Brevet FR2290705A1 — publié le 19760604

Te problème du chauffage d'un débit liquide constant pour le porter à une température donnée est résolu par divers moyens. Tous ces moyens connus ont le défaut de présenter une dérive de la température quand la tension dlaliwpntation et/ou la température du liquide à chauffer varient. Cette dérive est liée au principe mssme des systèmes de régulation; elle peut être faible, elle n'est jamais nulle. Il en résulte que, si les paramètres qui les causent (tension ou tem- pérature initiale) varient dans de larges limites, la tempéra- ture finale peut être affectée dune erreur inacceptable. De plus, Si les variations de ces paramètres sont rapides dans le temps, la température finale du flux liquide est affectée transitoirement d'une erreur bien plus grande que la dérive précédente. La présente invention a pour but de pallier ces défauts. Elle s 'applique au système connu dit par régulation proportionnielle, dans lequel un dispositif délivre des impulsions électriques synchronisées par les zéros de la tension du réseau électrique, ces impulsions servant à commander un dispositif qui met sous tension la résistance électrique de chaiffage, lesdites izs- pulsions étant soumises à la condition qu'un signal croissant en tension quand la température décroît, soit supérieur à une tension issue d'un générateur de tension en dents de scie. À cet effet, dans le régulateur proportionnel selon l'inv vention, le générateur en dents de scie est agencé de lanière que, au moins la croissance ou la décroissance des dents de scie est linéaire en fonction du temps et, lorsque la croissance ou la décroissance n'est pas linéaire, elle s'effectue en un temps petit comparativement à la période de dents, les maxizinuas et les minimums étant liés d'une façon univoque à la tension du réseau électrique qui alimente le régulateur, la variation relative de ces maximums et de ces minimums étant le double de la variation relative de la tension électrique du réseau. L'invention a également pour objet diverses formes de réalisation du régulateur précédent. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en se référant au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est un schéma de circuit d'un régulateur proportionnel connu - la figure 2 est un diagramme représentant les variations des tensions en deux points du circuit de la figure I - la figure 3 est analogue à la figure 1, mais pour un régulateur proportionnel selon l'invention - la figure 4 est un diagramme représentant les variations des tensions en divers points du circuit de la figure 3, et - les figures 5 et 6 Sont des schémas de circuit analogues à celui de la figure 3, mais pour deux variantes. On se réfère tout d'abord au schéma de circuit de la figure 1 qui représente un régulateur proportionnel classique. Dans cette figure : - R1, X sont des résistances dont le coefficient de températu re est négligeable. - R est une résistance chauffante utilisée pour le chauffage du débit liquide. - S est une sonde immergée dans le flux sortant de la capacité de chauffage. Nous supposerons que cette sonde est une résis tance à coefficient de température négatif (thermistance). - GS est un générateur de tension en dents de scie alimenté par la tension continue U. - GI est un générateur qui crée des impulsions brèves synchroni sées par les zéros de la tension du réseau électrique L1 L2. Ces impulsions ont une durée telle qu'elles s'étendent un peu au-delà de ces zéros. La génération de ces impulsions est soumise à la condition u1 > u2, u1 étant la tension issue du diviseur R1 - S alimenté par la tension redressée par le générateur G1 et filtrée par le condensateur C et u2 la tension de sortie du générateur de tension en dents de scie. Les impulsions, quand elles existent, sont utilisées pour provoquer la mise sous tension de la résistance chauffante R. Dans l'exemple représenté, elles excitent la porte d'un triac TR. La figure 2 explique le fonctionnement de la régulation : en trait plein sont représentées les tensions u1 et u2 en fonction du temps. La période T des dents de scie est représentée par AB. Durant cette période, la condition pour que la résistance chauffante soit alimentée est satisfaite pendant le temps t représenté par ab. La puissance moyenne dissipée par la résistance chauffante est P = E- t en désignant par E la tension du réseau électrique. Si la température du flux liquide vient à varier, par exemple à diminuer, la résistance S de la sonde et la tension u1 augmentent et prennent les valeurs S' et U'1. À chaque période des dents de scie, ul1 est supérieur à u2 pendant le teipa t' représenté par a' b'=t ab et la puissance moyenne dissipée E2 t' par la résistance chauffante est P' p R T : la puissance du