WO2008125775A2 - Dispositif electronique de mesure d'etancheite - Google Patents

Dispositif electronique de mesure d'etancheite Download PDF

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WO2008125775A2
WO2008125775A2 PCT/FR2008/050372 FR2008050372W WO2008125775A2 WO 2008125775 A2 WO2008125775 A2 WO 2008125775A2 FR 2008050372 W FR2008050372 W FR 2008050372W WO 2008125775 A2 WO2008125775 A2 WO 2008125775A2
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Vincent Rouet
Bruno Foucher
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European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/04—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point
    • G01M3/16—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using electric detection means
    • G01M3/18—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using electric detection means for pipes, cables or tubes; for pipe joints or seals; for valves; for welds; for containers, e.g. radiators
    • G01M3/186—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using electric detection means for pipes, cables or tubes; for pipe joints or seals; for valves; for welds; for containers, e.g. radiators for containers, e.g. radiators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/26—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors
    • G01M3/32—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors for containers, e.g. radiators
    • G01M3/3236—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors for containers, e.g. radiators by monitoring the interior space of the containers

Definitions

  • the present invention relates to an electronic device for measuring leaks. Its field of application is that of all electronic devices for measuring, control or control, which must be protected from external aggressions.
  • the leakage measuring device may be a device without communications with the outside world, except radio communications, or with communications, of the optical fluidic type or by passage of son. It is known in the field of sealing to design appliance housings that meet IP standards, with which a particularly humid atmosphere inside the housing is strictly controlled.
  • IP degrees of protection against the penetration of liquids, in particular water are 0: no protection, 1: drops of water falling vertically can not penetrate, 2: drops of water falling at a maximum angle 15 ° from the vertical can not penetrate, 3: a rain making an angle of 60 ° maximum compared to the vertical can not penetrate, 4: a watering in all directions can not penetrate, 5: water projected by a 6.3 mm lance at a pressure of 0.3 bar can not penetrate, 6: water sprayed by a lance of 12.5 mm at a pressure of 1 bar can not penetrate, 7: protection against a total immersion at 1 meter depth, 8: submersible material at great depth.
  • This state is also regularly transmitted to the outside of the housing, to communicate the permanent sealing quality, or to cause sufficiently early repair or change of the housing when the measurement reveals a failure.
  • the circuit in the housing is made intelligent. It integrates algorithms for processing data at the source, in real time. Thus, as soon as a defect is measured, an alert can be given by the housing itself.
  • the subject of the invention is therefore an electronic device for measuring leaks comprising an electronic circuit with a microprocessor, a program memory, a data memory and measuring sensor peripherals, and or an actuator and or data transmitter relating to measurements.
  • a housing characterized in that it comprises in this housing a temperature measurement sensor, pressure, and relative humidity, and in the program memory, a program for measuring a seal of the housing based on measurements made within the housing, temperature, pressure and relative humidity.
  • FIG. 1 an integrated electronic monitoring system according to the invention
  • FIGS. 2a and 2b a leak detection algorithm to be implemented with the program of the invention
  • FIG. 3 an example of a leak detection test in an open environment
  • Figure 4 an example of a leak detection test in a pseudo hermetic environment
  • FIG. 5 a conversion diagram used by the program of the invention
  • FIG. 6 an overview of an implementation of the electronic sealing measuring device of the invention.
  • the sealing problems can be detected by integrating calculations made on three environmental variables: the temperature, the relative humidity and the pressure, the monitoring of the relative humidity alone is not sufficient.
  • the monitoring of the tightness is ensured by monitoring the evolution of the specific humidity.
  • Humid air is the air for which water is taken into account.
  • T temperature
  • RH relative humidity
  • W specific humidity
  • the humidity of the air can be quantified in two different ways.
  • the first parameter that accounts for this is the relative humidity. This is the ratio of the partial pressure of water vapor contained in the air with the saturation partial pressure of water vapor.
  • the partial pressure of a gas in a gas mixture is the relative pressure of one of the constituents of the mixture.
  • the sum of the partial pressures of the different gases is equal to the total pressure of the mixture.
  • the mixture considered here will always be air, this total pressure will therefore generally be atmospheric pressure.
  • the saturation partial pressure of water vapor is the value of the partial pressure of water vapor that must be reached for the water to condense. This value depends on the temperature of the air as well as its water composition. When the saturation partial pressure of water vapor is reached, the relative humidity is necessarily 100%, that is to say that the air has its maximum permissible amount of water vapor. It is in this context that there is condensation of the water contained in the air. The corresponding information can be found on the website http://www.thermique55.com/principal/airhumide.pdf.
