Brevet FR2389111A1 — publié le 19781124

L'invention est relative à un appareil de mesure de quantité de chaleur, de-s-tiné à mesurer la quantité de chaleur cédée par un écoulement de fluide à un dispositif consommateur de chaleur, dans lequel deux capteurs de chaleur, disposés dans l'écoulement de fluide respectivement en amont et en aval du dispositif consommateur de chaleur et incorporés à un montage électrique en pont, délivrent une tension de mesure fonction de la différence entre les températures de l'écoulement de fluide en amont et en aval du dispositif consommateur de chaleur, un appareil de mesure de volume, disposé dans ltécoule- ment de fluide, produit une impulsion chaque fois qu'un volume prédéterminé de fluide s'est écoulé, des moyens délivrent une suite d'impulsions au moyen d'un oscillateur à chaque apparition d'une impulsion de l'appareil de mesure de volume, laquelle suite d'impulsions présente un nombre d'impulsions fonction de la tension de esure, et un premier compteur additionne les nombres d'impulsions de toutes les suites d'impulsions. Un appareil de mesure de quantité de chaleur de ce genre est connu par la demande de brevet français publiée après examen sous le numéro 2 304 066. Dans cet appareil,la tension de mesure fonction de la difference de températures est appliquée à un générateur d'impulsions, auquel sont appliquées également les impulsions de l'appareil de mesure de volume, et qui, chaque fois qutapparait l'une de ces impulsions, délivre une impulsion dont la longueur est fonction de la tension de mesure. Les impulsions du générateur d'impulsions sont appliquées à un circuit ET, à la seconde entrée duquel sont appliquees des impulsions d'un oscillateur de fréquence fixe.Le signal de sortie du circuit ET est appliqué à un compteur dont le contenu est fonction du produit de la différence de températures et du volume et, par conséquent, est fonction de la quantité de chaleur cédée à l'appareil consommateur de chaleur. Lorsqu'on désire une mesure précise, il faut que la longueur des impulsions du générateur d'impulsions dépende uniquement de la différence de températures et que la fréquence des impulsions de l'oscillateur soit extrêmement constante. Ces conditions exigent de mettre en oeuvre des dispositions particulières qui contribuent à compliquer l'appareil, notamment en régime de fonctionnement sur batterie, auquel cas il faut tenir compte, comme on le sait, de ce que la tension d'alimenta tion décroît à la longue d'une manière non négligeable. De même,la mesure des différences de températures ne peut non plus s'effectuer normalement indépendamment de la tension d'alimentation.Les dispositions que l'on pourrait envisager pour empêcher l'influence des variations de la tension d'alimentation entraînent normalement une consommation supplémentaire de courant électrique et ne sont pas avantageuses pour le fonctionnement sur batterie, dans lequel on cherche à réduire au minimum la consommation de courant. L'invention a pour but de réaliser un appareil de mesure de quantité de chaleur qui, avec des moyens simples et sans augmentation de la consommation de courant, soit dans une large mesure indépendant des variations de la tension d'alimentation et convienne ainsi particulièrement bien à un fonctionnement sur batterie. Ce résultat est obtenu, conformément à l'invention, par le fait que la tension de mesure de température est appliquée à l'une des entrées d'un convertisseur analogique/ numérique à double rampe, en soi connu, qu'à l'autre entrée de ce convertisseur est appliquée, comme tension de référence, une tension proportionnelle à la tension d'alimentation du montage en pont, qu'au convertisseur sont appliquées les impulsions de l'appareil de mesure de volume, de manière qu'à chaque apparition d'une impulsion soit amorcé un cycle du convertisseur,et qu'il est prévu un second compteur qui, dans les intervalles de temps pendant lesquels la tension de mesure est appliquée au convertisseur, compte les impulsions de l'oscillateur et qui, lorsqu'il a compté un nombre prédéterminé d'impulsions, a pour action d'appliquer la tension de référence à l'entrée du convertisseur et d'appliquer les impulsions de l'oscillateur au premier compteur. Par le brevet américain