Brevet FR2489958A1 — publié le 19820312

t489958 Sonde de température à convertisseur thermo-électrique, et son utilisation. La présente invention concerne une sonde de température à convertisseur thermo-électrique pour détecter la tempéra- ture d'un milieu ambiant. L'invention concerne également son utilisation. Les sondes de température telles qu'elles sont utilisées par exemple dans des thermostats d'ambiance électroniques utilisés pour détecter la température ambiante et commander une installation de chauffage ou de climatisation sont constituées en règle générale par des convertisseurs thermo- électriques ayant une capacité thermique la plus faible possible, tels que des conducteurs à froid, de manière à pouvoir répondre à des modifications de la température ambiante avec une grande précision et aussi rapidement que possible. Les convertisseurs thermo-électriques de ce type sont disposés à l'intérieur de bottiers fermés ou pourvus d'ouvertures d'aération diverses et dans la mesure du possi- ble sans contact avec des parties du bottier ou des éléments quelconques montés dans le bottier de manière à n'être influencés dans toute la mesure du possible que par la température de l'air ambiant. Ces thermostats d'ambiance ont de nombreuses applica- tions et ils sont très efficaces. Mais il s'avère que le convertisseur thermo-électrique présentant la faible capaci- té thermique désirée peut être également influencé par la chaleur dégagée par les éléments montés dans le bottier même. En ce qui concerne ces éléments, il peut s'agir, dans un thermostat d'ambiance, de l'électronique de commande, d'un transformateur de réseau associé ou encore de l'entrat- nement de la minuterie incorporée destinée à la commande du thermostat d'ambiance en fonction de l'heure. Comme les chauffages dits à température basse sont de plus en plus utilisés pour le chauffage en particulier de logements, et comme la chaleur fournie doit être adaptée, par minimisation de la température aller, aux conditions effectives, il est souhaitable que la sonde de température à thermostat d'ambiance ne soit pas influencée par des modifi- cations de courte durée de la température ambiante, comme c'est le cas quand l'air se met en mouvement du fait de l'ouverture d'une porte, car le thermostat d'ambiance modi- fie alors l'appel de chaleur de l'installation de chauffage. D'un autre côté, la commande thermostatique d'un chauf- fage doit cependant fonctionner de façon suffisamment pré- cise pour pouvoir déterminer, au moyen de la sonde de tempé- rature, une influence persistante et éventuellement très faibles provenant de sources de chaleur secondaires sur la température ambiante. Les sources de chaleur secondaires de ce type peuvent être constituées par exemple par les person- nes séjournant dans le local, des appareils électriques dégageant de la chaleur ou des radiations solaires passant par des fenêtres. Ceci signifie. que l'hystérésis entre le point de commutation de marche et d'arrêt du thermostat d'ambiance doit être aussi faible que possible. Avantageuse- ment, la différence entre les points de commutation est inférieure à 0,50, et mieux encore inférieure à 0,10C, de manière à obtenir une régulation de la température ambiante aussi précise que possible. Un autre problème que l'on rencontre dans les thermos- tats d'ambiance du type mentionné consiste dans le fait que les sondes de température sont disposées très près du mur du local car les bottiers des thermostats ont une forme aussi plate que possible pour des raisons d'esthétique. Mais comme cela est également connu, il se forme contre les murs d'un local - du point de vue thermique - une couche dite limite constituée par un courant d'air laminaire de température différente car la température du côté du mur qui est tourné vers l'intérieur du local, en particulier pendant les pério- des chaudes, est en général inférieure à la température de l'air du local. Dans cette couche limite, la température de l'air du local passe donc à la température de la surface du mur. Le courant d'air se forme du fait que l'air qui se refroidit au contact des murs tombe vers le sol alors que l'air échauffé monte au-dessus des sources de chaleur. L'épaisseur de cette couche limite est fonction aussi bien de la différence de la température de l'air des deux