Brevet FR2344068A1 — publié le 19771007

QUANT ICALORIMETRE Le présent dispositif eoncerne les appareils du type régulateurs thermiques et a pour but de contrôler et réguler le quantum thermique ou frigorifique, d'un flux, nécessaire à l'obtention d'une température prédéterminée et pouvant être affectée d'un coefficient de correction fonction du degré hygrométrique du lieu. Les dispositifs connus dans ce domaine sont - Les thermostats dont la définition est de l'ordre de + 1,50C - Les régulations à sondes extérieures 1) ne tenant compte que de la température extérieure 2) ou comportant des éléments extérieurs de compensation d'influence tels que héoliennes Dans ce cadre 1 et 2, - les régulateurs à canne pyrométriques, simple effet ou double effet - les régulateurs à sondes pneumatiques ou hydroliques 3) comportant une sonde intérieure ou combinée avec une sonde exté rieure - Les régulateurs à compensation par dérivée. Tous ces dispositifs ne constituent que des approches de régulation Leurdéfinition est incertaine et pour la plupart, de mise en oeuvre très compliquée. Le présent dispositif tend à réunir les avantages et éviter les in convénients de ces différents dispositifs - Définition de la température à mieux que + o,15cC - Affichage direct de la température désirée - Tenue en compte de tous les éléments d'influence température extérieure . vent pluie . ensoleillement - P9ssibllité de moduler la température autour du point de consigne en fonction du degré hygrométrique du lieu - Possibilité d'optimiser la mesure et donc d'affiner la régulation par extension du nombre des sondes de mesure sans affectation de l'étalon- n?ge du dispositif - Possibilité d'étendre le contrôle à tout ou partie des éléments de com mande d'un système - Bossibilité d'adaptation du dispositif à tous les systèmes de produc tion thermique ou frigorifique par cartes option en sortie - Economie d'énergie maximum par utilisation rationnelle de tous les élé- ments d'un système. Le présent additif apporte comparativement au dépôt précédent les avantages suivants 1) Optimisation de la définition de la température par extension des points de référence sans compromettre l'étalonnage du dispositif 2) De permettre une correction de température en fonction du degré hygrométrique du lieu à l'instant considéré 3) De permettre une régulation plus fine et une économie plus importante, par extension du contrôle de sortie à tous les éléments d'un système Pour atteindre ce but, nous avons admis au départ d'effectuer à l'entrée du comparateur pon plus :T2 - To + K (To - T1) = Vs mais d'effectuer 1. - la somme d'influence relative des sondes T1 ai tel que : T1 = T12 + (T11 - T12) ai + bl 2. - la somme d'influence relative des sondes T2 a2 tel que : T2 = T22 + (T21 - T22) a2 + b2 3. - 'la somme d'influence relative de T1 et T2 A soit :Tr = Ti + (T2 - Ti) A + B puis aux bornes du comparateur C entre les entrées + et - de faire To - Tr = Vs Les sommes partielles étant distinctes les unes des -autres et indépendantes du potentiomètre To, toute interdépendance disparaît et l'adjonction de sondes supplémentaires n'altère pas l'étalonnage de To ni celui du groupe de sondes déjà existantes. La sensation de froid n'étant pas liée uniquement à la température ambiante, mais également au degré hygrométrique du lieu, il est apparu nécessaire de pouvoir adjoindre une correction thermique en fonction de ce degré hygrométrique. Si nous considérons une sonde de température ayant une dissipation propre, nous voyons que sa mise en température est fonction de sa conductibilité thermique par rayonnement, contact ou convection donc du matériau l'enveloppant. Ici, nous avons à faire à des sondes n'ayant qu'unie fenêtre d'échange ; en plaçant sur cette fenêtre un matériau hydrophile, par example une feuille de papier machine, nous voyons que le pouvoir spécifique de ce matériau sera fonction du degré hygrométrique du milieu. Il nous suffira également de placer une sonde contre une paroi sans matériau de contact entre les deux pour apercevoir le phénomène, le mur étant plus froid que l'air ambient, un appel d'humidité se fera alors sentir à sa surface et l'intimité thermique entre la sonde et le mur va croître. Si nous avons disposé côte à côte deux sondes, l'une intimement