Brevet FR2770639A1 — publié le 19990507

PROCEDE DE MESURE DE L'EXPANSION DE VOLUME D'UN RESERVOIR PRESSURISE ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention a trait à la mesure de la capacité réelle d'un réservoir contenant un fluide sous pression, notamment une pression élevée de l'ordre de plusieurs centaines de bars. L'invention s'applique aux réservoirs de fluide sous haute pression, en particulier de l'azote ou de l'hélium, destiné à la mise en pression de combustible à bord de satellites, par exemple pour la correction de trajectoire ou de positionnement du satellite, mais, d'une manière plus générale à tout réservoir ou enceinte contenant en service un fluide sous haute pression et pour lequel il est important de connaître avec le plus de précision possible la quantité de fluide effectivement disponible correspondant à la pression de stockage dudit fluide, embarquée dans ce réservoir ou cette enceinte. Ce problème de précision de mesure de quantité de fluide embarquée dans un tel réservoir est particulièrement important dans le cas des réservoirs de stockage sous haute pression, typiquement de l'ordre de 300 bars, de gaz de pressurisation de combustible équipant des satellites par exemple de télécommunications. En effet, appréhender la durée de vie du satellite en orbite avec une bonne précision passe par la résolution de ce problème. L'un des facteurs déterminants nécessaires à la connaissance de la quantité de fluide embarquée est le volume initial à la pression de service. Les réservoirs utilisés à cet effet, généralement réalisés en matériau composite à base de fibres bobinées sur liner métallique, subissent, lorsqu'ils sont remplis de gaz à la pression de service, une expansion de volume, accroissant sensiblement la contenance ou capacité du réservoir. Actuellement, les procédés connus de détermination de la capacité effective sous ladite pression de service de tels réservoirs sont d'une précision de l'ordre de 50 ml pour un réservoir conçu pour contenir une cinquantaine de litres de gaz sous forme liquide. II est évident qu'une connaissance plus précise de la quantité de gaz de pressurisation embarquée sur un satellite permettrait d'optimiser sa durée de vie en réduisant en proportion la quantité minimale de gaz à conserver dans le réservoir par mesure de sécurité, par rapport à la capacité du réservoir définie par construction et mesurée à la pression atmosphérique. Jusqu'à présent, la mesure du volume de tels réservoirs en matériau composite est exigée avec une précision de l'ordre de 10-3, le réservoir étant mesuré à la pression atmosphérique par la technique de la pesée de l'eau occupant le volume du réservoir. II n'est pas envisageable de réaliser ce type de mesure à la pression de service du réservoir, de l'ordre de 300 bars, a fortiori si l'on veut une précision substantiellement plus grande. En effet, la technique de pesée de l'eau ne convient plus car on appréhende mal les effets des impuretés et des bulles d'air contenues dans l'eau sur la valeur du facteur de compressibilité de l'eau, dont la connaissance précise est essentielle. On a ainsi pu observer au cours d'essais des erreurs de l'ordre de 20 à 30 %. On pourrait imaginer une autre solution consistant à immerger le réservoir dans un container rempli d'eau, ou d'un autre liquide, et à mesurer le déplacement d'un colonne d'eau engendré par le volume d'eau déplacé par le réservoir. Cependant, cette solution est délicate à mettre en oeuvre dans le cas de réservoirs à coque en matériau composite. Le contact direct du composite avec l'eau n'étant pas autorisé, il faut alors mettre en oeuvre une enveloppe d'étanchéité qui présente les inconvénients suivants : la fiabilité de l'enveloppe ne peut être garantie à 100 % et des erreurs de mesure de volume peuvent survenir du fait de l'existence de plis de l'enveloppe déposée sur une surface qui n'est pas développable, ce qui est le cas des réservoirs du type ci-dessus, généralement sphériques et du fait de l'état de surface du composite lié à la présence de bourrelets de l'enroulement filamentaire dans les zones polaires des réservoirs. L'invention vise donc à proposer une méthode de mesure substantiellement plus précise que celles utilisées actuellement tout en préservant l'intégrité des réservoirs, tout spécialement ceux en matériaux composites. