WO2016026894A1 - Procédé et système de contrôle d'un dispositif de réglage de flottabilité comprenant un récipient prévu pour contenir un gaz et un liquide - Google Patents

Procédé et système de contrôle d'un dispositif de réglage de flottabilité comprenant un récipient prévu pour contenir un gaz et un liquide Download PDF

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WO2016026894A1
WO2016026894A1 PCT/EP2015/069042 EP2015069042W WO2016026894A1 WO 2016026894 A1 WO2016026894 A1 WO 2016026894A1 EP 2015069042 W EP2015069042 W EP 2015069042W WO 2016026894 A1 WO2016026894 A1 WO 2016026894A1
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WO
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gas
volume
liquid
container
buoyancy
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/069042
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Inventor
Yann Le Page
Johan CAU
Sylvain Leclercq
Original Assignee
Architecture Et Conception De Sytemes Avances
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F22/00—Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for
    • G01F22/02—Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for involving measurement of pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14—Control of attitude or depth
    • B63G8/22—Adjustment of buoyancy by water ballasting; Emptying equipment for ballast tanks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • B63G2008/002—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/38—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas
    • G01V1/3843—Deployment of seismic devices, e.g. of streamers

Definitions

  • buoyancy comprising a container adapted to contain a gas and a liquid
  • the present invention relates to the field of buoyancy control devices having a sealed container adapted to contain a gas and a liquid, the quantity of gas being constant and the quantity of liquid being variable, the volume of the gas varying with the quantity of liquid contained. in the container.
  • buoyancy adjustment device - or buoyancy adjuster - to adjust the buoyancy of the naval craft, having a sealed container and dimensionally stable, designed to contain a gas and a liquid, the amount of gas being constant and the amount of liquid being variable, the volume of the gas varies with the amount of liquid contained in the container.
  • the container occupies a substantially constant volume.
  • the fluid serves as ballast to increase or decrease the weight of the adjuster so as respectively to decrease or increase its buoyancy, and therefore that of the naval craft.
  • the addition of liquid in the container increases the weight of the adjuster and decreases its buoyancy. Removing liquid from the container decreases the weight of the adjuster and increases its buoyancy.
  • One of the aims of the invention is to propose a control method allowing a simple and reliable control of a device comprising a container designed to contain a gas and a liquid.
  • the invention proposes a method of controlling a buoyancy control device comprising a sealed container designed to contain a gas and a liquid, the quantity of gas being constant and the quantity of liquid being variable, the volume occupied. by the gas varying with the amount of liquid contained in the container, the method comprising measuring the gas pressure and / or measuring the temperature of the gas, and calculating the volume of the gas as a function of the measured gas pressure and / or the temperature of the measured gas, considering the gas as perfect and according to at least one thermodynamic equation relating to the perfect gases.
  • control method makes it possible to determine in a simple and reliable way, the volume occupied by the gas in the container and to deduce other characteristics of the container or the device, for example the volume of liquid inside the container or the buoyancy generated by the buoyancy control device in a surrounding fluid.
  • control method comprises one or more of the following optional features:
  • V G nRT G / PG, where n is the number of moles of gas contained in the container (in mole), P G is the measured gas pressure (in Pascal), T G is the measured gas temperature (in Kelvin), R is the ideal gas constant and V R is the internal volume of the container ( in m 3 );
  • V G (C / P G ) 1 / Y , where P G is the measured pressure (in Pascal), ⁇ is the Laplace coefficient of the gas, and C is the adiabatic transformation constant of the gas;
  • the calculated gas volume is determined as a linear combination of the first value and the second value
  • the gas volume is calculated using a Kalman filter whose state variables are the volume flow rate of the liquid, the pressure of the gas and, optionally, the temperature of the gas;
  • the volume of the gas is calculated from the state variables calculated by the Kalman filter, by applying to the gas the equation of state of the ideal gases and / or the Laplace law equation of the adiabatic transformation of the perfect gases;
  • V 0 is the volume occupied by the device outside the volume of the gas (in m 3 )
  • p the density of the fluid surrounding the device
  • m is the mass (in kilograms) of the device
  • g the gravity terrestrial (in m / s 2 );
  • the measurement of the temperature of the gas is carried out by means of several temperature sensors arranged at several distinct points of the container, and the calculation of a temperature measured as a function of the plurality of temperature measurement signals; - It includes stirring the gas to homogenize its temperature. ;
  • the container contains a gas chamber and a liquid chamber separated from one another in a sealed manner.
  • the invention also relates to a control system of a buoyancy control device comprising a sealed container designed to contain a gas and a liquid, the quantity of gas being constant and the quantity of liquid being variable, the volume occupied by the gas varying with the amount of liquid contained in the container, the control system comprising at least one pressure sensor for measuring the pressure of the gas and / or at least one temperature sensor for measuring the temperature of the gas and a computer configured to set implement a control method as defined above.
  • the invention also relates to a buoyancy control device comprising a sealed container adapted to contain a gas and a liquid, the quantity of gas being constant and the quantity of liquid being variable, the volume of the gas varying with the quantity of liquid contained in the container, and a control system as defined above.
  • FIG. 1 is a schematic view of a buoyancy adjustment device - or buoyancy adjuster - for naval craft;
  • FIGS. 2 and 3 are schematic views of buoyancy adjusters according to variants.
  • Figure 4 is a schematic side view of a submarine bottom seismic survey system.
  • Figure 1 is intended to equip a naval craft 3, including a surface craft or a submarine, to adjust the buoyancy of the naval craft.
