Brevet FR3025027A1 — publié le 20160226

Procédé et système de contrôle d'un dispositif comprenant un récipient prévu pour contenir un gaz et un liquide La présente invention concerne le domaine des dispositifs possédant un récipient étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume du gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient. Il est possible de munir un engin naval, notamment un engin de surface ou un sous-marin, d'un régleur pour ajuster la flottabilité de l'engin naval. Un régleur possède un récipient étanche et indéformable, prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume du gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient. Le récipient occupe un volume sensiblement constant. Le liquide sert de lest pour augmenter ou diminuer le poids du régleur de manière à respectivement diminuer ou augmenter sa flottabilité, et par conséquent celle de l'engin naval. L'ajout de liquide dans le récipient augmente le poids du régleur et diminue sa flottabilité. Le retrait de liquide hors du récipient diminue le poids du régleur et augmente sa flottabilité. Afin de commander le remplissage du régleur en liquide et d'ajuster sa flottabilité, il convient de déterminer la quantité de liquide présente dans le réservoir, ou, par soustraction, le volume de gaz comprimé par l'entrée de liquide. Un des buts de l'invention est de proposer un procédé de contrôle permettant un contrôle simple et fiable d'un dispositif comprenant un récipient prévu pour contenir un gaz et un liquide. A cet effet, l'invention propose un procédé de contrôle d'un dispositif comprenant un récipient étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume occupé par le gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient, le procédé comprenant la mesure de la pression du gaz et/ou la mesure de la température du gaz, et le calcul du volume du gaz en fonction de la pression du gaz mesurée et/ou de la température du gaz mesurée, en considérant le gaz comme parfait et en fonction d'au moins une équation thermodynamique relative aux gaz parfaits. Le procédé de contrôle permet de déterminer de manière simple et fiable, le volume occupé par le gaz dans le récipient et d'en déduire d'autres caractéristiques du récipient ou du dispositif, par exemple le volume de liquide à l'intérieur du récipient ou la flottabilité générée par le dispositif dans un fluide environnant. 3025027 2 Selon des modes de mise en oeuvre particuliers, le procédé de contrôle comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : - il comprend le calcul d'une valeur du volume du gaz VG en appliquant l'équation d'état des gaz parfaits, selon l'équation VG = n.R.TG/PG, où n est le nombre de moles de 5 gaz contenue dans le récipient (en mole), PG est la pression du gaz mesurée (en Pascal), TG est la température du gaz mesurée (en Kelvin), R est la constante des gaz parfaits et VR est le volume interne du récipient (en m3) ; - il comprend le calcul d'une valeur du volume du gaz VG en appliquant au gaz la loi de Laplace de transformation adiabatique des gaz parfaits, selon l'équation VG = 10 (C/PG)", Où PG est la pression mesurée (en Pascal), y est le coefficient de Laplace du gaz, et C est la constante de transformation adiabatique du gaz ; - il comprend le calcul d'une première valeur du volume du gaz en appliquant au gaz l'équation des gaz parfaits, le calcul d'une deuxième valeur du volume du gaz en appliquant au gaz l'équation de la loi de Laplace de la transformation adiabatique des gaz 15 parfaits, et le calcul du volume du gaz en fonction de la première valeur et de la deuxième valeur ; - le volume du gaz calculé est déterminé comme une combinaison linéaire de la première valeur et de la deuxième valeur ; - il comprend la mesure du débit volumique de liquide entrant ou sortant du 20 récipient et le calcul du volume du gaz en fonction en outre du débit volumique de liquide ; - le calcul du volume du gaz est réalisé à l'aide d'un filtre de Kalman dont les variables d'état sont le débit volumique de liquide, la pression du gaz et, éventuellement, la température du gaz ; - le volume du gaz est calculé à partir des variables d'état calculées par le filtre de 25 Kalman, en appliquant au gaz l'équation d'état des gaz parfaits et/ou l'équation de la loi de Laplace de la transformation adiabatique des gaz parfaits ; - il comprend le calcul de la valeur du volume de liquide comme la différence entre le volume du récipient VR et le volume du gaz VG calculé ; - il comprend le calcul de la flottabilité nette générée par le dispositif dans un fluide 30 environnant, selon l'équation Fnette = p (Vo + VG) - m.g, où VG est le volume du gaz calculé (en m3), Vo est le volume occupé par le dispositif hors le volume du gaz (en m3), p la densité du fluide environnant le dispositif, m est la masse (en kilogrammes) du dispositif, et g la gravité terrestre (en m/s2) ; - la