collée au mur, l'autre simplement plaquée contre ce mur, chacune étant reliée à une extrémité d'un potentiomètre de sommation, nous pouvons alors règler sans difficulté le coefficient de correction en fonction du degré hygrométrique. Le fait de sortir un signal d'écart proportionnel linéaire et d'atta quer une série de seuils de bascules nous permet d'étendre le contrôle à tous les éléments de commande d'un système, et de pouvoir ainsi doser de façon continue et précise le quantum thermique délivré pour la régulation demandée. D'autre part ceci nous permet d'utiliser les différents éléments de commande dans leur zone de rendement maximum, ce qui conduit à une éco nomie substantielle d'énergie. Voici une des réalisations à titre d'exemple du dispositif conforme àla présente invention, et son montage appliqué à un système de chauffage central classique. Ce dispositif est composé par - Une sonde T11 donnant la température ambiante du lieu - Une sonde T 12 donnant la température intérieure d'un mur extérieur et dont le coefficient de transmission est fonction du degré hygromé trique de ce dernier ai - Un sommateur partiel donnant T1 = T12+ (T11 - T12) ai + bu - Une sonde T 21 donnant la température du flux de départ - Une sonde T 22 donnant la température du flux de retour a2 - Un sommateur partiel donnant T2 = T22 + (T21 - T22) a2 + b2 - Un sommateur final donnant la valeur moyenne de T1 à T2 soit T1 + (T2 - T1) A A Tr A+3 - Un potentiomètre d'affichage gradué en OC et fixant la valeur de To (température désirée dans le lieu) -'Un comparateur d'écart C proportionnel délivrant un signal proportionnel à. l'écart entre la somme Tr de T1 à T2 et la température désirée To, A soit : Vs = To - T1 + (T2 - T1) A A B Vs = To - Tr - Une commande de sortie comportant 2 seuils de détection d'écart, un seuil positif R2 et un seuil négatif Ri. Les éléments à contrôler sur ce système de chauffage sont : - Une pompe de circulation "P", - Une vanne de mélange motorise "moteur M", - Un brûleur "B". FQnction réponse du dispositif dans ce cas de régulation. Si nous considérons les différents paramètres intéressant ce lieu, nous trouvons : - à l'extérieur : la température de l'air et l'ensoleillement Mais ces deux agents agissent sur le mur à travers 1). le coefficient spécifique d'absorption du mur considéré Ce coefficient est lié à la nature du matériau et à l'état de surface, donc variable en fonction de son humidité 2) Le coefficient spécifique d'évaporation thermique ou convection. Ce coefficient est fonction du matériau et de son état de surface. Ce coefficient sera fonction du vent et de son angle d'attaque ; il sera d'autre part fonction de son état hygrométrique. Nous pouvons donc dire à travers et dans le rapport de ces coefficients que les éléments d'influence extérieure sont . la température . le vent . la pluie . l'ensoleillement Tbus ces paramètres nous les trouvons intégrés suivant leur degré d'influence réelle, en considérant la température de ce mur. - a.l'extérieur : nous avons donc la température ambiante qui sera définie par la moyenne proportionnelle des échanges entre la source froide (paroi extérieure) et la source chaude (radiateur - convecteur - etc...). La sensation de chaleur qui sera fonction de la température ambiante de l'homogénéité de cette dernière et du degré hygrométrique du lieu. Nous aurons donc - La sonde T11 qui nous transmettra la température ambiante - la sonde T 12 qui nous transmettra la température de la source froi de (surface intérieure d'un mur extérieur). Cette sonde n'étant pas intimement collée au mur et étant au besoin isolée de celui-ci, par exemple, par une simple feuille de papier à machine, grammage de 47/50 dont la retenue d'humidité à 200C et 20% d'humidité est de 8 %, nous voyons que plus le degré hygrométrique du lieu va augmenter, plus-le degré d'humidité de la surface du mur (plus froid que l'air ambiant) va augmenter, plus la conductibilité thermique de cette feuille de papier va augmenter et plus la sonde T12 va transmettre une température base jusqu'à transmettre la tem pérature réelle du mur. Nous avons donc bien T12 affectée du degré hxgrometrique du lieu. - Nous pourrons donc en jouant sur le rapport al/bl ajuster les coef ficients d'influence respectifs T1 de T11 à