  • the second parameter to quantify the humidity of the air is the specific humidity. It is the ratio of the mass of water contained in the air to the mass of dry air. This value will therefore always be less than unity. Unlike relative humidity, this parameter does not characterize a state of saturation of the air in water vapor.
  • the specific humidity can also be defined according to two parameters of the air: its total pressure P and its partial pressure in water vapor Pv.
  • a theoretical treatise on the behavior of moist air see Engineering Techniques, Energy Engineering Contract, B 2 230, Maxime
  • V ⁇ rj ⁇ 287.05x7 P a is the dry air pressure
  • V '* (m 3 I kg) is the mass volume of the dry air
  • m ⁇ is the density of dry air
  • T (K) is the temperature.
  • the specific humidity W is the ratio of the mass m v of water vapor contained in a volume V of moist air and the mass m a dry air contained in the same volume (expressed in%). According to relations (11) and (12):
  • the specific humidity W therefore depends on the partial pressure of water vapor (Pv) and the total pressure.
  • Constants A, B, C and D, as evoked by ASHRAE, Psychrometrics: Theory and Pratice, A.Gonzalez, 1996 take different values depending on the temperature domain T considered.
  • Table 1 Value of the 4 constants A, B, C and D for the different temperature domains (Kelvin) We also have:
  • Table 2 Value of the five constants E, F, G, H and K for different areas of total air pressure
  • the conventional diagram contains two additional variables that we will not use: wet bulb temperature, designated T hyg on the diagram and enthalpy, denoted h.
  • the wet temperature is the temperature measured considering that the relative humidity is 100%, which in practice is the case when the bulb which measures it bathes in a wet cloth.
  • Enthalpy is expressed in Joule per kilogram, and represents the amount of heat exchanged during a thermal cycle described in the diagram.
  • FIG. 5, of the device of the invention is therefore to measure the three previously mentioned parameters HR, P and T at a regular frequency.
  • the device of the invention comprises, in a housing not shown but supposed to be monitored by the device, an electronic circuit 1 with a microprocessor 2.
  • the microprocessor 2 may contain program memories 3 or data or these can be formed by discrete components such as 3 mounted on the circuit 1.
  • the device also comprises a sensor or actuator device 4, adapted to perform an electronic function assigned to the circuit 1.
  • the device comprises sensors, here integrated in the sensor module 4, viewed from the front and back, interconnected to the circuit 1, and able to measure the temperature T, the pressure P and the relative humidity RH inside the housing.
  • the program memory is recorded a program whose flowchart is detailed with reference to Figures 2a and 2b. These measurements, after shaping to homogenize the values, allow according to this program the calculation of the specific humidity W.
  • the circuit 1 comprises a radio transmission module 5, for example to the Zigbee standard, to transmit the results. measurements outside the case. Otherwise, the transmission of the results can go through the production of an optical window in the housing and by the presentation of light-emitting diodes facing this window, or even electrical son passing through the wall of the housing.
  • A, B, C and D are the constants, as a function of temperature, of Table 1.
  • FIGS. 2a and 2b A first program, FIG. 2a, makes it possible to calculate the value of the specific humidity W.
  • a step 7 allows, as a declaration, to set the circuit 1.
  • W is a combination of T, HR and P.
  • the units of each of the values must be respected to obtain a W consistent. This is why a conversion step 8 is present before performing the actual calculation. Step 8 makes it possible to calculate the parameters HR, T and P from the measurement made by the sensors of the module 4. Since the module 4 is of conventional type, its known type of sensors deliver electrical signals which are quantized and standardized for correspond to the HR, T and P parameters actually measured.
  • the microprocessor 2 looks in the data memory , which stores the tables 1 and 2, the values of the parameters A, B, C, and D according to T.
  • the microprocessor 2 calculates the seal: the specific humidity W.
  • a second function uses the previous one for leak detection itself. Its operation is described in the algorithm presented in FIG. 2b.
  • the initial specific humidity Wo is calculated by virtue of the very first values of temperature, relative humidity and pressure.
  • This initial specific humidity serves as a reference for the evolution of this quantity.
  • These first values are those found inside the housing, at the time of sealing.
  • Step 11 reproduces the algorithm of Figure 2a, but at the time of sealing, in principle under good sealing conditions.
  • step 12 a deviation of 20%, in a preferred example, of Wo is calculated or fixed. It results from the calculation of the accuracy of the various sensors as well as rounding.
  • the threshold is programmable according to the measurement accuracy of the sensors.
  • a leak detected is detected for the first time. If a leak has already been detected, the case is considered defective, and there is no longer any need to measure its tightness since we already know that it has failed. The existence of such a defect can thus be stored in a memory read at the time of the test 13. If the seal has never been faulted, during two tests 14 and 15, it is measured whether the variation of the specific humidity W has varied by plus or minus the value of a threshold, here relative, fixed in this case at 20%. If this is not the case, the circuit 1 returns, by the end step, to a periodic poll. Otherwise, an alarm is triggered in step 16, the data of the monitored device is saved, in step 17, at the same time that the occurrence of the occurrence of the seal failure is stored (to be used for a test 13 ulterior).
