Brevet FR2599522A1 — publié le 19871204

système de régulation.- La présente invention se propose de créer un système de régulation de la combustion à l'aide d'une sonde au zirconium utilisée en stoechimétrie et fournissant un signal de saut de tension (+ 1,0) pour obtenir des signaux de commande d'alimentation en combustible (gaz) et en air comburant. I1 existe fondamentalement deux types de chaudières, les chaudières fonctionnant à régime fixe c'est-à-dire fournissant toujours la même puissance et dans lesquelles il faut régler l'alimentation en gaz et en air pour arriver à la combustion voulue et les chaudières dites "modulantes", c'est-à-dire qui fournissent une puissance variable, par exemple en fonction de la demande de puissance. Dans le cas d'une telle chaudière, il est nécessaire de régler à la fois la combustion aux conditions optimales ou conditions prévues et, d'autre part, régler la puissance que fournit la chaudière. Dans les deux cas, le réglage ou la régulation de combustion peut se faire à l'aide d'une sonde stoechiométrique. Une telle sonde détecte l'état oxydant ou réducteur de la combusiton, fournit un signal de sortie de niveau + 1 ou 0. Or, un tel signal ne peut être utilisé tel quel même après amplification comme signal de commande puisque, dans les états intermédiaires, il provoquerait un basculement trop fréquent des signaux de commande mettant en oeuvre ou fermant l'alimentation du combustible ou de l'air comburant ouvrant cette alimentation. Cela se traduirait par un fonctionnement relativement instable surtout par une fatigue inutile des moyens réglant l'alimentation en combustible et en air comburant tels que la vanne de gaz ou le moteur entrainant le ventilateur d'air comburant. La présente invention se propose de créer un système de régulation de la combustion, du type cidessus, protégeant les moteurs et les différents dispositifs et mécanismes participant au réglage de la combustion et permettant de stabiliser cette combustion à la valeur optimale tout en permettant la modulation éventuelle de la chaudière. A cet effet, l'invention concerne un système de régulation du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend A) un circuit de mise en forme recevant le signal (Sl)de la sonde pour le mettre sous la forme d'un signal (52} représentant le signal fourni par la sonde et variant entre un niveau positif et un niveau négative, par soustraction de la consigne à la mesure, B) un circuit de régulation avec au moins l'une des trois branches:: - une branche composée d'un élément de circuit fournissant à partir du signal d'entrée (S2), un signal (S'31) proportionnel au signal (52), - une branche comprenant un élément fournissant un signal (S32) qui est l'intégrale du signal d'entrée (S2), - et un circuit de combinaison dont les entrées sont reliées aux sorties des trois branches pour fournir un signal de combinaison combinant les signaux de sortie des trois branches, caractérisé en ce que la branche comporte un élément d'écrêtage, un seuil (+ M) fournissant en sortie un signal (S 41) correspondant au signal d'entrée (S31) écrêté, la branche comporte un élément d'écrêtage à seuil (+ N) fournissant un signal (S 42) ecrêté correspondant au signal d'entrée (532), la branche comporte un élément à seuil ayant un seuil (+ P) et fournissant en sortie un signal (543) écrêté du signal (-S33) appliqué à son entrée, et les signaux (S41, S42, S43) sont appliqués au circuit de combinaison lui-même relié à un comparateur à deux niveaux (+ R) comprenant - un premier circuit à seuil comparant le signal de combinaison appliqué à son entrée à un seuil (+R) et donnant un signal de sortie (S6) si le signal (55) dépasse le seuil (+ R), - un second circuit à seuil comparant le signal de combinaison (55) à un seuil (-R) et donnant un signal de sortie (57) si le signal (55) de combinaison est inférieur au seuil (-R), - le comparateur ne fournissant aucun signal de sortie lorsque le signal de combinaison est compris entre les seuils (+ R) et (6 R), et à un