T12. - La sonde T21 transmettra la température de tête de l'élément chauf fànt alors que - la sonde T22 transmettra la température de base de cet élément chauf fant. - Nous voyons que T2 en sortie du sommateur a2/b2 sera le reflet de la température moyenne de cet élement chauffant. - Nous voyons donc qu'en sortie du sommateur A/B la valeur de Tr sera bien le reflet de la somme des facteurs d'influence dans leur rapport respectifs Nous pouvons donc écrire qu'à l'équilibre Vs = To - T1 - (T2 - T1) A A A + B soit Vs = To - Tr = O - Fonctionnement du dispositif dans ce système Considérons qu'au temps zéro, le système se trouve dans l'état suivant - To - Tr = - Vs - R1 est au travail - R2 est au repos - la vanne est fermée, le contact de fin de course fermeture est donc en travail - la pompe de circulation est donc à l'arrêt - et le contact fin de course ouverture est au repos. A l'instant + I, la température baissant - To - Tr tend vers zéro - R1 vient au travail - la pompe de circulation se trouve alors mise en marche à travers le contact Repos de Ri. A.l'instant + 3 - To - Tr = + Vs - R2 vient au travail - la pompe de circulation est toujours en marche - Le moteur M porte la vanne en ouverture - et le contact fin de course fermeture vient au repos. La vanne allant en ouverture, la température d'eau augmente, donc T 21 augmente donc T2 augmente donc Tr augmente donc - To - Tr tend vers zéro - Re retombe au repos - le moteur M s'immobilise - le contact fin de course fermeture étant au repos, la pompe de circulation reste en marche. Admettons que la température extérieure continue à descendre - T12 va descendre, donc, - T1 va descendre, donc - Tr va descendre, donc - To - Tr va grandir jusqu'à To - Tr = + Vs - R2 vient au travail - M part en ouverture Mais, M arrivant en grande ouverture, la température de consigne de la chaudière est trop basse, et nous aurons encore To - Tr = + Vs - le contact fin de course ouverture vient au travail - le brûleur reçoit l'ordre de mise en route - il faudra que la source de T21 à T22 grandisse suffisamment pour que To - Tr = O alors, le brûleur dtarrête, et ce n'est que lorsque la sonde T2 sera suffisamment redescendue que ae nouveau nous ferons appel au brûleur. Maintenant, nous arrivons en demi saison. - la vanne est en fermeture totale - le contact de fin de course fermeture est au travail Mais la fuite de vanne est telle que nous avons une eau qui est encore trop élevée pour la compensation désirée. Nous voyons que la température de T21 reste alors constante ; nous allons donc réguler sur la variation de T22 qui sera alors fonction du rapport Temps de marche de la pompe de circulation de la pompe de clrculatlon Temps d'arrêt Nous voyons alors que quels que soient les conditions, nous avons pu assurer une régulation proportionnelle. Et que cette régulation proportionnelle a été obtenue à partir d'éléments de commande tout ou rien. il en aurait été de même avec des éléments de chauffage électrique où nous aurions joints alors des commutations parallèles ou série. Nous avons donné ici un exemple simple. Il est possible d'étendre cette régulation à tous les types de réguration thermique ou frigorifique par simple adaptation des options de sortie en cascade. Le dispositif, objet de l'invention, peut donc être utilisé dans tous les cas de régulation thermique ou frigorifique où l'on désire une compensation proportionnelle ou semi proportionnelle simple très précise. Il peut être utilisé en laboratoire ou dans l'industrie ainsi que dans les problèmes domestiques pour la climatisation de lieux, enceintes, bains ou éléments divers entre - 30 et + 1000C. De multiples applications particulièrement intéressantes, tant sur le plan économique que confort, peuvent être faites pour la régulation de chauffage ou de conservateur. REVENDICATIONS t) Procéde de régulation de température d'une enceinte caractérisé par le fait que l'on utilise des sondes de mesures délivrant un signal linéaire pro portionnel au flux thermique et douées d'une très faible impédance dyna mique, identiques quelle que soit leur fonction. que les sondes de pertes mesurent le flux thermique traversant les parois de cette enceinte et le flux thermique délivré par la capacité thermique de cette enceinte, et au besoin affecté d'un