  • the leak detection function is preferably implemented in the program of the microcontroller 2 of the electronic circuit 1.
  • the leak detection therefore triggers a signal alerting the presence of the problem by the intermittent ignition of a visible light-emitting diode through a transparent window of the housing (or other system) present on the prototype and / or by sending a radio wave signal (repeatedly or on request status).
  • the housing of the invention includes means for editing a leakage warning message.
  • Tests have been conducted to validate the operation of the detection algorithm integrated into a prototype. They were performed with different frequencies of regular measurements (every 5 seconds to every hour).
  • Figure 3 shows one of the tests performed at ambient temperature and pressure (28 ° C, 1009 hPa) in an open environment.
  • the prototype thus considered a leak after only 8 hours of operation, at 476 minutes.
  • Wo 0.0129
  • a variation of 0.00258 made it possible to determine the minimum and maximum values of W admissible before the lighting of the diode indicating the detection. By matching all the data, it appears that the trigger occurred at the right time according to expectations.
  • Figure 6 shows the use of the device 1 of the invention. This is placed in a waterproof case 22 to be monitored and which comprises a system 23 electronic measuring, control or command for a function assigned to the housing 22.
  • the device 1 may itself be placed in an optional sealed housing 24. In this case the device 1 has a self-diagnostic function of its own tightness.
  • the microprocessor of the system 23 can be used to implement the function of the device 1, so that the latter will practically only impose the introduction of a sensor module 4.

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Abstract

Pour résoudre un problème de défaut d'étanchéité dans un boîtier, on prévoit de munir le boîtier d'un circuit électronique de mesure de son humidité spécifique. On montre qu'en comparant cette humidité spécifique courante à une humidité spécifique initiale, et en évaluant relativement l'écart constaté on dispose d'un outil fiable de mesure de la permanence de l'étanchéité.

Description

DISPOSITIF ELECTRONIQUE DE MESURE D'ETANCHEITE
La présente invention a pour objet un dispositif électronique de mesure d'étanchéité. Son domaine d'application est celui de tous les appareils électroniques de mesure, de contrôle ou de commande, qui doivent être protégés des agressions extérieures. Selon l'invention, le dispositif de mesure d'étanchéité peut être un dispositif sans communications avec le monde extérieur, sauf des communications radioélectriques, ou avec des communications, de type optique fluidique ou par passage de fils. II est connu dans le domaine de l'étanchéité de concevoir des boîtiers d'appareil satisfaisant aux normes IP, avec lesquels une atmosphère notamment humide à l'intérieur du boîtier est rigoureusement maîtrisée. Les degrés de protection IP contre la pénétration des liquides, en particulier l'eau, sont 0 : aucune protection, 1 : des gouttes d'eau tombant à la verticale ne peuvent pénétrer, 2: des gouttes d'eau tombant avec un angle maximal de 15° par rapport à la verticale ne peuvent pénétrer, 3: une pluie faisant un angle de 60° maximal par rapport à la verticale ne peut pénétrer, 4: un arrosage dans toutes les directions ne peut pénétrer, 5: de l'eau projetée par une lance de 6,3 mm à une pression de 0,3 bars ne peut pénétrer, 6: de l'eau projetée par une lance de 12,5 mm à une pression de 1 bar ne peut pénétrer, 7: protection contre une immersion totale à 1 mètre de profondeur, 8: matériel submersible à grande profondeur.
Il advient toutefois que l'atmosphère se dégrade à l'intérieur du boîtier, un circuit électronique alors présent dans le boîtier en souffre, et finit par tomber en panne. En quelque sorte, le circuit électronique interne, par sa défaillance marque le moment où l'atmosphère intérieure dans le boîtier n'a plus été tolérable. On note par ailleurs que le phénomène de dégradation peut durer longtemps, par exemple plusieurs années, avant que la manifestation de la panne ne survienne. La solution retenue dans l'état de la technique pour résoudre ce problème est de renforcer les structures, typiquement de placer des chicanes, à l'intérieur du boîtier pour que le phénomène de dégradation d'atmosphère s'y produise le plus tard possible. Cette solution n'est pas satisfaisante car elle conduit tôt ou tard à l'arrivée intempestive de la panne du circuit électronique. Dans l'invention, pour résoudre ce problème, on a procédé différemment. On a inclus dans le boîtier lui-même un circuit électronique de mesure de l'état de l'atmosphère. Cet état est par ailleurs régulièrement transmis à l'extérieur du boîtier, pour en communiquer la qualité d'étanchéité permanente, voire pour provoquer suffisamment tôt la réparation ou le changement du boîtier lorsque la mesure révèle une défaillance. Ainsi, on passe d'une habitude avec laquelle le respect des procédures d'emboîtage était le seul élément de garantie de l'étanchéité, à une mesure en temps réel de l'état de l'atmosphère interne et donc en particulier des conditions dans lesquelles le boîtier a été fermé et des conditions qu'il subit dans sa vie comme le changement de type de contraintes passant par exemple de l'IPG à I'IP7.
