Brevet FR2766268A1 — publié le 19990122

DETECTEUR D'EAU ET MUNITION SOUS-MARINE EQUIPEE D'UN TEL DETECTEUR. DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne principalement un détecteur d'eau, conçu pour déceler la présence d'eau dans une région normalement sèche. Dans l'ensemble du texte, le terme "eau" désigne aussi bien l'eau pure que ses dérivés (eau peu déminéralisée, eau courante, eau de mer, etc.) ainsi que tout liquide présentant une conductivité comparable. L'invention a aussi pour objet une munition sous-marine, réelle ou factice ("maquette"), équipée d'un tel détecteur. En effet, le détecteur d'eau conforme à l'invention est particulièrement adapté pour être utilisé sur une telle munition, afin d'en tester l'étanchéité, aussi bien lorsque le sous-marin armé de cette munition est en surface que lorsqu'il est en plongée. Etat de la technique Une munition sous-marine, prévue pour être tirée depuis un sous-marin en plongée, se compose habituellement d'un véhicule sous-marin servant uniquement de véhicule intermédiaire; il contient un missile aérien dans une structure étanche et résistante de forme générale très proche de celles des torpilles. A bord du sous-marin, la munition est placée dans un tube lance- torpilles étanche, normalement fermé par deux portes (Porte de tube de lancement et porte d'étrave). Lorsque la munition est mise en place, elle est remplie d'azote sous pression. Elle est donc dépourvue d'humidité. Après un stockage aérien de longue durée (1 an,... 10 ans, ou plus), l'étanchéité de la munition peut devenir défaillante. Etant donné que la porte d'étrave est toujours en immersion, de l'eau pénètre dans le tube de lancement contenant la munition lorsque la porte d'un tube lance-torpilles est ouverte, avant un tir. Dans le cas d'une défaillance d'étanchéité il est alors indispensable d'interdire le tir, de démonter la munition et de rechercher l'origine de la fuite afin de la réparer, si cela est possible. Avant qu'un tir soit effectué, il est donc nécessaire de vérifier l'étanchéité de la munition. A cet effet, il est connu d'équiper la munition d'un détecteur d'eau comprenant une sonde placée dans l'espace annulaire formé entre le missile et son tube de protection et fixée à ce tube. Les sondes utilisées actuellement à cet effet comprennent deux électrodes placées en vis-à-vis l'une de l'autre dans le bas de l'espace annulaire précité. La conception de ces électrodes est telle que la sonde n'effectue pas réellement une mesure de résistivité du fluide situé entre les électrodes. Par conséquent, dès que quelques gouttelettes d'humidité sont présentes entre les électrodes pour une raison quelconque, qui peut être totalement indépendante de la présence d'une fuite dans la munition, le détecteur émet inopinément un signal d'interdiction de tir. En effet, les gouttelettes d'humidité peuvent avoir pour origine de l'humidité due aux variations de température à l'intérieur de la munition ou des gouttelettes d'un liquide de lestage utilisé dans les munitions factices, ou "maquettes". Inversement, les dépôts d'impuretés (graisse, etc.) qui peuvent se produire au fil du temps sur les surfaces des électrodes, peuvent conduire la sonde à ne pas détecter un défaut d'étanchéité de la munition. Les détecteurs d'eau existants présentent donc une fiabilité très aléatoire, et cela d'autant plus que la durée de stockage précédant un tir s'allonge. Exposé de l'invention L'invention a principalement pour objet un détecteur d'eau équipé d'une sonde permettant de mesurer la résistivité de l'eau avec précision et quel que soit le temps de stockage, ce qui donne au détecteur une grande fiabilité et évite aussi bien les détections intempestives que les défauts de détection. Conformément à l'invention ce résultat est obtenu au moyen d'un détecteur d'eau, caractérisé par le fait qu'il comprend une sonde de mesure de la résistivité comprenant une électrode centrale et une électrode extérieure cylindriques et coaxiales, délimitant entre elles un espace annulaire, présentant une extrémité ouverte, prévue pour être orientée vers le bas, et des trous formés dans l'électrode extérieure de façon à déboucher dans ledit espace. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, l'électrode centrale est en retrait d'une distance déterminée, comprise par exemple entre environ 1,1 mm et environ 1,3 mm, par rapport à l'électrode extérieure, à l'extrémité ouverte de l'espace annulaire délimité entre les deux électrodes. Par ailleurs, les surfaces des deux électrodes sont, de préférence, rugueuses et platinées, afin que les mesures de résistivité effectuées soient aussi justes que possible. Les deux électrodes de la sonde peuvent notamment être réalisées en un matériau inoxydable et résistant aux agressions, notamment chimiques, des produits environnants, tel que l'acier inoxydable. Par ailleurs, un matériau électriquement isolant est placé dans une région d'extrémité de l'espace annulaire, opposée à l'extrémité ouverte de cet espace. Ce matériau est, par exemple, du polytétrafluoréthylène. Dans une forme de réalisation non limitative de l'invention, les trous sont formés sensiblement à mi- longueur de l'électrode extérieure, et régulièrement répartis autour de l'axe commun aux électrodes. Les extrémités des électrodes extérieure et centrale opposées à l'extrémité ouverte de l'espace annulaire sont fixées sur un support de sonde électriquement isolant, que traversent deux fils de liaison électrique reliant deux bornes d'un connecteur électrique aux électrodes extérieure et centrale. Le détecteur d'eau comprend de plus un circuit électronique incluant une source de tension alternative et des moyens de mesure de courant, connectés en série entre les électrodes extérieure et centrale de la sonde. A titre d'exemple non limitatif, la source de tension alternative délivre une tension de 19,8 Veff monophasée à une fréquence de 400 Hz et elle comprend avantageusement un transformateur. L'invention a aussi pour objet une munition sous-marine comprenant un engin placé dans un tube de protection, dans laquelle une sonde d'un détecteur d'eau conforme à l'invention est placée dans le bas d'une zone annulaire délimitée entre l'engin et le tube de protection, de telle sorte que l'extrémité ouverte de l'espace séparant les électrodes soit orientée vers le bas. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de côté qui représente très schématiquement un tube lance-torpilles dans lequel est placée une munition sous-marine équipée d'un détecteur d'eau conforme à l'invention; et - la figure 2 représente le détecteur d'eau conforme à l'invention, la sonde de mesure de résistivité de ce détecteur étant illustrée en coupe verticale. Description détaillée d'une forme de réalisation préférée. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un tube lance-torpilles équipant un sous-marin. A son extrémité débouchant dans l'eau, ce tube lance- torpilles est normalement obturé par une porte (non représentée). Derrière cette porte est placée un opercule non étanche 14. Cet opercule a pour fonction d'éviter une entrée trop brutale de l'eau dans le tube lance-torpilles 10 lors de l'ouverture de la porte. En arrière de l'opercule 14, le tube lance- torpilles 10 contient une munition sous-marine 16. Cette munition 16 inclut un propulseur sous-marin constitué par une torpille 18, ainsi qu'un engin tel qu'un missile 20 placé devant la torpille. Le missile est entouré d'un tube de protection 22 fermé à son extrémité avant par une ogive 24. Une munition de ce type est prévue pour être tirée à partir d'un sousmarin en plongée. Tant que la munition se trouve dans l'eau, la propulsion est assurée par la torpille 18. Le missile 20 est ensuite mis à feu, séparé de la torpille 18 et débarrassé de son ogive 24 et de son tube de protection 22, afin d'effectuer la mission qui lui est confiée jusqu'à sa cible dans l'atmosphère. Avant d'effectuer un tir à l'aide d'une telle munition, on doit vérifier l'étanchéité de celle-ci et notamment de l'ensemble assurant la protection du missile 20 lors de la partie sous-marine de sa trajectoire, cet ensemble de protection étant constitué par le