Brevet FR2524970A1 — publié le 19831014

REGULATEUR DE TEMPERATURE POUR INSTALLATION DE CHAUFFAGE CENTRAL. La présente invention concerne un régulateur de température pour installation de chauffage central. Dans l'art antérieur, il est connu divers dispositifs pour obtenir une régulation thermique dans les installations de chauffage. On fait habituellement démarrer plus ou moins fréquemment le brûleur de la chaudière en fonction d'une consigne indiquée par un aquastat. C'est ltopérateur qui choisit manuellement le niveau de la température maximum de l'eau du circuit de chauffage. Cette régulation est souvent complétée par un thermostat d'ambiance qui commande les marches-arrêts en fonction de la température à réguler, c'est à dire de la température désirée dans le local chauffé. On peut également réguler la température par des systèmes complexes à vanne mélangeuse d'eau chaude et d'eau froide. Un principe de base est utilisé dans ces régulations connues de température: Le local est chauffé par circulation d'une puissance thermique sans cesse renouvelée. Cette puissance thermique est fournie par une chaudière à l'installation de chauffage. Elle s'exprime par la relation: Pcal = Q. t T où Q est le débit massique du fluide caloporteur et A T le gradient de température dans l'installation. La quantité de chaleur cédée par les radiateurs dans lesquels circule le fluide caloporteur permet de chauffer l'atmosphère et donc de régler la température ambiante. La régulation est obtenue en faisant varier le terme ss T de gradient de température dans l'expression de la puissance calorifique transportée dans les canalisations, le débit Q restant constant. L'invention résulte de la constatation que ce type de régulation présente notamment l'inconvénient que, l'inertie thermique étant assez grande, la température désirée n'est pas obtenue de façon rapide, du fait que le débit affiché est un débit moyen. Selon l'invention la régulation de température est obtenue en faisant varier le débit du fluide caloporteur dans l'installation, c'està-dire le terme Q dans la formule ci-dessus. On peut ainsi atteindre la température désirée de manière rapide. En outre, lorsque l'installation de chauffage central comprend un circulateur entraîné par un moteur élestrique, le régulateur peut consister en un circuit faisant varier la puissance fournie à ce moteur. La mise en place d'un tel régulateur est alors particulièrement simple car elle ne fait pas appel à une modification des tubulures de l'installatwon. Le circuit est, par exemple, disposé dans un boîtier ne nécessitant qu'un simple raccordement au secteur d'alimentation électrique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention sont présentés à la description et aux figures annexées qui sont: - la figure 1 : un schéma d'une partie d'une installation de chauffage central à circulateur muni d'un régulateur selon l'invention, - la figure 2 : une courbe de fonctionnement de l'installation selon l'invention, - la figure 3 : un schéma où le circulateur comporte un moteur asynchrone monophasé alimenté par un hacheur, - la figure 4 : un diagramme de commande de la tension d'alimentation du moteur de la figure 3, - la figure 5 un schéma d'une partie du régulateur selon l'invention, - la figure 6 : un diagramme d'une fonction réalisée par le régulateur de la figure 5, - la figure 7 : un arrangement particulier d'une partie du schéma de la figure 5, - la figure 8 : un schéma d'une autre partie de la figure 5, - la figure 9 : un schéma d'un émetteur selon l'invention, - la figure 10 : un schéma d'une partie de l'émetteur de la figure 9, - la figure Il : un premier type de capteur de températures, - la figure 12 : un second type de capteur de températures, - la figure 13 : un schéma d'un récepteur selon l'invention. A la figure I on a représenté une installation de chauffage munie d'un dispositif selon l'invention. Les installations de chauffage classiques comportent une chaudière I qui transmet un fluide caloporteur à une température td dans une canalisation 5, un circulateur 2 qui envoie le fluide caloporteur à une série d'installations comme le radiateur 3 installé dans un local 4. Le fluide caloporteur après avoir cédé de la chaleur au radiateur revient à la chaudière 1 à la température tr. Des sondes Il