On notera qu'une telle interprétation n'est pas immédiate dans la mesure où, avec l'invention, on peut mettre en évidence qu'un boîtier est ainsi défectueux, même si son humidité interne se réduit. En effet, si elle se réduit alors que la température et la pression restent constantes, c'est que l'étanchéité n'y est pas bonne, et qu'il est alors possible que, dans d'autres circonstances, elle augmente, conduisant à la panne du circuit.
Par ailleurs, beaucoup de systèmes électroniques de surveillance (enregistreur de contraintes) effectuent une surveillance passive de l'environnement. Les données acquises par ces systèmes sont transférées a posteriori ou à intervalles réguliers, notamment sur un ordinateur personnel, pour une analyse approfondie.
Selon l'invention afin d'optimiser la maintenance, il est nécessaire d'améliorer le temps qui sépare les mesures permettant d'identifier un défaut et l'identification réelle du défaut. Dans l'invention, le circuit dans le boîtier est rendu intelligent. Il intègre des algorithmes permettant de traiter des données à la source, en temps réel. Ainsi, dès la mesure d'un défaut effectuée, une alerte peut être donnée par le boîtier lui-même. L'invention a donc pour objet un dispositif électronique de mesure d'étanchéité comportant un circuit électronique avec un microprocesseur, une mémoire programme, une mémoire de données et des périphériques capteur de mesure, et ou actionneur et ou transmetteur de données relatives à des mesures ou à des actions effectuées à l'aide d'un boîtier, caractérisé en ce qu'il comporte dans ce boîtier un capteur de mesure de température, de pression, et d'humidité relative, et, dans la mémoire programme, un programme pour mesurer une étanchéité du boîtier sur la base de mesures faites, à l'intérieur du boîtier, de température, de pression et d'humidité relative. En effet, dans l'invention on a mis en évidence que ces conditions, notamment l'humidité relative devaient rester les plus constantes possibles. Si elles évoluent trop, en association avec un refroidissement thermique, elles peuvent conduire à une condensation sur le circuit électronique. L'eau ou les autres gaz condensés se déposent alors sur le circuit et contribuent à sa détérioration. En mesurant cette évolution, voire en produisant un historique de cette évolution, on peut prédire la survenue d'une panne.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Les figures montrent :
- figure 1 : un système électronique intégré de surveillance selon l'invention;
- figures 2a et 2b: un algorithme de détection de fuite à mettre en œuvre avec le programme de l'invention;
- figure 3: un exemple de test de détection de fuite en environnement ouvert; Figure 4: un exemple de test de détection de fuite en environnement pseudo hermétique;
Figure 5 : un diagramme de conversion utilisé par le programme de l'invention
Figure 6 : une vue d'ensemble d'une mise en application du dispositif électronique de mesure d'étanchéité de l'invention.
Selon l'invention, les problèmes d'étanchéité peuvent être détectés en intégrant des calculs réalisés sur trois variables environnementales : la température, l'humidité relative et la pression, le suivi de l'humidité relative seule ne suffisant pas. La surveillance de l'étanchéité est assurée par le suivi de l'évolution de l'humidité spécifique.
Comportement théorique de l'air humide
L'air humide est l'air pour lequel on tient compte de l'eau qu'il contient.
Trois paramètres permettent de le caractériser : la température (T), l'humidité relative (HR) et l'humidité spécifique (W). Les définitions suivantes peuvent être retrouvées dans la littérature spécialisée traitant du comportement des variables environnementales notamment dans "Pratique de l'hygrométrie, notions fondamentales et utilisation des diagrammes", C.Wasmer, édition
Elcowa, 1988.
L'humidité de l'air peut se quantifier de deux manières différentes. Le premier paramètre qui en rend compte est l'humidité relative. Il s'agit du rapport de la pression partielle en vapeur d'eau contenue dans l'air avec la pression partielle de saturation en vapeur d'eau.
La pression partielle d'un gaz dans un mélange de gaz est la pression relative à un des constituants du mélange. La somme des pressions partielles des différents gaz est égale à la pression totale du mélange. Le mélange considéré ici sera toujours de l'air, cette pression totale sera donc généralement la pression atmosphérique.