mesure de la température du gaz est effectuée à l'aide de plusieurs capteurs 35 de température disposés en plusieurs points distincts du récipient, et le calcul d'une température mesurée en fonction de la pluralité de signaux de mesure de température ; 3025027 3 - il comprend le brassage du gaz pour homogénéiser sa température. ; - le récipient contient une chambre de gaz et une chambre de liquide séparées de manière étanche l'une de l'autre ; L'invention concerne également un système de contrôle d'un dispositif comprenant 5 un récipient étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume occupé par le gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient, le système de contrôle comprenant au moins un capteur de pression pour mesurer la pression du gaz et/ou au moins un capteur de température pour mesurer la température du gaz et un calculateur configuré pour 10 mettre en oeuvre un procédé de contrôle tel que défini ci-dessus. L'invention concerne encore un dispositif comprenant un récipient étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume du gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient, et un système de contrôle tel que défini ci-dessus. 15 Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif est un régleur pour engin naval ou un accumulateur hydraulique. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexé, sur lesquels : 20 - la Figure 1 est une vue schématique d'un régleur pour engin naval; et - les Figures 2 et 3 sont des vues schématiques de régleurs selon des variantes. Le régleur 2 illustré sur la Figure 1 est prévu pour équiper un engin naval 3, notamment un engin de surface ou un sous-marin, pour ajuster la flottabilité de l'engin naval. L'engin naval est en particulier un engin sous-marin, par exemple un sous-marin ou 25 un planeur sous-marin. Le régleur 2 comprend un récipient 4 étanche prévu pour contenir un gaz G et un liquide L de remplissage, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume occupé par le gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient. 30 Le récipient 4 est rigide et sensiblement indéformable. Le volume interne du récipient 4 est constant. Le liquide est sensiblement incompressible et le gaz est compressible. Lorsque la quantité de liquide dans le récipient 4 augmente, le volume du liquide augmente, le volume du gaz diminue de manière correspondante. Lorsque la quantité de liquide diminue dans le récipient 4, le volume du liquide dans le récipient 4 35 diminue, le volume du gaz augmente. Malgré les variations du volume du gaz, la quantité de gaz, i.e. le nombre de moles du gaz dans le récipient 4, reste constante. 3025027 4 Le régleur 2 comprend un dispositif de remplissage 6 permettant d'ajouter du liquide dans le récipient 4 ou de retirer du liquide du récipient 4 sans modifier la quantité de gaz contenue dans le récipient 4, à partir d'une source de liquide. Tel qu'illustré, la source de liquide est un réservoir 30 prévu pour un transfert du 5 liquide L entre le réservoir 30 et le récipient 4. Le réservoir 30 est plongé dans le fluide environnant, dans lequel évolue l'engin naval 3. Le réservoir 30 possède une paroi déplaçable et/ou déformable de sorte que le volume externe du réservoir 30 varie en fonction de son remplissage. Le réservoir 30 est par exemple une enveloppe souple déformable. 10 En variante, le liquide utilisé pour remplir le récipient 4 est le fluide environnant. Le régleur 2 comprend un système de contrôle 8 pour contrôler le régleur 2, et notamment pour mesurer le volume du gaz dans le récipient 4. Le système de contrôle 8 comprend un capteur de pression 10 disposé dans le récipient 4 pour fournir un signal de mesure représentatif de la pression du gaz contenu 15 dans le récipient 4 et un capteur de température 12 disposé dans le récipient 4 pour fournir un signal de mesure représentatif de la température du gaz contenu dans le récipient 4. Le système de contrôle 8 comprend un calculateur 14 configuré pour mettre en oeuvre un procédé de contrôle du régleur 2, en déterminant éventuellement la flottabilité 20 du régleur 2. Le calculateur 14 est un calculateur numérique, comprenant un processeur et une mémoire pour traiter des données. En variante, le calculateur 14 est un calculateur analogique comprenant des composants électroniques propre à traiter des signaux analogique. 25 Le calculateur 14 reçoit en entrée le signal de mesure du capteur de pression 10 et le signal de mesure du capteur de température 12. Le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume du gaz en fonction de la pression du gaz mesurée et de la température du gaz mesurée, par application au gaz du récipient 4 de l'équation d'état des gaz parfaits. 