circuit logique recevant les signaux du comaprateur pour fournir des signaux de commande F ou O et O ou F suivant que le circuit logique reçoit le signal (56) ou le signal (S7). Le système de régulation selon l'invention permet de corriger les grands écarts des paramètres de combusiton ou les petits écarts s'ils se prolongent au-delà d'une certaine durée par rapport à des paramètres de consigne en procédant à de petites corrections lorsqu'on passe dans la limite d'ouverture ou de fermeture de la vanne de gaz alors que, entre ces deux limites, la combustion est laissée à elle-même sans que la régulation n'intervienne. En d'autres termes, le système selon l'invention permet de faibles variations des paramètres de combusiton dans une fenêtre ou bande intermédiaire de réglage alors que si les paramètres de combustion dépassent les deux frontières de cette bande, la correction intervient-par régulation. Toutefois, lorsqu'il y a déséquilibre de la combustion et que ce déséquilibre évolue vers l'une des deux limites, le système de régulation corrige ce déséquilibre sans faire basculer la combustion vers l'autre limite extrême de cette plage de régulation. Le système de régulation fournit en sortie un signal de commande du type direct tel qu'un signal F ou 0 correspondant respectivement à la fermeture de la vanne gaz ou l'ouverture de la vanne gaz. Le système peut également fournir en sortie un signal complémentaire permettant non seulement l'ouverture ou la fermeture de la vanne gaz, mais également une autorisation à la modulation de puissance. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma-bloc d'un système de régulation de combustion selon l'invention - la figure 2 représente aux figures 2A, 2B, 2B', 2C, 2C', 2D, 2D' les chronogrammes des signaux en différents points du circuit de la figure 1 - la figure 3 est un schéma du circuit de mise en forme représenté par un bloc à la figure 1 - la figure 4 est un schéma du circuit de régulation représenté par un bloc à la figure 1 ; - la figure 5 est un schéma du circuit de comparaison représenté par un schéma bloc à la figure 1 ;; - la figure 6 montre un premier mode de réalisation du circuit- logique 9 de la figure 1 - la figure 7 montre un schéma d'un second mode de réalisation du circuit logique de la figure I - la figure 8 montre très schématiquement le fonctionnement du système de régulation selon l'invention. Selon la figure 1, le système de régulation de combustion comprend une sonde 1 au zirconium utilisée en stoechiométrie. Cette sonde 1 fournit en sortie un signal de saut de tension de niveau conventionnel (+ 1,0). Le système comporte un circuit de mise en forme 2 qui reçoit le signal S1 de la sonde et le met sous la forme d'un signal S2 dont le niveau varie de manière synchrone au signal S1 mais entre un niveau positif et un niveau négatif. En aval du circuit de mise en forme, le système comporte un circuit de régulation 3 comprenant trois branches 4, 5 et 6. Chaque branche 4, 5, 6 reçoit le signal S2. La branche 4 comprend un élément de circuit de proportionalité 41 qui reçoit le signal 52 et fournit en sortie un signal S31 proportionnel au signal 52 suivant un coefficient de proportionalité réglable. La branche 4 comporte également en aval de l'élément 41 un élément 42 qui assure l'écrêtage du signal S31 à deux seuils t M pour donner en sortie un signal S41 écrêté. La branche 5 comprend un élément d'intégration 51 qui reçoit le signal 52 et fournit en sortie un signal S32 qui représente l'intégrale du signal d'entrée S2. La branche 5 comporte également un élément d'écretage 52 qui assure l'écrêtée du signal 532 à un seuil + N pour donner en sortie le signal S42 correspondant au signal 532 écrêté. La branche 6 comporte un élément de différentiation 61 qui reçoit également le sig-nal S2 et fournit en sortie le signal S33 qui correspond à la différentielle du signal 52. La branche 6 comporte en aval de l'élément différentiateur 61 un élément d'écrêtage 62 qui écrête le signal S33 au seuil + P pour fournir en