à 14 servent à mesurer différentes températures caractéristiques du fonctionnement à l'installation. Classiquement le secteur 6 d'alimentation électrique permet d'amener de la puissance électrique au moteur du circulateur 2 de façon à assurer le transport du fluide caloporteur dans les canalisations de l'installation. Dans l'art antérieur un schéma à deux sondes de mesure de températures correspondrait à un montage avec les sondes 11 et 14 seules. Quand la température ta descend sous un certain seuil mesuré par la sonde 14 de température le brûleur de la chaudière se met en route. L'eau se réchauffant, la température ta de la pièce 4, remonte jusqu'à une valeur de consigne fixée tac, par exemple par un thermostat 14. Quand cette valeur limite est atteinte le thermostat 14 émet un ordre de coupure au brûleur. Le brûleur est également arrêté si la température td de l'eau à la sortie de la chaudière atteint sa valeur maximum. La régulation thermique est assurée par le gradient thermique ta - td. A la figure 1 on a représenté un régulateur de température 7 selon l'invention. On constate que le régulateur est interposé entre le secteur 6 et le circulateur 2 sans autre modification de l'installation de chauffage central. Le régulateur se présente sous la forme d'un boiter éiectronique conportant un cordon de connexions électriques au secteur 6 d'une part et dartre part un cordon de connexions électr.ques au moteur du circulateur 2. Enfin le régulateur 7 comporte au plus autant de fis de liaison aux sondes il à 14 de températures qu'il y a de points de mesure de températures dans le circuit. Ainsi se révèle l'un des points avantageux de régulateur selon l'invention qui ne necess te pas d'intervention sur la struciure de l'installation de chauffage central. ans un moJe de réalisation décrit plus loin les sondes placées à distance, notamment la sonde 14 de mesure de la température ta ambiante et l'organe de fixation de la température ambiante de consigne tac" sont connectées au secteur de façon à émettre sur celui-ci des signaux d'indication de la température mesurée par la sonde. On évite ainsi cablage supplémentaire, le régulateur 7 comportant un décodeur de l'information portée par la tension fournie par le secteur 6. Dans d'autres formes de réalisation le régulateur agit sur d'autres éléments inclus dans l'installation qui permettent, comme dans celui décrit de régler le débit massique du fluide caloporteur dans les canalisations. Dans un autre mode de réalisation, l'élément de réglage du débit est une vanne primaire sur le circuit 5 muni, d'un moteur de commande d'ouverture de la vanne, le régulateur agit sur le moteur de la vanne pour fournir plus ou moins de débit de fluide caloporteur à l'installation. Dans la suite de la description on s'attachera à décrire le mode préféré de réalisation de l'invention dans lequel le régulateur 7 agit sur le moteur du circulateur. A la figure 2 on a représenté un diagramme de fonctionnement d'un circulateur. Ce diagramme débit-pression, comporte une courbe de fonctionnement du réseau F. Cette courbe de fonctionnement est constituée par une succession de courbes de fonctionnement du circulateur U1 à U5 correspondant à des vitesses de rotation successivement de plus en plus faibles du moteur du circulateur. Ces vitesses étant directement fonction de la tension d'alimentation du moteur, on voit qu'on peut faire varier la pression et le débit du fluide caloporteur en faisant varier cette tension. Sur la courbe F à une tension d'alimentation U1 correspond un point de fonctionnement de pression P5 et de débit U5 et ainsi successivement jusqu'à la pression P1 et au débit Q1 sur la courbe à tension Us. A la figure 3, on a représenté un moteur asynchrone 17 relié au secteur 6 par un hacheur 15. Dans ce montage, le hacheur est connecté aux bornes du secteur. I1 reçoit une tension de commande 16. Sa tension de sortie est fournie d'une part à l'enroulement principal 18 et d'autre part à la phase auxiliaire 19 du moteur et au condensateur 20 de la phase auxiliaire. Un tel montage de moteur asynchrone présente l'avantage que l'introduction d'un hacheur peut se faire sans intervenir sur le branchement des phases du moteur. A la figure 4, on a représenté un diagramme de fonctionnement du moteur asynchrone sous