tube de protection 22 et l'ogive 24. En effet, toute entrée d'eau intempestive dans la munition risque de se traduire par un dysfonctionnement du missile. A cet effet, un détecteur d'eau est généralement associé à chaque munition sous-marine 16. Ce détecteur d'eau comprend notamment, conformément à l'invention, une sonde 26 de mesure de résistivité, placée dans le bas de l'espace 28 délimité entre le missile 20 et son tube de protection 22. Pour des raisons pratiques, la sonde 26 est généralement implantée à l'arrière de l'espace 28, comme l'illustre schématiquement la figure 1. Comme l'illustre plus en détail la figure 2, la sonde 26 de mesure de résistivité comprend une électrode centrale cylindrique pleine 30 et une électrode extérieure cylindrique creuse 32, disposées coaxialement selon un axe vertical, de telle sorte que l'électrode centrale 30 soit placée à l'intérieur de l'électrode extérieure 32. Les électrodes 30 et 32 sont réalisées de préférence en acier inoxydable et elles présentent des surfaces extérieures rugueuses et platinées. L'électrode centrale 30 et l'électrode extérieure 32 délimitent entre elles un espace annulaire 34 fermé à son extrémité supérieure et ouvert à son extrémité inférieure, située à proximité immédiate de la partie basse du tube de protection 22. Les dimensions des électrodes 30 et 32, et en particulier les diamètres de ces électrodes, sont choisies en fonction de la sensibilité que l'on désire obtenir pour la sonde, c'est-à-dire du niveau de résistivité que l'on souhaite pouvoir détecter. Ainsi, si l'on désigne par L (en cm) la longueur commune des deux électrodes cylindriques 30 et 32 et respectivement par Ri et R2 (en cm) les rayons de l'électrode centrale 30 et de l'électrode extérieure 32, et si l'on appelle p (en Q.cm) la résistivité du fluide susceptible d'être reçu entre ces électrodes, à la température considérée, la résistance R (en Q) du fluide présent entre les deux électrodes est donnée par la relation: R n(R2 / Ri) R =.p .(1) 27r L Il ressort de la relation (1) que les dimensions de la colonne de liquide présente entre les deux électrodes sont très importantes pour la détermination de la résistance R. Ainsi, on définit une constante de cellule C (en cm-') telle que: gn(R2 / Ri) c = (2) 27r L Compte tenu de la valeur moyenne de la résistivité p ou de la conductivité y du liquide que l'on désire détecter, on donne à la constante de cellule C une valeur adaptée, égale par exemple à 0,1 cm-'. Compte tenu de la relation (2), cette valeur de la constante de cellule C est obtenue, par exemple, pour une hauteur d'immersion L des électrodes dans le fluide égale à 1 cm, si l'on donne aux rayons Ri et R2 des valeurs respectivement égales à 2,0 cm et 4,5 cm. La valeur de la constante de cellule déterminée par ce dimensionnement des électrodes permet d'éviter des détections intempestives en présence de gouttelettes d'eau ou de poussières conductrices. Compte tenu des relations (1) et (2), la résistance spécifique R du fluide emprisonné dans la cellule peut être exprimée par la relation suivante: R = C.p, (3) ou, sachant que la résistivité p (en Q. cm) est égale à l'inverse de la conductivité (en S/cm): R = C/y (4) A leurs extrémités prévues pour être orientées vers le haut, les deux électrodes 30 et 32 sont fixées sur un support de sonde 36 électriquement isolant. Ce support de sonde 36 est équipé d'un écrou de fixation 38 permettant de monter la sonde sur une platine 40. Cette platine 40 est elle-même fixée, par exemple au moyen de vis (non représentées) dans le bas du tube de protection 22 du missile 20. Un matériau 42 électriquement isolant, tel que du polytétrafluoréthylène, est placé dans la région d'extrémité supérieure de l'espace annulaire 34, qui est donc fermé vers le haut. Comme l'illustre schématiquement la figure 2, au moins deux trous 44 sont usinés dans l'électrode extérieure 32 de la sonde 26. Ces trous 44 ont principalement pour fonction de permettre la circulation de l'eau à l'intérieur de la sonde, nécessaire à la mesure. A cet effet, les trous 44 débouchent dans