  • the naval craft is in particular an underwater vehicle, for example a submarine or an underwater glider.
  • the adjuster 2 comprises a sealed container 4 designed to contain a gas G and a liquid L filling, the amount of gas being constant and the amount of liquid being variable, the volume occupied by the gas and varying with the amount of liquid contained in the recipient.
  • the net buoyancy generated by the adjuster 2 in a surrounding fluid varies with the volume of the gas contained in the container 4.
  • the container 4 is rigid and substantially indeformable.
  • the internal volume of the container 4 is constant.
  • the liquid is substantially incompressible and the gas is compressible.
  • the amount of liquid in the container 4 increases, the volume of the liquid increases, the volume of the gas decreases correspondingly.
  • the amount of liquid decreases in the container 4 decreases, the volume of the gas increases.
  • the amount of gas ie the number of moles of gas in the container 4 remains constant.
  • the adjuster 2 comprises a filling device 6 for adding liquid to the container 4 or removing liquid from the container 4 without changing the amount of gas contained in the container 4, from a source of liquid.
  • the source of liquid is a reservoir 30 provided for a transfer of the liquid L between the reservoir 30 and the container 4.
  • the reservoir 30 is immersed in the surrounding fluid, in which the marine gear 3.
  • the reservoir 30 has a movable wall and / or deformable so that the external volume of the tank 30 varies depending on its filling.
  • the reservoir 30 is for example a deformable flexible envelope.
  • the liquid used to fill the container 4 is the surrounding fluid.
  • the adjuster 2 comprises a control system 8 for controlling the adjuster 2, and in particular for measuring the volume of the gas in the receptacle 4.
  • the control system 8 includes a pressure sensor 10 disposed in the container 4 to provide a measurement signal representative of the pressure of the gas contained in the container 4 and a temperature sensor 12 disposed in the container 4 to provide a measurement signal representative of the temperature of the gas contained in the container 4.
  • the control system 8 comprises a computer 14 configured to implement a control method of the adjuster 2, possibly determining the buoyancy of the adjuster 2.
  • the computer 14 is a digital computer, comprising a processor and a memory for processing data.
  • the computer 14 is an analog computer comprising electronic components adapted to process analog signals.
  • the computer 14 receives as input the measurement signal of the pressure sensor 10 and the measurement signal of the temperature sensor 12.
  • the computer 14 is configured to calculate the volume of the gas as a function of the pressure of the measured gas and the measured gas temperature, by application to the gas of the container 4 of the ideal gas equation of state.
  • V G nRT G / P G (2)
  • the internal volume of the container V R is occupied by the gas and the liquid.
  • the sum of the volume of the gas V G and the volume of the liquid V L is equal to the internal volume V R of the container, which is a known data of the container.
  • the computer 14 is configured to calculate the volume of liquid V L as a function of the volume of the gas V G , as the difference between the internal volume of the container V R and the volume of the gas V G calculated, according to the following equation:
  • V L V R - V G (3)
  • the calculator 14 thus calculates the volume of the liquid according to the following equation, resulting from the combination of equations (2) and (3):
  • V L V R - nRT G / P G (4)
  • the calculator 14 is configured to calculate the net buoyancy generated by the trimmer 2 in the surrounding fluid (ie the weight of the trimmer 2 in the fluid).
  • the net buoyancy is calculated according to the following equation:
  • Net F p (V 0 + V G ) - m. g (5)
  • p is the density (kg / m 3 ) of the surrounding fluid
  • V 0 is the volume (m 3 ) occupied by the adjuster 2 not including the volume of the gas (m 3 )
  • m the mass of the adjuster 2
  • the calculator 14 thus calculates net buoyancy according to the following equation, resulting from the combination of equations (2) and (5):
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the computer 14 is configured to calculate the volume of the gas V G solely from the measured gas pressure P G by applying the equation of Laplace of adiabatic transformation of perfect gases.
  • the Laplace equation of adiabatic transformation of perfect gases applied to gas is written as follows:
  • V P G G Y C (7)
  • P G is the measured pressure
  • V G is the volume of gas
  • ⁇ is the Laplace coefficient of the gas
  • C is an adiabatic transformation coefficient of the gas.
  • the coefficient C depends in practice on the temperature. Since this is considered constant, the coefficient C is considered constant.
  • the volume of the gas is thus determined by the following equation:
  • V G (C / P G ) 1 / Y (8)
  • the calculator 14 is configured to calculate the volume of the liquid V L according to the following equation, resulting from the combination of the equations (3) and (8):
  • V L V R - (C / P G ) 1 / Y (9)
  • the computer 14 is configured to calculate the net buoyancy generated by the adjuster 2 according to the following equation, resulting from the combination of equations (5) and (7):
  • This embodiment assumes the use of a heat-insulated adiabatic container 4.
  • the advantage of this mode of use is to overcome a measurement of temperature that can be tainted by error. It therefore allows a more precise measurement over a short period of time during which the temperature of the gas varies little, but is found to be tainted with error over a long period of time because the container 4 can not be perfectly adiabatic and the temperature gas evolves so.
  • the computer 14 is configured to calculate the volume of the liquid as a function of a first value of the volume of gas V G1 calculated by applying the equation of state gas perfect gases, and a second value of the liquid volume V G2 calculated by applying the Laplace equation of adiabatic transformation of perfect gases to gas.