nO 3 978 471,on connaît un thermomètre numérique comportant un convertisseur à double rampe du genre décrit ci-dessus. Dans cet appareil connu, un capteur de chaleur, disposé dans le fluide dont on veut mesurer la température, est inséré, avec une résistance ohmique, dans la première branche d'un montage en pont dont la seconde branche contient deux résistances ohmiques. Le convertisseur lui-même contient un intégrateur et un comparateur, monté à la suite, et à l'entrée de l'in tégrateur est branché un condensateur,lequel, au moyen d'un commutateur, peut être raccordé soit à la première branche, soit à la seconde branche du montage en pont, soit à la tension d'alimentation du montage en pont. Avant qu'un cycle du convertisseur soit amorcé, le point diagonal de-la première branche du montage en pont est raccordé au condensateur et, en même temps, le montage constitué par l'intégrateur et le comparateur est amené en position de zéro. Dans une première partie du cycle du convertisseur, le point diagonal de la seconde branche du pont est raccordé au condensateur et, pendant une seconde partie de ce cycle, la tension d'alimentation du montage en pont est raccordée directement au condensateur.La durée de la première partie du cycle du convertisseur est é- terminée par un oscillateur dont le signal est appliqué à un compteur. Ce compteur peut être constitué par exemple par un compteur décimal à quatre chiffres qui, au moment de l'amorçage d'un cycle du convertisseur, est mis à la valeur 9 000. Au moment où le compteur passe de 9.999 à 0000 s'effectue le passage de la première à la seconde partie du cycle du convertisseur. La seconde partie du cycle du convertisseur est terminée lorsque le comparateur constate que la tension aux bornes d'un condensateur d'intégration précédant l'intégrateur a atteint la valeur de sortie. Le nombre auquel le compteur est parvenu exprime alors la température du capteur de chaleur et ce nombre peut être affiché dansun dispositif indicateur. Les cycles du convertisseur peuvent être amorcés avec des intervalles de temps constants, déterminés par exemple par subdivision de la fréquence d'un réseau alternatif, ou à des instants arbitraires, par manoeuvre d'un interrupteur. Du fait qu'au cours de la seconde partie du cycle du convertisseur, c'est la tension d'alimentation du montage en pont qui est appliquée au condensateur d'entrée, on obtient dans une large mesure une compensation des erreurs qui résulteraient des variations de la tension d'alimentation du montage en pont, ceci à condition toutefois que le condensateur d'entrée soit en mesure de conserver sa charge pendant un cycle du convertisseur. L'appareil connu, d'autre part, compense, au moins en partie,- les variations de la fréquence de l'oscillateur à condition que cellesci demeurent constantes pendant la durée d'un cycle du convertisseur. L'invention est fondée sur le fait que le convertisseur analogique/numérique à double rampe qui vient d'être décrit peut être utilisé, moyennant quelques modifications d'adaptation, dans un appareil de mesure de quantité de chaleur du genre connu par la demande de brevet français précitée, de sorte qu'on peut obtenir ainsi un appareil de mesure de quantité de chaleur qui présente les propriétés visées par l'invention. L'une de ces modifications consiste en ce que la tension de mesure, laquelle représente bien la différence entre les températures régnant respectivement en amont et en aval de l'appareil consommateur de chaleur, est appliquée, pendant la durée de la première partie du cycle du convertisseur, directement à l'entrée de l'intégrateur, c'est-à-dire sans mise en oeuvre du condensateur d'entrée mentionné ci-dessus, dont la charge doit être supposée se maintenir à une valeur constante pendant le cycle du convertisseur, et que, pendant la durée de la seconde partie du cycle du convertisseur, on applique, comme tension de référence, une tension proportionnelle à la tension d'alimentation du pont de mesure, laquelle tension1 par exemple, peut être fournie par un diviseur de tension alimenté par la même source de tension que le pont de mesure.Comme il résulte des explications ci-dessous, on obtient ainsi de rendre la mesure absolument indépendante des -variations de la