sortie le signal 543. Enfin, le circuit de régulation comporte un circuit de combinaison 7 qui reçoit en entrée les signaux S41, 542 et S43 pour les combiner et fournir en sortie le signal 55. De manière simple, le circuit de combinaison 7 est un additionneur. En aval du circuit de régulation 3, le système comprend un comparateur 8 à deux parties 81, 82. La partie 81 a un seuil (+R) et fournit en sortie un signal 56 lorsque le signal d'entrée 55 dépasse le seuil +R. La partie 82 a un seuil (-R)(bien que ce seuil puisse être en principe différent en valeur absolue du seuil R) qui fournit un signal de sortie 57 lorsque le signal d'entrée 55 est inférieur au seuil (-R). Lorsque le signal 55 est compris entre (+R) et (-R) c'est-à-dire qu'il ne dépasse pas le seuil (+R) vers le haut ou le seuil (-R) vers le bas, le comparateur 8 ne fournit aucun signal de sortie. En aval du comparateur 8, l'installation comprend un circuit logique 9 qui reçoit les signaux 56 et S7 et fournit en sortie des signaux de commande F, r , o, ô Selon le schéma de régulation représenté à la figure 7, le circuit logique 9 ne fournit aucun signal de commande lorsque le signal 55 reste entre les seuils (+R) (-R) ; il émet le signal F lorsque le signal F5 dépasse le seuil (+R) ; il émet le signal 0 lorsque le signal S5 dépasse vers le bas le seuil (-R). Les signaux de commande F, ô sont les signaux respectivement complémentaires au signal S et au signal 0. En d'autres termes, et dans le système de combustion commandé à titre d'exemple par le système de régulation tel que décrit ci-dessus, lorsque le signal 55 dépasse le seuil (+R), le circuit 9 émet un signal F correspondant à la fermeture de l'alimentation en gaz. De même lorsque le signal 55 dépasse vers le bas, le seuil (-R), le circuit logique 9 émet le signal O d'ouverture du gaz. Lorsque le signal 55 reste entre les deux seuils (+R) et (-R), le-circuit logique 9 ne fournit aucun signal de commande et le système n'assure pas de fonction de régulation. Suivant une variante, lorsque le signal 55 dépasse le seuil (+R) le circuit logique 9 émet le signal complémentaire F. De même lorsque le signal 55 dépasse le seuil (-R) vers le bas, le circuit logique 9 émet le signal complémentaire ô. le signal F commande la fermeture de la vanne gaz, le signal 0 commande l'ouverture de la vanne gaz. Le signal F commande éventuellement l'admission de l'air de modulation. Le signal b commande éventuellement l'admission d'air de modulation. Les figures 2A... 2D' représentent les chronogrammes des signaux S1, S31, 532, S33 et des signaux écrêtés 541, 542, 543. Selon la figure 2A, le signal S1 varie entre un niveau O et un niveau 1. I1 s'agit d'un signal rectangulaire légèrement arrondi de durée variable en fonction des conditions de combustion détectées dans la chaudière par la sonde 1. Le signal S31, selon la figure 2B est le signal proportionnel fourni par l'élément 41. La figure 2B' est le signal 531 écrêté aux niveaux +M, -M donnant le signal S41. La figure 2C montre le signal S32 qui est l'intégrale du signal 52. Ce signal donne le signal écrêté 542 représenté à la figure 2C'. Enfin, la figure 2D montre le signal différentiel correspondant aux flancs verticaux du signal 51. Ce signal S33 est écrêté et donne le signal S43, représenté à la figure 2D'. La figure 3 est un schéma de détail du circuit de mise en forme 2 représenté à la figure. Selon la figure 3, le circuit de mise en forme 2 qui reçoit le signal S1 et fournit le signal 52 à sa sortie, se compose d'un amplificateur opération- nel IC1, d'une résistance R1 en sortie fournissant le signal ainsi amplifié à l'entrée négative d'un second amplificateur opérationnel IC 2. Cette entrée négative est également reliée par l'intermédiaire de la résistance R2 à la jonction d'un diviseur de tension formé par la résistance R3, R4 dont une borne est reliée à la masse et l'autre borne à une tension de référence -12V. Les résistances R3 et R4 sont choisies de façon à fournir à leur Jonction une tension égale à -0,5 