La pression partielle de saturation en vapeur d'eau est la valeur de pression partielle en vapeur d'eau qui doit être atteinte pour que l'eau se condense. Cette valeur dépend de la température de l'air ainsi que de sa composition en eau. Lorsque la pression partielle de saturation en vapeur d'eau est atteinte, l'humidité relative est forcément de 100 %, c'est-à-dire que l'air possède sa quantité maximale admissible de vapeur d'eau. C'est dans ce contexte qu'il y a condensation de l'eau contenue dans l'air. Les informations correspondantes peuvent être trouvées sur le site Internet http://www.thermique55.com/principal/airhumide.pdf.
Le second paramètre permettant de quantifier l'humidité de l'air est l'humidité spécifique. Il s'agit du rapport entre la masse d'eau contenue dans l'air avec la masse d'air sec. Cette valeur sera donc toujours inférieure à l'unité. Contrairement à l'humidité relative, ce paramètre ne caractérise pas un état de saturation de l'air en vapeur d'eau.
L'humidité spécifique peut aussi se définir en fonction de deux paramètres de l'air : sa pression totale P et sa pression partielle en vapeur d'eau Pv. Un traité théorique du comportement de l'air humide (voir Techniques de l'ingénieur, traité génie énergétique, B 2 230, Maxime
Duminil, août 1986) permet de retrouver ces relations.
Dans toute la suite, l'air sec et la vapeur sont supposés se comporter comme des gaz parfaits. Il est également considéré que l'air est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau et que l'air sec est constitué uniquement de 80% d'azote (masse molaire=32) et 20% d'oxygène (masse molaire=28). Cas de l'air sec
D'après la loi des gaz parfaits, selon l'information accessible sur le site Internet http://www-ipst.u-strasbg.fr/jld/gaz-p.htm : PxV =nxRxT (1) où V {m3 /kg) est le volume massique du gaz, R = 8,314 JK'1 mol'1 est la constante universelle des gaz parfaits, n est le nombre de moles, P est la pression et TIa température en Kelvin.
En posant n = — et r -~A , , où m est la masse et M la masse molaire, M M on obtient PxV =rxT (2). Ainsi, en utilisant la formule ci-dessus appliqué à l'air sec on trouve : PαxVj =rαxT (Z) m t=-L = JÏΞ- {4) rn = — (5)
Vα rj α 287,05x7 où Pa est la pression de l'air sec, V'* (m3 I kg) est le volume massique de l'air sec, rα = 287 ,05 JK'1 kg'1 est la constante des gaz parfaits pour l'air sec, mα est la masse volumique de l'air sec et T (K) la température.
Cas de la vapeur d'eau De la même manière :
PvxV* =rvxT (6) mv * =-L = — (7) mv = — (8) v v Vv rvT v 461,51x7 où Pv est la pression de l'air humide, V'* (m3 /kg) est le volume massique de l'air humide, rv = 461,51JST1Ag"1 est la constante des gaz parfaits pour l'air humide, mv * est la masse volumique de l'air humide et TIa température en Kelvin.
Application de la loi de Dalton
D'après la loi de Dalton : P = Pa + Pv (9)
La masse volumique de l'air sec est alors, d après les relations (5) et p-pv (9): ma= (10) a 287,05x7 La masse ma d'air sec occupant un volume V est :
» τ. (P-Pv)XV .... m =m xV = - (11)
287,05x7
La masse mv de vapeur d'eau occupant un volume V est :
» Υr PvxV .... m =m χV= (12)
461,51x7
Obtention de l'humidité spécifique W Par définition, l'humidité spécifique W est le rapport entre la masse mv de vapeur d'eau contenue dans un volume V d'air humide et la masse ma d'air sec contenue dans ce même volume (exprimé en %). D'après les relations (11) et (12) :
Figure imgf000008_0001
(13)
L'humidité spécifique W dépend donc de la pression partielle en vapeur d'eau (Pv) et de la pression totale.
Les équations suivantes, d'origine empirique, permettent de relier les 0 paramètres d'humidité relative HR, de température T et d'humidité spécifique W. Pvs est la pression de vapeur saturante en eau.
Pvs = \000X QXÇ(A X TZ + Bx T + C + Dx T~ι) (14)
Les constantes A, B, C et D, évoquées par le document ASHRAE, Psychrometrics : Theory and Pratice, A.Gonzalez, 1996 prennent différentes 5 valeurs selon le domaine de tem érature T considéré.
Figure imgf000008_0002
Tableau 1 : Valeur des 4 constantes A, B, C et D pour les différents domaines en température (Kelvin) Nous avons aussi :
T = Ex (ln(/>ra))4 + F x (In(ZV)) 3 + Gx (In(ZV))2 + Hx In(ZV) + K 0 (15)
Ici les constantes E, F, G, H et K prennent aussi différentes valeurs our différents domaines de ression totale P de l'air considéré.
