Brevet FR2512179A1 — publié le 19830304

L'invention se rapporte aux chaudières à gaz du type étanche à tirage forcé et concerne plus précisément un nouveau mode de régulation par microprocesseur. Dans les appareils à gaz du type étanche à tirage forcé on sait que la circulation de l'air nécessaire à la combustion ainsi que simultanément l'évacuation des gaz brûlés sont assurés par un ventilateur puisque le brûleur et le corps de chauffe se trouvent placés dans une enceinte étanche à l'atmosphère du local reliée à l'extérieur par des conduits d'admission et d'évacuation et que cette circulation de flux gazeux ne peut donc s'effectuer naturellement comme dans les chaudières classiques Ce ventila- teur fournit donc un débit d'air qui, lorsque la chaudière est équipée avec une régulation prévoyant une modulation du débit du brûleur proportionnelle aux besoins, doit être asservi au débit de gaz admis à l'appareil c'est-à-dire que ce débit doit s'adap- ter à la puissance demandée et suivre ainsi les variations de débit de gaz du brûleur Si on utilise un ventilateur à vitesse de rotation constante, on sait qu'il existe des systèmes de by-pass situés au niveau de la hotte, grâce auxquels une partie de l'air aspiré est directement détourné vers l'évacuation des produits de combustion, la quantité d'air admis au brûleur étant alors celle juste nécessaire pour la combustion correcte à la puissance deman- dée On préfère à ces moyens mécaniques, moduler la vitesse du ventilateur à partir d'une mesure prise à chaque instant du débit d'air réel admis au brûleur, dés moyens électroniques assurant cet asservissement Une régulation doit donc en premier lieu centraliser à chaque instant les informations précises sur le débit d'air réel et sur la vitesse du ventilateur puisqu'on sait qu'il n'y a pas forcément correspondance exacte entre ces deux paramètres, par exemple en cas d'encrassement ou de bouchage des conduits. Un système de régulation doit aussi assurer une fonction de sécuri- té à la fois au moment de l'allumage mais aussi en cours de fonction- nement en surveillant la température en divers endroits de l'appareil pour rectifier les excès ou insuffisances de température -2- ou mettre l'appareil en sécurité si nécessaire A cet effet, la régulation doit recueillir et analyser à chaque instant en fonction des valeurs de consignes déterminées, des signaux caractéristiques d'écarts par rapport à ces valeurs, fournis par des capteurs. Ces fonctions -ainsi que celles assurant la commande du clapet inverseur pour la mise en oeuvre du circuit chauffage ou du circuit puisage sont assuréespar des systèmes de régulation utilisant des circuits analogiques qui transforment les sionaux reçus de ces différents capteurs en variations de tension ou d'intensité lesquelles sont comparées aux valeurs de consigne dans un comparateur, puis amplifiées à l'aide d'un amplificateur dont la sortie aboutit à l'organe moteur par exemple l'électro- vanne d'admission du gaz au brûleur. Ces modes de réalisation connus présentent toutefois un certain nombre d'inconvénients Tout d'abord ils utilisent un assez grand nombre de composants et nécessitent un montage particulier En outre on sait que les valeurs de consignes sont données par les diffé- rents composants utilisés, résistances, capacités, etc; et si on veut modifier ces valeurs, il faudrait modifier ces composants. Ceci veut dire qu'une régulation analogique, une fois conçue pour un appareil avec des valeurs déterminées, ne peut s 'adapter facilement à d'autres paramètres sans la modification des composants c'est-à-dire sans reprendre l'élaboration des circuits C'est un inconvénient sérieux en fabrication car il est souvent nécessaire d'adapter dans le temps les appareils aux exigences et aux habitudes des usagers tout en tenant compte d'autres critères évolutifs -comme les économies d'énergies-, les nouvelles mesures de sécurité, etc En outre, il serait difficile pour ce genre de régulation de prendre en compte certaines caractéristiques limites d'une installation de chauffage telle que fermeture éventuelle de tous les robinets thermostatiques équipant les radiateurs et en éviter leurs incon- vénients par l'introduction automatique de temporisation sur cer- taines séquences du cycle de régulation. L'invention propose un système de régulation à microprocesseur qui évite ces inconvénients et assure l'ensemble des fonctions de régu- 12179 -3- lation et de sécurité, tout en permettant la vérification à chaque instant de la carte de régulation de