Brevet FR2483612A3 — publié le 19811204

FR 2483612 A3 19811204 FR 8110792 A 19810601 La présente invention concerne un débitmètre pour un liquide servant de milieu de chauffage qui parvient, par l'intermédiaire d'une canalisation d'aller, dans un appareil utilisateur de chaleur et revient, à partir de celui-ci, dans une canalisation de retour. On connaît déjà un compteur de quantité de chaleur (demande de brevet allemand publiée avant examen 25 28 385), dans lequel un régulateur à deux positions ouvre et ferme alternativement des dérivations respectives de la canalisation d'aller et de la canalisation de retour, tandis que les deux dérivations conduisent à travers un récipient de mélange commun. Une température moyenne entre les températures aller et retour est appliquée au régulateur comme valeur de consigne et est comparée avec la température de mélange régnant dans le récipient de mélange. Chaque fois qu'un écart de température positif ou négatif prédéterminé, par rapport à la valeur de consigne, est atteint, les dérivations sont inversées. Le nombre des inversions pendant un intervalle de temps donné sert de mesure de la quantité de chaleur cédée.Ce principe de mesure est basé sur l'hypothèse d'une variation linéaire de la température de mélange. Comme, toutefois, en réalité, la variation de la température de mélange est exponentielle, d'une part, il est nécessaire de choisir petite la différence de température de commutation du régulateur, afin de travailler dans une région sensiblement linéaire de la variation exponentielle de la température de mélange et, d'autre part, des mesures de correction s'imposent. La faible différence de température de commutation du régulateur se traduit par une fréquence élevée des inversions des dérivations, de sorte que la puissance calorifique qui passe directement de l'aller au retour en traversant le récipient de mélange est relativement grande. Pour maintenir dans des limites acceptables cette puissance calorifique évacuée dans le retour par l'intermédiaire du récipient de mélange et, par conséquent, soustraite à l'ap pareil utilisateur de chaleur, il est nécessaire d'assurer au moyen de diaphragmes que le courant de liquide est fractionné et que seul un courant partiel s'écoule à travers le récipient de mélange. Cela entraîne le risque que le fractionnement du courant de liquide par suite d'encrassements varie avec le temps, ce qui produirait des erreurs de mesure supplémentaires. Une détection séparée du débit est impossible dans ce compteur de quantité de chaleur. L'invention a pour objet de créer un débitmètre du type défini au début du présent préambule qui, au moyen d'un récipient de mélange détecte le courant de liquide total dans l'appareil utilisateur de chaleur et, par conséquent, ne nécessite aucun fractionnement de ce courant, débitmètre dans lequel la puissance calorifique ramenée de l'aller dans le retour par l'intermédiaire du récipient de mélange est néanmoins faible, ledit débitmètre tenant en outre compte d'une manière mathématiquement exacte de l'allure exponentielle de la variation de la température de mélange régnant dans le récipient de mélange. A cet effet, suivant l'invention, il est prévu un récipient de mélange, au moins une soupape et un organe de commande lié à une commande de réglage de la soupape; l'organe de commande amène alternativement la soupape dans des première et seconde positions; dans la première position, le liquide d'aller, ou une fraction du liquide d'aller plus grande que dans le cas de la seconde position, s'écoule à travers le récipient de mélange, et, dans la seconde position, le liquide de retour, ou une fraction du liquide de retour plus grande que dans le cas de la première position, s'écoule à travers le récipient de mélange; une sonde de température, au moyen de laquelle la température de mélange régnant dans le récipient de mélange et mesurée, est liée à un circuit de mesure pour déterminer la constante de temps de la variation de la température de mélange; enfin, un organe de calcul de l'inverse de la constante de temps est connecté au circuit de mesure. Lsinvention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des des- sins joints qui en représentent, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution Sur ces dessins La figure 1 est une représentation de principe dwun appareil de mesure de débit et de puissance calorifique; La figure 2 représente une courbe température- temps; les figures 3 et 4 représentent chacune un schéma symbolique d'un circuit de mesure; La figure 5 représente une variante de appareil de mesure de débit et de puissance calorifique de la fi gure 1, et La figure 6 représente une courbe. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une canas lisation d'aller pour un liquide servant de milieu de chauf- fage, qui est amené dans un appareil utilisateur de chaleur 2, puis est ramené à partir de celui-ci dans une cana- lisation de retour 3. Dans la canalisation d'aller 1 sont disposées deux soupapes d'inversion 4, 5 et dans la canalisation de retour 3, deux soupapes d'inversion 6, 7, qui communiquent toutes avec un récipient de mélange commun 8. Une sortie 9 d'un organe de commande 10 est reliée à des cornmandes de réglage respectives 11, 12 des soupapes d'inversion 4, 5 et une sortie 13, inversée par rapport à la sortie 9, est reliée à des commandes de réglage respectives 14, 15, des soupapes d'inversion 6, 7. Une sonde de température 16 détecte la tempéra ture aller29 dans la canalisation retourr dans la v canalisation de retour 3 et une sonde de température 18, la température de mélange 2Ym m dans le récipient de mélan- ge 8. Une entrée 19 d'un circuit de mesure 20 est connectée, par l'intermédiaire d'un inverseur 21 commandé par l'organe de commande 10, alternativement à la sonde de température 16 et à la sonde de température 17, et une entrée 22 du circuit de mesure 20 est connectée à la sonde de température 18. A l'entrée 19 du circuit de mesure 20 est appliquée la valeur mesurée instantanée de la température d'entrée tRe du récipient de mélange 8.Le circuit de mesure 20 est constitué par un filtre 23 raccordé à l'entrée 19, par un filtre 24 raccordé à l'entrée 22, et par un organe d'identification 25 connecté aux filtres 23, 24 et à la sortie 26 du circuit de mesure 20. Les filtres 23, 24 sont des filtres passe-bas du premier ordre identiques. Au circuit de mesure 20, qui détermine la constante de temps T de la variation de la température de mélan ge ttm est raccordé un organe de calcul 27, destiné à calculer l'inverse de la constante de temps T. Cet "inverse" représente une mesure du débit massique m. L'organe de calcul 27 est en outre relié aux sondes de température 16, 17, ce qui crée la possibilité de calculer dans l'organe de calcul 27 le quotient ( tt v ~ )/T, qui représente une mesure de la puissance calorifique Q. Le dispositif décrit fonctionne comme suit L'organe de commande 10 amène les soupapes dtin- version 4 à 7 alternativement dans des première et seconde positions. La première position est prise pendant l'intervalle de temps t = 0 à t0 désigné sur la figure 2 par T1 et la seconde position, pendant l'intervalle de temps t0 à tp désigné par T2. Dans la première position, le récipient de mélange 8 est directement branché entre la canalisation d'aller 1 et l'appareil utilisateur de chaleur 2, de sorte que la totalité du liquide d'aller s'écoule, par l'intermédiaire du récipient de mélange 8, dans l'appareil utilisateur de chaleur 2. Dans la seconde position, le récipient de mélange 8 est directement branché entre l'appareil utilisateur de chaleur 2 et la canalisation de retour 3, de sorte que la totalité du liquide de retour s'écoule à partir de l'appareil utilisateur de chaleur 2, par l'intermé diaire du récipient de mélange 8, dans la canalisation de retour 3.Comme on peut le voir d'après la figure 2, la température d'entrée te du récipient de mélange 8 oscille suivant une fonction échelon entre les valeurs et tSr La température de mélange gYm se rapproche au cours de l'intervalle de temps T1, suivant une fonction exponentielle, de la valeur # et, au cours de l'intervalle de temps T2, de la valeur r. Le circuit de mesure 20 détermine, comme décrit précédemment, la constante de temps T de la variation de la tempé ature de mélange #m, et l'organe de calcul 27 calcule l'inverse de la constante de temps T. Dans le cas où le liquide d'aller s'écoule à travers le récipient de mélange 8, on a m MC dt = mc -m v m où M et C représentent des coefficients du récipient de mélange 8, m le débit massique et c la chaleur spécifique du liquide. Dans le cas où le liquide de retour s'écoule à travers le récipient de mélange 8, on a d#m MC = m #r - mc #m (2) dt Les équations (1) et (2) correspondent à un filtre passebas