l'influence du hacheur 15. Un tel dispositif, tel qu'il est connu, est piloté par exemple par une tension 60 en dents de scies. La tension 61 alternative fournie par le secteur 6, est découpée par le hacheur. Seule l'énergie correspondant aux instants hachurés est transmise au moteur. La tension de commande Uc fixe l'instant où l'alimentation est connectée au moteur. La tension en dents de scie varie entre une valeur minimale UCm et une valeur maximale UCM. Le régulateur est donc un organe du genre processeur qui reçoit des donnée de commande en puissance. Il peut être de type analogique ou numérique. D'une manière générale, il fonctionne selon une loi de régulation prédéterminée. On peut montrer que le gradient de températures td - trJ ou différence entre les températures de départ et de retour du fluide caloporteur de la chaudière constitue une bonne mesure des échanges calorifiques dans l'installation. De même, le gradient ta - te, ou différence entre les températures ambiante ét extérieure au local constitue aussi une mesure de la demande calorifique.On peut donc définir une première loi de régulation: cal = P(td - tr) et une seconde loi de régulation: Pcal = P(ta-te) qui sont fonction des deux gradients précités Dans un mode de rt iisation préféré, on a choisi comme loi de régulation: Pcal = K (td- tI) (tAC-te)+ perturbations eventuelles où K est un facteur de réglage et d'étalonnage qui dépend des déperditions caloriiiques et des caractéristiques de ia chaîne de régulation. A la figure 5, on a représenté un organe de commande 9 dans le régulateur selon l'invention. Cet organe de commande 9 reçoit les données de température t tr, td, te, ta de 5'organe d'acquisition 10. Un premier soustracteur 21 calcule le gradient de température tr- td correspondant à l'apport énergie calorifique fournie par la chaudière. Un deuxième soustracteur 22 calcule le gradient de température tac - te correspondant au réchauffement imposé pour que le local à la température t a ne redescende pas à la température extérieure te Les sorties des deux soustracteurs 21, 22 sont connectées aux entrées d'un multiplicateur analogique 23.La sortie du multiplicateur analogique, qui peut autre étalonné par son gain, fournie une tension U = K (td - tr) (ta te). La tension U, fournie par le multiplicateur analogique 23, est fournie à l'une des entrées de l'additionneur 24. Cet additionneur est aussi, pour l'entrée de tension U, un amplificateur inverseur qui permet, quand U augmente, d'obtenir une tension de sortie de I'additionneur décroissante. D'autres termes dits de perturbations éventuelles peuvent être ajoutés à la tension U fournie par le multiplicateur 23 qui sont alors des corrections. Ainsi on peut ajouter à la tension U une valeur UCm fournie par un générateur de tension 25 connecté à une seconde entrée de l'additionneur 24. A la figure 6, on a représenté un exemple de variation de la tension de sortie Uc de l'additionneur 24 en fonction de la tension U fournie par le multiplicateur 23 à la première entrée de l'additionneur 24. Cette tension Uc varie en décroissant de la valeur UCM à la valeur UCm quand U augmente. Le diagramme de la figure 6 est une droite. Elle peut être, en fonction de la régulation demandée et de critères de stabilités, remplacée par une courbe. Les pentes de la courbe de fonctionnement sont déterminées en fonction de ces divers paramètres. A la figure 7, on a représenté un soustracteur 22 pour calculer le gradient t a te. Ce soustracteur 22 comporte un amplificateur opérationnel 27 dont l'entrée inverseuse est contre-réactionnée par une impédance 28. Sur cette entrée inverseuse on a disposé un pont diviseur d'impédances 29, 31 entre l'alimentation continue 33 et la masse 37. Pour relier à la masse le point commun à 29 et 31, on a disposé une première impédance 34 fixe qui peut être courtcircuitée par le moyen d'un interrupteur commandable 35. Avant la masse 37, on a disposé une résistance ajustable 36 qui permet de faire des étalonnages du soustracteur en concordance avec la valeur tac de la température ambiante de consigne. L'interrupteur commandable 35 est commandé par exemple par un moyen électromagnétique relié à la sonde 38 si celle ci est du genre tout ou rien comme un thermostat. Sur la seconde entrée non inverseuse de l'amplificateur 