chauffage augmente, ce qui atténue la variation de la température du flux liquide sans toutefois l'annuler, d'où l'effet de régulation souhaité. La variation de la température du flux liquide sortant de la capacité de chauffage peut être causée soit par la variation de la température du liquide à l'entrée, soit par la variation de la tension du réseau électrique. Si les variations de ces paramètres sont importantes, la variation de la température du flux liquide peut être excessive pour l'usage qu'on veut en faire. Ce problème de régulation est encore compliqué par les vitesses de variation des paramètres : si elles sont élevées, une dérive transitoire apparais, qui est liée aux inerties thermiques. On peut noter que la vitesse de variation de la température de l'eau d'entrée est toujours faible ou moyenne mais que celle de la tension est parfois brutale. L'invention a pour but de pallier tous ces défauts : ses effets sont d'une part de quasi-annuler les dérives de température du flux liquide liées aux variations de tension d'alimentation ou de température du flux à-l'entrée de la capacité de chauffage, d'autre part de quasi annuler les écarts transitoires causés soit par les variations brusques de la tension, soit par les variations relativement rapides de la température du flux à l'entrée. La figure 3 représente un exemple de circuit selon l'invention, destiné à équilibrer les effets des variations brusques de tension. Dans ce circuit, 21 à R6 sont des résistances et P1 et P2 des potentiomètres dont les coefficients de température sont négligeables.Les références GS, X, S, C, GI désignent les mêmes éléments qu'à la figure 1, le générateur de tension en dents de scie GS possédant les propriétés suivan tes : - la loi de variation de la tension en fonction du temps est soit linéaire quand la tension croît ou décroît, soit linéaire quand elle décroît, la croissance s'accomplissant suivant une loi quelconque, en un temps très court comparé à la période des dents, soit encore linéaire quand elle croît, la décroissance se faisant suivant une loi quelconque dans un temps très court comparé à la période des dents. Dans l'exemple décrit, on suppose que la loi de variation est celle qui correspond à la dernière hypothèse, - les maximums et les minimums sont proportionnels à la tension u qui alimente le générateur de tension en dents de scie. Une diode Zener Z permet d'alimenter le générateur de tension en dents de scie GS sous une tension qui est une fraction déterminée de la tension du réseau électrique redressée par une diode D. Ce schéma fait apparaître le mode d'alimentation du généra- teur de tension en dents de scie. En L1 L2 est appliquée la tension du réseau électrique dont la valeur nominale est E et la valeur réelle E + bE = E (1 #E). Le condensateur C se charge à travers la diode D sous une tension E' proportionnelle à la valeur réelle de la tension du réseau : E' = E (1 +#E ) La tension u-qui alimente le générateur de tension en dents de scie est cette tension diminuée de la chute de tension u2 produite par la diode Z.Impérativement, on choisit cette diode pour que u2 = 2 E 2 u = 2 Les maximums et les minimums des dents étant proportionnels à cette tension, leur amplitude en tension V l'est aussi V = k E (1 + 2 & E k étant une constante dépendant de la structure du générateur de dents de scie. Le diviseur de tension R5 - .26 est tel que la chute de potentiel aux bornes de 26 soit égaie à la tension minimale des dents de scie. Les potentiomètres P1 et P2 constituent des moyens de réglage pour utiliser au mieux le dispositif.21 + P1 ayant la valeur de la sonde S portée à la température moyenne de régula tion em, on règle une fois pour toute P2 pour que la température régulée soit im. De la sorte, le dispositif fonctionne toujours au voisinage de sa sensibilité maximale, quand on ajuste P1 pour avoir la température désirée. La figure 4 permet de comprendre le fonctionnement de ce dispositif : les tensions sont repérées par rapport au potentiel du point A de la figure 3. Les minimins de la tension en dents de scie sont nuls et leur amplitude est V = k E (I + 2E) la tension v issue du diviseur de tension P1 + R - S est la différence entre la tension variable u5 aux bornes de la sonde et la tension constante ur4 entre le moins et le curseur du potentiomètre P2 V = us - ur4 La puissance dissipée par la résistance chauffante alimen- tée sous la tension E (1 + #E ) est E2 (1 + rg )2 1F p ~~~~~~~~~~ = t t R T Etant donné la loi de variation de la tension des dents de scie, on peut écrire d'où 2 En développant Ci + hue ) et en négligeant le terme en 2 s )2, on a, après simplification : E v P=8 IF Cette relation montre que..la puissance dissipée est indépendante des variations de tension