  • the first value and the second value are calculated according to the following equations:
  • V G2 (C / P G ) 1 / Y (12)
  • the volume of the gas V G is calculated as a linear combination of the first value V G i and the second value V G2 assigned weighting coefficients ai and a 2 , according to the following equation:
  • the weighting coefficients satisfy the following conditions:
  • the volume of liquid and / or the net buoyancy generated by the adjuster 2 in a surrounding fluid are calculated as before.
  • the measurement of the gas pressure and the gas temperature are necessary for the application of the ideal gas equation.
  • the computer 14 is configured to calculate the adiabatic conversion coefficient of the gas to a current instant according to the volume of the gas and the pressure of the gas at least a previous instant.
  • the adiabatic transformation coefficient of the gas at a current instant is for example calculated according to the following equation:
  • control system 8 further comprises a flow sensor 16 (or flowmeter) arranged to provide a flow measurement representative of the volume variation. flow rate of the liquid entering the container or leaving the container.
  • the computer 14 is configured to calculate the volume of the gas as a function of the flow rate of the measured liquid, the measured gas pressure and, optionally, the measured gas temperature, by application to the gas of the Laplace equation of adiabatic transformation of the perfect gases, and possibly the perfect gas equation.
  • the flow sensor 16 measures, for example, a volume flow rate of the liquid.
  • the flow sensor measures the mass flow rate, in which case the volume flow rate is calculated by dividing the mass flow rate by the density of the liquid.
  • the volume flow rate of the liquid is the variation of the volume of the liquid in the container 4 as a function of time.
  • the integration over time of the variation of the volume of liquid theoretically makes it possible to determine the volume of the liquid present in the reservoir.
  • such integration produces accurate results over a short period of time but tends to diverge over a long period of time.
  • the use of the measured liquid flow rate in combination with the measured gas pressure, and possibly the measured gas temperature, makes it possible to accurately determine the volume of the gas.
  • the computer 14 is configured to calculate the volume of the gas by implementing a Kalman filter 18 using the measured liquid flow rate, in combination with the measured gas pressure, and, optionally, the measured gas temperature.
  • the measurement of temperature is necessary when the equation of state of the perfect gases is applied.
  • the Kalman filter 18 uses, as tank state variables, the volume flow rate of the liquid, the pressure of the gas, and, optionally, the temperature of the gas.
  • the implementation of the Kalman filter 18 includes the recursive iteration of the following steps:
  • volume flow rate of the liquid, the gas pressure and, possibly, the temperature of the gas, at the previous instant make it possible to calculate at the instantaneous instant a volume of liquid predicted by temporal integration.
  • volume flow rate of the liquid, and a predicted gas pressure, and possibly a predicted gas temperature for example from equations (1) to (4), depending on the predicted liquid volume.
  • each variable at a current time is for example calculated as the weighted average of the predicted value and the measured value.
  • the weighting coefficients are calculated based on the error associated with the variable. The higher the error, the lower the weight assigned to the predicted value relative to the value assigned to the measured value.
  • the error associated with each variable is for example calculated as the covariance between the predicted values and the measured values, over several successive instants.
  • the computer 14 is configured to calculate, for example in a calculation module 20, the volume of gas at a current instant as a function of the state variables at the current time calculated by the Kalman filter 18, by applying to the gas perfect gas equation and / or the Laplace equation of adiabatic transformation of perfect gases according to the previously described embodiments, and in particular equations (2), (8) and (1 1) to (13).
  • Kalman filter 18 makes it possible to take into account the liquid flow rate by ensuring fast calculations and by obtaining a good accuracy on the value of the volume of the gas.
  • the various errors inherent in the various calculations can compensate for each other.
  • the adjuster 2 comprises a separating member 22 delimiting inside the container a first chamber 24 filled with the gas and a second chamber filled with the liquid, physically separated from one of the other, gas and liquid tight.
  • the gas pressure sensor 10, and, when present, the gas temperature sensor 12, are arranged in the first chamber 24.
  • the separating element 22 is deformable and / or displaceable so that the volume of the first chamber 24 varies according to the volume of liquid contained in the second chamber 26.
  • the filling device 6 is fluidly connected to the second chamber 26.
  • the filling device 6 makes it possible to add liquid to the second chamber 26 or to withdraw liquid from the second chamber 26.
  • the separating element 22 is here a flexible envelope received inside the container 4.
  • the filling of the liquid envelope inflates the envelope, increases the volume occupied by it inside the container 4, and correspondingly decreases the volume of the gas.
  • the separating element is a piston sliding inside the container.
  • the addition of liquid in the second chamber moves the piston in the direction of an increase in the volume of the second chamber and a corresponding decrease in the volume of the first chamber.
  • the separating element is a bellows delimiting the second chamber inside thereof and delimiting the first chamber with the container.
  • the filling of the bellows with liquid causes an elongation of the bellows to the interior of the container is accompanied by an increase in the volume of the second chamber and a corresponding decrease in the volume of the first chamber.
  • the adjuster 2 is devoid of separation element.
  • the liquid remains in the lower part of the container and the gas in the upper part of the container.
  • the filling device opens into the bottom of the container.
  • the filling device 6 comprises a filling line 28 of the container 4 liquid supplying liquid to a liquid source.
  • This source is either the surrounding fluid or the reservoir 30.
  • the liquid in the reservoir 30 is substantially at the same pressure as the surrounding fluid because it acts on the displaceable and / or deformable wall of the reservoir 30.
  • filling device 28 is provided with a valve 32.
  • the container 4 is filled with gas so that the gas is at a vacuum with respect to the liquid source at least as long as the adjuster 2 is partially filled with liquid, with respect to a given maximum liquid capacity.