27, on a disposé un deuxième pont diviseur d'impédances 30 et 32 entre l'alimentation continue 33 et une sonde 39 de mesure de la température te. Dans une variante, le court circuit de la résistance 34 est commandé par une horloge qui permet notamment l'usage d'une température ambiante de consigne tac de jour et une autre de nuit.Dans une autre variante, il est commandé par un thermostat qui constate le dépassement d'une température de consigne tac A la figure 8, on a représenté un additionneur dont la sortie fournie la tension de commande Uc Les entrées de cet additionneur sont l'entrée U connectée à la sortie du multiplicateur 23 d'une part et d'autre part un générateur 25 d'une tension UCm et enfin une entrée 26. Les trois entrées décrites sont reliées d'une part à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel par une impédance 41 de consre-réaction Des impédances 42, 43 permettent d'équillbrer les niveaux d'entrées de l'additionneur 24. Le générateur 25 peut comprendre entre une alimentation continue 33 et la masse, un potentiomètre ajustable.L'entrée 26 peut être associée à une sonde dont la tension de sortie varie proportionnellement à la mesure qu'elle réalise. Cette sonde peut être la sonde de température ta Dans ce mode de réalisation le régulateur selon l'invention permet, dans sa loi de régulation, de tenir compte des variations continues des températures ambiantes ta A la figure 9, on a représenté un émetteur permettant de relier directement une sonde 45 au régulateur 7 selon rinvention par l'intermédiaire des fils du secteur 6 d'alimentation électrique. L'émetteur 44 comprend deux entrées E, F auxquelles est connectée une sonde 45. L'émetteur 44 porte un générateur 46 d'une porteuse qui est fournie à un modulateur 47 dont ies bornes d'entrées sont reliées à la sonde 45. La sortie modulée du modulateur 47 est fournie à un transmetteur 48 dont les sorties 54 et 55 découplées de l'alimentation du secteur, sont renvoyées sur le secteur 6. L'émetteur 44 comporte aussi une alimentation stabilisée 49 dont les entrées 52, 53 sont connectées à l'alimentation alternative du secteur 6 et dont les sorties 50, 51 sont fournies aux différents éléments 46, 47 et 48 composant l'émetteur selon l'invention. A la figure 10, on a représenté un mode particulier de réalisation de l'émetteur selon l'invention, qui comporte une alimentation stabilisée 49. Les entrées de courant alternatif 52, 53 sont connectées au primaire d'un transformateur 56. Le secondaire du transformateur 56 est relié à un pont redresseur-double alternance 57 dont les sorties sont filtrées par un condensateur 58 qui fournit une tension lissée à une source de tension de référence constituée par exemple par une diode Zener 60 et une résistance 59. La tension de référence est fournie à la base d'un transistor driver 61 dont la sortie est filtrée par un deuxième condensateur 62. Aux bornes 50, 51 du condensateur 62 on obtient une tension stabilisée. Cette tension est fournie ainsi qu'il est indiqué schématiquement à la figure 10 aux différents appareils constituant l'émetteur. Le générateur 46 de porteuse est constitué par exemple par un boitier de quatre portes ET 63. Les entrées de chacune des portes ET sont coucircuitées porte ET par porte ET. Vautre part, la sortie d'une porte ET est connectée à l'entrée de la porte ET suivante. La dernière porte ET fournie en sortie, la porteuse. Pour engendrer la porteuse, on utilise un circuit créant un déséquilibre. Il comporte une résistance 64, une résistance ajustable 65 et un condensateur 66, renvoyés respectivement aux entrées de la première, de la seconde et de la troisième porte ET. Les autres bornes de chacun de ces trois composants sont reliées ensemble. La fréquence porteuse fournie par la dernière porte ET 63 est communiquée à une série de quatre portes 67 dans un modulateur 47.La modulation fournie par la sonde 65 aux bornes E et F du modulateur est réalisée par une résistance 68 connectée à une entrée de la première porte ET 67 et d'autre part par un condensateur 69 ajustable relié aux entrées court-circuitées de la troisième porte ET de la série 67. La borne E est connectée aux entrées court-circuitées de la seconde porte ET 67 tandis que la borne F est connectée à la borne commune à la résistance 68 et