tension d'alimentation du pont de mesure. Une autre modification consiste en ce que l'amorçage du cycle du convertisseur est commandé par les impulsions de l'appareil de mesure du volume au lieu de l'être de la manière exposée ci-dessus On obtient ainsi d'une manière extrêmement simple le produit désiré de la différence de températures et du volume de fluide qui a franchi l'appareil consommateur de chaleur. Une autre modification consiste à mettre en oeuvre un second compteur supplémentaire.Dans le convertisseur à double-rampe connu, on n'utilise.qu'un seul compteur qui exécute une double fonction, en comptant pendant la première partie du cycle du convertisseur jusqu'à un nombre prédéterminé, et déterminant ainsi la durée de cette partie de cycle, et en comptant ensuite, pendant la seconde partie du cycle, les impulsions qui apparaissent, qui représentent le résultat de mesure, et qui, par exemple, peuvent être affichées. Lors de l'amorçage du cycle suivant du convertisseur, le contenu du compteur est effacé. Cependant, dans un appareil de mesure de quantité de chaleuril faut additionner les impulsions qui se produisent pendant la seconde partie des cycles du convertisseur et, par conséquent, le contenu du premier compteur ne doit pas être effacé.C'est pourquoi on a ajouté un second compteur qui doit être agencé de telle manière qu'il compte jusqu'à un nombre prédéterminé et qu'une fois ce nombre atteint, il ait pour action d'appliquer au second compteur additionneur les impulsions de ltoscillateur. Grâce à ces modifications, non essentielles, du convertisseur analogique/numérique à double rampe connu, on a trouvé, d'une manière surprenante, qu'il était possible d'obtenir un appareil de mesure de quantité de chaleur qui présente les avantages considérables, exposés ci-dessus, par rapport à l'appareil de mesure de quantité de chaleur connu, décrit ci-dessus. L'appareil de mesure de chaleur peut, conformément- à l'invention, comporter un circuit de commande, auquel sont appliquées les impulsions de l'appareil de mesure de volume et qui est agencé de manière à appliquer ainsi une tension d'alimentation à l'oscillateur et au second compteur. On obtient ainsi une manière extrêmement simple d'amorcer les cycles du convertisseur à l'aide des impulsions de l'appareil de mesure de volume. Lorsque le convertisseur contient un intégrateur et un comparateur monté à la suite, qui peut établir quand la tension de sortie de l'intégrateur a atteint sa valeur de départ, un mode de réalisation de l'appareil de mesure conforme à l'invention peut être caractérisé par le fait que le signal de sortie du comparateur est appliqué au circuit de commande qui est agencé de telle manière que la tension d'alimentation de l'oscillateur et du premier compteur est interrompue lorsque le comparateur a établi que la tension de sortie de l'intégrateur a atteint sa valeur de départ. Ceci améliore encore les possibilités d'utilisation de l'appareil de mesure de quantité de chaleur pour un régime de fonctionnement sur batterie. On obtient le même résultat avec un autre mode de réalisation de l'invention qui est caractérisé par le fait que la tension d'alimentation du diviseur de tension et du pont de mesure n'est appliquée que pendant les intervalles de temps dans lesquels la tension d'alimentation est appliquée à I'oscil lateur et au second compteur. Enfin, conformément à l'invention, une résistance peut être insérée entre une prise du diviseur de tension et l'extrémité, raccordée à la diagonale du montage en pont, du capteur qui est disposé dans I'écoulement de fluide en aval du dispositif consommateur de chaleur. Cette résistance, grâce à un dimensionnement approprié, peut servir à compenser les variations, en fonction de la température, de la densité de la chaleur spécifique du fluide, en concordance avec les principes exposés dans la demande de brevet français précitée. L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide d'un de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma illustrant le raccordement à un dispositif consommateur de chaleur de l'appareil de mesure de quantité de chaleur conforme à l'invention ; - la figure 2 est un schéma fonctionnel détaillé de l'appareil de mesure de quantité de chaleur