  • the maximum capacity is determined by construction and is strictly less than the internal volume of the container 4.
  • the maximum liquid capacity here is equal to the maximum capacity of the inner envelope forming the separation element 22.
  • the filling device 6 comprises a emptying duct 34 fluidly connected to the container 4 and a pump 36 disposed on the emptying duct for pumping liquid out of the container 4.
  • This filling device 6 is suitable when the gas is in depression with respect to the source.
  • the opening of the valve 32 allows the addition of liquid in the container 4, the liquid being sucked because the gas is in depression. Pumping the liquid out of the container causes a vacuum of the gas.
  • the gas is overpressurized with respect to the source of liquid when the container 4 is partially filled with liquid or free of liquid.
  • the filling device 6 comprises, for example, a circuit for connecting the pump to the receptacle, which selectively enables the inlet of the pump 36 to be connected to the source 30 and the outlet of the pump 36 to the receptacle 4 for injecting liquid in the container or connecting the inlet of the pump 36 to the container 4 and the outlet of the pump 36 to the source 30 to remove liquid from the container.
  • Such a filling device is suitable regardless of the pressure of the gas as a function of the filling of the container 4 with liquid.
  • control system 8 comprises a liquid pressure sensor 40 disposed inside the envelope for provide a measurement signal representative of the pressure of the liquid inside the envelope.
  • the computer 14 is configured to compare the measured gas pressure and the measured liquid pressure, and to determine that the shell 22 is completely full based on a comparison of the measured gas pressure and the measured liquid pressure.
  • the pressure of the gas is substantially equal to the pressure of the liquid.
  • the computer 14 determines that the envelope is full of liquid, for example when the pressure of the gas is strictly less than the pressure of the liquid or when the difference between the liquid pressure and the gas pressure is greater than a predetermined threshold.
  • the computer 14 determines that the envelope is completely empty when the pressure of the gas is strictly greater than the pressure of the liquid.
  • the tank 2 comprises a single gas temperature sensor 12.
  • the temperature of the gas is not homogeneous in the container 4.
  • the tank 2 comprises a plurality of temperature sensors arranged to measure the temperature of the gas contained in the container, each sensor providing a measurement signal representative of the temperature of the gas.
  • the computer 14 determines a temperature of the gas measured from the measurement signals of the temperature sensors.
  • the computer determines, for example, the temperature of the gas measured from an average of the gas temperature measurement signals.
  • the measuring method comprises stirring the gas to homogenize its temperature.
  • the tank 2 comprises a stirring device disposed inside the container for stirring the gas.
  • the stirring device comprises for example one or more fans 42, as illustrated in Figures 1 to 3.
  • the filling device 6 is controlled by the computer 14 as a function of a calculated liquid volume and a desired liquid volume or as a function of a calculated buoyancy and a desired buoyancy.
  • the naval craft 3 is an underwater vehicle such as a submarine or an underwater glider
  • the adjuster 2 and the control system 8 are provided to adjust the buoyancy of the naval craft 3 to selectively maintain a zero buoyancy so as to maintain a constant immersion, create a positive buoyancy to up the naval gear 3, or create a negative buoyancy to lower the naval gear 3.
  • An underwater glider is a sea-craft having a hydrodynamic finesse that allows it to advance due to a descent or ascent, variations in buoyancy generated by the trimmer thus allowing the underwater glider to advance .
  • the glider's advance is due to the buoyancy changes generated by the trimmer with low energy consumption.
  • the invention has several advantages for this type of application.
  • a first interest is that the buoyancy measurement not only takes into account the volume of fluid, but also the possible volume variations of the sealed container 4 (for example due to a compression due to the external pressure), and thus directly measures the total buoyancy of the whole, including the compressibility of its hull.
  • a second interest is that the passive buoyancy measurement results in a simplified design of the tank that can remain un-instrumented. This results in a cost and a reduced mass of the adjuster 2.
  • the adjuster 2 equips seismic acquisition cables, as described in FR2940838A1 whose content is incorporated in the present application in its entirety.
  • a seismic survey system 50 comprises at least one seismic acquisition cable 52 whose ends are attached to naval engines 54, sensor modules 56 distributed along the seismic acquisition cable 52 and a buoyancy adjustment assembly 58 of the seismic acquisition cable 52.
  • the naval engines 54 are self-propelled.
  • the naval engines 54 are piloted or autonomous.
  • Naval gears are surface gears or submersible gears.
  • the naval engines 54 are piloted or programmed to maintain the seismic acquisition cable in tension according to a determined stationary position (with respect to the terrestrial reference) or pseudo-stationary (with respect to the marine currents). Preferably, they are provided with satellite geolocation devices for determining their positions and that of the seismic acquisition cable 52.
  • the seismic acquisition cable 52 comprises a substantially horizontal central portion 52A, and two curved end portions 52B, connected to the naval engines 54.
  • the sensor modules 56 are distributed over the central part of the seismic acquisition cable 52.
  • Each sensor module 56 comprises hydrophones and / or geophones (or accelerometers).
  • the buoyancy adjustment assembly 58 comprises a plurality of adjusters 2 distributed along the seismic acquisition cable 52, more specifically along its central portion 52A.
  • the adjusters 2 are configured to maintain a substantially constant buoyancy, and thus maintain the central portion of the seismic acquisition cable at a substantially constant setpoint depth.
  • control systems 8 of the adjusters 2 distributed along the same seismic acquisition cable 52 are for example connected to each other by a bus data communication system allowing the control system 8 of each adjuster 2 to receive a set value and control the adjuster 2 to give it a corresponding buoyancy, similar to the control device disclosed in FR2945356A1.
