Brevet FR2644584A1 — publié le 19900921

La présente invention concerne les appareils destinés a permettre la répartition des charges de chauffage entre les differents locataires d'un immeuble, en fonction des consommations effectives de chacun. D'une façon plus précise, elle concerne les appareils utilisant une mesure de la température de surface des radiateurs, et plus particulièrement ceux a capteurs electroniques. Dans les dispositifs connus de ce genre, on utilise une thermistance placee en contact avec le radiateur, qui, insérée dans un oscillateur convenable, convertit la température en une fréquence. Les oscillations ainsi obtenues sont comptées. Le total est accumule dans un compteur electronique ou mécanique. Ces appareils ont l'inconvénient d' étre assez couteux. De plus, ils ne prennent pas en compte la température ambiante de la pièce, et fournissent donc une mesure erronée. Le dispositif suivant l'invention evite ces inconvénients, car il est beaucoup plus simple a réaliser, malgre le fait qu'il soit capable de faire une mesure plus précise, puisqu'il tient compte dans le calcul de la consommation de la température de la pièce, ce qui permet de penaliser les utilisateurs qui poussent le chauffage a fond en ouvrant les fenêtres. L'invention concerne un répartiteur électronique de consommation de chauffage pour habitat collectif, comportant : deux thermistance Ri et R2 insérées dans le circuit de deux oscillateurs (2), (3) et (6), (7), des moyens (8) et (9) permettant d'effectuer la soustraction des oscillations des deux oscillateurs, des moyens (10) permettant de stocker le résultat des soustractions successives, et enfin des organes de sécurité (21), (22), (24), (25), (29), (30), permettant de rendre l'appareil inviolable. Suivant une autre caractéristique, la thermistance R2 est en contact thermique avec la paroi du convecteur, tandis que la thermistance R1 est en contact avec une piece métallique, qui est a la température de l'air ambiant. Suivant une autre caractéristique, la thermistance R1 est remplacee par une simple résistance. Suivant une autre caractéristique, les moyens (8) et (9) permettant de soustraire, pendant une période donnée, le nombre d'oscillations de chaque oscillateur, sont des compteurs binaires. Suivant une autre caracteristique, les moyens (10) permettant d'effectuer la soustraction des oscillations des deux oscillateurs consistent en un compteur-décompteur. Suivant une autre caractéristique, les moyens permettant de stocker un nombre d'oscillations sont constitues par une série de compteurs binaires, eventuellement suivis d'un compteur mecanique ou thermique. Suivant une autre caractéristique1 les organes de sécurité permettant de rendre l'appareil inviolable consistent en un fusible (25), commandé par un interrupteur a lame souple (ILS) (24), lui-meme actionné par un aimant permanent (22), qui rayonne un champ magnétique influencé par la presence du convecteur, ou par un interrupteur mécanique (30). Les caracteristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexes, dans lesquels : - la figure 1 represente le principe de fonctionnement de l'électronique permettant d'effectuer la soustraction des oscillations délivrées par deux oscillateurs. Elle donne les oscillogrammes presents aux principaux points du circuit. - la figure 2 represente un schéma de principe de l'électronique utilisée. - la figure 3 représente le positionnement des deux thermistances R1 et R2. - la figure 4 donne un schéma réel, pouvant être utilisé. - la figure 5 représente suivant deux vues (coupe et vue de gauche couvercle enlevé) le bolier de l'appareil. - la figure 6 représente l'interrupteur a membrane déformable permettant d'armer la sécurité. - la figure 7 représente le fonctionnement de l'ILS permettant de détecter tout "débranchement" de l'appareil. - la figure 8 représente le circuit électrique de securite. - la figure 9 représente une version mécanique de l'interrupteur de sécurité. En se reportant à la figure 1, on peut comprendre le principe du répartiteur. Un premier oscillateur délivre des creneaux carrés (figure la) dont la fréquence F1 est une fonction de la température T1 . Ce resultat est obtenu en utilisant l'oscillateur (1), representé sur la figure 2. Celui-ci peut