côtés du mur que de la vitesse de l'air qui circule le long du mur. De façon générale, on peut dire que l'épaisseur de la couche limite augmente à mesure qu'augmente la différence de température entre les deux c8tés du mur et que diminue la vitesse du courant. Naturellement, ce qui vient d'être dit est également valable de façon équivalente dans le cas de l'utilisation d'une installation de climatisation refroidissant un local. Connaissant ces circonstances, l'invention a pour objet une sonde de température du type indiqué dans le préambule et au moyen de laquelle on puisse mesurer des modifications à long terme de la température avec une précision suffisam- ment grande et sans tenir compte des modifications de courte durée de cette température. Cette sonde de température convient en particulier à des thermostats d'ambiance dans lesquels elle doit être montée, la température effective de l'air du local devant être mesurée par la sonde de tempéra- ture. La dépense entraînée par la sonde de température doit alors être aussi réduite que possible et il convient que l'on puisse facilement adapter cette sonde aux circonstances de l'environnement. Selon l'invention, ce problème est résolu essentielle- ment par le fait que la sonde de température du type mention- né ci-dessus est constituée de manière que le convertisseur thermoélectrique soit en contact thermique avec un corps de sonde et qu'au moins une partie de la surface du corps de sonde qui est thermiquement activé soit en contact thermique avec le milieu dont on doit mesurer la température. Cette sonde de température à couplage thermique du convertisseur thermo-électrique, tel qu'un conducteur à froid, avec le corps de sonde, permet de parvenir à ce résultat qu'en raison de l'inertie thermique du corps de sonde, des varia- tions à court terme de la température ne sont pas perçues mais qu'un signal de sortie de la sonde de température suit les modifications de la température avec une constante de temps importante permettant de détecter, par un circuit électronique raccordé à la sonde de température, les modifi- cations de température avec la précision nécessaire à chaque cas d'utilisation. On a ainsi la possibilité intéressante de pouvoir adapter la sonde de température au profil température-durée à mesu- rer. Pour ce faire, la partie restante de la surface du corps de sonde et le convertisseur thermoélectrique, pour la partie o ce dernier n'est pas en contact thermique avec le corps de sonde, sont isolés thermiquement par rapport au milieu ambiant. Par ailleurs et pour augmenter une partie de sa surface qui est thermiquement active, le corps de sonde est pourvu de déformations. Avantageusement, le corps de sonde comprend dans sa surface un enfoncement dans lequel on peut disposer le convertisseur thermoélectrique. On peut ainsi disposer de façon avantageuse d'une surface lisse qui facilite le monta- ge de la sonde de température ou la mise en place d'une isolation. Quand la sonde de température selon l'invention est montée dans un bottier fixé par l'une de ses parois sur le mur du local qui contient le milieu dont on doit mesurer la température, tel qu'un thermostat de commande d'une instal- lation de chauffage, il est particulièrement avantageux que le corps de sonde soit disposé sur une paroi du bottier qui est tournée vers le local, la température à l'intérieur du local étant celle qui doit être mesurée et non celle régnant au niveau des murs de ce local. Il est donc avantageux que la partie restante de la surface du corps de sonde soit celle qui est tournée vers l'intérieur du boîtier. Cette partie du corps de sonde qui est tournée vers le bottier est alors isolée thermiquement par rapport au milieu ambiant, et dans ce cas à l'intérieur du boîtier. Dans le cas le plus simple, l'isolation est constituée par de l'air, une mince couche fermée d'air étant prévue entre la paroi du boîtier et le corps de sonde. Mais on peut également utiliser des couches d'un matériau isolant. En prenant une mesure de ce type, la sonde de température est isolée thermiquement par rapport à l'intérieur du bottier et en particulier par rapport aux sources et aux déperditions de chaleur qui s'y manifestent. Par contre, la partie de la surface thermiquement active de la sonde de température selon l'invention est en contact