  • the marine seismic survey system includes a plurality of acquisition assemblies each comprising a seismic acquisition cable and associated naval craft, the acquisition assemblies being jointly controlled and their data being jointly exploited to determine three-dimensional mapping. seabed.

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Abstract

Le procédé de contrôle est prévu pour un dispositif comprend un récipient étanche prévu pour contenir un gaz et un liquide, la quantité de gaz est constante et la quantité de liquide est variable, le volume occupé par le gaz variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient. Le procédé de contrôle comprend 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.

Description

Procédé et système de contrôle d'un dispositif de réglage de
flottabilité comprenant un récipient prévu pour contenir un gaz et un liquide
La présente invention concerne le domaine des dispositifs de réglage de flottabilité 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 engin sous-marin, d'un dispositif de réglage de flottabilité - ou régleur de flottabilité - pour ajuster la flottabilité de l'engin naval, possédant 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 de réglage de flottabilité 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 de réglage de flottabilité dans un fluide environnant. Selon des modes de mise en œuvre 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 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 = (C/PG)1/ Y, où PG est la pression mesurée (en Pascal), γ 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 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 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 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 environnant, selon l'équation Fnette = p (V0 + VG) - m.g, où VG est le volume du gaz calculé
(en m3), V0 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 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 ; - 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 de réglage de flottabilité 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 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 mettre en œuvre un procédé de contrôle tel que défini ci- dessus.
L'invention concerne encore un dispositif de réglage de flottabilité 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.
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 :
- la Figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de réglage de flottabilité - ou régleur de flottabilité - pour engin naval;
- les Figures 2 et 3 sont des vues schématiques de régleurs de flottabilité selon des variantes, et
- la Figure 4 est une vue schématique de côté d'un système de prospection sismique de fond sous-marins.
Le dispositif de réglage de flottabilité ou régleur 2 de flottabilité 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 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 et variant avec la quantité de liquide contenue dans le récipient.
La flottabilité nette générée par le régleur 2 dans un fluide environnant varie avec le volume du gaz contenu dans le récipient 4.
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 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.
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 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.
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 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 œuvre un procédé de contrôle du régleur 2, en déterminant éventuellement la flottabilité 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.
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.
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 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 :
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 VL est égale au volume interne VR du récipient, qui est une donnée connue du récipient.
En option, le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume de liquide VL 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 :
VL = VR - VG (3) Le calculateur 14 calcule ainsi le volume du liquide selon l'équation suivante, résultant de la combinaison des équations (2) et (3) :
VL = 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 :
Fnette = p (V0 + VG) - m. g (5) où p est la densité (kg/m3) du fluide environnant, V0 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 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 comptées dans la variable m, et le volume du réservoir 30 rempli au maximum est compté dans V0.
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 transformation adiabatique des gaz parfaits. L'équation de Laplace de transformation adiabatique des gaz parfaits appliquée au gaz s'écrit comme suit :
PG.VG Y = C (7) Où PG est la pression mesurée, VG est le volume de gaz, γ est le coefficient de Laplace du gaz et C est un coefficient de transformation adiabatique du gaz. Le coefficient 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)1/ Y (8) Le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume du liquide VL selon l'équation suivante, résultant de la combinaison des équations (3) et (8) :
VL = VR - (C/PG)1/ Y (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 équations (5) et (7) :
Fnette = p (V0 + (C/PG)1/ Y) - 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 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.
Dans une variante pouvant être mise en œuvre 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 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 œuvre, la première valeur et la deuxième valeur sont calculées selon les équations suivantes :
Figure imgf000008_0001
VG2 = (C/PG)1/ Y (12) Dans un mode de mise en œuvre, le volume du gaz VG est calculé comme une combinaison linéaire de la première valeur VGi et de la deuxième valeur VG2 affectées de coefficients de pondérations ai et a2, suivant l'équation suivante :
Figure imgf000009_0001
De préférence, les coefficients de pondération vérifient les conditions suivantes :
Figure imgf000009_0002
0 < a2 <1 ; et (15) a2 = 1 - α-ι . (16)
Le volume de liquide et/ou la flottabilité nette générée par le régleur 2 dans un fluide environnant sont calculées comme précédemment.
Dans ce mode de réalisation, la mesure de la pression du gaz et de la température du gaz sont nécessaires pour l'application de l'équation des gaz parfaits.
De préférence, pour tenir compte de la variation de température du gaz et d'une variation correspondante du coefficient de transformation adiabatique du gaz qui est fonction de la température du gaz, le calculateur 14 est configuré pour calculer le coefficient de transformation adiabatique du gaz à un instant courant en fonction du volume du gaz et de la pression du gaz à au moins un instant précédent.
Le coefficient de transformation adiabatique du gaz à un instant courant est par exemple calculé selon l'équation suivante :
Ce = PG,Prec- G,Prec Y (17) où PG,Prec est la mesure de la pression du gaz à un instant précédent et VG,prec le volume du gaz calculé à ce même instant précédent.
Le mode de réalisation de la Figure 3 diffère de celui de la Figure 1 en ce que le système de contrôle 8 comprend en outre un capteur de débit 16 (ou débitmètre) disposé de manière à fournir une mesure de débit représentative de la variation du volume de débit du liquide entrant dans le récipient ou sortant du récipient.