conformera l'invention proprement dit; et - la figure 3 représente diverses courbes destinées à illustrer le mode de fonctionnement de l'appareil de mesure de quantité de chaleur conforme à l'invention. Sur la figure 1, est représenté un dispositif consommateur de chaleur i auquel est amené, par une canalisation d'arrivée 2, un fluide de chauffage, par exemple de liteau, transportant de la chaleur, qui quitte le dispositif i par une canalisation de retour 3. Dans la canalisation d'arrivée 2 est monté un élément thermosensible Rv par exemple une thermistance, et dans la canalisation de retour 3 est monté un second élément thermosensible RR. Sur la canalisation de retour 3 est monté en outre un appareil de mesure de volume 4, qui peut, par exemple, être du type d'appareil qui actionne brièvement un interrupteur A, chaque fois qu'il a été traversé par un volume donné de fluide. Aussi bien les deux éléments thermosensibles RV et R R que l'appareil de mesure de volume 4 sont raccordés à un appareil de mesure de quantité de chaleur 5 qui, à partir du produit de la différence entre les températures du fluide dans la canalisation d'arrivée 2 et dans la canalisation de retour 3 et du volume de fluide qui s'est écoulé à travers le dispositif consommateur de chaleur 1, fournit la quantité de chaleur qui a été cédée au dispositif consommateur de chaleur 1. Sur la figure 2 on retrouve les deux éléments thermos sensibles RV et RR lesquels, conjointement avec deux résistances ohmiques R1 et R'1 font partie d'un pont de Wheatstone, auquel est appliquée une tension d'alimentation V'BB. Aux extrémités de l'autre diagonale du montage en pont est prélevée une tension qui est appliquée à un amplificateur différentiel 6, à la sortie duquel apparaît une tension Ut qui est proportionnelle à la différence de température entre les canalisations d'arrivée 2 et-de retour 3. Pour transformer ce signal analogique en signal numérique, l'appareil de mesure de quantité de chaleur comprend un intégrateur muni d'un amplificateur 7, d'un condensateur d'intégration C et d'une résistance de charge R4, ainsi qu'au premier compteur 8, -un -second compteur 9 et-un oscillateur 10. Le compteur 9 est agencé de telle manière qu'il compte jusqu'à un nombre prédéterminé, par exemple 2 et, qu'une foisce nombre atteint, il provoque la commutation de deux commutateurs D1 et D2 de leurs positions inférieures (sur la figure 2) à leurs positions supérieures. L'interrupteur A de l'appareil de mesure de volume 4 (sur la figure 1) est raccordé à un circuit de commande il de telle manière que ce circuit, lorsque l'interrupteur A est ac tionné, provoque la fermeture d'un autre interrupteur B qui a pour action que la tension d'alimentation V'BBS d'origine extérieure, est appliquée aux divers éléments de l'appareil de mesure de quantité de chaleur. La tension de sortie du condensateur C, U, est appliquée à un comparateur 12 qui, lorsque la tension de sortie du condensateur a atteint sa valeur de départ, par exemple la tension zéro, fournit à sa sortie un signal qui est appliqué à une entrée du circuit 11 et qui a pour action d'ouvrir l'interrupteur B, de sorte que la tension d'alimentation V'BB disparaît. Enfin, le dispositif comprend un diviseur de tension, auquel est appliquée la tension d'alimentation V'BB et qui se compose de deux~résistances ohmiques R2 et R3 entre lesquelles, sur la prise du diviseur de tension, est prélevée la tension de référence Ur. Le dispositif fonctionne de la manière suivante. A l'état de repos, c'est-à-dire lorsque l'appareil de mesure de volume n'a pas commandé l'exécution d'une mesure, les interrupteurs A et B sont ouverts et la tension d'alimentation V'BB est égale à zéro. Il en résulte entre autres, que le compteur 9 est en position zéro et que les deux interrupteurs D1 et D2 se trouvent dans leurs positions inférieures. Lorsque l'appareil de mesure de volume a établi que, depuis le dernier actionnement d'interrupteur, il a été traversé par un volume prédéterminé de fluide de chauffage, l'interrupteur A se ferme; de sorte que la tension'd'alimentation BB prend la valeur VBB. Il en résulte que I'oscillateur 10 commence à délivrer son signal de sortie, qui peut être constitué par une suite d'impulsions ou par une