Brevet FR2793556A1 — publié le 20001117

La présente invention est relative au domaine de la mesure du niveau de remplissage d'un réservoir ou d'une bouteille opaque et elle vise, plus particulièrement, le domaine des réservoirs opaques contenant au moins un produit liquide qui est conditionné dans ledit réservoir, de manière à comporter une phase liquide et une phase gazeuse. A titre d'application préférée, mais non limitative, l'objet de l'invention concerne le domaine de l'appréciation du niveau de remplissage des réservoirs de produits combustibles sous pression, tels que les gaz butane ou propane, qui peuvent, indifféremment, être à destination d'usages industriels ou domestiques. Le conditionnement de produits, notamment à caractère combustible, dans des réservoirs de stockage opaques est connu pour poser un problème de remplissage, en raison des conditions de stockage qui peuvent varier dans le temps ou en cours d'utilisation. Le paramètre le plus important est, certainement, celui de la température ambiante qui peut varier entre une température de l'ordre de 0 C, et une température notablement plus élevée, de l'ordre de 50 C. Il est connu qu'une température de 50 C est de nature à provoquer une dilatation de la phase liquide ce qui réduit le volume de la phase gazeuse occupant le ciel de réservoir et augmente la pression surtout si le volume de ciel est inférieur à 3% du volume total. A titre d'exemple, il est possible de citer le cas d'une bouteille de conditionnement de stockage temporaire de gaz butane qui, avec une charge de remplissage de 13,46 kg au lieu de 13 kg n'a plus que 3% de ciel gazeux à 50 C, ce qui est à la limite du remplissage toléré par la législation. On comprend que le remplissage de tels réservoirs doit être contrôlé de façon précise, de manière à éviter, qu'avec une température ambiante de 50 C, il y ait un risque de montée en pression interne excessive, susceptible de conduire à des risques d'explosion avec les conséquences qui s'y attachent. La nécessité de pouvoir contrôler précisément le remplissage a déjà fait l'objet de réflexions antérieures qui ont fait naitre différentes propositions. L'une d'elles consiste à détecter le niveau limite par un capteur à rayonnement gamma dont la précision et la condition de mise en oeuvre sont insatisfaisante. Une autre solution consiste à tenter une appréciation du niveau de remplissage en procédant par échantillonnage de poids total du réservoir rempli et à condition de connaître le volume du réservoir ou de la bouteille. II peut être cité, à cet égard, la demande de brevet EP 0 653 235 qui illustre une telle technique. Il ne peut pas être considéré, semble-t-il, qu'une telle proposition soit de nature à régler globalement le problème posé. En effet, la mesure du niveau de remplissage par appréciation pondérale, doit être associée à une saisie du volume de la bouteille. L'objet de l'invention est d'apporter une solution au problème ainsi posé en proposant un nouveau procédé de mesure de remplissage d'un réservoir opaque, plus particulièrement rempli avec un produit sous pression, conditionné sous des conditions telles qu'il occupe le réservoir sous un premier état de phase liquide et sous un second état de phase gazeuse, un tel procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à # Modifier le volume occupé par la phase gazeuse, # déterminer, en raison de la variation de pression et en relation avec la pression de la phase gazeuse et de la température, le volume occupé par ladite phase, # déduire éventuellement de la connaissance dudit volume, le niveau occupé par l'interface phase liquide-phase gazeuse. L'invention a encore pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, une telle installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend # un moyen de raccordement au réservoir opaque, # au moins une capacité, fixe ou variable, # des moyens pour mettre le réservoir en relation avec la capacité pour modifier la pression de la phase gazeuse occupant le ciel de réservoir, # des moyens pour mesurer la variation de pression et pour en déduire, le volume occupé par cette phase dans le réservoir, en tenant compte des températures des phases gazeuses # un système de pilotage commandant le fonctionnement cyclique des moyens de mesure et de déduction, et assurant les calculs de détermination du volume du ciel gazeux. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique illustrant un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La fig. 2 est une élévation schématique illustrant une variante du procédé selon la fig. 1. La fig. 3 est une vue schématique illustrant un autre mode de mise en oeuvre du procédé. Les fig. 4 à 6 sont des élévations schématiques illustrant des variantes du procédé selon le mode de la fg. 3. Le procédé de mesure du niveau du remplissage d'un réservoir opaque part du principe, qu'à température égale, toute modification de pression imposée à une masse gazeuse induit une modification, inversement proportionnelle, de son volume. Le procédé de l'invention applique ce principe à un réservoir de gaz, tel que 1 illustré par la fg. 1 et contenant, dans des conditions d'équilibre, au moins un produit se présentant sous une forme de phase liquide 2 surmontée par une forme de phase gazeuse 3 occupant le ciel de réservoir à partir duquel un organe de soutirage 4 est adapté de façon conventionnelle. Le procédé de l'invention consiste à volontairement faire varier l'un au moins des paramètres définissant la phase gazeuse 3 en équilibre, en respectant des conditions de température stabilisée ou prise en compte et, en particulier, en prenant les dispositions pour faire varier la pression de cette phase gazeuse. Dans un premier mode de mise en oeuvre du procédé, la modification de pression est obtenue en agissant pour prélever une quantité prédéterminée de gaz à partir de la phase 3. La fg. 1 montre un premier exemple de mise en oeuvre du procédé consistant à adapter, sur le moyen de connexion 4, un moyen 5 de raccordement avec une capacité 6 qui peut être isolée du réservoir 1 par l'intermédiaire d'une vanne ou d'un robinet 7. La capacité 6 est, dans cet exemple, constituée par une chambre à volume fixe, qui est maintenue à une pression inférieure à celle de la phase gazeuse 3 et, par exemple, de préférence à la pression atmosphérique par l'intermédiaire d'une mise à l'air libre 8 contrôlée par une vanne ou un robinet 9. Cette capacité 6 est pourvue d'une sonde thermométrique 11. Le moyen de raccordement 5 possède un piquage 10 d'un capteur de pression 12 Les moyens selon l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé font intervenir un calculateur 14 auquel aboutissent des lignes de mesure 15 et 16 issues de la sonde 11 et du capteur de pression 12. Ces moyens font également intervenir un système de pilotage 17 de type automate programmable, micro ordinateur, micro processeur, qui est chargé de piloter, par les lignes 18 et sous la dépendance du calculateur 14, les ouvertures séquentielles des vannes 7 et 9, à partir du moment où l'éventuel robinet d'ouverture-fermeture du moyen de soutirage 4 est considéré comme ouvert. Le procédé selon l'invention consiste, après un remplissage, considéré comme optimal du réservoir 1, sous des conditions d'équilibre donnant lieu à l'existence de la phase liquide 2 sous pression et de la phase gazeuse 3 sous pression, à fermer la vanne 7, afin de mesurer la pression dans la bouteille après raccordement, puis de fermer la vanne 9 et d'ouvrir la vanne 7 pour admettre, dans la capacité 6 à volume fixe, une quantité déterminée de gaz prélevée de la phase 3La pression mesurée par le capteur 12 est saisie avant et après l'ouverture de la vanne 7 Les éléments de mesure qui sont produits par la sonde 11 et par le capteur 12 tant avant qu'après le soutirage, sont fournis au calculateur 14 qui possède en mémoire les valeurs de pression initiales de la phase gazeuse 3 et du volume 6 et le volume de la capacité 6 permettant d'apprécier la quantité de gaz prélevée. Par prise en compte de ces différentes données, le calculateur 14 est à même d'apprécier le volume occupé par la phase gazeuse 3 et, éventuellement, par déduction avec la connaissance préalable du volume du réservoir 1, d'en déduire la position de l'interface 19 entre les phases 2 et 3 et, par conséquent, le niveau de remplissage du réservoir 1. Si pour des conditions déterminées, notamment de température ambiante, ou de température du liquide, il est constaté que le niveau de l'interface 19 correspond à un sur-remplissage, alors le réservoir 1 peut être retiré d'un circuit de commercialisation ou d'utilisation, de manière à éviter tout risque ultérieur de montée en pression excessive si les conditions, notamment de température extérieure, soumettent le réservoir 1 à une température conduisant à une élévation inacceptable de pression à l'intérieur de ce réservoir. Lorsque la mesure a été effectuée, le système de pilotage 17 commande la fermeture de la vanne 7 et l'ouverture de la vanne 9, de manière à évacuer la quantité de gaz contenue dans la capacité 6 qui est ainsi ramenée à la pression antérieure, à partir de laquelle il devient possible d'effectuer, avec la même installation, une mesure de pression sur un autre réservoir 1. Une variante du mode de procédé selon la fig. 1 est mise en évidence par la fg. 2, permettant de constater que la capacité 6 est, dans cette variante, constituée par une chambre à volume variable, dont l'organe mobile 20, tel qu'un piston, peut être commandé en course alternative, par l'intermédiaire d'un organe moteur 21, par exemple constitué par un vérin à