Le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume du gaz en fonction du débit du liquide mesuré, de la pression du gaz mesurée et, éventuellement, de la température du gaz mesurée, par application au gaz de l'équation de Laplace de transformation adiabatique des gaz parfaits, et, éventuellement, de l'équation des gaz parfaits.
Le capteur de débit 16 mesure par exemple un débit volumique du liquide. En variante, le capteur de débit mesure le débit massique, auquel cas le débit volumique est calculé en divisant le débit massique par la masse volumique du liquide.
Le débit volumique du liquide est la variation du volume du liquide dans le récipient 4 en fonction du temps. L'intégration dans le temps de la variation du volume de liquide permet théoriquement de déterminer le volume du liquide présent dans le réservoir. Cependant, en pratique, une telle intégration produit des résultats précis sur une période de temps courte mais qui tendent à diverger sur une période de temps longue.
L'utilisation du débit de liquide mesuré en combinaison avec la pression du gaz mesurée, et, éventuellement, la température du gaz mesurée, permet de déterminer avec précision le volume du gaz.
Comme illustré sur la Figure 3, le calculateur 14 est configuré pour calculer le volume du gaz par mise en œuvre d'un filtre de Kalman 18 utilisant le débit de liquide mesuré, en combinaison avec la pression du gaz mesurée, et, éventuellement, de la température du gaz mesurée. La mesure de température est nécessaire en cas d'application de l'équation d'état des gaz parfaits.
Le filtre de Kalman 18 utilise comme variables d'état du réservoir le débit volumique de liquide, la pression du gaz, et, éventuellement, la température du gaz.
La mise en œuvre du filtre de Kalman 18 comprend l'itération récursive des étapes suivantes :
- le calcul de valeurs prédites des variables à un instant courant en fonction des valeurs de ces variables calculée à l'instant précédent,
- la comparaison des valeurs prédites à des valeurs mesurées des variables, mesurées à l'instant courant, et le calcul d'une erreur associée à chaque variable, et
- le calcul d'une valeur de sortie de chaque variable à l'instant courant en fonction de la valeur prédite de la variable, de la valeur mesurée de la variable et de l'erreur associée à cette variable.
Dans le cas présent, les valeurs du débit volumique du liquide, de la pression du gaz et, éventuellement, de la température du gaz, à l'instant précédent, permettent de calculer à l'instant courant un volume de liquide prédit par intégration temporelle du débit volumique du liquide, et une pression du gaz prédite, et éventuellement une température du gaz prédite, par exemple à partir des équations (1 ) à (4), en fonction du volume de liquide prédit.
La valeur de chaque variable à un instant courant est par exemple calculée comme la moyenne pondérée de la valeur prédite et de la valeur mesurée. Les coefficients de pondération sont calculés en fonction de l'erreur associée à la variable. Plus l'erreur est élevée, plus le coefficient de pondération attribué à la valeur prédite est faible relativement à celui attribué à la valeur mesurée.
L'erreur associée à chaque variable est par exemple calculée comme la covariance entre les valeurs prédites et les valeurs mesurées, sur plusieurs instants successifs. Le calculateur 14 est configuré pour calculé, par exemple dans un module de calcul 20, le volume de gaz à un instant courant en fonction des variables d'état à l'instant courant calculée par le filtre de Kalman 18, en appliquant au gaz l'équation des gaz parfaits et/ou l'équation de Laplace de transformation adiabatique des gaz parfaits conformément aux modes de réalisation décrits précédemment, et en particulier les équations (2), (8) et (1 1 ) à (13).
L'utilisation d'un filtre de Kalman 18 permet de prendre en compte le débit de liquide en assurant des calculs rapides et en obtenant une bonne précision sur la valeur du volume du gaz. Les différentes erreurs inhérentes aux différents calculs (intégration temporelle du débit de liquide, mesure de température, récipient non adiabatique) peuvent se compenser les unes les autres.
Dans les modes de réalisation des Figures 1 à 3, le régleur 2 comprend un élément de séparation 22 délimitant à l'intérieur du récipient une première chambre 24 remplie avec le gaz et une deuxième chambre remplie avec le liquide, séparées physiquement l'une de l'autre, de manière étanche au gaz et au liquide.
Le capteur de pression du gaz 10, et, lorsqu'il est présent, le capteur de température du gaz 12, sont disposés dans la première chambre 24.
L'élément de séparation 22 est déformable et/ou déplaçable de telle sorte que le volume de la première chambre 24 varie en fonction du volume de liquide contenu dans la deuxième chambre 26.
Le dispositif de remplissage 6 est connecté fluidiquement à la deuxième chambre 26. Le dispositif de remplissage 6 permet d'ajouter du liquide dans la deuxième chambre 26 ou de retirer du liquide de la deuxième chambre 26.
L'élément de séparation 22 est ici une enveloppe souple reçue à l'intérieur du récipient 4. Le remplissage de l'enveloppe en liquide gonfle l'enveloppe, augmente le volume occupé par celle-ci à l'intérieur du récipient 4, et diminue de manière correspondante le volume du gaz.
D'autres éléments de séparation sont envisageables.
Dans une variante possible, l'élément de séparation est un piston coulissant à l'intérieur du récipient. L'ajout de liquide dans la deuxième chambre déplace le piston dans le sens d'une augmentation du volume de la deuxième chambre et d'une diminution correspondante du volume de la première chambre.
Dans une autre variante possible, l'élément de séparation est un soufflet délimitant la deuxième chambre à l'intérieur de celui-ci et délimitant la première chambre avec le récipient. Le remplissage du soufflet en liquide entraîne un allongement du soufflet à l'intérieur du récipient s'accompagnant d'une augmentation du volume de la deuxième chambre et d'une diminution correspondant du volume de la première chambre.