thermique exclusivement avec le milieu ambiant dont on doit mesurer la température, par exemple l'air du local. L'invention prévoit que le bottier est conçu pour constituer un élément d'écarte- ment par rapport au mur pour la partie thermiquement active de la surface du corps de sonde et dans le même temps une barrière de courant s'opposant aux courants laminaires du milieu le long du mur. On évite ainsi dans une grande mesure des influences perturbatrices provoquées par la couche limite. On peut déterminer un rapport (V: F0) entre le volume V et la surface thermiquement active F0 du corps de sonde en fonction d'une constante de temps 7TF thermique TF miu désirée de la sonde de température, selon la relation: V: Fo Tr * TF c o les constantes de matériaux sont cw représentant la chaleur spécifique du corps de sonde de température et o( le coefficient de transmission thermique de partie de la surface thermiquement active. En donnant donc à la surface thermique- ment active une conformation appropriée, on peut parvenir à un rapport entre le volume et la surface thermiquement active du corps de sonde qui est adapté au profil température- durée. La sonde de température de l'invention convient en particulier pour constituer un détecteur de valeur réelle plus inerte mais plus précis pour la mesure ou la régulation de la température de milieux quelconques. Ceci vaut en particulier quand la constante de temps (t TF) de la sonde de température est plus importante ou approximativement égale à la constante de temps thermique ( de courte durée qui s'y superposent. Selon l'invention, les déformations de la sonde sont constituées sous forme de nervures en saillie sur une plaque de base, le convertisseur étant inséré dans cette plaque de base. D'autres développements et avantages de l'invention, ainsi que des cas d'utilisation, apparaîtront à la lecture de la description qui suit, avec référence aux dessins annexés qui représentent un exemple de réalisation préféré de la sonde de température de l'invention ainsi que son utilisation dans un thermostat d'ambiance, dessins dans lesquels: la figure 1 est une coupe de la sonde de température selon une forme de réalisation préférée, la figure 2 est une vue d'un thermostat d'ambiance comprenant la sonde de température de la figure 1. La figure 1 est une vue en coupe d'une sonde de tempéra- ture 1 constituée par un convertisseur thermo-électrique 2 auquel sont fixés des fils de raccordement 3 et un corps de sonde 4. Le convertisseur thermo-électrique 2 et le corps de sonde 4 sont en contact thermique par une surface 5, par exemple par l'intermédiaire d'un collage bon conducteur de la chaleur, ou pressés l'un contre l'autre par vissage. Le corps de sonde 4 est en contact thermique par au moins une partie de sa surface F avec le milieu 6 dont on doit mesurer la température. Cette partie de la surface F qui constitue la partie thermiquement active est désignée en F0; une surface d'appui FR, et le convertisseur thermoélectrique 2, pour la partie o il n'est pas en contact thermique avec le corps 4 de la sonde, sont recouverts par une couche isolante 7 représentée à la figure 1 et cette surface n'est donc pas en contact thermique avec le milieu 6. La couche isolante 7 peut être constituée par un matériau thermiquement isolant et connu ou encore, dans le cas le plus simple, par une mince couche d'air enfermée. Le mode de fonctionnement de cette sonde de température 1 constituée par le convertisseur thermo-électrique 2 et le corps de sonde 4 est basé sur le fait que le corps de sonde 4 a un volume V et une chaleur spécifique cw. Cette chaleur spécifique cw est une constante propre au matériau donnée en Joule/(cm3.K) (o K = degré Kelvin). Le produit de cette chaleur spécifique cw et du volume V donne la capacité thermique du corps de sonde 4. Pour chauffer le corps 4, ou pour le refroidir, il faut donc lui amener ou lui retirer une quantité déterminée de chaleur. En outre, le corps de sonde 4 comprend une surface F dont une partie F0 est thermiquement active. La partie F0 thermiquement active de cette surface est constituée par la partie de la surface F qui est contact thermique avec le milieu environnant 6, ce qui signifie que le corps de sonde 4 peut céder de la chaleur au milieu 6 ou lui en retirer par l'intermédiaire de