volts. Comme le signal 51 varie entre 0 volt et 1 volt (du fait des caractéristiques de la sonde au zirconium), l'amplificateur opérationnel IC2 émet un signal d'addition qui varie entre -0,5 volts et +0,5 volts. L'entrée positive de l'amplificateur opérationnel IC2 est reliée à la masse par la résistance R6. La figure 4 est un schéma du circuit de régulation 3 et des différentes branches de ce circuit ainsi que du circuit de combinaison. La branche4 est composée d'un élément proportionnel 41 comprenant un amplificateur operationnel IC3 dont l'entrée négative reçoit par l'intermédiaire d'une résistance R7 le signal 52. Cet amplificateur IC 3 comporte une résistance de réaction R9. Son entrée positive est reliée à la masse par une résistance R8. En sortie, l'amplificateur IC3 fournit le signal S31. Ce signal est appliqué à l'élément d'écrêtage 41 formé de la résistance R14 et de deux diodes Zener Z1, Z2 reliant la sortie de la résistance R14 à la masse. Ces diodes sont branchées en opposition. Cette branche 4 fournit ainsi un signal 541 proportionnel au signal d'entrée S2 mais écrêté. La branche 5 se compose de l'élément d'intégration 51 constitué par un amplificateur opérationnel IC4 monté en intégrateur par le condensateur C1. Le signal S2 est appliqué à l'entrée négative de cet amplificateur opérationnel par l'intermédiaire d'une résistance fixe R26 et d'une résistance variable Pi. Le signal S32 en sortie est appliqué à l'élément d'écrêtage 52 formé d'une rés~istance R10 et de deux diodes Zener Z3, Z4 branchées en opposition entre la sortie de la résistance R10 et la masse de façon à fournir un signaI S42 correspondant-à l'intégrale écrêtée du signal S2. La branche différentielle 6 se compose d'un élément de différentiation 61 comprenant un amplificateur opérationnel 1C5 dont l'entrée négative reçoit le signal S2 par l'intermédiaire d'une résistance Rîl et d'un condensateur C2. La sortie de l'amplificateur IC5 est reliée à son entrée négative par le montage en parallèle d'une résistance R12 et d'un condensateur C3. Le signal S33 fourni en sortie de l'élément différentiateur 61, est appliqué à l'élément d'écrêtage 62 composé d'une résistance R13 et de deux diodes Zener Z5, Z6 branchées en opposition entre la sortie de la résistance R13 et la masse. Cet élément d'écrêtage 62 fournit le signal S43 qui est la différentielle écrêtée du signal S2 appliqué à l'entrée. I1 est à remarquer que les éléments d'écrêtage auraient pu être constitués par les niveaux de saturation des amplificateurs opérationnels. Le circuit de combinaison 7 se compose d'un amplificateur opérationnel IC6 dont l'entrée négative reçoit les signaux S41, S42, S43 par les résistances R15, R16, R17. La sortie de l'amplificateur 1C6 est reliée à son entrée négative par une résistance de réaction R18. L'entrée positive de l'aplificateur IC 6 est reliée à la masse par des résistances R19. En sortie le circuit de combinaison qui fonctionne comme un additionneur, fournit le signal 55. Ce circuit de combinaison pourrait également faire une addition pondérée des signaux S41, S42 et S43 qu'il reçoit. La figure 5 montre le schéma détaillé du comparateur 8 de la figure 1. Ce comparateur 8 se compose de deux partiés 81, 72. La partie 81 se compose d'un amplificateur différentiel IC7 dont l'entrée positive est reliée à la résistance réglable P2 ; celle-ci est en série reliée àl-a résistance fixe R24 entre une tension de référence négative -12V et la masse. L'entrée négative de cet amplificateur IC7 reçoit le signal S5 du circuit de combinaison. En sortie l'amplificateur IC 7 est relié à une résistance R20 et fournit le signal S6. De façon analgoue, la partie 82 du comparateur se compose d'un amplificateur opérationnel. IC 8 dont l'entrée négative est reliée à la résistance réglable P3,. elle-même en série avec la résistance fixe R25 entre une tension de référence +12V et la masse. L'entrée positive de l'amplificateur IC 8 reçoit le signal 55. La sortie de l'amplificateur IC 8 est reliée à la résistance R2k. Il fournit