être réalisé, par exemple, en utilisant une porte "et" inverseuse (2), suivie d'un amplificateur inverseur (3), dont la sortie attaque un compteur binaire (8), en même temps qu'elle est reliée a un condensateur C1. L'autre borne de ce condensateur est reliée à une thermistance R1 dont l'autre connexion va à l'entrée de l'amplificateur (3) , en même temps qu'a une résistance (4) dont l'autre connexion va à l'entrée de la porte lnverseuse (2).Ce schéma bien connu donne une oscillation dont le fréquence F1 vaut Fl = (1) 2,3 R1 C1 Si R1 est constituee par une thermistance, la valeur ohmique de R1 dépend de la température suivant la loi 1 1 B(- - - ) R1 = R1 e T1 T0 (2) (T) (T0) où B est un coefficient généralement compris entre 2 800 et 4 450 Kelvins et R1(T0) désigne la valeur de R1 a la température To, qui est arbitraire. Pour le cas qui nous occupe, il est pratique de prendre To=273 (température de 0 Celcius). Dans ces conditions, l'expression (2) devient B(273 - T1) R1 = R1 e 273 T1 (3) (T) (273) Pour fixer les idées, prenons une valeur moyenne de B. Par exemple B = 3 500 K et posons : T1-300 e e exprimant la température en degrés Celcius. On peut alors écrire une forme simplifiée de la relation (3) en remarquant que T1 varie en fait assez peu dans notre application, disons de 300 a 360 K, et que, par conséquent, on peut la remplacer par une valeur moyenne de 330 K. On trouve alors : -3,88.10-2 e R1 = R1 e (4) (e) (o) On peut alors exprimer F1 : F1 = (5) (e) -3,88.10-2 e 2,3 Cl R1 e (o) Cet oscillateur attaque le diviseur binaire (8), dont on utilise une sortie S correspondant à une division par N. Sa variation temporelle est représentée sur la figure lb. Un deuxième oscillateur (12), représenté sur la figure 2, est analogue au précédent. Il utilise pour fixer sa fréquence F2 un condensateur C2 et une résistance variable R2, qui peut également être constituée par une thermistance. La sortie de cet oscillateur est représentée sur la figure lc. On constate que l'oscillation est interrompue périodiquement, c'est-à-dire aussi longtemps que S1 est à l'état haut. Ceci est obtenu en utilisant la sortie SI pour bloquer la porte (6) et, par conséquent, interdire le fonctionnement de ce deuxieme oscillateur (12) en même temps que le contenu du compteur (9), qui est attaqué par ledit oscillateur, est remis à zéro. Ainsi, l'oscillateur (12) fonctionne entre les instants t2 et t4. L'oscillogramme de la figure id représente l'état de la sortie S2 du compteur (9). Entre tl et t , le niveau est bas, puisque S1 effectue une remise à zéro. Entre 52 et t3 , 52 est bas, jusqu'à ce que le nombre N soit atteint. A cet instant, noté t , la sortie S2 devient haute, et le reste pendant la durée #t, comprise entre t3 et t4.On peut écrire la relation : 1 1 #t = N = [ - - - ] (F1 # F2) (6) F1 F2 Pendant l'intervalle #t la sortie de l'oscillateur (1) peut etre transmise jusqu'au compteur de stockage (10), par l'intermédiaire de la résistance (11). En dehors de cet intervalle de temps, l'entrée du compteur (10) est maintenue basse par la diode D qui est reliée à la sortie S2. L'oscillogramme de la figure le montre les n impulsions entrant dans le compteur (10) et qui sont égales à : 1 1 n = F1 N [- - -] (7) F1 F2 Or, on a : 1 F1 = (8) 2,3 C1 R1 e-3,88.10-2 #1 (o) et : 1 F2 = (9) 2,3 C2 R2 e-3,88.10-2 #2 (o) On prendra, pour simplifier : R1(o) = R2(o)=Ro et C1 = C2 = C,ce qui permet d'exprimer n.On trouve ainsi, tous calculs faits: n = 2,3 F1 N Ro C e-3,88.10-2 #1 [1 - e-3,88.10-2 (#2-#1) ] (10) En posant R' (valeur de la thermistance à la température ambiante) telle que -3,88.10-2 t (11) R' = Ro e on a : n = N [1 - e-3,88.10-2 (#2 - #1) ] (12) qui montre que n est fonction de la différence de température entre les deux capteurs Ri eut R2.Si (#2-#1) est faible, la relation (12) prend la forme simplifiée : n = 3,88.10-2 N (#2 - #1) (13) Ainsi, le compteur (10) va accumuler les différentes valeurs Ni correpondant aux écarts de température (#2-#1)i enregistrées au cours d'une grande durée t (par exemple, quelques mois). Il indique un nombre Nc tel que : tFl/N Nc = z 3,8.10-2 N (92-el)i (14) i=l Pour donner une idée du résultat obtenu, on admettra que (#2-#1) reste constant, ou plus exactement qu'on sache définir une valeur moyenne zon = -ol. La relation (14) devient alors remarquablement simple Nc = 3,88.10-2 F1 m t (15) Examinons maintenant le fonctionnement d'un radiateur domestique. Sa température de surface, qu'on conviendra de désigner par #2, est généralement trop basse pour que les échanges thermiques par rayonnement jouent un role significatif. Ce sont les phénomènes de convexion qui vont permettre au "radiateur", qu'il est preférable de nommer "convecteur", de céder son énergie à l'air ambiant, qui est à la température ei.La puissance P ainsi échangée peut s'exprimer par la relation : P = A (#2-#1) (16) ou A est un coefficient qui dépend de la forme et de la surface du convecteur. Le dispositif que nous venons de décrire permet de mesurer cette puissance. En effet, en combinant (14) et (16), on peut écrire : tF1/N Nc = 3,88.10-2 N # Pi (17) A i =1 On peutr comme précédemment, définir une puissance moyenne Pm. On a alors 3,88.10-2 Nc = Fl Pm t (18) A Ce résultat peut encore prendre une forme intégrale 3,88.10-2 t N, Fîf P(t)dt A O On voit donc que le contenu du compteur N est bien représentatif de l'énergie dissipée dans la pièce par le radiateur. C'est donc un excellent moyen pour mesurer la consommation d'énergie. Il convient ici de noter que le système pourrait fonctionner avec une seule thermistance, R2 en l'occurence. Dans ce cas, R1 resterait constante et, par conséquent, F1 aussi. Ceci reviendrait a dire que la température ambiante de la pièce est supposée constante, ce qui n'est pas nécessairement le cas. Pour se convaincre de l'intérêt d'un dispositif mesurant les écarts réels de température, examinons deux radiateurs identiques, places dans des pieces identiques, a ceci près que la premiere est bien isolée et la seconde mal isolée. La température o2 du second radiateur sera plus basse que celle o2 du premier radiateur, si les températures et débits d'eau sont identiques.Avec une mesure a une seule thermistance, on trouvera donc que la pièce mal isolée consomme moins d'énergie La figure 3 représente la disposition pratique des deux sondes -de température. La thermistance R2 est fixée sur le corps (13) du convecteur, tandis que la thermistance Ri est placée i distance, de façon a se trouver en contact avec le flux descendant de l'air ambiant. Les deux thermistances sont reliées électriquement au bottier électronique (14) dont on a détaillé la fonction ci-dessus. La figure 4 représente, à titre indicatif et bien entendu nullement timitatif, un exemple de réalisation du circuit électronique. Il est constitue de quatre circuits intégrés CMOS ; deux 4060 et deux 4020. Les deux premiers comprennent un oscillateur R-C, donnant les fréquences Fl et F2, tandis que les deux derniers sont des diviseurs binaires à 14 étages. Ils sont connectés en série et constituent le compteur de stockage (10), qui a donc au total 28 étages, ce qui lui permet de compter jusqu'à 6,68.108. Seuls les 10 bits de plus grand poids sortent sur une prise (15) 13 broches (une pour la masse, une pour la remise à zéro, et enfin une pour vérifier que l'appareil n'a pas été viole). L'oscillateur F1 a une fréquence voisine de 10 Hz. La division dans les compteurs (8) ou (9) s'effectue sur 9 bits. N vaut donc N = 512 La fréquence à la sortie S1 est donc de 10/512 = 1,95.10-2 Hz (periode de 51 s). Ainsi, toutes les 51 secondes, on effectue une mesure. Le nombre de coups comptes à chaque mesure est donc de n = 19,86 (q2-q1) (20) Pour une différence de température de 50"C, on comptera donc n50 993 coups On voit que la précision peut être excellente. Le nombre de coups par jour, dans cette même hypothese de o=50 C,sera : n50 .1 jour = 1,68.106 soit encore, pour une année de chauffage, qu'on peut estimer à 100 jours nan = 1,68.108 ce qui permet, compte tenu de la capacité du compteur, de stocker 4 années de chauffage. Le nombre relevé au compteur, donc sur les 10 bits accessibles, sera de Nc (1 an) = 640 On volt que, même pour une faible consommation, disons le dixième par exemple, la précision de la mesure restera de l'ordre du pourcent, ce qui est excellent. Le montage mécanique du dispositif suivant l'invention est représenté schématiquement sur la figure 5. Le bottier est constitué de deux coquilles. L'une (17) est en plastique et comporte un insert (16) en