Figure imgf000008_0003
Tableau 2 : Valeur des cinq constantes E, F, G, H et K pour différents domaines de pression totale de l'air
Pv Pv
De plus comme HR = et W = 0,622 x , on peut donc prévoir
Pvs P - Pv les variations relatives de ces trois paramètres. r = 0,622x HR X PVS (16) P - HRxPvs
L'équation précédente de W permet d'obtenir l'expression suivante de l'humidité relative HR en fonction des deux paramètres de température et de pression totale : X PX QXΌ(-A X T2 - Bx T - C - Dx T'1)
Figure imgf000009_0001
(17) C'est à partir de l'expression précédente (16) de W que peut se tracer un diagramme psychrométrique qui permet d'illustrer les variations relatives des trois variables T, W et HR. Il est montré sur la figure 5. Il représente la variation en humidité spécifique W en fonction des variations de température. Il s'agit d'un réseau de courbes, chaque courbe W=f (T) étant tracée pour une valeur de HR. En fixant deux de ces variables, l'état de l'air humide est déterminé. Chaque diagramme est établi pour une valeur fixée de la pression totale P. Une description plus complète se trouve dans l'ouvrage précité "Pratique de l'hygrométrie".
Le diagramme conventionnel contient deux variables supplémentaires que nous n'utiliserons pas : la température humide, notée thyg sur le diagramme et l'enthalpie, notée h. La température humide est la température mesurée en considérant que l'humidité relative est de 100 %, ce qui en pratique est le cas lorsque le bulbe qui la mesure baigne dans un linge humide. L'enthalpie s'exprime en Joule par kilogramme, et représente les quantités de chaleur échangées au cours d'un cycle thermique décrit sur le diagramme.
Selon l'invention, ces équations peuvent ainsi être utilisées pour la détection de fuites ou de problèmes d'étanchéité. Leur intégration dans un système électronique de surveillance tel qu'un HUMS (Health and Usage Monitoring System - Système de contrôle de vie et d'utilisation) est tout à fait réalisable pour surveiller l'évolution de l'humidité spécifique W en environnement embarqué et en temps réel à l'aide de capteurs de température, d'humidité relative et de pression. Le but, figure 5, du dispositif de l'invention, figure 1 , est donc de mesurer les trois paramètres cités précédemment HR, P et T, à une fréquence régulière. A cet égard, figure 1 , le dispositif de l'invention comporte, dans un boîtier non représenté mais censé être surveillé par le dispositif, un circuit électronique 1 avec un microprocesseur 2. Le microprocesseur 2 peut contenir des mémoires 3 de programme ou de données, ou celles ci peuvent être formées par des composants discrets tels que 3 montés sur le circuit 1. Le dispositif comporte également 4 un périphérique capteur ou actionneur, propre à réaliser une fonction électronique assignée au circuit 1. Selon l'invention, le dispositif comporte des capteurs, ici intégrés au module capteur 4, vu de face et de dos, interconnecté au circuit 1 , et apte à mesurer la température T, la pression P et l'humidité relative HR à l'intérieur du boîtier. Dans la mémoire programme est enregistré un programme dont l'organigramme est détaillé en référence aux figures 2a et 2b. Ces mesures, après mises en forme pour homogénéiser les valeurs, permettent selon ce programme le calcul de l'humidité spécifique W. De préférence, le circuit 1 comporte un module 5 de transmission radioélectrique, par exemple à la norme Zigbee, pour transmettre les résultats des mesures à l'extérieur du boîtier. Autrement, la transmission des résultats peut passer par la réalisation d'une fenêtre optique dans le boîtier et par la présentation de diodes électroluminescentes en regard de cette fenêtre, voire par des fils électriques traversant la paroi du boîtier.
A partir des formules (14) et (16) on obtient la formule suivante : w n ^^ HR X IOOOX QXP(A XT2 + BxT + C + DxT'1) W = 0,622 x — - '—
P - HR X IOOOX QXP(A XT2 + BX T + C + DxT'1)
Dans cette formule, A, B, C et D sont les constantes, en fonction de la température, du tableau 1.
Pour une réalisation plus simple, cette fonction a été mise en place grâce à deux sous fonctions, figures 2a et 2b. Un premier programme, figure 2a, permet de calculer la valeur de l'humidité spécifique W. Après une étape
6 d'initialisation et de mise en service du circuit 1 , une étape 7 permet, à titre de déclaration, de paramétrer le circuit 1.