l'appareil par simulation des commandes. Cette régulation à microprocesseur permet à l'inverse des systèmes connus, une adaptabilité des systèmes par un simple changement de mémoire sans toucher aux composants, elle fournit en outre une régu- lation à action proportionnelle intégrale et dérivée beaucoup plus fine et présente aussi des avantages sur le plan dimensionnel. D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation et de fonctionnement dans lequel on se réfère à la re- présentation schématique jointe qui illustre cette régulation par microprocesseur. L'appareil représenté est constitué d'une enceinte étanche 1 dont le fond la isole la partie étanche des mécanismes et organesch régulation disposés à la partie inférieure, l'ensemble étant monté sur une même ossature non représentée. Dans l'enceinte étanche 1, une hotte 2 d'évacuation des gaz brûlés en forme de L coiffe un bloc à ailettes 3 qui constitue le corps de chauffe de l'appareil, dont la jupe 4 canalise les gaz provenant des brûleurs 5 Sur la partie verticale de la hotte formant cheminée est monté un ventilateur d'extraction 6 dont le moteur d'entraine- ment 7 occupe l'espace ménagé entre la hotte et la partie supérieure de l'enceinte Le ventilateur 6 extrait les gaz de combustion par n conduit d'évacuation 8 coaxial au conduit 9 d'admission d'air. Ce dernier débouche dans un boîtier répartiteur d'air 10 placé à la partie supérieure de l'enceinte étanche, lui-méme en communication par un orifice Il avec la chambre intérieure. Au-dessous du fond étanche la se situent les divers mécanismes de l'appareil: l'électrovalve 12 d'admission du gaz au brûleur alimen- tée par un conduit d'arrivée gaz 13, par l'intermédiaire d'un boîtier disjoncteur 14 qui assure également la mise sous tension électrique de la chaudière On y trouve aussi le clapet inverseur 15 dont l'or- gane de fermeture non représenté distribue l'eau chaude primaire sortant de l'échangeur par le conduit 16, soit vers le départ chauf- 12179 4- fage 17, avec retour par le conduit 20 -soit vers un circuit court 18, une pompe 19 étant interposée sur le conduit commun 21 de retour à l'échangeur Le circuit d'eau sanitaire alimenté par le tube d'ar- rivée 22 fournit l'eau aux points de puisage par le tube de départ d'eau sanitaire 23 En fin un allumeur 24 fournit un train d'étin- celles à la veilleuse 25. Le système de régulation à microprocesseur a pour but de commander des organes terminaux en-fonction d'informations collectées par - des capteurs Le boîtier de régulation à microprocesseur 26 reçoit à cet effet des informations de capteurs de température tels que le thermostat d'ambiance 27 monté extérieurement à l'appareil et le capteur 28 de retour d'eau de chauffage monté sur le conduit 21 Les informations sont également reçues d'un capteur de flux d'air 29 monté sur l'orifice Il d'admission d'air à l'intérieur de l'enceinte étanche à partir du boîtier répartiteur 10 Ces capteurs, sauf le thermostat d'ambiance, délivrent un signal analogi- que (tension variable en fonction de la grandeur à mesurer) qui doit être converti en valeurs digitales assimilables par le micro- processeur En outre d'autres informations sont fournies par un capteur 30 monté sur le moteur 7 du ventilateur d'extraction Ledit capteur détecte le passage de quatre aimants fixés sur le bout d'ar- bre du moteur ou encore d'un disque à encoches suivi par un lecteur optoélectrique et délivre un signal digital dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse du moteur De plus une information sur le puisage d'eau sanitaire est fournie par un contact puisage 31 disposé au niveau du clapet inverseur 15 Enfin un contact lié à l'allumeur 24 fournit au boîtier 26 une information sur le cycle d'allumage. Les organes terminaux susceptibles d'être ainsi commandés par le système de régulation sont l'électrovalve gaz 12,-la pompe de cir culation d'eau 19, l'allumeur 24, et dans l'enceinte étanche de l'appareil le ventilateur d'extraction 6. Lors de la mise sous tension de l'appareil, une première séquence d'initialisation a pour but de "faire apprendre" au microprocesseur le contexte dans lequel il va réguler la chaudière Cette séquence est la suivante: l'admission du gaz et l'allumeur 24 sont inhibés 12179 - le ventilateur d'extraction 6 est mis en fonctionnement à vitesse maximale puis le microprocesseur grâce au capteur 29 vient lire la valeur du débit d'air qui passe par l'orifice 11 du boîtier réparti- teur 10 à la chambre intérieure de l'appareil Cette valeur doit être