double effet, dont l'alimentation sélective est placée sous la dépendance du système de pilotage 17. Selon le procédé de l'invention, et en considération des étapes préalables évoquées ci-dessus, l'organe moteur 21 est commandé pour, dans un premier temps, faire varier le volume utile de la capacité 6, depuis un volume nul en accroissement progressif, jusqu'à un volume maximal, de manière à soutirer, par le moyen de raccordement 5, la quantité de gaz correspondante à partir de la phase gazeuse 3. La mesure, permettant de conduire à la déduction et détermination du niveau de l'interface 19 se déroule comme précédemment, après quoi l'automate 17 commande l'organe moteur 21 pour, dans un deuxième temps, réduire le volume utile de la capacité 6 du volume maximal à un volume nul, de telle sorte que la quantité de gaz préalablement soutirée est réinjectée dans la phase 3. Cette variante de réalisation du premier mode de mise en oeuvre permet de supprimer toute perte gazeuse et toute pollution du milieu environnant par la mise à l'air libre de la capacité 6 selon la fig. 1. La fig. 3 correspond à un second mode de mise en oeuvre du procédé, dans lequel il est prévu de faire varier la pression de la phase gazeuse 3, non plus par prélèvement d'une quantité déterminée mais, au contraire, par injection dans le ciel du réservoir d'une quantité déterminée de gaz qui peut être de même nature que celui de la phase 3 ou qui peut être par exemple un autre gaz pétrolier un gaz neutre et même un mélange de gaz neutre avec un gaz traceur de fuite ou une composition de plusieurs gaz neutres. La mise en oeuvre de ce mode du procédé peut être conduite par une installation du type de la fig. 3 comprenant un moyen de connexion 30 pourvu d'une tête 31 adaptable sur le moyen de soutirage 4 du réservoir 1. La tête 31 peut être du type à connexion rapide et à caractère statique ou, au contraire, du type à ouverture contrôlée et, dans un tel cas, un organe moteur, tel que 32, lui est alors associé. L'installation comprend, entre le moyen de raccordement 30 et la capacité 6, un circuit-transfert 33 comprenant une branche 34, établie entre le moyen 30 et la capacité 6 et pourvue d'une vanne ou autre moyen d'isolement 35 disposé en amont d'un clapet 36 à fonction anti-retour dans le sens moyen de raccordement 30-capacité 6. Le circuit 33 comporte en plus deux branches 37 et 47 qui a travers les vannes 39 ou 40 connectent le capteur de pression 38 soit coté réservoir, soit coté capacité 6. L'installation comprend, par ailleurs, une enceinte-tampon 41 pourvue d'une sonde thermométrique 42 et qui est raccordée à la ligne 34, par une canalisation 43 pourvue d'une vanne ou autre moyen d'isolement 44. L'enceinte-tampon 41, dont le volume est très supérieur à celui de la capacité 6 est raccordée en permanence au travers d'un détendeur réglable 45 à une source de gaz sous pression 46. La capacité 6, dans cet exemple de réalisation de l'installation, est constituée par une chambre à volume variable possédant un organe mobile, tel que l'organe 20, susceptible d'être commandé en déplacement alternatif par l'intermédiaire d'au moins un organe moteur tel que 21. Comme dans le mode précédent, la vanne 35, les vannes 39, 40, le robinet d'isolement 44, le capteur 38, la sonde 42 et l'organe moteur 21 sont placés sous la dépendance de moyens de mesure et de commande incluant le calculateur 14 et l'automate 17. Pour faciliter la lecture, les lignes de connexion sont représentées, à la fig. 3, en traits mixtes. Sur la base de l'installation selon la figure 3, la mise en service du second mode du procédé de mesure consiste, pendant le remplacement d'un réservoir contrôlé par un réservoir à contrôler, à recharger la capacité variable 6. Pour cela les vannes 39 et 35 sont fermées et les vannes 40 et 44 sont ouvertes. En commandant ensuite l'alimentation de l'organe moteur 21 pour faire croître, à partir d'un volume nul, le volume utile de la capacité 6, une quantité déterminée de gaz est fournie par l'enceinte-tampon 41 pour remplir la capacité 6 dans des conditions de température qui peuvent être déterminées par l'intermédiaire de la sonde 42, voire d'une sonde analogue montée sur la branche 34, par exemple entre le clapet anti-retour 36 et la capacité 6. Le capteur 38 permet d'apprécier la stabilisation des conditions d'admission de la quantité déterminée de gaz dans la capacité 6, après quoi l'automate 17 ferme le robinet 44. A l'arrivée au poste de connexion d'un réservoir à contrôler, la tête de connexion 31 est connectée au réservoir. Alors la vanne 40 est fermée et la vanne 39 est ouverte. Dans cette seconde étape, lorsque les conditions de pression dans le réservoir sont mesurées de façon stable par le capteur 38, la vanne 35 est ouverte et l'organe 21 est commandé pour faire varier le volume