autre forme d'oscillations électriques, par exemple par un signal sinusordal, et qui est appliqué au compteur 9, lequel commence à compter les oscillations (impulsions) fournies par l'oscillateur 10. En même temps, les tensions Ut et U apparaissent aux entrées du commutateur D1 et le condensateur C se charge à une tension constante, qui est fonction de la tension Ut. Lorsque le compteur 9 a atteint la valeur prédéterminée, les commutateurs D1 et D2 sont amenés dans leurs positions supérieures, de sorte que le signal de sortie de l'oscillateur 10 est appliqué alors au compteur 8 et qu'en même temps le condensateur C se décharge à un courant constant qui est déterminé par la tension fixe Ur. Lorsque la tension de sortie Uc du condensateur C a atteint sa valeur de départ, le comparateur 12 délivre un signal de sortie qui a pour action que le circuit 11 ouvre l'interrupteur B, de sorte que la tension d'alimentation V'BB devient nulle. il en résulte que l'oscillateur 10 s'arrête et que le compteur 8 cesse de compter. Le compteur 8 est alors arrêté sur un nombre qui, ainsi qu'on le verra ci-après, est fonction dé la tension Ut et, par conséquent, de la différence de températures.Du fait que le nombre des comptages qui sont effectués par unité de temps par le compteur 8 e-st fonction du nombre d'actionnementsde l'interrupteur A par unité de temps et, par conséquent, de la quantité de fluide de chauffage qui a traversé l'appareil de mesure de volume, le conte nu total du compteur 8-constitue une expression de la quantité de chaleur cédée.-Le compteur 8 peut être accouplé à un compteur mécanique 13 qui, en utilisant un rapport de conversion approprié, peut indiquer, par exemple, la quantité de chaleur en- MWh cédée. Si on désigne par bt la différence de température qui est mesurée à l'aide de deux éléments thermosensibles RV et RR, on obtient pour la tension Ut Ut = K1.t.V' BB (1) D'une manière correspondante on a, pour la tension de référence Ur : Ur K2 BB (2) r 2 BB La tension maximale, qui est atteinte au cours de la charge à la sortie du condensateur C, est donnée par la relation Uc(max)=Ut K3.n (3) dans laquelle K3=1/C.R4.fosc, n est régal au nombre maximal jusqu'auquel peut compter le compteur 9 et fosc est la fréquence des oscillations fournies par l'oscillateur 10.Du fait que n et fosc sont constants, l'intervalle de temps dans lequel se charge le condensateur C et qui dure de l'instant t à l'instant t1 (figure 3) est constant ; au contraire, la -o tension maximale obtenue à la sortie du condensateur U est c 'fonction de la tension de charge Ut ett par conséquent, de la différence de température a t. Au cours de la période de décharge, la tension de sortie du condensateur C doit diminuer d'une valeur exactement égale, ce pourquoi on a Uc(max)=UrK3P (4) relation dans laquelle p désigne le nombre d'oscillations qui ont été appliquées au compteur 8. Du fait que la pente de la courbe qui, au cours de la période de décharge de t1 à t2, représente la tension de sortie du condensateur C en fonction du temps, est constante, parce-quela tension Ur est constante, et du fait que la tension U c-(max) varie avec la différence de températures, l'intervalle de temps de décharge de t1 à t2 varie en fonction de la différence de température et, par conséquent, aussi du nombre p. Du fait qùe Uc(max) doit présenter la même valeur à la charge et à la décharge, les relations (3) et (4) peuvent être égalées, de sorte qu'on obtient Ut.K3.n = Ur.K3.p (5) d'où on tire Comme on le voit, la tension d'alimentation est disparue de l'expression de p ; autrement dit,des variations de la tension d'alimentation n'ont aucune influence sur les résultats de mesure. On voit en outre que l'expression K3 qui contient la fréquence f de l'oscillateur est également disparue. osc Cette fréquence n'est pas critique non plus, à condition de demeurer constante uniquement pendant chaque processus de charge et chaque processus de décharge consécutif. Ces facteurs ont pour e-ffet que l'appareil de mesure de quantité de chaleur décrit ci-dessus convient particulièrement bien à une utilisation sur batterie, auquel cas la tension d'alimentation diminue souvent à la longue. A cet avantage s'ajoute encore la propriété que la majeure partie du dispositif, comme on le voit notamment sur la figure 2, n'est soumise à aucune tension pendant une très grande partie du temps, de sorte que sa consommation de courant est très faible. Une résistance R5, qui a été indiquée en trait interrompu sur la figure 2, peut être insérée dans le montage et permet, en concordance avec les principes exposés dans la demande de brevet français publiée après examen sous le numéro 2 304 066, de tenir compte de la masse spécifique et par conséquent de la densité ainsi que de la chaleur spécifique du fluide de chauffage, qui varient en fonction de la température. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de quantité de chialeur, destiné à mesurer la quantité de chaleur cédée par un écoulement de fluide à un dispositif consommateur de chaleur (1), dans lequel deux capteurs de chaleur [Rv RR) disposés dans l'écoulement de fluide respectivement en amont et en aval du dispositif consommateur de chaleur et incorporés à un montage électrique en pont, délivrent une tension de mesure fonction de la différence entre les températures de l'écoulement de fluide en amont et en aval du dispositif consommateur de chialeur, un appareilde mesure de volume (4), disposé dans l'écoulement de fluide, -produit une impulsion chaque fois qu'un volume prédéterminé de fluide s'est écoulé, des moyens délivrent une suite d'impulsions au moyen d'un oscillateur (10) à chaque apparition d'une impulsion de l'appareil de mesure de volume, laquelle suite d'impulsions présente un nombre d'impulsions fonction de la tension de mesure, et un premier compteur t83 additionne les nombres d'impulsions de toutes les suites d'impulsions, lequel appareil est caractérisé en ce que la tension de mesure de température [Ut] est appliquée à l'une des entrées d'un convertisseur analogique/numérique à double rampe, eÀ soi connu qu'à 1 autre entrée de ce convertisseur-est appliquée, comme tension de référence (U R' une tension proportionnelle à la tension d'alimentation du montage en pont, qu'au convertisseur sont appliquées- les impulsions de l'appareil de mesure de volume t4Z, de maniere qu'à chaque apparition d'une impulsion soit amorcé un cycle du convertisseur et qu'il est prévu un second compteur (9) qui, dans les intervalles de temps pendant lesquels la tension de mesure est appliquée au convertisseur, compte les impulsions de l'oscillateur et qui, lorsqu'il a compte un nombre prédéterminé d'impulsions, a pour action d'appliquer la tension de référence à l'entrée du convertisseur et d'appliquer les impulsions de l'oscillateur au premier compteur (8). 2. Appareil de mesure de quanti-té de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande (11) auquel sont appliquées les impulsions de l'appareil de mesure de volume [4 A) et qui est agencé de manière à appliquer une tension d'alimentation à l'oscillateur (103 et au second compteur (9). 3. Appareil de mesure de quantité de chaleur selon la revendication 2, dans lequel le convertisseur comprend un intégrateur (73 et un comparateur (123 disposé à la suite, lequel peut déterminer si la tension de sortie de l'intégrateur a atteint sa valeur de départ, caractérisé en ce que le signal de sortie du comparateur (1Z) est appliqué au circuit de commande (113 qui est agencé de manière à appliquer la tension d'alimentation de l'oscillateur E103 et du premier compteur t8] lorsque le comparateur-a déterminé que la tension de sortie de l'intégrateur a atteint sa valeur de départ. 4. Appareil de mesure de quantité de chaleur selon la revendication 3, dans lequel la tension de référence est produite à l'aide d'un diviseur de tension [R2, R33 alimenté par la même tension que le pont de mesure, caractérisé en ce que la tension d'alimentation du diviseur de tension et du pont de mesure ntest appliquée que durant les intervalles de temps dans lesquels la tension d'alimentation est appliquée à l'oscillateur et au secondcompteur. 5. Appareil de mesure de quantité de chaleur selon la revendication 4,caractérisé en ce qu'entre une prise du diviseur de tension [R2 > R3) et l'extrémité, raccordée à la diagonale du montage en pont, du capteur (RR) qui est situé en aval du dispositif consommateur de chaleur dans l'écoulement de fluide, est insérée une résistance (R53.