Comme précisé auparavant, W est une combinaison de T, HR et P. Il faut respecter cependant les unités de chacune des valeurs pour obtenir un W cohérent. C'est pourquoi une étape 8 de conversion est présente avant d'effectuer le véritable calcul. L'étape 8 permet de calculer les paramètres HR, T et P à partir de la mesure effectuée par les capteurs du module 4. Le module 4 étant de type classique, ses capteurs de type connu délivrent des signaux électriques qui sont quantifiés et normalisés pour correspondre aux paramètres HR, T et P effectivement mesurés.
De plus, les constantes A, B, C et D étant fonction de la température, il faut déterminer au préalable les bonnes valeurs à employer pour le calcul de W. Aussi à une étape suivante 9, le microprocesseur 2 cherche dans la mémoire de données, qui mémorise les tableaux 1 et 2, les valeurs des paramètres A, B, C, et D en fonction de T.
Après toutes ces étapes, il est possible de calculer véritablement l'humidité spécifique W avant de rendre l'information disponible pour la détection de fuite. A l'étape ultérieure 10, le microprocesseur 2 calcule l'étanchéité : l'humidité spécifique W.
Une seconde fonction utilise la précédente pour la détection de fuite proprement dite. Son fonctionnement est décrit dans l'algorithme présenté en figure 2b.
Tout d'abord, à une étape 11 l'humidité spécifique initiale Wo est calculée grâce aux toutes premières valeurs de température, d'humidité relative et de pression. Cette humidité spécifique initiale sert de référence quant à l'évolution de cette grandeur. Ces premières valeurs sont celles relevées à l'intérieur du boîtier, au moment de son scellement étanche. L'étape 11 reproduit l'algorithme de la figure 2a, mais au moment du scellement, en principe dans de bonnes conditions de scellement. A la suite de cela, à l'étape 12, un écart correspondant à 20%, dans un exemple préféré, de Wo est calculé ou fixé. Il découle du calcul de la précision des différents capteurs ainsi que des arrondis. De préférence, par rapport à l'humidité spécifique initiale le seuil est programmable en fonction de la précision de mesure des capteurs. Avec des capteurs utilisés, on a pu montrer qu'une détection en dessous d'un seuil, par exemple de 20%, de Wo ne permettait pas de déterminer une véritable fuite. Autrement dit, on calcule ou on fixe un seuil relatif au delà duquel on considère que l'humidité relative a trop évolué, signalant l'arrivée d'une fuite. En effet, que l'air humide entre ou sorte du boîtier, l'humidité relative varie, on est en présence d'une fuite. Au final, le programme va tester si les valeurs de W, au moment de la mesure, ne sont pas différentes de Wo modulé de l'écart de 20%.
Au cours d'un premier test 13, optionnel, on vérifie que la fuite détectée est détectée pour la première fois. Si une fuite a déjà été détectée, le boîtier est considéré comme défectueux, et il n'y a plus vraiment lieu de mesurer son étanchéité puisqu'on sait déjà qu'elle a failli. L'existence d'un tel défaut peut ainsi être mémorisée dans une mémoire lue au moment du test 13. Si l'étanchéité n'a jamais été prise en défaut, au cours de deux tests 14 et 15, on mesure si la variation de l'humidité spécifique W a varié de plus ou moins la valeur d'un seuil, ici relatif, fixé dans ce cas à 20%. Si ce n'est pas le cas, le circuit 1 retourne, par l'étape de fin, à une scrutation périodique. Sinon, une alarme est déclenchée à l'étape 16, les données du dispositif surveillé sont sauvegardées, à l'étape 17, en même temps que la constatation de la survenue de la défaillance d'étanchéité est mémorisée (pour servir à un test 13 ultérieur).
La fonction de détection de fuite est mise en place de préférence dans le programme du microcontrôleur 2 du circuit électronique 1. La détection de fuite déclenche donc un signal alertant sur la présence du problème par l'allumage intermittent d'une diode électroluminescente visible au travers d'une fenêtre transparente du boîtier (ou autre système) présente sur le prototype et/ou par l'envoi d'un signal en onde radioélectrique (de manière répétée ou sur requête du statut). En quelque sorte le boîtier de l'invention comporte un moyen pour éditer un message d'alerte de défaut d'étanchéité.
Des tests ont été menés pour valider le fonctionnement de l'algorithme de détection intégré à un prototype. Ils ont été effectués avec différentes fréquences de prises de mesures régulières (de toutes les 5 secondes à toutes les heures). La figure 3 présente l'un des tests réalisé à température et pression ambiantes (28°C, 1009 hPa) en environnement ouvert. La mesure 18 est une mesure de Wo = 0.0144. Elle conduit, pour un delta fixé à 20%, à un écart de ±0.00288. La détection théorique est donc fixée à 0.01728 ou à 0.01152. La mesure 19 est une mesure avant détection : W = 0.0170. La mesure 20 est une mesure de détection de fuite : W = 0.0210. Elle provoque un allumage d'une diode électroluminescente, sur le prototype. On remarque que la détection intervient à la mesure la plus proche de la valeur théorique. Pour un pas temporel de mesure plus faible, la détection aurait été effectuée beaucoup plus tôt (à 0.018 par exemple).