hE, même ni celles-ci sont rapides. Deux réserves sont à faire t - il faut que (7 ) soit petit 'c'est généralement le cas. Par exemple si E = 220 + 20 volts, (#E )2 est le centième du terme principal. - la chute de tension des diodes Zener commercialisées est définie à 5 * près. Par conséquent, la relation sera satisfaite approximativement et l'erreur pourra atteindre 5 %. Un calcul d'erreur montre que la dérive liée à cette approximation reste toujours très faible. L'effet régulateur proprement dit intervient seulement pour diminuer les écarts causés par les approximations. On se réfère maintenant à la figure 5 qui représente l'a- daptation du circuit de la figure 3 pour absorber les variations de la température à l'entrée. La résistance R4 est remplacée par un amplificateur différentiel ÀD dont la tension de sortie se substitue à la tension UR4. Cette tension est proportionnelle à la différence des tensions appliquées aux entrées 1 et 2 de l'amplificateur dont le gain a la valeur g. u = g (u1 Le circuit comprend également des résistances R'1 à R'7 et potentiomètres P'1 et P'3. La tension constante u1 est issue du diviseur R'7 - R'8 dont les résistances ont un coefficient de température négligeable. La tension u2 est issue du diviseur R'4 - su constitué par la résistance R'4-dont le coefficient de température est négligeable et une sonde S1 dont la résistance croît linéairement avec la température. (Sa valeur, quand elle est à zéro degré, est SO et son coefficient de température a). Cette sonde baigne dans le flux entrant dans la capacité de chauffage. Quand la température d'entrée 1 varie de #T1, u varie de Au à gAuo Or h = U U5 R+S Cette relation est physiquement exacte si l'écart de température est relativement petit. A cette variation de Au correspond une variation de v définie précédemment. Si la température d'une sonde S2, montée à la sortie de la capacité de chauffage ne varie Pas : La variation de la puissance de chauffage est Pour que la température de sortie ne varie pas, il faut que cette énergie soit celle qui est nécessaire pour modifier de A21 la température du débit liquide entrant dans la capacité de chauffage. Q étant sa capacité calorifique on doit avoir Le potentiomètre P' permet de régler le gain pour obtenir 3 cette valeur. Ce réglage étant fait, il y a compensation exacte sans dérive ve de la température de sortie quand la température d'entrée varie. Enfin les dérives transitoires ne produisent pas ou ont une amplitude très faible pour deux raisons : d'une part les variations de la température d'entrée ne sont jamais brutales, d'autre part, de par sa situation en amont de la capacité chauffante, la sonde Si informe des variations de température à l'entrée avant que le liquide pénètre dans la cuve de chauffage, alors que dans les montages classiques, la sonde située à la sortie informe en retard. remarquons que le montage décrit convient bien si la température d'entrée varie entre des limites assez resserrées. Si,au contraire, cette température prend des valeurs extrêmes très différentes, il est nécessaire d'alimenter la sonde Si à intensité constante pour que son effet soit linéaire dans toute l'étendue où évolue la température à l'entrée. La figure 6 représente une autre variante du schéma de la figure 3. Le schéma correspond à un régulateur conçu pour annuler l'effet des variations de la tension du réseau électrique et de la température du liquide à l'entrée, cette température pouvant varier dans des limites très étendues. I1 permet en outre d'ajuster la température de sortie entre des limites très différentes, la sensibilité du régulateur restant constante dans toute la plage de régulation. Enfin ce schéma détaille une réalisation possible du générateur de dents de scie. On y distingue les deux parties essentielles décrites précédemment : la partie sondes alimentée sous la tension continue U et la partie générateur de dents de scie - générateur d'impul- sions - résistance chauffante R - triac TR alimentée à partir du courant du réseau électrique. Pour des raisons de sécurité, qui ne sont pas impératives d'ailleurs, seul le circuit résistance chauffante - triac est alimenté directement par le-réseau. Les autres circuits le sont à travers un transformateur abaisseur de tension T1 (rapport N), ce qui nécessite la présence d'un transformateur T2 qui transmet les impulsions issues du générateur d'impulsions à la porte du triac TR. En outre, il peut être utile d'intercaler un transistor amplificateur Sur cette- figure 6, on reconnaît la diode D qui redresse une alternance de la tension alternative et un condensateur G1 qui la filtre, la tension filtrée étant NE #2 (1+ #E), puis la diode Zener Z dont la tension caractéristique est 1 NE 6 2. De la sorte la théorie exposée plus haut reste valable. Toujours sur la même figure, on reconnaît le diviseur de tension R"5 - R"6 qui a pour fonction de porter le point Â au potentiel des minimums des dents de scie. La sonde S1 montée à l'entrée de la capacité de chauffage et la sonde S2 montée à la sortie sont l'une et l'autre alimentées à intensités constantes obtenues respectivement gracie à des transistors Q1 et Q2 dont les charges d'émetteur R"7 et R"' introduisent une très forte réaction. 