le signal S7. La figure 6 représente un premier mode de réalisation du circuit logique 9. Ce circuit ne fournit que des signaux F et 0. En fait, ce circuit logique 9 selon la figure 6 transmet simplement aux sorties F et O le signal VG (traduisant le fonctionnement de la vanne de gaz lorsque les interrupteurs électroniquesthyristors- IC 11 et IC 12 sont rendus conducteurs). De façon plus détaillée, le circuit se compose de deux branches, la première branche comprend une diode LED 1 reliée à un photocoupleur IC9 dont la seconde partie commande la gâchette du thyristor IC 11. Le circuit comprend également la résistance R22. La seconde branche est analogue à la précédente et se compose d'une diode LED 2 reliée à un photocoupleur IC 10 commandant la gâchette du thyristor IC 12. Cette branche comporte également la résistance R23. La figure 7 montre un second mode de réalisation du circuit logique 9 qui fournit les signaux complémentaires Ç et ô. Ce circuit à deux branches comprend un premier phntocoupleur IC 11 commandant la gâchette d'un thyristor IC 13 fournissant le signal F. La seconde branche comprend également un photocoupleur IC 12 commandant la gâchette d'un thiristor IC 14 fournissant en sortie le signal ô. Chacune des branches comporte une résistance R 26, R 27. Dans le cas d'une chaudière modulante, c'est-à-dire à réglage-de puissance en fonction de la demande de puissance, on règle l'air comburant fourni à la chaudière et le gaz s'adapte pour assurer la combustion dans les conditions requises. Toutefois, 1 inverse est également possible et on peut régler le gaz en faisant adapter l'air comburant. Dans les deux cas, on pilote l'alimentation en gaz avec le régulateur de combustion alors que la régulation de puissance est faite par le débit d'air. Par le système de régulation, selon l'invention on peut envisager deux cas - dans un premier cas, lorsqu'on est en dehors de la zone d'équilibre de la régulation, aucune modulation de puissance de la chaudière n'est possible ; il n'y a que régulation de la combustion par fermeture ou ouverture de la vanne gaz (F ou O). Ce n'est que lorsque la combustion se situe dans la zone d'équilibre entre les deux frontières de la régulation que la modulation de puissance est possible. En d'autres termes, on ne peut modifier la puissance fournie par la chaudière que lorsque la chaudière se trouve dans des conditions de combustion normale, régulée. Selon le deuxième cas qui est plus général que le précédent, on envisage une possibilité de modulation. En effet, lorsque le comparateur fournit un signal S6 indiquant qu'il y a un excès de gaz, le circuit logique commande la fermeture de la vanne gaz. Comme l'augmentation de l'alimentation en air comburant va dans le sens de la régulation qu'entrainerait la fermeture de la vanne gaz, cette augmentation de l'air comburant est autorisée : En d'autres termes, si lorsque le système de régulation se trouve au-delà du seuil R+ c'est-à-dire correspondant à l'émission du signal S6 demandant la fermeture de la vanne gaz, le circuit logique 9 peut autoriser une modulation par envoi d'un excédent d'air, c'est-à-dire répondre à une demande de puissance. De façon semblable, lorsque lé système de régulation émet le signal S7, c'est-à-dire si la sonde détecte trop d'air dans la chambre de combustion (le signal S5 est inférieur au seuil -R) dans le comparateur 8, la modulation est possible dans le sens de la baisse d'air (c'est-à-dire une diminution de puissance) : en d'autres termes, si lors de l'émission du signal S7, il y a une demande de modulation dans le sens de la diminution de la puissance fournie par -la chaudière, cette modulation qui correspond à une réduction d'air comburant, est rendue possible. I1 est à remarquer que l'invention permet également une modulation inverse, c'est-à-dire une régulation de la combustion en agissant sur l'air et une modulation de la puissance en agissant sur Je gaz. REVENDICATIONS 10) Système de régulation de la combustion à l'aide d'une sonde au zirconium