cette partie F0 de sa surface. Un coeffi- cient dit de transmission thermique ci donnée en Joule/ (cm2.K.s) (o s = secondes) permet de déterminer quelle quantité de chaleur qui peut être échangée entre le corps de sonde 4 et le milieu 6 pour une différence de température déterminée et pendant une durée déterminée. Le produit de la partie F0 thermiquement active de la surface par le coeffi- cient de transmission thermique X donne la conductibilité thermique entre le corps de sonde 4 et le milieu 6. A partir des deux grandeurs constituées par la conduc- tibilité thermique et la capacité thermique, on peut calcu- ler d'une façon connue la constante de temps thermique -TF de la sonde de température comme suit: c (TF F (a) Dans cette formule, la constante de temps thermique7- TF représente la durée nécessaire au corps de sonde 4 pour se rapprocher de la température du milieu 6 d'une fraction 1/e de la différence de température d'origine entre le milieu 6 et la sonde de température 1 (e étant le nombre d'Euler); on suppose dans ce cas que la capacité thermique du milieu 6 dont on doit mesurer la température est normalement beaucoup plus importante que la capacité thermique de la sonde de température 1. Mais ce calcul ne tient pas compte des propriétés thermi- ques du convertisseur thermo-électrique 2. Normalement, on peut négliger les influences qui en découlent et qui s'oppo- sent aux propriétés thermiques du corps de sonde 4. Si la température du milieu 6 se modifie, la température du corps de sonde 4 suit, et également celle du convertisseur thermoélectrique 2, avec un certain retard qui est détermi- né par la constante de temps thermique tTF de la sonde de température 1. Ceci présente l'avantage que les modifications de température du milieu 6 ne sont pas prises en compte quand elles ne durent que pendant un temps qui est faible par rapport à la constante de temps thermique TTF* Par contre, des modifications de température à long terme ayant une constante de temps qui est plus importante ou approxima- tivement égale à la constante de temps thermique OF sont prises en compte avec une précision très grande qui est déterminée par le convertisseur thermo-électrique 2 par un circuit électronique qui lui est raccordé. Pour le cas o la sonde de température 1 selon l'inven- tion est utilisée dans un thermostat d'ambiance, il est avantageusement possible d'adapter la constante de temps thermique 'TF à la constante du local R, le rapport (V F0) entre le volume de la partie F thermiquement active de la surface étant choisi en fonction de constantes données propres aux matériaux (cv, i). On obtient ce rapport en inversant l'équation (a): V=FT (b) V o 7TF * cW b La constante de local tR mentionnée précédemment est égale- ment une constante de temps qui est déterminée, pour un local chauffé, par la durée déterminée qui s'écoule entre le moment o la chaleur est envoyée par l'installation de chauffage sur l'appel d'un thermostat, et le moment o le local est chauffé à la température de consigne. Si le milieu 6 qui baigne le thermostat, dans ce cas l'air du local, est refroidi localement pendant une courte durée, par exemple du fait du mouvement de l'air quand on ouvre une porte, il n'en découle pas un appel immédiat de chaleur par le thermostat du fait que la constante de temps - TF adaptée à la constante du local rR est beaucoup plus importante. Par exemple, quand il s'agit de locaux chauffés par le sol, la constante de temps est de plusieurs heures. Ceci est avantageux car la réduction qui en découle des mouvements de commutation d'une commande de chauffage entraîne une économie d'énergie. A la figure 1 est représenté un exemple de réalisation préféré de la sonde de température 1 selon l'invention, comprenant une partie Fo thermiquement active de sa surface agrandie par des déformations 8, se présentant dans ce cas sous forme de nervures 10a en saillie sur une plaque de base plane 9. Le convertisseur thermoélectrique 2 peut être disposé dans un enfoncement permettant d'obtenir une surface de montage plane sur le corps de sonde 4. A la figure 2 est représenté un bottier 10 pouvant être fixé par une paroi arrière contre le mur d'un local conte- nant le milieu 6. La sonde de température 1 est montée sur une paroi 12 du bottier 10 qui est tournée vers le local. Quand il