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de mesure de l'expansion du volume d'un réservoir pressurisé, notamment un réservoir ou analogue du type axisymétrique, devant contenir un fluide sous une pression de service de plusieurs centaines de bars, caractérisé en ce qu'il consiste - à monter le réservoir sur un support en deux points opposés du réservoir et au voisinage de son axe, le réservoir étant fixe par rapport au support en l'un des deux points et mobile suivant son axe en l'autre point - à introduire de manière étanche un fluide dans le réservoir et faire varier la pression du fluide entre deux valeurs limites constituées par la pression atmosphérique et la pression de service dudit réservoir, par paliers de pression égaux prédéterminés; - à éclairer la surface externe du réservoir par une lumière laser et enregistrer la lumière rétrodiffusée par ladite surface externe, cette dernière étant éclairée à l'aide d'une pluralité de sources laser à chacune desquelles est associé un capteur optique sensible au déplacement hors plan, l'ensemble des capteurs étant disposé dans un plan contenant l'axe du réservoir en sorte de prendre en compte une bande de la surface du réservoir correspondant à un méridien, - à enregistrer à l'aide des capteurs pour chaque pas de variation de pression la lumière rétrodiffusée dans deux états correspondants aux deux niveaux de pression du pas, - et à calculer la variation de volume du réservoir entre les deux valeurs limites de pression susdites, ladite variation étant mise sous forme d'une série de Fourier, à partir du système C t = où: C est une matrice de coefficients relatifs aux positions géométriques du réservoir et des capteurs Lest la matrice des coefficients relatifs à la déformation du réservoir, et D est la mesure des déformations issue des données fournies par les capteurs. Suivant un mode de mise en oeuvre du procédé ci-dessus, appliqué à un réservoir sphérique, la variation de volume est calculée à partir de la relation dR=aO + C a, cos (2 n P) où dR est la variation du rayon de la sphère, ss est la latitude des points d'intersection avec la surface du réservoir du plan méridien contenant les capteurs, a0,...,an sont les coefficients de la matrice L, et n est un entier. Avantageusement, n est égal ou supérieur à 15 pour obtenir une bonne précision. Le nombre de capteurs est de préférence égal à trois, les capteurs étant disposés de façon à prendre en compte trois secteurs d'arc contigus couvrant sensiblement toute l'étendue d'un méridien de la surface sphérique du réservoir. De préférence également, la variation de pression à l'intérieur du réservoir est conduite depuis la valeur de service jusqu'à la valeur ambiante par création de fuites contrôlées pour l'obtention de chaque pas de pression. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour suspendre le réservoir à mesurer avec son axe vertical, le réservoir étant à son extrémité polaire supérieure monté fixe et, à son extrémité polaire inférieure, guidé en libre translation verticale, - des moyens portant une pluralité d'ensembles émetteur laser- capteur optique, orientés en direction dudit réservoir, - des moyens reliés au réservoir pour acheminer à l'intérieur de ce dernier un fluide sous pression contrôlée, - et des moyens informatiques de calcul, commande et contrôle, reliés audits ensembles et audits moyens d'acheminement de fluide pour, d'une part, commander la variation pas à pas de la pression dans le réservoir et, d'autre part, commander pour chaque pas de pression, la prise d'images holographiques, leur traitement et le calcul de détermination des variations de volume dudit réservoir. Le procédé de l'invention permet d'effectuer des mesures de l'expansion du volume de réservoirs, dans les conditions exposées plus haut, avec une précision sur la capacité réelle en charge desdits réservoirs pouvant atteindre 5-1 tout en préservant l'intégrité des réservoirs puisque la surface externe de ceux-ci ne subit aucun contact. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels - Figure 1 est un schéma d'un dispositif de mesure selon l'invention de l'expansion de volume d'un réservoir sphérique - Figure 2 illustre le positionnement par rapport au réservoir des trois capteurs du dispositif de la figure 1; - Figure 3 est une vue schématique en perspective illustrant la bande de surface du réservoir prise en compte par les capteurs et le dispositif de calcul associé - Figure 4 est un diagramme d'évolution du volume d'un réservoir en fonction de la pression interne, et - Figure 5 est un diagramme représentant une courbe d'évolution du rayon d'un réservoir le long d'un méridien. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement en 1 un réservoir sphérique du type en matériau composite à fibres bobinées sur un liner métallique par exemple en titane et d'une contenance nominale de 51 litres. Le réservoir 1 comporte deux orifices polaires munis d'un embout 2 permettant le montage du réservoir sur sa structure porteuse 3. Le réservoir 1 est suspendu par son embout supérieur 2 à un bâti supérieur fixe 4 monté sur un plateau antivibratile 5. Le montage de l'embout supérieur 2 est fixe et réalisé par exemple (figure 2) par un système à rotule 6 immobilisant par rapport audit bâti 4 le pôle nord désigné par Z sur la figure 2, cependant que l'embout 2 inférieur est monté libre verticalement en étant guidé dans un système à rotule 7 monté sur le bâti inférieur 8, les bâtis supérieur 4 et inférieur 8 constituant la structure porteuse 3. Les embouts 2 assurent également l'étanchéité du réservoir cependant que l'embout supérieur 2 est conçu pour acheminer à l'intérieur du réservoir un fluide sous pression, par exemple de l'eau déminéralisée, et permettre la liaison d'un capteur de pression à l'intérieur du réservoir. Sur la figure i sont schématisés en 9 un surpresseur relié au réservoir 1 par une canalisation 10, en 11 un dispositif pour créer des fuites micrométriques contrôlées, en 12 un capteur de pression relié au réservoir 1 par une canalisation 13. En 14 est représenté un bâti également porté par le plateau 5 et supportant trois ensembles 1 5 constitués chacun d'un émetteur laser 16 et d'un capteur optique 17. Plus précisément et dans le souci d'une meilleure résolution, le capteur 17 est une caméra CCD associée à un montage optique approprié en sorte de constituer un ensemble 15 mettant en oeuvre la technique adaptée aux mesures de déplacement hors plan de l'holographie TV. Le bâti 14 est fixé aux bâtis supérieur 4 et inférieur 8 car la position relative entre les ensembles 15 et le réservoir 1 doit être connue avec le plus de précision possible. Les ensembles 15 sont reliés à un ensemble de calcul, commande et contrôle comprenant un système informatique 18 et un dispositif de visualisation 19, ledit ensemble étant également relié aux dispositifs 9, 11 et 1 2 pour piloter l'incrémantation de la variation de pression à l'intérieur du réservoir 1. Conformément au procédé de l'invention et suivant un mode préféré de mise en oeuvre, il est prévu trois ensembles 15 dirigés vers le centre du réservoir 1 et disposés dans un plan contenant l'axe des pôles du réservoir, symbolisé par l'axe ZQY, Q étant le centre du réservoir. Les trois ensembles 15 sont ainsi disposés de façon que les cônes de vision 20 (figure 3) des trois capteurs 17 se juxtaposent pour couvrir une large zone correspondant à un méridien 21 de la sphère du réservoir 1, pratiquement d'un pôle à l'autre, à l'exception du voisinage immédiat des pôles. Conformément à l'invention, le réservoir 1 fixé par son pôle nord au bâti 4 est soumis, lorsqu'un fluide sous pression lui est injecté à l'intérieur par la canalisation 10, à une expansion radiale à laquelle se superpose un déplacement vertical suivant l'axe ZQY. La loi de variation de la déformation du réservoir étant préalablement mise sous la forme d'une série de Fourier, on va pouvoir calculer cette déformation à partir du système linéaire C.L=D (1) dans lequel C est une matrice de coefficients tous relatifs à la position dans l'espace des capteurs 17 et des points de la partie de la surface externe du réservoir 1 prise en compte par les capteurs 17, L est un vecteur inconnu défini par la matrice des coefficients liés à la déformation du réservoir et D est le vecteur de mesure de la déformation du réservoir, issu des données fournies par les capteurs 17. Dans le cas de la sphère constituée par le réservoir 1, la variation du rayon R découlant de la variation de pression interne peut être mise sous la forme d'un développement en série de Fourier dR=a0+ Z an cos 2n ss (2) dans lequel - dR est la variation du rayon, - a0,., an sont lesdits coefficients liés à la déformation du réservoir, - n est un nombre entier, - ss est l'angle formé entre l'axe polaire ZQY du réservoir et un rayon passant par un point P du méridien. La résolution du système (1) permet de déduire dR et donc de déterminer le rayon réel du réservoir 1 lorsque sa pression interne atteint la pression de service. En effet, C étant connu et D étant fourni par les mesures et calculs effectués à partir des données fournies par les capteurs i 7, on en déduit les coefficients de Fourier a0,...,an, puis, à partir de l'équation (2), on détermine dR. La variation de pression à l'intérieur du réservoir est conduite par paliers égaux dont la valeur ou pas est déterminée en fonction du réservoir, notamment en fonction de sa capacité et de sa rigidité. Le pas ne doit pas être trop important pour ne pas entraîner de décorrelation du réseau speckle, ni trop petit pour ne pas allonger