utilisée en stoechiométrie, fournissant un signal de saut de tension +1,0 pour obtenir des signaux de commande d'alimentation en combustible et d'air comburant, système de régulation comprenant A) un circuit (2) de mise en forme recevant le signal (S1) de la sonde (1) pour le mettre sous la forme d'un signal (S2) (+1, -1) représentant le signal fourni par la sonde (1) et variant entre un niveau positif et un niveau négatif, par soustraction de la consigne à la mesure, - B) un circuit de régulation (3) avec au moins l'une des trois branches(4, 5, 6) :: - une branche (4) composée d'un élément de circuit (41) fournissant, à partir du signal d'entrée (S2), un signal (S'31) proportionnel au signal (S2), - une brancha (2) comprenant un élément fournissant un signal (S32) qui est l'intégrale du signal d'entrée (S2), - une branche (6) comportant un élément (61) fournissant un signal différentiel (533) à partir du signal (52) reçu à l'entrée, - et un circuit de combinaison (7) dont les entrées sont reliées aux sorties des trois branches (4, 5, 6) pour fournir un signal de combinaison (S5) combinant les signaux de sortie des trois branches (4, 5 et 6), caractérisé en ce que la branche (4) comporte un élément d'écrêtage (42), un seuil (± M) fournissant en sortie un signal (S 41) correspondant au signal d'entrée (S 31) écrêté, la branche(5)comporte un élément d'écrêtage (52) à seuil (+ N) fournissant un signal (S 42) écrêté correspondant au signal d'entrée (S 32), la branche (6) comporte un élément à seuil (62) ayant un seuil (f P) et fournissant en sortie un signal (S 43) écrêté du signal (S 33) appliqué à son entrée, et les signaux (S 41, S 42, S 43 sont appliqués au circuit de combinaison (7) lui-même relié à un comparateur (8) à deux niveaux (± R) comprenant - un premier circuit à seuil (81) comparant le signal de combinaison (S5) appliqué à son entrée à un seuil (+R) et donnant un signal de sortie (S6) si le signal (S5) dépasse le seuil (+R), - un second circuit à seuil (82) comparant le signal de combinaison (S5) à un seuil (-R) et donnant un signal de sortie (S7) si le signal (S5) de combinaison est inférieur au seuil (-R), - le comparateur ne fournissant aucun signal de sortie lorsque le signal de combinaison (5) est compris entre les seuils (+ R) et (- R), et à un circuit logique (9) recevant les signaux (S6, 57) du comparateur (8) pour fournir des signaux de commande F ou b et O ou F suivant que le circuit logique (9) reçoit le signal (56) ou le signal (S7). 20) Système de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de mise en forme (2) comprend des amplificateurs o éra- tionnels (IC1, IC2) amplifiant le signal du capteur (1) et ajoutant au signal ainsi amplifié une tension fournie par un diviseur de tension (R3, R4) à partir d'une tension de référence (- 12V) pour obtenir un signal de sortie (S2) variant entre un niveau positif et un niveau négatif (+1 ; -1). 30) Système de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments (41, 51, 61) des branches (4, 5, 6) du circuit de régulation (3) comportent des amplificateurs opérationnels montés respectivement en amplificateurs, en intégrateurs et en différentiateurs, et les éléments à seuil (42, 52, 62) écrêtant les signaux respectifs à des seuils (- M, f N et f P) sont des montages à diodes Zener (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6). 40) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de combinaison (7) comporte trois entrées à résistances (R14, R1S, R16) et un amplificateur différentiel fonctionnant comme additionneur. 50) Système de régulation, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comparateur (8) se compose de deux amplificateurs opérationnels (IC 7, IC 8) recevant l'un (comparateur 81) un signal de référence constituant le seuil (- R) et l'autre une tension de référence correspondant au seuil (- R). 60) Système de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit logique comporte deux thyristors (IC 11, IC 12) précédés d'un photocoupleur (IC 9, IC 10) respectif.