30 L'équation d'état des gaz parfaits appliquée au gaz du récipient s'écrit comme suit : PG VG = n.R.TG (1) où n est la quantité de gaz contenue dans le récipient (en mole), PG est la pression du gaz mesurée (en Pascal), TG est la température du gaz mesurée (en Kelvin), R est la 35 constante des gaz parfaits et VG est le volume de gaz calculé (en m3). Ainsi, le volume du gaz est donné par l'équation suivante : 3025027 5 VG = n.R.TG/PG (2) Le volume interne du récipient VR est occupé par le gaz et le liquide. Ainsi, la somme du volume du gaz VG et du volume du liquide VI_ est égale au volume interne VR du récipient, qui est une donnée connue du récipient. 5 En option, le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume de liquide VI_ en fonction du volume du gaz VG, comme la différence du volume interne du récipient VR et du volume du gaz VG calculé, suivant l'équation suivante : VI_ = VR - VG (3) Le calculateur 14 calcule ainsi le volume du liquide selon l'équation suivante, 10 résultant de la combinaison des équations (2) et (3) : VI_ = VR - n.R.TG/PG (4) Le calculateur 14 est configuré pour calculer la flottabilité nette générée par le régleur 2 dans le fluide environnant (i.e. le poids du régleur 2 dans ce fluide). Dans une variante, la flottabilité nette est calculée selon l'équation suivante : 15 Fnette = p (Vo + VG) - m.g (5) où p est la densité (kg/m3) du fluide environnant, Vo est le volume (m3) occupé par le régleur 2 non compris le volume du gaz (m3), m la masse du régleur 2, et g la gravité (m/s2). Le calculateur 14 calcule ainsi flottabilité nette selon l'équation suivante, résultant 20 de la combinaison des équations (2) et (5) : Fnette = p (V0 + n.R.TG/PG) - m.g (6) Les équations (5) et (6) sont valables lorsque le liquide de remplissage du récipient 4 est le fluide environnant et lorsque le liquide provient du réservoir 30. Dans ce dernier cas, la masse du réservoir 30 et la masse de liquide L de remplissage sont 25 comptées dans la variable m, et le volume du réservoir 30 rempli au maximum est compté dans Vo. Le mode de réalisation de la Figure 2 diffère de celui de la Figure 1 en ce que le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume du gaz VG uniquement à partir de la pression du gaz mesurée PG en appliquant au gaz l'équation de Laplace de 30 transformation adiabatique des gaz parfaits. L'équation de Laplace de transformation adiabatique des gaz parfaits appliquée au gaz s'écrit comme suit : PG.VGY = C (7) Où PG est la pression mesurée, VG est le volume de gaz, y est le coefficient de 35 Laplace du gaz et C est un coefficient de transformation adiabatique du gaz. Le coefficient 3025027 6 C dépend en pratique de la température. Celle-ci étant considérée comme constante, le coefficient C est considéré comme constant. Le volume du gaz est ainsi déterminé par l'équation suivante : VG = (C/PG)" (8) 5 Le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume du liquide VI_ selon l'équation suivante, résultant de la combinaison des équations (3) et (8) : vL= VR - (CiPG)" (9) En variante ou en option, le calculateur 14 est configuré pour calculer la flottabilité nette générée par le régleur 2 selon l'équation suivante, résultant de la combinaison des 10 équations (5) et (7) : Frette = P (Vo + (C/PG)11Y) - m.g (10) Dans ce mode de réalisation, un capteur de température n'est pas nécessaire. Le récipient 4 de la Figure 2 est dépourvu de capteur de température. Ce mode de réalisation suppose l'utilisation d'un récipient 4 adiabatique isolé 15 thermiquement. L'avantage de ce mode d'utilisation est de s'affranchir d'une mesure de température pouvant être entachée d'erreur. Il permet donc une mesure plus précise sur une période de temps courte pendant laquelle la température du gaz varie peu, mais se retrouve entachée d'erreur sur une période de temps longue du fait que le récipient 4 ne peut être parfaitement adiabatique et que la température du gaz évolue donc. 20 Dans une variante pouvant être mise en oeuvre par le dispositif de la Figure 1, le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume du liquide en fonction d'une première valeur du volume de gaz VG1 calculée par application de l'équation d'état des gaz parfaits au gaz, et d'une deuxième valeur du volume du liquide VG2 calculée par application de l'équation de Laplace de transformation adiabatique des gaz parfaits au gaz. Ces valeurs 25 sont entachées d'erreurs différentes (erreur sur la mesure de température dans le premier cas, et erreur du fait de l'utilisation d'une enceinte non parfaitement adiabatique dans le deuxième) Dans un mode de mise en oeuvre, la première valeur et la deuxième valeur sont calculées selon les équations suivantes : 30 VG1 = n.R.TG/PG (11) VG2 = (C/PG)" (12) Dans un mode de mise en oeuvre, le volume du gaz VG est calculé comme une combinaison linéaire de la première valeur VG1 et de la deuxième valeur VG2 affectées de coefficients de pondérations al et a2, suivant l'équation suivante : 35 VG = ai .VG1 + a2.VG2 (13) De préférence, les coefficients de pondération vérifient les conditions suivantes : 3025027 7 0 REVENDICATIONS1.