du premier ordre comportant le signal d'entrée tRv ou le , le signal de sortie #m et la constante de temps T, pour laquelle on a T = MC (3) mc On en déduit le débit massique = MC 1 4 c T L'inverse de la constante de temps T est donc une mesure de dévit massique m. La puissance calorifique Q est Q = mc (#v - #r) = MC/T (#v - #r) (5) Le quotient (#v - #v) /T est donc une mesure de la puissance calorifique Q. En formant l'intégrale de temps de la puissance calorifique Q, on peut compter la quantité de chaleur. La puissance calorifique Q peut également être déterminée sans mesure de la température aller v et de la température retour r' car on a D'après (6), on a pour tp = 2 to Si t0 est beaucoup plus grand que T, alors on a I1 est maintenant facile de constater les avantages du dispositif de mesure décrit. Comme la constante de temps T de la variation de la température de mélange 2rm est déterminée, on tient compte de l'allure exponentielle de cette variation d'une manière mathématiquement exacte. La puissance calorifique Q peut être calculée d'une manière simple d'après l'équation (5) à partir de la constante de temps T, de la température aller et de la température retour #r dans l'organe de calcul 27. Selon les équations (6), (7) ou (8), on peut même déterminer la puissance calorifique Q d'après la constante de temps T et la température de mélangeDrm, sans qu'il soit nécessaire de mesurer la température allervKv et la température retour tFr de sorte qu'on peut se contenter d'une unique sonde de température, qui détecte uniquement la température de mélange #m. Toutefois, cela implique que la constante de temps T est également exclusivement déterminée à partir de la température de mélange ttmp c'est-à-dire sans mesure de la température d'entrée #o, ce qui d'ailleurs, comme indiqué plus loing est aisément possible. Le dispositif de mesure transporte une fraction Qt de la puissance calorifique Q, par l'intermédiaire du récipient de mélange 8, directement de l'aller dans le re- tour. On a alors = f. T = T Q T1 + T2 où f est la fréquence d'inversion des soupapes d'inversion 4 à 7. Par le choix d'une fréquence d'inversion 9 basse par rapport à la constante de temps T, on peut également rendre négligeable la puissance calorifique dissipée par l'intermédiaire du récipient de mélange 8. On va maintenant décrire de façon plus détaillée, en se référait à la figure 3, le mode de fonctionnement du circuit de mesure 20. D'après les fonctions de transfert du récipient de mélange 8 et des filtres 23, 24 la constante de temps T est = w (t) - v (t) (10) v (t) où W et V représentent les signaux de sortie des filtres 23, 24. La dérivée V = dV/dt est une grandeur interne des filtres et, par conséquent, est connue. L'organe dviden- tification 25 analyse périodiquement les signaux de sortie W et V. Pour chaque instant de mesure, on obtient une quation de la forme (10). Pour plusieurs instants de mesure, on obtient par conséquent un système d'équations indéterminé qui est résolu dans l'organe d'identification 25 par un calcul de compensation. Le circuit de mesure 28 représenté sur la figure 4 permet de déterminer la constante de temps T sans mesurer la température d'entrée #o du récipient de mélange 8. Ce circuit de mesure 28 est constitué par une mémoire 29, par un organe de mesure d'amplitude 30 et par un organe d'identification 31. L'entrée 32 de la mémoire 29 est raccordée à la sonde de température 18 non indiquée sur la figure 4, qui mesure la température de mélange tYm du récipient de mélange 8. Les valeurs mesurées de la température de mélange #m sont analysées périodiquement par un commutateur non représenté du circuit de mesure 28 et sont stockées dans la mémoire 29.L'organe de mesure d'amplitude 30 lié à la mémoire 29 détermine, d'après les-valeurs mesurées pour #m(t = 0) et #m(t = #), l'amplitude ##e du signal d'entrée #e du récipient de mélange 8. Les valeurs mesurées de la température de mélange trm et la valeur mesurée de l'amplitude # 2,-e parviennent à l'organe d'identification 31. Dans celui-ci, T est déterminé de telle manière que la fonction : 2 n i E m (i i\T) ~ Zeo ~ a tFe (1 - e J (11) soit minimale.Dans l'équation (11), #T désigne l'intervalle entre les analyses successives des valeurs mesurées de et et et la température de mélange à l'instant d'in- version des soupapes d'inversion 4 à 7. Le terme #m(i#T)- #o représente la variation