7 Le potentiel qui apparaît aux bornes de S1 est appliqué à une entrée d'un amplificateur A1 l'autre entrée étant portée à un potentiel plus élevé par le diviseur de tension R"* - R" '2. le gain de l'amplificateur est ajusté grâce au potentiomè tre P"4 à la valeur g1 = 4,18 Q R V 1 E U So&alpha; Le calcul de cette valeur se fait aisément en suivant un procédé de calcul analogue à celui fait précédemment0 le potentiel qui apparaît aux bornes de la sonde S2 est appliqué à une entrée d'un amplificateur 4, l'autre étant portée à un potentiel plus élevé par le diviseur de tension R"1 - R"24 Le gain g2 de cet amplificateur est réglé par le potentiomètre P" pour que la régulation de température soit un peu en deça du régime critique. On fixe la température de consigne an agissant par exemple sur R"1 que l'on remplace alors par un potentiomètre. La tension en dents de scie est la tension de charge d'un condensateur C2 alimenté à courant constant par un transistor monté avec une charge d'émetteur R"20, la chute de tension dans celle-ci étant de l'ordre de la moitié de la tension continue d'alimentation. De la sorte le flanc ascendant des dents de scie est rectiligne. La décroissance de la tension est provoquée par 1' ou- verture à saturation d'un transistor Q5 : elle est très brève comparée à la période des dents de scie. En effet, l'impédance du circuit de décharge est réglée par une résistance R"23 qui est choisie pour limiter le courant à la valeur maximale cowpa- tible avec le transistor Le circuit intégré CI est équivalent à.une bascule de Schmitt : son entrée 1 est portée au potentiel de la dent de scie. Ce circuit et les transistors Q3" - sont en meme temps bloqués ou passants. quand le circuit CI est bloqué, son entrée 2 est portée au potentiel donné par le diviseur de tension R"11 R R"124 I1 deviendra passant quand le potentiel croissant des dents de scie atteindra ce potentiel. Dès qu'il est passant, cette entrée est portée à un potentiel inférieur à celui qu'il avait, donné par le diviseur constitué par R"11 d'une part, R"12 et R113 en parallèle d'autre part. I1 retournera àl'état bloqué quand-la tension de la dent de scie atteinura ce dernier potentiel. On peut substituer à ce générateur de tension en dents de scie tout autre générateur qui donne des résultats identi ques. L'invention s'applique particulièrement bien à la régulation de la température des bains d'hémodialyse. REVENDICATIONS ======================== 1.- Régulateur proportionnel de température d'un débit liquide constant, dans lequel un dispositif délivre des impulsions électriques synchronisées par les zéros de la tension du réseau électrique, ces impulsions servant à commander un dispositif qui met sous tension la résistance électrique de chauffage, lesdites impulsions étant soumises à la condition qu'un signal croissant en tension quand la température décrolt,soit supérieur à une tension issue d'un générateur de tension en dents de scie, régulateur caractérisé par le fait que le générateur en dents de scie est agencé de manière que au moins la croissance ou la décroissances des dents de scie est linéaire-en fonction du temps, et lorsque la croissance ou la décroissance n'est pas linéaire, elle s'effectue en un temps petit comparativement à la période de dents, les maximums et les minimums étant liés d'une façon univoque à-la tension du réseau électrique qui alimente le régulateur, la variation relative de ces maximums et de ces minimums étant le double de la variation relative de la tension électrique. 2.- Régulateur selon la revendication 1, dans lequel est prévu un premier diviseur de tension alimenté par la tension appliquée au générateur de tension en dents de scie, dont le point milieu est à la tension des minimums des dents. 3.- Régulateur selon la revendication 2, dans lequel sont prévus deux circuits alimentés sous tension continue constante, le premier de ces circuits étant un second diviseur de tension constitué par un rhéostat en série avec une sonde dont la résistance varie avec la température, ladite sonde étant plongée dans le- flux liquide à réguler, le point milieu de ce second diviseur étant connecté à l'entrée convenable du générateur d'impulsions, le second circuit étant un troisième diviseur de tension constitué par deux résistances connectées en série dont le point milieu est électriquement réuni au point milieu du premier diviseur de tension. 