égale à une valeur déterminée au-dessous de laquelle il y aurait défaut d'installation et arrêt de la programmation Si cette valeur est donc normale, elle est mise en mémoire après calcul, comme étant la valeur minimale de flux correspondant au plein débit du ventila- teur d'extraction On fait ensuite passer ce ventilateur à 50 % de sa vitesse maximale et on effectue une nouvelle mesure de flux La valeur mémorisée représente alors la valeur minimale de débit d'air pour le petit débit du ventilateur 6 Celui-ci est ensuite arrêté l'allumeur 24 est mis sous tension pour allumer la veilleuse 25. Le relâchement du bouton-poussoir au boîtier disjoncteur 14 termi- ne cette séquence d'initialisation. Ces deux mesures de flux ont pour but d'étalonner le capteur de débit d'air de façon à éliminer l'influence de la position de la ventouse. En cours de fonctionnement le microprocesseur vient lire périodique- ment l'état des capteurs de température au thermostat d'ambiance 27 et au contact puisage 31 En l'absence d'ordre, la pompe de circula- tion 19 reste à l'arrêt et le ventilateur d'extraction ne se met en marche que de façon très intermittente (par exemple 15 secondes toutes les 5 minutes) et à vitesse réduite ( 50 % de la vitesse no- minale) pour assurer l'alimentation en air de la veilleuse. Dès réception d'un ordre provenant du thermostat d'ambiance 27 c'est-àdire dès que la température captée est au-dessous du seuil prédéterminé, et qu'il y a demande de calories, la pompe de circula- tion 19 se met en marche; l'admission du gaz par l'électrovalve 12 et la vitesse du ventilateur d'extraction 6 sont alors modulés-par le microprocesseur 26 afin d'assurer une proportionnalité constante du mélange air-gaz et de maintenir une température de retour de l'eau de chauffage par le conduit 20, égale à la température de con- signe ajustée par l'utilisateur puisque la puissance est adaptable aux besoins de l'installation En cas d'arrêt du brûleur 5, celui-ci ne pourra se rallumer avant un certain délai (de l'ordre de une 6 - minute par exemple) afin d'éviter des cycles trop répétés d'allumage et d'extinction En outre pour éviter les surchauffes, la pompe et le ventilateur d'extraction seront maintenus en fonctionnement pen- dant quelques temps (par exemple 45 secondes) après arrêt du gaz et l'allumage du brûleur n'interviendra qu'en passant par une phase de petit débit afin d'assurer un allumage silencieux A tout moment, le capteur de flux d'air 29 informe le microprocesseur 26 du débit d'air admis dans l'appareil par l'Grifice 11 Si celui-ci est insu- fisant pour assurer la combustion correcte du gaz introduit, le débit de gaz sera alors réduit pour atteindre le mélange adapté à la combustion correcte. Dès réception d'un ordre provenant du contact puisage 31 c'est-à-dire dès qu'il y a appel de calories lors d'un puisage de l'eau par l'usager, du fait que cet appel est prioritaire par rapport au chauffage, le microprocesseur régule alors le circuit ( 16, 21) primaire que le clapet inverseur 15 distribue par le circuit court 18 Cette régulation d'un principe analogue à celui du fonctionnement en chauffage se fait à une valeur de consigne fixe permettant d'obtenir une température sa- tisfaisante sur le circuit secondaire de puisage. Ce système de régulation à microprocesseur prévoit aussi un programme de tests permettant de vérifier le fonctionnement de la carte de régulation hors de la chaudière en simulant les commandes envoyées aux organes terminaux en fonction d'informations appliquées aux entrées. 12179 -7- Revendications. / Dispositif de régulation pour chaudière à gaz simple ou mixte à tirage forcé dans laquelle une enceinte étanche renferme un brûleur, un corps de chauffe, une hotte d'évacuation des gaz brûlés et un ventilateur d'extraction, l'air frais néces- saire à la combustion du brûleur étant admis à partir d'un boîtier répartiteur d'air disposé à la partie supérieure de ladite enceinte, ladite chaudière comportant une électrovalve d'admission gaz au brûleur reliée à un boîtier disjoncteur, un clapet inverseur distribuant l'eau primaire soit vers un circuit long lors du fonctionnement en chauffage, soit vers un circuit court lors d'un puisage, une pompe de circulation et un allumeur, la chaudière étant en outre munie d'une pluralité de c Apteurs ou de détecteurs destinés à recueillir des informations de température, de débit ou de fonctionne- ment, caractérisé par le fait que l'ensemble des fonctions de régulation, de sécurité et d'asservissement continu du débit