à l'excès la durée du balayage de la plage de pression prise en compte. Dans l'exemple du réservoir 1 représenté, le pas est fixé à 1 bar. A chaque pas de pression, dans les deux états de pression respectivement initial et final, on réalise un éclairage en lumière laser par les trois émetteurs 16 de la zone de la surface externe du réservoir 1 couvrant un méridien et l'on capte par les capteurs 17 les faisceaux rétrodiffusés. On réalise ainsi deux prises de vue holographique dans les deux états consécutifs de pression. Une telle technique dite Interférométrie de Réseau Speckle Electronique est bien connue. On peut ainsi enregistrer les variations des effets d'interférence due au déplacement de la surface du réservoir lors du changement de pression. La variation de pression à l'intérieur du réservoir s'opère par paliers entre deux valeurs limites qui sont la pression atmosphérique et la pression de service. De préférence, la pression initiale du processus de mesure de la déformation du réservoir sera la pression de service. Après avoir établi cette pression dans le réservoir, on réduira graduellement la pression et par palier par exemple de 1 bar dans le cas du réservoir 1, jusqu'à la pression ambiante en agissant sur le dispositif 11 de création de fuite. Cette manière d'opérer est plus appropriée que la montée en pression à partir de la pression ambiante qui nécessiterait pour chaque palier de pression une mise en route du surpresseur 9, génératrice de vibrations susceptibles d'entraîner une perte d'image speckle. Les signaux fournis par les capteurs 17 sont traités informatiquement par le système 18 pour convertir les franges d'interférence en images de phase démodulée proportionnelles aux déformations de surface du réservoir. Les données de départ (position du réservoir 1 et des capteurs 17, rayon initial du réservoir, longueur d'onde laser) sont bien entendu introduites dans le système informatique 18. De même, ce dernier traite les données fournies par les capteurs 17 pour, et de préférence comme représenté sur la figure 3, ne prendre en compte, par un logiciel approprié, que les données correspondant à une bande étroite 22 superposée au méridien 21, pour éviter un trop grand nombre de données nécessitant une compression. Le système 18 effectue enfin les calculs nécessaires pour la détermination de l'évolution du volume du réservoir tout au long de la variation graduelle de la pression interne. On a représenté sur la figure 4 deux courbes de variation de volume du réservoir 1 en fonction de la pression. La courbe continue 23 est la courbe de variation de volume calculée à partir de jauges de déplacement, cependant que la courbe discrète formée des points 24 est la courbe obtenue avec le procédé selon l'invention. On constate que l'évolution du volume est linéaire et que les valeurs déterminées conformément audit procédé collent étroitement aux valeurs calculées. C'est ainsi que pour ce qui concerne l'exemple illustré par la figure 4, pour une pression interne de 290 bars le réservoir a subi une augmentation de volume de 1085 ml mesurée conformément au procédé alors que le calcul correspondant donne 1060 ml, soit une précision de mesure de 25 ml pour une capacité de réservoir 1 à pression atmosphérique de 51 000 ml. Dans le cas où la mesure ne nécessiterait pas une précision de cet ordre, on pourrait, au lieu de la technique de l'holographie TV, recourir à des techniques de résolution moindre telles que les moirés ou les projections de franges. II est à noter que la mesure de la variation de volume est basée sur le rayon externe du réservoir. Une correction théorique est effectuée pour prendre en compte la variation d'épaisseur du liner métallique et de la coque composite soumis à un effet de compression radiale. Sur la figure 5, on a représenté une courbe d'expansion du réservoir 1 le long du méridien 21 correspondant à une pression dP de 290 bars. On notera que la variation du rayon le long du méridien est moins importante dans la zone équatoriale (ss = 900) que dans les zones polaires (,B = O et ss = 1800), ces zones du réservoir étant plus rigides du fait, d'une part, de l'existence d'une soudure au niveau de l'équateur dans le liner métallique et, d'autre part, des embouts métalliques aux deux pôles. II est enfin à noter que le procédé de l'invention peut s'appliquer d'une manière générale à tout autre réservoir ou analogue axysimétrique, par exemple des réservoirs à virole cylindrique et embouts sphériques, à partir de la même équation C.L=D et de la définition de la loi d'expansion radiale desdits réservoirs sous forme d'une série de Fourier. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de l'expansion du volume d'un réservoir pressurisé, notamment un réservoir (i) ou analogue du type axisymétrique devant contenir un fluide sous une pression de service de plusieurs centaines de bars, caractérisé en ce qu'il consiste - à monter le réservoir (1) sur un support (3) en deux points opposés du réservoir et au voisinage de son axe, le réservoir étant fixe par rapport au support en l'un des deux points et mobile suivant son axe en l'autre point; - à introduire de manière étanche un fluide dans le réservoir (1) et faire varier la pression du fluide entre deux valeurs limites constituées par la pression atmosphérique et la pression de service dudit réservoir, par paliers de pression égaux prédéterminés - à éclairer la surface externe du réservoir (1) par une lumière laser et enregistrer la lumière rétrodiffusée par ladite surface externe, cette dernière étant éclairée à l'aide d'une pluralité de sources laser (16) à chacune desquelles est associé un capteur optique déplacement hors plan, L'ensemble des capteurs étant disposé dans un plan contenant l'axe du réservoir (1) en sorte de prendre en compte une bande (22) de la surface du réservoir correspondant à un méridien (21), - à enregistrer à l'aide des capteurs (17) pour chaque pas de variation de pression la lumière rétrodiffusée dans deux états correspondants aux deux niveaux de pression du pas, - et à calculer la variation de volume du réservoir entre les deux valeurs limites de pression susdites, ladite variation étant mise sous forme d'une série de Fourier, à partir du système C.L=D où: C est une matrice de coefficients relatifs aux positions géométriques du réservoir (1) et des capteurs (17); est la matrice des coefficients relatifs à la déformation du réservoir, et D est la mesure des déformations issue des données fournies par les capteurs. 2. Procédé suivant la revendication 1, plus particulièrement appliqué à un réservoir ou analogue (1) sphérique, caractérisé en ce que la variation de volume est calculée à partir de la relation dR=aO + Z as cos (2 n ss) où dR est la variation du rayon de la sphère (1), ss est la latitude des points d'intersection avec la surface du réservoir du plan méridien contenant les capteurs (17), a0,..., a sont les coefficients de la matrice L, et n est un entier. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que n est égal ou supérieur à 15. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur optique est une caméra CCD (17) associée à un montage optique en sorte de constituer avec la source laser (16) 6) un ensemble mettant en oeuvre la technique de l'holographie TV. 5. Procédé suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les capteurs (17) 7) sont au nombre de trois et sont disposés de façon à prendre en compte trois secteurs d'arc contigus couvrant sensiblement toute l'étendue d'un méridien (21) de la surface sphérique du réservoir 6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la variation de pression à l'intérieur du réservoir 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens (3) pour suspendre le réservoir à mesurer vertical, le réservoir étant à son extrémité polaire supérieure monté fixe et, à son extrémité polaire inférieure, guidé en libre translation verticale, - des moyens (14) portant une pluralité d'ensembles ( 1 5 ) émetteur laser capteur optique, orientés en direction dudit réservoir (1), - des moyens (9, 11, 12) reliés au réservoir l'intérieur de ce dernier un fluide sous pression contrôlée, - et des moyens informatiques (18) de calcul, commande et contrôle, reliés audits ensembles (15) et audits moyens d'acheminement de fluide (9, 11, i 12) pour, d'une part, commander la variation pas à pas de la pression dans le réservoir (1) et, d'autre part, commander pour chaque pas de pression, la prise d'images holographiques, leur traitement et le calcul de détermination des variations de volume dudit réservoir (1). 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les capteurs sont des caméras CCD (17). 9. Dispositif suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'acheminement d'un fluide sous pression contrôlée dans le réservoir 10. Dispositif suivant l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le réservoir ( 1 5) émetteur-capteur comprend trois éléments disposés dans un plan contenant l'axe du réservoir et dirigés vers le centre du réservoir en regard d'une zone (22) de la surface externe du réservoir correspondant à un méridien (21). i). 11. Dispositif suivant l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les moyens de support (3) du réservoir (1) et les moyens de support (14) des ensembles