Dans un autre mode de réalisation, le régleur 2 est dépourvu d'élément de séparation. Le liquide reste dans la partie inférieure du récipient et le gaz dans la partie supérieure du récipient. Le dispositif de remplissage débouche dans le fond du récipient.
Dans les modes de réalisation des Figures 1 à 3, le dispositif de remplissage 6 comprend une conduite de remplissage 28 du récipient 4 en liquide s'alimentant en liquide à une source de liquide. Cette source est soit le fluide environnant, soit le réservoir 30. Le liquide dans le réservoir 30 est sensiblement à la même pression que le fluide environnant du fait que celui-ci agit sur la paroi déplaçable et/ou déformable du réservoir 30. La conduite de remplissage 28 est munie d'une vanne 32.
Le récipient 4 est rempli de gaz de sorte que le gaz est en dépression par rapport à la source de liquide au moins tant que le régleur 2 est partiellement rempli en liquide, par rapport à une contenance maximale de liquide déterminée. La contenance maximale est déterminée par construction et est strictement inférieure au volume interne du récipient 4. La contenance maximale en liquide est ici égale à la contenance maximale de l'enveloppe interne formant l'élément de séparation 22.
Le dispositif de remplissage 6 comprend une conduite de vidage 34 raccordée fluidiquement au récipient 4 et une pompe 36 disposée sur la conduite de vidage pour pomper du liquide hors du récipient 4.
Ce dispositif de remplissage 6 est adapté lorsque le gaz est en dépression par rapport à la source. L'ouverture de la vanne 32 permet l'ajout de liquide dans le récipient 4, le liquide étant aspiré du fait que le gaz est en dépression. Le pompage du liquide hors du récipient provoque une dépression du gaz.
En variante, le gaz est en surpression par rapport à la source de liquide lorsque le récipient 4 est partiellement rempli de liquide ou dépourvu de liquide.
Dans une telle variante, le dispositif de remplissage 6 comprend par exemple un circuit de raccordement de la pompe au récipient permettant sélectivement de raccorder l'entrée de la pompe 36 à la source 30 et la sortie de la pompe 36 au récipient 4 pour injecter du liquide dans le récipient ou de raccorder l'entrée de la pompe 36 au récipient 4 et la sortie de la pompe 36 à la source 30 pour retirer du liquide du récipient.
Un tel dispositif de remplissage est adapté quelle que soit la pression du gaz en fonction du remplissage du récipient 4 en liquide.
Comme illustré sur les Figures 1 à 3, en option, le système de contrôle 8 comprend un capteur de pression de liquide 40 disposé à l'intérieur de l'enveloppe pour fournir un signal de mesure représentatif de la pression du liquide à l'intérieur de l'enveloppe.
Le calculateur 14 est configuré pour comparer la pression du gaz mesurée et la pression du liquide mesurée, et pour déterminer que l'enveloppe 22 est complètement pleine en fonction d'une comparaison de la pression du gaz mesurée et de la pression du liquide mesurée.
Lorsque l'enveloppe 22 est partiellement pleine la pression du gaz est sensiblement égale à la pression du liquide.
Lorsque l'enveloppe 22 est complètement pleine, une surpression apparaît à l'intérieure de l'enveloppe par rapport à l'extérieur de l'enveloppe du fait de l'élasticité de celle-ci.
Lorsque l'enveloppe est complètement vide, une dépression apparaît dans l'enveloppe par rapport à celle du gaz.
Le calculateur 14 détermine que l'enveloppe est pleine de liquide par exemple lorsque la pression du gaz est strictement inférieure à la pression du liquide ou lorsque la différence entre la pression de liquide et la pression du gaz est supérieure à un seuil prédéterminé.
Le calculateur 14 détermine que l'enveloppe est complètement vide lorsque la pression du gaz est strictement supérieure à la pression du liquide.
Dans les modes de réalisation des Figures 1 à 3, le réservoir 2 comprend un seul capteur de température du gaz 12.
Néanmoins, il est possible que la température du gaz ne soit pas homogène dans le récipient 4.
Dans un mode de réalisation, le réservoir 2 comprend plusieurs capteurs de température disposés pour mesurer la température du gaz contenu dans le récipient, chaque capteur fournissant un signal de mesure représentatif de la température du gaz.
Le calculateur 14 détermine alors une température du gaz mesurée à partir des signaux de mesure des capteurs de température. Le calculateur détermine par exemple la température du gaz mesurée à partir d'une moyenne des signaux de mesure de température du gaz.
En variante ou en option, le procédé de mesure comprend le brassage du gaz pour homogénéiser sa température. Le réservoir 2 comprend un dispositif de brassage disposé à l'intérieur du récipient pour brasser le gaz. Le dispositif de brassage comprend par exemple un ou plusieurs ventilateurs 42, comme illustré sur les figures 1 à 3. Le dispositif de remplissage 6 est commandé par le calculateur 14 en fonction d'un volume de liquide calculé et d'un volume de liquide souhaité ou en fonction d'une flottabilité calculée et d'une flottabilité souhaitée.
Dans une application, l'engin naval 3 est un engin sous-marin tel qu'un sous-marin ou un planeur sous-marin, et le régleur 2 et le système de contrôle 8 sont prévus pour ajuster la flottabilité de l'engin naval 3 pour sélectivement conserver une flottabilité nulle de manière à conserver une immersion constante, créer une flottabilité positive pour faire remonter l'engin naval 3, ou créer une flottabilité négative pour faire descendre l'engin naval 3.