utile de la capacité 36 du volume maximal à un volume nul, avec pour effet d'injecter, au travers du clapet anti- retour 36 la quantité déterminée de gaz, initialement admise dans le ciel du réservoir 1. Cette injection se traduit par une augmentation de la pression à l'intérieur du ciel de réservoir, augmentation de pression qui, en raison de l'ouverture de la vanne 39, est appréciée par le capteur 38 fournissant au calculateur 14 l'information complémentaire permettant, avec celle éventuelle de la sonde thermométrique 42 et celles prédéterminées de volume utile de la capacité 6 et du volume du réservoir 1, de mesurer et de déduire, comme dit précédemment, d'une part, le volume de la phase gazeuse 3 et, éventuellement par déduction, la position de l'interface 19 correspondant au niveau de remplissage du réservoir 1. La fig. 4 illustre une variante de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus dans le cas particulier où l'enceinte-tampon 41 est remplie avec un gaz qui est fourni à une pression inférieure à celle de la phase gazeuse 3. Dans un tel cas, le circuit transfert 33 peut être simplifié et ne comporter que la branche 34 uniquement pourvue du clapet anti-retour 36, de part et d'autre duquel sont raccordés deux capteurs de pression 38a et 38b. Complémentairement, la vanne 44 est remplacée par un clapet 46 ayant une fonction anti-retour entre la branche 34 et l'enceinte-tampon 41. Dans cette configuration du circuit transfert 33, le capteur de pression 38a sert à mesurer la pression de la quantité de gaz injectée par l'intermédiaire de la capacité 6, alors que le capteur 38b sert à mesurer la pression dans le ciel de réservoir. La figure 5 montre une autre variante dans laquelle le circuit de transfert 33 est composé de plusieurs branches 501, 502...50". Dans un tel exemple, la ligne 501 s'apparente aux circuit de la figure 4 avec le clapet anti-retour 521 (36 fig 4) et le capteur 531 (38a fig 4). La ligne 502 s'apparente au circuit de la figure 3, le capteur 532 étant dédié à la mesure de pression du gaz du circuit 502. Par ces moyens, il devient possible d'injecter, dans le ciel du réservoir, plusieurs gaz séparément et par exemple d'injecter en premier lieu de l'hélium par le circuit 501 puis de l'azote par le circuit 502. L'hélium est choisi pour assurer la fonction de traceur de fuites éventuelles . Pour éviter de polluer l'atmosphère ambiante avec de l'hélium, l'hélium restant dans le circuit de connexion 30 est ensuite chassé dans le réservoir par l'azote. Une autre variante du procédé est illustrée par la fig. 6 dans laquelle il est prévu de mettre en service, à titre de capacité 6, une chambre à volume fixe, dont le remplissage est assuré à partir de l'enceinte-tampon 41 qui est gonflée à une pression (fixée par le détendeur 45 supérieure aux pressions d'utilisation rencontrées). Le remplissage de la capacité 6 à des conditions (pression en particulier) prédéterminées par calcul, est obtenu par transfert de l'enceinte 41 à la capacité 6, grâce à l'ouverture de la vanne 44 commandée par le calculateur, et selon un débit de transfert limité par l'organe 60. Dans une telle variante, le circuit de transfert 33 peut alors être uniquement constitué par la branche 37 pourvue des robinets d'isolement 39 et 40 et du capteur de pression 38. L'enceinte-tampon 41 peut être rechargée par l'intermédiaire de la source 45 ou, au contraire, être constituée par une bouteille à remplissage unique. Pour s'adapter à différents types de gaz sur une même unité de remplissage (butane et/ou propane) et pour tenir compte des variations de température ambiante qui modifient considérablement les conditions de pression et de volume du ciel des réservoirs, il faut pouvoir ajuster la quantité de gaz à injecter. Ceci peut se faire de deux manières : soit en ajustant la course de la capacité variable 6 en utilisant par exemple la combinaison de mouvement de deux vannes 211 et 212 tels que présentés sur la figure 7, soit en faisant varier la pression dans la capacité tampon 41 au moyen de la motorisation 61 du détendeur 45 présenté sur la figure 4. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. Le système selon l'invention peut permettre le contrôle de la pression anormale de bouteille, ce qui est le cas quand les bouteilles renferment accidentellement de l'air. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de remplissage d'un réservoir opaque (1), occupé par au moins un produit sous pression, comprenant une phase liquide et une phase gazeuse, caractérisé en ce qu'il consiste, après un remplissage considéré comme effectué à un niveau optimal en considération de conditions de température déterminées, à # modifier la pression de la phase gazeuse, # déterminer, en raison de la variation de pression et en relation avec la pression de la phase gazeuse et de la température, le volume occupé par ladite phase, # déduire éventuellement de la connaissance dudit volume, le niveau occupé par l'interface (19) phase liquide phase gazeuse. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on modifie la pression de la phase gazeuse dans des conditions de pression et de température qui sont mesurées. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on modifie la pression de la phase gazeuse en soutirant du réservoir une quantité déterminée de ladite phase et en appréciant la réduction de pression conséquente. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que # on soutire une quantité déterminée de gaz de la phase gazeuse au moyen d'une capacité à volume variable, initialement mise en relation avec le réservoir, alors qu'elle se trouve dans un état de volume nul, # on fait croître, de façon contrôlée, le volume de la capacité pour soutirer la quantité déterminée de gaz, # on effectue la mesure, # puis on réduit et annule le volume utile de ladite capacité pour réinjecter dans le ciel de réservoir la quantité déterminée de gaz précédemment soutirée. 5 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on modifie la pression de la phase gazeuse en injectant, dans le ciel de réservoir, une quantité déterminée de gaz et en appréciant l'augmentation de pression conséquente, le gaz injecté étant de nature différente de la phase gazeuse occupant le ciel de réservoir, par exemple un gaz traceur de fuite, ou bien étant un gaz neutre tel que ce gaz ne se condense pas dans les conditions d'ambiance du produit dans le réservoir 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on injecte une quantité déterminée de gaz différent dans le ciel de réservoir au moyen d'une capacité transfert contenant une charge gazeuse confinée à une pression supérieure à celle de la phase gazeuse et en mettant en relation cette capacité avec le ciel du réservoir. 7 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on injecte une quantité déterminée de gaz différent dans le ciel de réservoir en admettant ladite quantité dans une capacité transfert à volume variable, puis en refoulant cette quantité dans le ciel de réservoir. 8 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend # au moins une capacité (6), # un moyen (5) de raccordement de la capacité au réservoir opaque (1), # des moyens (33) pour mettre le réservoir en relation avec la capacité pour modifier la pression de la phase gazeuse occupant le ciel de réservoir, # des moyens (14) pour mesurer la variation de pression et pour en déduire, en relation avec la température de ladite phase, le volume occupé par cette phase dans le réservoir, # un automate programmable (17) placé sous la dépendance des moyens (14) et commandant le fonctionnement cyclique des moyens de mesure et de déduction. 9 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la capacité est une chambre à volume fixe dans laquelle règne une pression inférieure à celle de la phase gazeuse et qui est mise en relation contrôlée avec le ciel de réservoir et avec une mise à l'air libre (8) par deux vannes (7 et 9) commandées sélectivement par l'automate. 10 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la capacité est une chambre à volume variable comprenant un piston associé à un organe moteur (21) commandé en course alternative par l'automate pour, dans un premier temps, être soumise, à partir d'un volume nul, à un accroissement de volume admettant une quantité déterminée de gaz à partir du ciel de réservoir, afin de permettre le déroulement du cycle de mesure et, dans un deuxième temps, à une réduction de volume jusqu'à retour à un volume nul pour réinjecter, dans le ciel de réservoir, la quantité déterminée de gaz préalablement prélevée. 11 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la capacité est une chambre à volume fixe qui est remplie d'une charge de gaz confinée sous une pression supérieure à celle de la phase gazeuse. 12 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la capacité est une chambre à volume variable comprenant un piston associé à un organe moteur (20) commandé en course alternative, ladite chambre pouvant être mise en relation contrôlée avec une enceinte-tampon (41) contenant une charge de gaz maintenue à une pression stable et en ce que des moyens d'isolement sélectif (39, 40 et 44), commandés par l'automate, sont interposés entre, d'une part, la chambre (6) et le ciel de réservoir et, d'autre part, la chambre et l'enceinte-tampon (41). 13 - Installation selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que la capacité (6) est pourvue d'une sonde thermométrique (42) appréciant la température du gaz contenu. 14 - Installation selon la revendication 8 qui comporte des moyens d'ajustement automatique de la pression du gaz injecté