentation (3), caractérisé en ce qu'il consiste - à intégrer dans l'ensemble de bouteilles de gaz (1) au moins une bouteille (4), dite pilote, de même nature et de même volume que lesdites bouteilles, chacune desdites bouteilles-pilotes comportant des moyens (5, 6) de mesure de la température et de la pression du gaz renfermée dans cette dernière, - en vue de chaque opération de remplissage d'une enceinte, et dans une phase préalable - à déterminer la masse théorique de gaz à injecter et le nombre de bouteilles (1, 4) à mettre en jeu lors du remplissage, - à mettre en communication toutes les bouteilles (1, 4), y compris chaque bouteille-pilote en maintenant la vanne de sortie d'alimentation (3) fermée, - et à relever la température et la pression initiales du gaz dans chaque bouteille pilote (4), de façon à déterminer la masse de gaz initiale réelle contenue dans l'ensemble des bouteilles (1, 4), - et lors du remplissage d'une enceinte, - à ouvrir la vanne de sortie d'alimentation (3), - à relever périodiquement la température et la pression du gaz dans chaque bouteillepilote (4), - à calculer, pour chaque relevé de mesures, la masse réelle de gaz injectée, et à la comparer avec la masse théorique de gaz à injecter initialement déterminée, - et à interrompre le remplissage lorsque la masse réelle de gaz injecté est égale à la masse théorique de gaz à injecter. 2/ - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - la masse de gaz initiale réelle est calculée selon la formule suivante M(i) = Vr P (i) Mg Z R T (i) où Vr est le volume des bouteilles (1, 4) mises en jeu, P(i) est la pression initiale mesurée dans chaque bouteille-pilote (4), Mg est la masse molaire du gaz utilisé T (i) est la température initiale mesurée dans chaque bouteille-pilote (4), Z est le coefficient de compressibilité du gaz à pression et température données, et R est la constante des gaz parfaits, - et lors de chaque relevé de mesures, on détermine la masse réelle de gaz injecté selon la formule suivante M (t) = M (i) - Vr P (t) Mg Z R T (t) où P (t) et T (t) correspondent aux pression et température mesurées dans chaque bouteillepilote (4). 3/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on délivre un signal de pré-remplissage lorsque la masse réelle de gaz injecté atteint une valeur prédéterminée proche de la masse théorique de gaz à injecter, de façon à commander une réduction du débit de gaz injecté. 4/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la phase préalable au remplissage, on procédé à des relevés de la température et de la pression du gaz dans chaque bouteille-pilote (4) jusqu'à ce que ces relevés soient stables sur une période de temps prédéterminée, avant d'autoriser le calcul de la masse de gaz initiale réelle. 5/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la phase préalable au remplissage, on calcule la pression de coupure selon une méthode traditionnelle de façon à disposer d'une information apte à permettre d'assurer le remplissage en cas de défaillance des relevés de mesure. 6/ - Dispositif de remplissage d'une enceinte telle que notamment un ballon stratosphérique en vue du lancement de ce dernier, comprenant une pluralité de bouteilles de gaz identiques (1, 4) reliées par une conduite (2) dotée d'une vanne de sortie d'alimentation (3), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu il comporte - au moins une bouteille-pilote (4) intégrée dans l'ensemble de bouteilles de gaz (1, 4), de même nature et de même volume que ces dernières, chacune desdites bouteilles-pilotes comprenant des moyens (5,6) de mesure de la température et de la pression du gaz renfermés dans cette dernière, - une unité électronique (8) d'acquisition des mesures connectée aux moyens de mesure (5, 6) de chaque bouteille-pilote (4), comprenant des moyens de conversion analogique/numérique, - un microcalculateur (11) relié aux moyens de conversion analogique/numérique, programmé pour gérer l'acquisition périodique des mesures de la température et de la pression du gaz dans chaque bouteille-pilote (4), calculer, lors de chaque prélèvement de mesures, la masse de gaz réelle contenue dans l'ensemble des bouteilles (1, 4). 7/ - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une interface homme/machine possédant des moyens d'affichage des valeurs des masses de gaz réelles calculées. 8/ - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que - les moyens de mesure de la température du gaz dans chaque bouteille-pilote (4) comprennent un thermocouple (6) doté d'une soudure froide intégrée dans un boîtier thermostaté (7), - une électronique de chauffage est connectée au boîtier thermostaté (7) et adaptée pour réguler thermiquement la soudure froide. 9/ - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens (5, 6) de mesure de la température et de la pression sont disposés au centre de chaque bouteille-pilote (4), de façon à effectuer les relevés au coeur desdites bouteillespilotes. 10/ - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu il comprend des moyens d'alimentation autonome (9) de l'électronique d'acquisition (8), comportant une batterie rechargeable sur le secteur. 11/ - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un manomètre (12) disposé de façon à indiquer la pression dans chaque bouteille-pilote.