au condensateur 69. Les entrées de la quatrième et dernière porte ET sont court-circuitées. Les sorties de la première de la seconde et de la troisième porte ET sont reliées respectivement aux entrées court-circuitées de la seconde, de la troisième et de la quatrième porte 67. La sortie de la quatrième porte 67 qui constitue la modulation est envoyée à un transmetteur. Le transmetteur 48 comporte un transistor 72 dont la base est reliée à une résistance 70 découplée en fréquence par un condensateur 71. L'autre borne de la résistance 70 est connectée à la sortie du modulateur 47. Le collecteur du transistor 72 est relié par l'intermédiaire d'une résistance 83 à l'alimentation et l'une des bornes de l'alimentation stabilisée 49. L'émetteur du transistor 72 est connecté d'autre part à l'autre borne de l'alimentation stabilisée 49 et à une masse fictive constituée par exemple par le chassis de l'émetteur selon l'invention. Enfin le signal de sortie transmis par le transmetteur 48 est constitué par la tension VCE aux bornes du transistor 72 découplé du secteur alternatif par un condensateur 73 et un condensateur 74. Par ce montage, une information concernant les variations détectées par la sonde 45 est transmise au régulateur, même à de grande distances, par l'intefmédiaire des fils du secteur 6. A la figure 11, on a représenté un type de sonde 45. Dans ce type de sonde, une résistance 76 correspond à une valeur de garde de la résistance de la sonde. La sonde est constituée principalement par une résistance 77 court-circuitée ou non par Finterrupteur commandable 78. Une telle sonde fonctionne en tout ou rien et correspond notamment au thermostat de température ambiante. A la figure 12, on a représenté un autre type de sonde 45 adaptable entre les bornes E et F des émetteurs selon l'invention. Cette sonde comporte une résistance de garde 79, une résistance courcircuitable 80 par un interrupteur commandable 81 et une résistance 82 dont la valeur dépend d'une façon continue de la température ambiante. Une telle sonde émet donc deux types de signaux. D'une part elle émet des signaux en tout ou rien quand l'interrupteur 81 est ou n'est pas basculé. D'autre part elle émet des signaux dont l'amplitude varie avec la valeur de la température mesurée par la thermistance 82. Dans la réalisation décrite à la figure5 la partie du signal perçu par l'organe d'acquisition 10 des températures qui correspond au signal émis par l'interrupteur 81 est décodée et envoyée à la deuxième entrée du deuxième soustracteur 22 pour commander le court-circuit de la résistance 34 par exemple à la figure 7. De même la partie continûment variable dûe à la thermistance 82 est envoyée à la troisième entrée 26 de l'additionneur 24 de I'organe de commande 9. A la figure 13, on a représenté un récepteur qui permet de décoder les informations qui ont transité par le secteur et qui ont été émises par le moyen de l'émetteur 44. Ce récepteur comporte un filtre 88, 99 qui sépare de l'information de température du courant secteur. D'autre part, il comporte, relié à ce filtre, un démodulateur 86, 87 qui extrait le signal d'information de température de la modulation. II comporte aussi un amplificateur 95, 96 relié à un photocoupleur 85 et le modulateur 86, 87. Le photocoupleur permet de découpler les masses par rapport au secteur. Le régulateur selon l'invention peut aussi comporter une alimentation stabilisée 98-104 qui fournie plusieurs polarités 1, 2, 3 à l'ensemble du régulateur 7. L'alimentation régulée 98-104 peut être du type comportant une diode 98 mise en série avec une résistance 99 de chute de tension du secteur qui envoie un courant aux bornes de sources de tensions constituées par une diode Zener 100. La tension recueillie aux bornes de la zéner est filtrée par un condensateur 101. La tension filtrée est divisée par un pont diviseur 102-103 (par exemple de résistances) de façon à constituer des polarités I, II, III. Ces tensions sont fournies aux différents appareils composant le régulateur 7. Le filtre séparateur de la modulation du secteur comporte un condensateur 88 puis un élément redresseur constitué par la mise en parrallèle d'une résistance 89, de deux diodes 90, 91 appariées et montées en opposition, puis d'une cellule de filtre en "T" constituée de deux