Lors d'un apport d'humidité, par exemple du fait du souffle, l'humidité relative augmente. Le calcul de W courante (et donc la détection de fuite) signale la présence d'un problème (allumage de la diode) au-delà d'une déviation de 20% par rapport à l'humidité spécifique de départ. Ces courbes démontrent le bon fonctionnement du programme de détection de fuite.
De même, d'autres tests ont été réalisés dans un environnement semi clos matérialisé par une boîte de jonction IP 55. Après plusieurs jours de mesures avec un relevé toutes les 2 minutes, l'utilisation des deux applications citées dans les chapitres précédents permet d'obtenir les courbes présentées dans la figure 4.
L'herméticité inadéquate du boîtier est seulement assurée par un joint en caoutchouc pressé aux quatre coins. Les fuites observées proviennent d'un véritable manque d'herméticité de cette boîte. Sur trois jours, environ 4000 minutes, la température et l'humidité relative évoluent donc logiquement cycliquement avec une pression qui varie entre 1014 et 999 hPa. Ce défaut a ainsi permis de vérifier la conformité du test mis en place.
Durant toutes les mesures, l'humidité spécifique W a été calculée en fonction des paramètres d'entrée. En comparant ces résultats avec la valeur initiale au départ du test, le prototype a détecté une déviation de W supérieure à 20% par rapport à sa valeur initiale.
Le prototype a ainsi considéré une fuite après seulement 8 heures de fonctionnement, à 476 minutes. Pour Wo égal à 0.0129, une variation de 0.00258 a permis de déterminer les valeurs minimale et maximale de W admissibles avant l'allumage de la diode indiquant la détection. En faisant correspondre toutes les données, il apparaît que le déclenchement s'est produit au bon moment conformément aux attentes.
Le tableau 3 suivant récapitule différents paramètres mis en jeu pour la détection de fuite :
Figure imgf000013_0001
La figure 6 montre l'utilisation du dispositif 1 de l'invention. Celui-ci est placé dans un boîtier 22 étanche à surveiller et qui comporte un système 23 électronique de mesure, de contrôle ou de commande pour une fonction assignée au boîtier 22. A titre optionnel, le dispositif 1 peut être lui-même placé dans un boîtier étanche facultatif 24. Dans ce cas le dispositif 1 possède une fonction d'autodiagnostic de son étanchéité propre.
En pratique le dispositif sera placé sans protection dans le boîtier 22 ou 24.
De préférence, le microprocesseur du système 23 pourra servir pour mettre en œuvre la fonction du dispositif 1 , de sorte que ce dernier n'imposera pratiquement que la mise en place d'un module capteur 4.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif électronique de mesure d'étanchéité autonome, intégré dans un boîtier étanche à surveiller, comportant un circuit (1 ) électronique avec un microprocesseur (2), une mémoire (3) programme, une mémoire de données (3) et des périphériques capteur de mesure, actionneur et ou transmetteur de données relatives à des mesures ou à des actions effectuées à l'aide du boîtier, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur (4) de mesure de température (T), de pression (P) et d'humidité relative (HR), et, dans la mémoire programme, un programme (Fig 2a - 2b) pour mesurer une étanchéité du boîtier sur la base des mesures faites, à l'intérieur du boîtier, de température, de pression et d'humidité relative.
2 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte dans le boîtier un moyen pour éditer un message d'alerte de défaut d'étanchéité.
3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (5) pour transmettre une mesure de l'étanchéité.
4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un programme (10) pour mettre en œuvre la formule τπ Λ ^, HR x 1 OOOx Qxp(A x T2 + B x T + C + D x T"1) W = 0,622 x ^ - V
P- HRXIOOOXQXP(AXT2 + BxT + 0 + DxT'1) dans laquelle W est l'humidité spécifique, HR est l'humidité relative, T est la température et P est la pression, toute grandeur régnant à l'intérieur du boîtier, A, B, C et D étant des constantes mémorisées dans une mémoire de donnée du circuit électronique. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une mesure d'une humidité spécifique initiale (Wo), d'une l'humidité spécifique courante (W), et un calcul d'un seuil relatif de dépassement de l'humidité spécifique initiale par l'humidité spécifique courante. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le seuil relatif par rapport à l'humidité spécifique initiale est programmable en fonction de la précision de mesure des capteurs.
7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte son propre boîtier étanche ainsi qu'une fonction d'autodiagnostic de son étanchéité propre.
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