s'agit du bottier 10 d'un thermostat d'ambiance, on peut monter dans la même paroi 12 les moyens de commutation et d'affichage 13. Dans l'exemple de réalisation représenté, les moyens de commutation et d'affichage 13 sont constitués par un affichage numérique 13a comprenant des signes spéciaux tels que des OC, concernant l'heure et la température de l'air du local, ou prévus pour l'affichage de commutations en fonction de l'heure ou de la température; on peut alors commander l'affichage par l'intermédiaire d'un panneau de commande 13b. La sonde de température 1 qui est fixée sur la paroi 12 du boîtier 10 qui est tournée vers le local est constituée par le corps de sonde 4, le convertisseur thermo-électrique 2 qui n'est pas visible sur le dessin (voir figure 1). Le corps de sonde 4 est constitué, comme le montre la figure 1, t48i99S par une plaque de base 9 comprenant des déformations 8 pouvant se présenter sous forme de nervures 8a disposées perpendiculairement et en direction verticale. Pour s'adap- ter à d'autres conditions, on peut également avoir recours à d'autres formes du corps de sonde 4 et des déformations 8, celles-ci pouvant en particulier se présenter sous forme de nervures 8a disposées horizontalement. Le corps de sonde 4 et le convertisseur thermo-électrique 2 sont isolés thermiquement par rapport à l'intérieur du boîtier et le corps de sonde 4 est monté, dans le cas le plus simple, de manière qu'une mince couche d'air enfermée subsiste entre lui-même et la paroi 12 du bottier 10. Dans le mode de réalisation préféré représenté à la figure 2 d'un thermostat d'ambiance comprenant une sonde de température 1, il est prévu dans le bottier 10 un enfonce- ment 14 constitué par un retour en arrière correspondant de la paroi 12 tournée vers le local et dont les dimensions sont choisies de manière que le corps de sonde 4 puisse être inséré complètement sans faire saillie audelà du pourtour du boîtier 10. L'enfoncement 14 peut alors être constitué de manière que des découpes se présentant sous la forme de l'enfoncement 14 soient prévues dans la paroi inférieure ou supérieure 15 du bottier 10 pour permettre au courant d'air du local de passer sans obstacle entre les nervures 8a disposées perpendiculairement et en dehors de la couche limite située contre le mur. Dans ce cas, on doit prévoir un espace 16 entre le mur du local et la partie F thermiquement active de la surface o du corps de sonde 4, correspondant au moins à l'épaisseur de cette couche thermique limite contre le mur. On peut ainsi mesurer avantageusement la température réelle de l'air du local sans que la mesure soit influencée par la couche limite constituée par l'air plus frais qui s'écoule de façon laminaire contre la paroi. Ceci vaut de façon équivalente quand le local est non chauffé mais refroidi. Dans le cas o la couche limite mentionnée a une épais- seur plus importante, l'enfoncement 14 peut être recouvert vers le haut et/ou vers le bas de manière que le corps de sonde 4 soit disposé à l'arrière d'une barrière à courant il qui la protège de la couche limite, les zones supérieure et inférieure des surfaces du corps de sonde 4 étant intégrées dans la surface d'appui isolée FR. Une autre solution techniquement équivalente à l'encas- trement de la sonde de températrure 1 de l'invention dans un boîtier 10 consiste dans la formation d'une ouverture dans la paroi 12 du bottier qui est tournée vers le local, et dans laquelle on peut insérer le corps de sonde 4 et le convertisseur thermoélectrique 2 fixé sur lui. Dans ce mode de réalisation, et pour éviter des influences thermiques sur la sonde de température 1, on applique sur la partie F R de la surface F qui est tournée vers l'intérieur du bottier , ou sur le convertisseur thermoélectrique 2, pour la partie o il n'est pas en contact thermique avec le corps de sonde 4, une couche thermiquement isolante, du fait que dans ce cas il n'existe plus la couche d'air isolante, du mode de réalisation mentionné précédemment. Selon une forme de réalisation préférée du thermostat d'ambiance comprenant la sonde de température 1, il est possible d'échanger la sonde de température 1 ou le corps de sonde 4 de manière a adapter de façon avantageuse le ther- mostat d'ambiance aux constantes locales t données en TR utilisant un corps de sonde 4 de