condensateurs 92, 94 et d'une résistance 93. La sortie du condensateur 94 est connectée à une série de quatre portes ET 86 polarisées convenablement. Les entrées des quatre portes ET 86 sont court-circuitées et les sorties successives sont reliées aux entrées des portes suivantes. La dernière porte fournie à l'amplificateur 95-96 le signal constituant l'information. Ce dispositif amplificateur comporte une résistance 96 reliée à la base du transistor 95.Le collecteur du transistor 9-5 est connecté à une polarité continue par l'intermédiaire d'une résistance 97 et d'une diode polarisée en inverse composant l'entrée du photocoupleur 85. Le phototransistor du photocoupleur 55 est connecté à un amplificateur de mise en forme 84. Cet amplificateur 84 comporte un pont diviseur constitué de résistances 105-106-107-109 et d'un condensateur de découplage 108. La sortie du pont diviseur est fournie à une résistance ajustable 110 connectée vautre part à la base d'un transistor 113. Le transistor 113 est polarisé par l'intermédiaire d'une résistance 112 à une polarité 120 fournie par un circuit non représenté. La sortie du transistor 113 est sur le collecteur. La tension VCE du transistor est découplée par un condensateur 114 aux bornes duquel on recueille l'information de température. D'autres modes de réalisation de régulateur peuvent être prévu, qui n'ont pas été décrits pour ne pas alourdir la présentation de l'invention. Notamment, l'organe de commande 9 peut comporter un microprocesseur qui réalise le calcul de la loi de régulation. De même le circuit de puissance 8 peut, selon la technologie de variation du débit du fluide caloporteur prendre d'autre formes qu'un hacheur, comme dans le cas d'un moteur à courant continu. REVENDICATIONS 1. Régulateur de température ambiante pour installation de chauffage central, caractérisé en ce qu'il régule la puissance calorifique transportée par un fluide caloporteur transitant dans l'installation par un moyen (7) de variation de débit du fluide. 2. Régulateur de température selon la revendication 1, pour installation de chauffage central comprenant un circulateur (2), caractérisé en ce que oe régulateur (7) fait varier la puissance fournie au moteur du circulateur (2). 3. Régulateur de température selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est constitué et un bloc unique dont l'entrée est reliée à un secteur (6) d'alimentation électrique et la sortie au moteur électrique du circulateur (2). 4. Régulateur selon l'une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un organe (10) d'acquisition d'un nombre prédéterminé de températures mesurées par des sondes (11-14). 5. Régulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte aussi un organe de commande (9) qui reçoit des données de températures de l'organe d'acquisition (10) et fournie une tension de commande (Uc) variant selon une loi de régulation prédéterminée. 6. Régulateur selon l'une des revendication 1 a' 5, caractérisé en ce que le débit varie en fonction de (td - tr) où td est la température mesurée du fluide caloporteur à la sortie de la chaudière de l'installation et tr sa température de retour. 7. Régulateur selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que le débit dépend de la différence (tac - te), Où tac est la température ambiante de consigne affichée et te la température mesurée à l'extérieur du lieu où est mesurée ta température ambiante mesurée. 8. Régulateur selon les revendication 6 et 7, caractérisé en ce que le débit proportionnel au produit des différences (td - tr) (tac fe). 9. Régulateur selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte aussi un organe (8) de puissance qui reçoit une puissance électrique du secteur (6) et fournie une puissance électrique modulée au moteur électrique du circulateur (2) en fonction de la tension de commande (Vc) 10. Régulateur selon la revendication 9, dans lequel le moteur électrique est du type asynchrone, caractérisé en ce que l'organe de puissance est un hacheur (8). 11. Régulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une sonde (4s) de mesure de température en un point éloigné du régulateur (7, est connectée à un émetteur (44) de l'information de tew.pérature qui transmet cette information par l'intermédiaire des fils électriques du secteur (6).