l'espace annulaire 34, en dessous de la région d'extrémité de cet espace dans laquelle est placé le matériau 42 électriquement isolant. A titre d'exemple et de façon nullement limitative, quatre trous 44, de forme circulaire, sont régulièrement répartis autour de l'axe vertical commun aux deux électrodes, et ces trous 44 sont situés sensiblement à mi-longueur de l'électrode extérieure 22. Par ailleurs, à l'extrémité ouverte de l'espace annulaire 34, normalement orientée vers le bas, l'extrémité de l'électrode centrale 30 est située en retrait d'une distance d déterminée par rapport à l'extrémité de l'électrode extérieure 32. Cette caractéristique permet notamment d'assurer la stabilité du champ de polarisation des électrodes. Elle supprime aussi le risque d'obturation de l'espace annulaire 34 par des gouttelettes d'eau et le contact intempestif de corps étranger avec l'électrode centrale 30. Dans la pratique, la distance d séparant l'extrémité inférieure de l'électrode centrale 30 de l'extrémité inférieure de l'électrode extérieure 32 est comprise de préférence entre environ 1,1 mm et environ 1,3 mm. Le support de sonde 36 est traversé par deux fils de liaison électrique 46, qui relient les deux bornes d'un connecteur électrique 48 aux électrodes extérieure 32 et centrale 30. Comme l'illustre la figure 2, le connecteur électrique 48 permet de relier la sonde 26 à un circuit électronique incluant une source 50 de tension alternative et des moyens 52 de mesure de courant, connectés en série entre les électrodes extérieure 32 et centrale 30 de la sonde. La source 50 de tension alternative est constituée par un transformateur qui délivre une tension monophasée alternative, assurant la circulation d'un courant électrique peu élevé lorsque de l'eau est présente entre les électrodes de la sonde 26. Le caractère peu élevé de ce courant évite la polarisation 1! des électrodes. De plus, l'utilisation d'un courant alternatif permet de supprimer les effets perturbateurs qui tendent à apparaître au niveau des électrodes. En effet, les modifications apportées à l'environnement de chaque électrode pendant une alternance sont détruites lors de l'alternance suivante. Dans la pratique et uniquement à titre d'exemple, le transformateur 50 peut délivrer une tension de 19,8 Veff monophasée à une fréquence de 400 Hz. Les moyens 52 de mesure de courant qui sont connectés en série avec le transformateur 50, entre les électrodes extérieure 32 et centrale 30 de la sonde, détectent le courant électrique qui circule dans le circuit et le comparent à un seuil prédéterminé, afin d'interdire le lancement de la munition 16 dès que ce seuil est dépassé. Ils peuvent être constitués par tout moyen électronique approprié, adapté à l'application envisagée. A titre d'exemple nullement limitatif, ces moyens 52 de mesure de courant comprennent par exemple un optocoupleur constitué d'une diode électroluminescente (infrarouge) faisant office d'émetteur de lumière et d'un phototransistor au silicium faisant office de récepteur et servant d'interface logique. Lorsqu'une tension alternative monophasée est appliquée dans le circuit par le transformateur 50, un courant électrique est engendré dans le circuit. La valeur de ce courant, mesurée par les moyens 52 de mesure de courant, dépend de la résistance de l'eau éventuellement présente entre les électrodes de la sonde. Elle est donc représentative de la résistivité de l'eau susceptible d'être contenue dans l'espace 34 interélectrode. La comparaison de ce courant électrique avec un seuil prédéterminé, choisi en fonction de la constante de cellule C et de la résistivité de l'eau, permet donc de détecter de façon sûre la présence d'un volume minimal d'eau à l'intérieur du tube de protection 22, révélatrice d'un défaut d'étanchéité. Le tir de la munition n'a alors pas lieu. Il est à noter que l'utilisation d'une sonde 26 dont les électrodes présentent des surfaces rugueuses et platinées permet d'effectuer des mesures de résistivité représentatives, avec une bonne précision, de la résistivité réelle de la colonne de liquide