- Procédé de contrôle d'un régleur pour engin naval, le régleur comprenant un récipient (4) étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume occupé par le gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient (4), le procédé comprenant la mesure de la pression du gaz et/ou la mesure de la température du gaz, et le calcul du volume du gaz en fonction de la pression du gaz mesurée et/ou de la température du gaz mesurée, en considérant le gaz comme parfait et en fonction d'au moins une équation thermodynamique relative aux gaz parfaits. 2.- Procédé de contrôle selon la revendication 1, comprenant le calcul d'une valeur du volume du gaz VG en appliquant l'équation d'état des gaz parfaits, selon l'équation VG = n.R.TG/PG, où n est le nombre de moles de gaz contenue dans le récipient (en mole), PG est la pression du gaz mesurée (en Pascal), TG est la température du gaz mesurée (en Kelvin), R est la constante des gaz parfaits et VR est le volume interne du récipient (en m3). 3.- Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, comprenant le calcul d'une valeur du volume du gaz VG en appliquant au gaz la loi de Laplace de transformation adiabatique des gaz parfaits, selon l'équation VG = (C/PG)11 Y, où PG est la pression mesurée (en Pascal), y est le coefficient de Laplace du gaz, et C est la constante de transformation adiabatique du gaz. 4.- Procédé de contrôle selon les revendications 2 et 3, comprenant le calcul d'une première valeur du volume du gaz en appliquant au gaz l'équation des gaz parfaits, le calcul d'une deuxième valeur du volume du gaz en appliquant au gaz l'équation de la loi de Laplace de la transformation adiabatique des gaz parfaits, et le calcul du volume du gaz en fonction de la première valeur et de la deuxième valeur. 5.- Procédé de contrôle selon la revendication 4, dans lequel le volume du gaz calculé est déterminé comme une combinaison linéaire de la première valeur et de la deuxième valeur. 6.- Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant la mesure du débit volumique de liquide entrant ou sortant du récipient et le calcul du volume du gaz en fonction en outre du débit volumique de liquide. 7.- Procédé de contrôle selon la revendication 6, dans lequel le calcul du volume du gaz est réalisé à l'aide d'un filtre de Kalman (18) dont les variables d'état sont le débit volumique de liquide, la pression du gaz et, éventuellement, la température du gaz. 3025027 14 8.- Procédé de contrôle selon la revendication 7, dans lequel le volume du gaz est calculé à partir des variables d'état calculées par le filtre de Kalman, en appliquant au gaz l'équation d'état des gaz parfaits et/ou l'équation de la loi de Laplace de la transformation adiabatique des gaz parfaits. 5 9.- Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant le calcul de la valeur du volume de liquide comme la différence entre le volume du récipient VR et le volume du gaz VG calculé. 10.- Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant le calcul de la flottabilité nette générée par le dispositif dans un fluide 10 environnant, selon l'équation Fnette = p (Vo + VG) - m.g, où VG est le volume du gaz calculé (en m3), Vo est le volume occupé par le dispositif hors le volume du gaz (en m3), p la densité du fluide environnant le dispositif, m est la masse (en kilogrammes) du dispositif, et g la gravité terrestre (en m/s2). 11.- Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 dans lequel la mesure de la température du gaz est effectuée à l'aide de plusieurs capteurs de température disposés en plusieurs points distincts du récipient, et le calcul d'une température mesurée en fonction de la pluralité de signaux de mesure de température. 12.- Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 comprenant le brassage du gaz pour homogénéiser sa température. 13.- Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le récipient contient une chambre de gaz (24) et une chambre de liquide (26) séparées de manière étanche l'une de l'autre. 14.- Système de contrôle d'un régleur pour engin naval, le régleur comprenant un 25 récipient (4) étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume occupé par le gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient, le système de contrôle (8) comprenant au moins un capteur de pression (10) pour mesurer la pression du gaz et/ou au moins un capteur de température (12) pour mesurer la température du gaz et un calculateur (14) 30 configuré pour mettre en oeuvre un procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15.- Régleur pour engin naval, le régleur comprenant un récipient (4) étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz étant constante et la quantité de liquide étant variable, le volume du gaz variant avec la quantité de liquide contenue 35 dans le récipient, et un système de contrôle (18) selon la revendication 14.