Un planeur sous-marin est un engin-marin présentant une finesse hydrodynamique lui permettant d'avancer du fait d'une descente ou d'une remontée, les variations de la flottabilité générées par le régleur permettant ainsi au planeur sous-marin d'avancer. L'avancée du planeur se fait du fait des modifications de flottabilité générées par le régleur avec une faible consommation d'énergie.
L'invention présente plusieurs intérêts pour ce type d'application. Un premier intérêt est que la mesure de flottabilité prend non-seulement en compte le volume de fluide, mais aussi les éventuelles variations de volume du récipient étanche 4 (par exemple dues à une compression due à la pression externe), et mesure donc directement la flottabilité totale de l'ensemble, incluant la compressibilité de sa coque. Une deuxième intérêt est que la mesure de flottabilité passive engendre une conception simplifiée du réservoir qui peut rester non-instrumenté. Cela résulte en un cout et une masse réduite du régleur 2.
Dans une autre application, le régleur 2 équipe des câbles d'acquisition sismique, tels que décrits dans FR2940838A1 dont le contenu est incorporé à la présente demande dans son intégralité.
Comme illustré sur la Figure 4, un système de prospection sismique 50 comprend au moins un câble d'acquisition sismique 52 dont les extrémités sont attachées à des engins navals 54, des modules capteurs 56 répartis le long du câble d'acquisition sismique 52 et un ensemble de réglage de la flottabilité 58 du câble d'acquisition sismique 52.
Les engins navals 54 sont autopropulsés. Les engins navals 54 sont pilotés ou autonomes. Les engins navals sont des engins surface ou des engins submersibles..
Les engins navals 54 sont pilotés ou programmés pour maintenir le câble d'acquisition sismique en tension suivant une position déterminée stationnaire (par rapport au référentiel terrestre) ou pseudo-stationnaire (par rapport aux courants marins). De préférence, ils sont munis de dispositifs de géolocalisation par satellite pour déterminer leurs positions et celle du câble d'acquisition sismique 52.
Le câble d'acquisition sismique 52 comprend une partie centrale 52A sensiblement horizontale, et deux parties d'extrémité 52B courbes, reliées aux engins navals 54.
Les modules capteurs 56 sont répartis sur la partie centrale du câble d'acquisition sismique 52. Chaque module capteur 56 comprend des hydrophones et/ou des géophones (ou accéléromètres).
Le câble d'acquisition sismique 52 et les modules capteurs 56 présentent ensemble une flottabilité sensiblement nulle.
L'ensemble de réglage de flottabilité 58 comprend plusieurs régleurs 2 répartis le long du câble d'acquisition sismique 52, plus spécifiquement le long de sa partie centrale 52A.
Les régleurs 2 sont configurés pour maintenir une flottabilité sensiblement constante, et ainsi maintenir la partie centrale du câble d'acquisition sismique à une profondeur de consigne sensiblement constante.
Pour la commande conjointe des régleurs 2 pour l'obtention et le maintien d'une flottabilité déterminée, les systèmes de contrôle 8 des régleurs 2 répartis le long d'un même câble d'acquisition sismique 52 sont par exemple reliés entre eux par un bus de communication de données permettant au système de contrôle 8 de chaque régleur 2 de recevoir une valeur de consigne et de contrôler le régleur 2 pour lui conférer une flottabilité correspondante, de manière analogue au dispositif de contrôle divulgué dans FR2945356A1 .
Un seul câble d'acquisition sismique et les engins navals associés ont été décrits. Cependant, en pratique, le système de prospection sismique marin comprend plusieurs ensemble d'acquisition comprenant chacun un câble d'acquisition sismique et des engins navals associés, les ensembles d'acquisition étant pilotés conjointement et leurs données étant exploitées conjointement pour déterminer une cartographie tridimensionnelle des fonds marins.
Un des intérêts pour cette application est le faible bruit généré par le régleur, lié au fait que le récipient, ne nécessitant pas d'instrumentation physique (mesure de déformation par potentiomètre ou autre dispositif mécanique), se déforme sans guidage mécanique (coulissement) et donc sans bruit de frottement associé, et qu'il peut de plus être facilement placé dans une chambre isolée phonétiquement.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Procédé de contrôle d'un dispositif de réglage de flottabilité, le dispositif de réglage de flottabilité 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)1/ Y, où PG est la pression mesurée (en Pascal), γ 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.
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.
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 générée par le dispositif de réglage de flottabilité dans un fluide environnant.
1 1 . - Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant le calcul de la flottabilité nette générée par le dispositif de réglage de flottabilité dans un fluide environnant, selon l'équation Fnette = p (V0 + VG) - m.g, où VG est le volume du gaz calculé (en m3), V0 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).
12. - Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, 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.
13. - Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant le brassage du gaz pour homogénéiser sa température.
14. - 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.
15. - Système de contrôle d'un dispositif de réglage de flottabilité, le dispositif de réglage de flottabilité 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, 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) configuré pour mettre en œuvre un procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes.
16.- Dispositif de réglage de flottabilité 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 dans le récipient, et un système de contrôle (18) selon la revendication 15.
17. - Ensemble de réglage de la flottabilité pour contrôler la profondeur d'un câble d'acquisition sismique, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs de réglage de flottabilité selon la revendication 16 répartis le long du câble.
18. - Planeur sous-marin comprenant un dispositif de réglage de flottabilité selon la revendication 16.
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