présente à l'intérieur de l'espace interélectrode, quelle que soit la hauteur de cette colonne. Ces caractéristiques du détecteur d'eau conforme à l'invention ont été vérifiées expérimentalement en suivant la méthode qui va à présent être exposée. Au cours d'une première opération, on a mesuré la conductivité électrique y (en pS/m) de l'eau pure et de ses dérivés, ainsi que celle d'un liquide de lestage susceptible d'être contenu dans une munition factice, ou "maquette". On a aussi mesuré la température T(en C). Les mesures de conductivité ont été effectuée à l'aide d'un conductivimètre "HI 3291 ATC Conductivity Probe de HANNA Instrument". Les résultats de ces mesures sont donnés dans le Tableau I. Tableau I Nature du fluide Conductivité Température T (en p S/m) (en C) eau pure 3 15 eau peu déminéralisée 170 15 eau courante 580 | 17 liquide de lestage 410 | 17 eau de mer contenant 4 % de sel 6400 18 Au cours d'une deuxième étape, on a calculé la résistance R théorique du fluide contenu entre les deux électrodes de la sonde 26, en fonction de l'immersion des électrodes, en appliquant la relation (4). Les résultats de ces calculs sont donnés dans le Tableau II, dans le cas de l'eau courante (conductivité: 580 pS/m à 16,7 C; résistivité: 1,7241 Tableau II Hauteur R Théorique R Théorique R Théorique d'immersion L -10 % (en kQ) (en kQ) + 20 % (en kQ) (en mm) 0,2 10,01 11,12 13,348 1 2,00 2,22 2,669 2 1,00 1,112 1,334 3 1 0,670,741! 0,889 4 0,50 i 0,556 0,667 0,40 T 0,444 0,533 6 0,33 0,370 0,444 7 0,29 9 0,317 0,381 8 0,25 0,278 0,333 94 0,22 0,247 0,296 0,20 1 0,222 ' 0,266 0,13 0,148 0,177 Le Tableau II donne aussi les valeurs de la résistance R théorique augmentée de 20 % et diminuée de %, qui fixent les limites d'erreur acceptables pour la mesure. Ces valeurs sont calculées par un logiciel approprie. Au cours d'une troisième étape, des mesures ont été effectuées à l'aide de la sonde 26 conforme à l'invention, en reliant celle-ci à un résistivimètre type "1001 CT de la Société BAMO" et en immergeant progressivement la sonde dans différents fluides, en partant du bas des électrodes, par pas de 1 mm. Les résultats obtenus dans le cas de l'eau courante, à partir d'un lot de trois sondes de fabrication identique dont les électrodes présentaient des surfaces lisses et non platinées, n'ont pas donné satisfaction. On a eu l'idée de rendre rugueuses les surfaces des électrodes et de les revêtir de platine. Les résultats sont donnés dans le Tableau III. Tableau III Hauteur R Sonde 1 R Sonde 2 R Sonde 3 d'immersion L (en kn) (en k ]) (en k ]) (en mm) 0,2 0,62 0,87 0,57 1 0,415 0,55 0,511 2 0,39 0,46 0,44 3 0,34 0,37 0,36 4 0,31 0,32 0,36 f 0,276 I 0, 31 0,32 6 0,24 0,28 0,27 7 0,24 0,26 0,26 8 0,24 0,22 0,24 9 0,20 0,22 0,22 0,20 0,21 0,22 0,20 0,21 0,22 La comparaison de ces résultats avec les calculs théoriques (Tableau II) montre que les mesures diffèrent nettement des valeurs théoriques attendues, dans le cas de faibles immersions (inférieures à 3 mm). En revanche, au-delà de cette hauteur d'immersion, il y a une bonne coïncidence entre les deux valeurs. Les erreurs observées à faible immersion peuvent s'expliquer à la fois par des effets de capillarité qui ont tendance à augmenter les surfaces de contact entre le liquide et les parois des électrodes et par des effets de bord qui créent des surtensions de champ aux extrémités des électrodes. Afin de limiter au mieux ces deux effets, on a eu une deuxième idée de composer un cycle de lavage qui comprend: - un trempage de la sonde platinée dans une eau chaude (+ 55 à 65 C) additionnée d'un produit de vaisselle, pendant 10 minutes environ, - un rinçage dans un jet d'eau douce. Les résultats des mesures effectuées ensuite sur trois sondes platinées ainsi modifiée deviennent conformes à la théorie, y compris dans le cas de faibles hauteurs d'immersion. Cette idée de cycle de lavage après platinage permet aussi de garantir l'état de surface des électrodes dans le temps de stockage, lequel conditionne la vraie répétitivité des résultats des mesures effectuées dans le cadre des cycles de