coefficient de correction en fonction du degré hygrométrique du lieu; que les sondes d1 apport mesurent le flux des apports thermiques; que la somme des signaux de pertes et la somme des signaux d'apports sont effectuées séparément; que la somme d'influence relative, des sommes des signaux de pertes et des signaux d'apport, est effectuée séparément de ces sommes partielles; que la somme d'influence relative de ces signaux est confrontée à l'entrée d'un comparateur à un signal de référence préalablement étalonné et gradué en degrés ambiants;; que le signal d'écart, en sortie de ce comparateur, commande a travers dés éléments a seuil la mise en oeuvre des différents éléments d'un système agissant sur la valeur et le sens du flux thermique d'apport; que le signal, correspondant a la valeur de ce flux d'apport thermique, est rapporté a l'entrée du comparateur, ramenant ce dernier a l'équilibre des que la valeur de ce flux d'apport thermique correspond a l'écart enre gistré; qu'a la position d'équilibre du signal de sortie du comparateur, correspond l'arrêt en l'état des différents éléments du système. 2) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait de l'emploi de sondes basse impédance délivrant un signal linéaire proportionnel au flux thermique. 3) Dispositif selon revendication l Caractérisé par le fait de l'emploi de sondes identiques quels que soient le point, la fonction ou le paramètre a mesurer. 4) Dispositif selon revendications i et 3 Caractérisé par le fait que l'on utilise la variation de la conductibilité thermique entre la face d'une sonde et la face intérieure d'un mur extérieur en fonction du degré hygrométrique d'un lieu pour mesurer ce degré hygrome trique. 5) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que la somme des signaux de pertes est effectuée séparément de la somme des signaux d'apport. 6) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que la somme, de la somme des signaux d'apports et de la somme des signaux de pertes, s'effectue. :séparément de ces sommes par tielles. 7) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que l'on confronte la somme d'influence relative des signaux de pertes et des signaux d'apport thermique, a une tension de référence préalablement étalonnée et gradue en degrés ambiants. 8) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que la hauteur et le sens du signal d'ecart en sortie du comparateur determine l'ordre et le sens de la mise en oeuvre des différents éléments du système de chauffage ou de réfrigération. 9) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que le signal correspondant au flux d'apport ther mique est renvoyé en contre-réaction du signal correspondant au flux des pertes thermiques a l'entrée du comparateur. 10) Dispositi-selon revendication 9 Caractérisé par le fait que l'on intègre le système de chauffage ou de réfrigération dans la boucle de contre-réaction de mesure. ll) Dispositif selon revendication l Caractérisé par le fait que le quantum thermique d'apport correspond au quantum thermique mesuré entre le flux du moment pertes et la tension correspondante a la température de référence choisie. 12) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que la mesure du flux thermique délivrée par la ca parité thermique du lieu est obtenue en tenant compte de la variation du flux thermique a proximité d'une paroi extérieure (maximum 2cm de distance de cette paroi 13) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que l'on défini le flux des pertes thermiques & travers les parois de cette enceinte en mesurant le quantum thermique réel entre la face intérieure de ces parois et la température ambiante. 14) Dispositif selon revendication 1 Caractérisé par le fait que l'on défini le flux des apports thermiques en mesurant le quantum thermique entre les éléments d'apport et la température ambiante. 15) Dispositif selon revendications 1,8,13 et 14 Caractérisé en ce que le sens de l'action est defini par le signe de l'e cart entre ces deux quanta thermiques définis en 13 et 14. 16) Dispositif selon revendications 1,8,13 et 14 Caractérisé en ce que le choix et le nombre des elénents du système mis en oeuvre dépend du signe et de la valeur absolue de l'écart entre ces deux quanta thermiques définis en 13 et 14.