rapportée à l'instant d'inversion de la température de mélange et le terme ##e(1-e-i#T/T) la réponse du récipient de mélange 8 jou jouant le rôle de filtre passe-bas à un échelon d'entrée de l'amplitude ##e. Une détermination de T telle que Z soit minimal s'effectue dans l'organe d'identification 31, par exemple par résolution de l'équation #Z/#T = 0. La détermination de la constante de T peut, bien entendu, s'effectuer également par des procédés autres que ceux qui sont décrits ici et, à cet égard, on se reportera à la littérature technique pertinente. Dans le dispositif de mesure de la figure 1, des soupapes séparées 4 à 7 sont nécessaires pour le raccordement inversible du récipient de mélange 8 à l'aller et au retour. La figure 5 montre qu'il est possible de raccorder un récipient de mélange par l'intermédiaire d'une soupape qui est de toute façon nécessaire dans l'installation de chauffage pour la commande ou la régulation de la puissance calorifique apportée à l'appareil utilisateur de chaleur 2. Sur la figure 5* les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques que sur cette dernière. Une première entrée d'une soupape 33, qui peut etre une soupape d'inversion ou un mitigeur réglable dans une gamme continue, est raccordée à la canalisation d'aller 1 et une seconde entrée de ladite soupape 33 est reliée, par l'intermédiaire d'une dérivation 34, à la canalisation de retour 3. Un récipient de mélange 35, qui présente une unique entrée et une unique sortie, est interposé entre la sortie de la soupape 33 et l'appareil utilisateur de chaleur 2. Une pompe de circulation 36 est branchée en série avec le récipient de mélange 35 et l'appareil utilisateur 2, entre la sortie de la soupape 33 et la caanalisation de retour 3 ou la dérivation 34.Une commande de réglage 37 de la soupape 33 est raccordée à la sortie 9 de l'organe de commande 10. La sonde de température 18 détecte la température de mélange du du récipient de mélange 35 et est reliée, ce qui n'est pas représenté sur la figure 5, à l'entrée 22 du circuit de mesure 20 (figure 1) ou à l'entrée 32 du circuit de mesure 28 (figure 4). Dans l'une des positions extrêmes de la soupape 33, le milieu de chauffage s'écoule à partir de la canalisation d'aller 1, par l'intermédiaire de la soupape 33 et du récipient 35, jusqu'à l'appareil utilisateur 2 et, à partir de celui-ci, par l'intermédiaire de la pompe de circulation 36, jusqu'à la canalisation de retour 3, tan dis que la dérivation 34 est fermée. Dans l'autre position extrême de la soupape 33, la dérivation 34 est ouverte et la canalisation d'aller 1 est fermée, de sorte que le liquide de retour provenant de l'appareil utilisateur 2 est réinjecté dans celui-ci par l'intermédiaire de la dérivation 34 et du récipient de mélange 35. Dans le cas où la soupape 33 est un mitigeur, alors une fraction du liquide de retour, fraction qui dépend de la position de la soupape, est mélangée au liquide d'aller. Si la soupape 33 est une soupape d'inversion, alors pour assurer la commande ou la régulation de la puissance calorifique Q, on fait varier le facteur d'utilisation du signal de sortie, dans ce cas rectangulaire, de l'organe de commande 10 et, par conséquent, sur la figure 2, le rapport T1 : T2. La puissance calorifique Q est calculée dans l'organe de calcul 27 (figure 1) d'après l'équation (6). il faut donc voir un avantage particulier de l'invention dans le fait que le rapport T1 : T2 peut être modifié de telle manière que la puissance calorifique Q puisse être commandée ou réglée avec la même soupape que celle qui sert à la mesure du débit. Si la soupape 33 est un mitigeur, alors le signal de sortie de l'organe de commande 10 se compose d'une composante de courant continu et d'une composante rectangulaire. Pour assurer la commande ou la régulation de la puissance calorifique Q , on fait varier la composante de courant continu tandis que la composante rectangulaire superposée à celle-ci sert à la mesure du débit. La valeur moyenne de la course d( de la soupape, valeur qui est désignée par g O sur la figure 6, correspond à la composante de cou- rant continu.La composante rectangulaire commande la soupape 33 en l'amenant alternativement dans une première po sition correspondant à la courseo Dans la première position, une fraction du liquide d'aller plus grande que dans le cas de la seconde position s'écoule à travers le récipient