dimensions appropriées. Dans ce mode de réalisation, lorsqu'on échange la sonde de température 1 complète, les fils de raccordement 3 du conver- tisseur thermo-électrique sont réalisés sous forme de con- tacts par enfichage ou par pression, ou bien on prévoit que lorsqu'on échange seulement le corps de sonde 4 le conver- tisseur thermo-électrique soit pressé contre le corps de sonde 4 par exemple par des ressorts de manière à établir un contact thermique suffisant. REVENDICATIONS 1. Sonde de température à convertisseur thermo-électrique, destinée à détecter la température d'un milieu ambiant, caractérisée en ce que le convertisseur thermo-électrique (2) est en contact thermique avec un corps de sonde (4) et en ce qu'un partie de la surface (F) du corps de sonde (4), constituée par la partie (F0) thermiquement active de la surface, est en contact thermique avec le milieu (6) dont on doit mesurer la température. 2. Sonde de température selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la partie restante (FR) de la surface (F) du corps de sonde (4) ainsi que le convertisseur thermo- électrique (2), pour la partie o il n'est pas en contact thermique avec le corps de sonde (4), sont isolés thermique- ment par rapport au milieu environnant (6). 3. Sonde de température selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le corps de sonde (4) comprend des déformations (8) pour augmenter la partie (F0) de sa surface qui est thermiquement active. 4. Sonde de température selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le corps de sonde (4) comprend dans sa surface (F) un enfoncement dans lequel est inséré le convertisseur thermo-électrique (2). 5. Sonde de température selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est incorporée dans un boîtier (10) qui est fixé par l'une de ses parois (11) au mur du local qui contient le milieu (6), le corps de sonde (4) étant disposé sur une paroi (12) du boltier (10) qui est tournée vers le local. 6. Sonde de température selon la revendication 5, carac- térisée en ce que la partie restante (FR) de la surface (F) du corps de sonde (4) est celle qui est tournée vers l'in- térieur du boîtier (10). 7. Sonde de température selon les revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que le boîtier (10) est constitué sous forme d'un dispositif d'écartement par rapport au mur pour la partie (F0) de la surface (F) du corps de sonde (4) qui est thermiquement active et également comme barrière de courant s'opposant aux courants laminaires du milieu (6) le long du mur. 8. Sonde de température selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce,_qu'un rapport (V: F0) entre le volume (V) et la surface (Fa) thermiquement active du corps de sonde (4) peut être prédéterminé en fonction d'une constante de temps (Rt'F) thermique désirée de la sonde de température (1), selon la formule: V: F TF*C O TF,c o les constantes des matériaux sont représentées par la chaleur spécifique (cw) du corps de sonde (4) et par le coefficient de transmission thermique ( ') de la partie (F) de la surface qui est thermiquement active. 9. Sonde de température selon la revendication 8, carac- térisée en ce qu'on choisit la constante de temps (ZF) de la sonde de température (1) de manière qu'elle soit plus importante ou approximativement égale à la constante de temps thermique (%R) qui est donnée par un système de chauf- fage dans le local dans lequel on mesure la température du milieu (6) et en ce que la sonde de température (1) consti- tue le détecteur de valeur réelle pour la commande du sys- tème de chauffage. 10. Sonde de température selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisée en ce que des déformations (8) sont constituées sous forme de nervures (8a) sur une plaque de base (9), le convertisseur (2) étant inséré dans la plaque de base (9). 11. Utilisation d'une sonde de température selon la revendication 9 dans un milieu (6) pouvant être chauffé ou refroidi, dont le profil de la température en fonction du temps comprend des modifications de la température à constan- tes de temps faibles qui sont superposées à une modification de la température à constante de temps plus importante, la constante de temps thermique (2TF) de la sonde de tempéra- ture (1) étant orientée vers la constante de temps importante.