d'air au débit de gaz est assuré par un boîtier de régu- lation ( 26) à microprocesseur qui centralise les informations reçues des différents capteurs, les convertit en signaux digi- taux propres à faire fonctionner, l'allumeur ( 24), la pompe de circulation ( 19), l'électrovalve d'admission gaz ( 12) et le ventilateur d'extraction ( 6), selon les informations de régulation préprogrammées et mémorisées par le microprocesseur. / Dispositif de régulation selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le boîtier de régulation ( 26) à microprocesseur est relié à au moins deux capteurs de température, l'un étant constitué du thermostat d'ambiance ( 27) et l'autre capteur ( 28) étant localisé sur le conduit ( 21) de retour d'eau de chauffage, qu'il est relié également à un capteur de débit d'air ( 29) monté sur l'orifice ( 11) de passage d'air du boîtier répartiteur ( 10), qu'il est relié également à un capteur de vitesse de rotation ( 30) monté sur le moteur ( 7) du ventilateur d'extraction ( 6), et qu'il est relié enfin à des contacteurs fournissant une première infor- mation sur le prélèvement d'eau sanitaire grâce à un contact puisage ( 31) , disposé au niveau du clapet inverseur ( 15), et une seconde information sur le cycle d'allumage grâce à un contact sur l'allumeur ( 24). / Dispositif de régulation selon les revendications 1 et 2 carac- térisé par le fait que l'introduction des informations de régu- lation dans le microprocesseur est assuréelors de la mise sous tension de l'appareil par la mise en fonctionnement à vitesse maximale du ventilateur d'extraction ( 6) et la mise en mémoire de la valeur de débit d'air correspondant au plein débit enregistré par le capteur ( 29), suivie par la mise en fonctionnement dudit ventilateur à la vitesse réduite qui correspond au débit d'air nécessaire au fonctionnement du brûleur à sa puissance minimum de la plage de modulation prévue et la mise en mémoire de la valeur de ce débit d'air réduit. 4 / Dispositif de régulation selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le microprocesseur lit de façon périodique les informations de températures fournies par le thermostat d'ambiance ( 27) et de puisage fourni par le contact ( 31) avec une fréquence de lecture comprise entre 0,2 et 0,5 secondes 50/ Dispositif de régulation selon les revendications 1 et 4 carac- térisé par le fait qu'en l'absence d'ordre, la pompe de circulation ( 19) reste à l'arrêt et le ventilateur d'extraction ( 6) ne se met en marche que de façon très intermittente et à vitesse réduite pour assurer l'alimentation en air de la veilleuse. 60/ Dispositif de régulation selon les revendications 1 et 4 caractérisé par le-fait que le microprocesseur commande de façon modulée l'ou- verture de l'électrovalve ( 12) et la vitesse du ventilateur d'ex- traction ( 6), dès qu'une demande de calories est décelée par le ther- mostat d'ambiance ( 27), pour assurer une proportionnalité constante du mélange air-gaz et maintenir égale à la température de consigne la température de retour de l'eau de chauffage par le conduit ( 20). / Dispositif de régulation selon les revendications 1 et 4 caractérisé par le fait que le microprocesseur commande le basculement du clapet inverseur ( 15) qui distribue alors l'eau du circuit primaire ( 16, 21) 12179 dans le circuit court, dès qu'un prélèvement d'eau sanitaire est décelé par le contact de puisage ( 31), et régule la température de cette eau à une valeur de consigne fixe permettant d'obtenir une température satisfaisante sur le circuit secondaire depiisage. 80/ Dispositif de régulation selon les revendications 6 et 7 caractérisé par le fait qu'en cas d'arrêt du brûleur ( 5), le microprocesseur temporise son réallumage pour éviter des cycles répétés d'allumage et d'extinction. / Dispositif de régulation selon les revendications 6 et 7 caractérisé par le fait que le microprocesseur commande le maintient en fonctionnement de la pompe de circulation ( 19) et du ventilateur d'extraction ( 6) pendant quelques temps après l'arrêt du brûleur. / Dispositif de régulation selon la revendication 9 caractérisé par le fait que le microprocesseur n'assure le réallumage du brûleur qu'après une phase à petit débit afin d'assurer un allumage silencieux. 11 / Dispositif de régulation selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une simulation des commandes envoyées aux organes terminaux en fonction d'informations fournies aux entrées est appliquée à la régulation ( 26) à microprocesseur pour tester son bon fonctionnement.