4.- Régulateur selon la revendication 2, dans lequel sont prévus deux circuit? alimentés sous tension continue constante, le premier circuit étant un second diviseur de tension constitué par un rhéostat en série avec une sonde dont la résistance varie avec la température, ladite sonde étant plongée dans le flux liquide à réguler, le point milieu de ce diviseur étant connecté à l'entrée convenable du générateur d'impulsions, le second circuit comprenant un amplificateur différentiel dont une entrée est portée à une tension de référence constante et l'autre entrée au potentiel du point milieu d'un troisième diviseur de tension constitué par une résistance dont le coefficient de température est négligeable et par une sonde à coefficient de température positif constant baignant dans le flux liquide avant chauffage, la sortie de l'amplificateur étant connectée au point milieu du premier diviseur de tension, le gain du comparateur étant réglé pour qu'à toute variation de la température du flux entrant corresponde une variation de la puissance de température du flux de chauffage proportionnelle à la variation et compensant celle10 5.- Régulateur selon la revendication 2, dans lequel sont prévus deux circuits alimentés sous tension constante, le pre mier comprenant un amplificateur différentiel dont une entrée est portée à une tension de référence constante et l'autre entrée au potentiel du point milieu d'un second diviseur de tension constitué par une résistance dont le coefficient de température est négligeable et par une sonde à coefficient de température positif constant baignant dans le flux liquide sortant de la capacité de chauffage, la sortie de l'amplificateur étant connectée à l'entrée convenable du générateur d'impul- sions, le gain de cet amplificateur étant réglé pour que la variation de la température en fonction du temps se situe légèrement en deçà du régime critique, le second circuit comprenant un deuxième amplificateur dont une entrée est portée à une tension de référence constante et l'autre entrée au potentiel du point milieu d'un troisième diviseur de tension constitué par une résistance dont le coefficient de température est négligeable et par une sonde à coefficient de température positif constant baignant dans le flux liquide avant chauffage, la sortie de l'amplificateur étant connectée au point milieu du premier diviseur de tension, le gain du comparateur étant réglé pour qu'à toute variation de la température du flux entrant corresponde une variation de la puissance de chauffage proportionnelle à la variation de température et compensant celle ci. 6.- Régulateur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le générateur de tension en dents de scie est alimenté à partir du réseau électrique à travers un dispositif amenant la tension à une valeur compatible avec les éléments constitutifs du générateur, suivi d'une diode redressant les alternances positives et d'un condensateur de filtrage, la tension finale d'alimentation étant la tension filtrée diminuée de la chute de tension produite par une diode Zener, la valeur de cette chute étant la moitié de la tension filtrée quand la tension du réseau est à sa valeur nominale, laquelle tension finale est appliquée au générateur de tension en dents de scie constitué par un comparateur dont une entrée est portée à un potentiel qui peut prendre deux valeurs, la valeur maximale étant celle du point milieu d'un diviseur de tension alimenté par la tension définie plus haut, la tension-minimale résultant du même diviseur de tension auquel est adjoint une résistance auxiliaire mise en parallèle sur une résistance qui le constitue de fa çon à abaisser la tension de son point milieu, cette mise en parallèle étant assurée par l'ouverture à saturation d'un transistor qui passe de l'état bloqué à l'état saturé quand le comparateur passe de ltétat bloqué à l'état passant, et l'autre entrée est portée à la tension de charge d'un condensateur alimenté à courant cpnstant par le collecteur d'un transistor polarisé à tension constante, pour que la chute de tension dans sa charge d'émetteur représente une fraction importante de la tension d'alimentation, et déchargé en un temps court à travers un circuit à faible impédance, contrôlé par un transistor commandé en même temps que le transistor mettant en service la résistance nécessaire pour fixer la tension minimale des dents, l1ali- mentation des bases de ces transistors étant assurée par un transistor porté à saturation quand le comparateur est passant et bloqué dans le cas contraire, ladite tension de charge du condensateur étant la tension en dents de scie.