de mélange 35 et, dans la seconde position, une fraction du liquide de retour plus grande que dans le cas de la premiere position, s'écoule à travers le récipient de mélange 35, de sorte qu'on peut, ici enco- re déterminer la constante de temps T.Pour la température d'entrée #o e du récipient 35, on a #e = &alpha;#v + (1 - &alpha;) #r (12) La puissance calorifique Q peut être déterminée dans l'organe de calcul 27 selon la relation Q = MC/T (#r - #r) &alpha;o (13) ou selon la relation valable dans le cas d'une caractéristique linéaire de la soupape 33 et pour tp = 2 to. Si la caractéristique de la soupape 33 n'est pas linéaire, alors il peut être nécessaire re de compenser son influence sur le résultat de la mesure de la puissance calorifique. Avantageusement, on peut utiliser comme récipient de mélange 35 un simple tronçon de tube. Pour le récipient de mélange 8 (figure 1), on peut également utiliser un échangeur de chaleur. Le circuit de mesure 20 ou 28 et l'organe de calcul 27 sont avantageusement réalisés au moyen d'un micro- calculateur. REVENDICATIONS 1) Débitmètre pour un liquide servant de milieu de chauffage qui parvient, par l'intermédiaire d'une canalisation d'aller, dans un appareil utilisateur de chaleur et revient, à partir de celui-ci, dans une canalisation de retour, ledit débitmètre étant caractérisé en ce qu'il est prévu un récipient de mélange (8; 35), au moins une soupape (4 à 7; 33) et un organe de commande (10) lié à une commande de réglage (11; 12; 14; 15; 37) de la soupape (4 à 7; 33) alternativement dans des première et seconde positions, tandis que, dans la première position, le liquide d'aller, ou une fraction du liquide d'aller plus grande que dans le cas de la seconde position, s'écoule à travers le récipient de mélange (8; 35) et tandis que, dans la seconde position, le liquide de retour, ou une fraction du liquide de retour plus grande que dans le cas de la première position, s'écoule à travers le récipient de mélange (8; 35), en ce qu'une sonde de température (18), au moyen de laquelle la température de mélange (thym) régnant dans le récipient de mélange (8; 35) est mesurée, est reliée à un circuit de mesure (20; 28) destiné à déterminer la constante de temps (T) de la variation de la température de mélange (tam) et en ce qu'au circuit de mesure (20; 28) est raccordé un organe de calcul (27), destiné à calculer l'inverse de la constante de temps (T). 2) Débitmètre suivant la revendication 1, destiné à être utilisé dans un appareil de mesure de la puissance calorifique ou dans un compteur de quantité de chaleur, ledit débitmètre étant caractérisé en ce que l'organe de calcul (27) est agencé de manière à pouvoir calculer le quo tient de la différence v - VVr) ) entre la température aller (pkv) et la température retour (?tir) et de la constante de temps (T). 3) Débitmètre suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de calcul (27) est agencé de manière à-pouvoir calculer la différence (VFV - ttr) entre la tem pérature aller (fur) et la température retour (VEr) d'après l'allure temporelle de la température de mélange 4) Débitmètre suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la soupape (33) est agencée de manière à pouvoir assurer la commande ou la régulation de la puissance calorifique apportée à l'appareil utilisateur de chaleur (2). 5) Débitmètre suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la soupape (33) est une soupape d'inversion et en ce que le facteur d'utilisation (T1 : T2) du signal de sortie de l'organe de commande (10) peut varier pour assurer la commande ou la régulation de la puissance calorifique. 6) Débitmètre suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la soupape (33) est un mitigeur réglable dans une gamme continue, en ce qu'une composante de courant con- tinu du signal de sortie de l'organe de commande (10) peut varier pour assurer la commande ou la régulation de la puissance calorifique et en ce qu'une composante rectangulaire est superposée à la composante de courant continu. 7) Débitmètre suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en.ce que le récipient de mélange (35) présente une unique entrée et une unique sortie et est branché entre la sortie de la soupape (33) et l'appareil utilisateur de chaleur (2). 8) Débitmètre suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le récipient de mélange (35) est un tronçon de tube.