températures ont permis de constater une répétitivité correcte. Enfin, une sonde 26 conforme à l'invention a ensuite été reliée au circuit électronique du détecteur d'eau et implantée sur une munition. On a ainsi vérifié le bon fonctionnement de cinq sondes conformes à l'invention, immergées progressivement dans de l'eau de conductivité 579 p S/m à environ 19 C. Dans tous les cas, un franchissement du seuil de déclenchement de la fonction "interdiction de tir" a été observé dans des conditions totalement identiques. Ces essais ont permis de démontrer que le détecteur d'eau selon l'invention est capable de capter et de garder en mémoire le passage d'un dépôt d'eau ou de liquide de lestage anormalement présent dans le tube protecteur 22. Ces sondes réalisent donc une fonction de mémoire et, de ce fait, elles permettent de signaler préventivement une avarie. La mise à eau du tube lance- torpilles peut ainsi être interdite de façon sûre, fiable et reproductible. REVENDICATIONS 1. Détecteur d'eau, caractérisé par le fait qu'il comprend une sonde (26) de mesure de la résistivité comprenant une électrode centrale (30) et une électrode extérieure (32) cylindriques et coaxiales, délimitant entre elles un espace annulaire (34) présentant une extrémité ouverte, prévue pour être orientée vers le bas, et des trous (44) formés dans l'électrode extérieure (32) de façon à déboucher dans ledit espace annulaire. 2. Détecteur d'eau selon la revendication 1, dans lequel, à ladite extrémité ouverte de l'espace annulaire (34), l'électrode centrale (30) est en retrait d'une distance déterminée par rapport à l'électrode extérieure (32). 3. Détecteur d'eau selon la revendication 2, dans lequel la distance déterminée est comprise entre environ 1,1 mm et environ 1,3 mm. 4. Détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les surfaces des électrodes extérieure (32) et centrale (30) sont rugueuses et platinées. 5. Détecteur d'eau selon la revendication 4, dans lequel les électrodes extérieure (32) et centrale (30) rugueuses et platinées sont trempées, puis rincées. 6. Détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les électrodes extérieure (32) et centrale (30) sont réalisées en acier inoxydable. 7. Détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un matériau (42) électriquement isolant est placé dans une région d'extrémité de l'espace annulaire (34), opposée à ladite extrémité ouverte. 8. Détecteur d'eau selon la revendication 7, dans lequel le matériau électriquement isolant est du polytétrafluoréthylène. 9. Détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les trous (44) sont formés sensiblement à mi-longueur de l'électrode extérieure (32), et régulièrement répartis autour de l'axe commun aux électrodes extérieure et centrale. 10. Détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les extrémités des électrodes extérieure (32) et centrale (30) opposées à ladite extrémité ouverte sont fixées sur un support de sonde (36) électriquement isolant, que traversent deux fils de liaison électrique (46) reliant deux bornes d'un connecteur électrique (48) aux électrodes extérieure et centrale. 11. Détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant de plus un circuit électronique incluant une source de tension alternative (50) et des moyens (52) de mesure de courant, connectés en série entre les électrodes extérieure (32) et centrale (30) de la sonde (26). 12. Détecteur d'eau selon la revendication 11, dans lequel la source de tension alternative (50) délivre une tension de 19,8 Veff monophasée à une fréquence de 400 Hz. 13. Détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel la source de tension alternative comprend un transformateur (50). 14. Munition sous-marine, comprenant un engin (20) placé dans un tube de protection (22), dans laquelle une sonde (26) d'un détecteur d'eau selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 est placée dans le bas d'un espace annulaire (28) délimité entre l'engin (20) et le tube de protection (22), de telle sorte que ladite extrémité ouverte soit orientée vers le bas.