laiton, qui est au contact thermique avec le convecteur, non représenté sur la figure. L'autre coquille (18) est en aluminium coulé sous pression, et comporte des ailettes permettant un aussi bon contact thermique que possible, avec l'air ambiant. Ce bottier (18) est en contact thermique avec la thermistance R1, tandis que l'insert (16) est en contact thermique avec la thermistance R2.Sur une plaque de circuit imprimé (26) sont fixés tous les composants électroniques et notamment les circuits intégrés (23), un interrupteur a lame souple (ILS) (24), un interrupteur à lame déformable (21), un fusible calibré en résistance (25) et la pile d'alimentation (20). Les deux coquilles du bottier sont assemblées au moyen de deux ou trois vis (27), placées de telle façon qu'elles soient inaccessibles lorsque le dispositif est fixé sur le convecteur. La coquille (18) comporte en son centre un trou dans lequel on peut introduire une canne (19) comportant à son extrémité 13 points de touche qui vont s'appuyer sur les pistes du circuit imprimé de façon a établir un contact. On realise ainsi le connecteur (15) indiqué sur la figure 4. Cette opération permet d'effectuer le relevage du compteur (10) Pour éviter que le répartiteur suivant l'invention ne puisse etre débranché par un utilisateur indélicat, il comporte un détecteur d'effraction, qui consiste essentiellement en un ILS (24), qui se ferme des que le repartiteur n'est plus en contact avec la surface métallique (acier) du radiateur. Ce resultat est obtenu grace a la disposition de la figure 7. Un aimant permanent (22) est insére dans la coque plastique (17), de façon a se trouver très proche de la paroi du radiateur. Son flux magnétique se ferme donc par cette paroi. Si on supprime la paroi, il se répand dans l'espace et peut agir sur (24), provoquant sa fermeture. Cet ILS (24) est placé dans le circuit de la figure 8. Quand le répartiteur est assemble au radiateur, on peut introduire, par un trou ménagé a cet effet dans (18), une fine tige d'acier qui vient fermer le contacteur à lame deformable (21) Si 1'ILS (24) vient a se fermer, il provoque la destruction du fusible (25), dont on peut vérifier l'intégrité a chaque fois qu'on fait un relevage. Une sortie "test d'effraction" est disponible sur le connecteur (15).La figure 6 représente un détail du contacteur (21). Il consiste essentiellement en une membrane métallique circulaire (27), emboutie en son centre suivant une calotte sphérique. Elle~ est collée sur le circuit imprime (26), par l'intermédiaire d'une entretoise isolante (28), de façon à ce qu'une piste du circuit imprime passe dessous. Elle est par ailleurs reliée électriquement a une autre piste par un pontage. Si on appuye sur la membrane, qui est a l'origine convexe, avec une tige, on déforme brusquement la membrane, qui devient alors concave (traits en pointillés), ce qui assure le contact entre les deux pistes, sans qu'il soit possible, avec la tige, de revenir en arrière. La sécurité est donc armez". La fixation du répartiteur sur le convecteur peut s'effectuer au moyen de l'insert (16), qui peut hêtre visse ou rivé sur ledit convecteur. On peut également avoir un insert arasant la surface plane du fond du boîtier (17). I1 peut alors être collé sur la.surface du convecteur. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, les oscillateurs (1) et (12), delivrant des fréquences F1 et FZ, attaquent chacun un diviseur binaire par N. Les deux sorties de ces diviseurs attaquent un cpmpteur-decompteur, qui fait directement office de stockage de l'information. La securite est realisee cette fois en remplaçant 1'ILS (24) par un interrupteur mécanique, représenté sur la figure 9. I1 est constitue par une lame souple (30), assurant un contact à son extrémité avec une piste du circuit imprimé (26), sur lequel elle est soudee. En position "boîtier ferme", la lame est repoussee par une tige (29), qui sort du boitier (17) par un petit trou. Si on décolle (17) de la paroi du convecteur, le contact se ferme. REVENDICATIONS 1) Repartiteur électroniqe de consommation de chauffage pour habitat collectif, caractérisé en ce qu'il comporte deux thermistances, R1 et R2, insérées dans le circuit de deux oscillateurs (2),(3) et (6),(7), des moyens (8) et (9) permettant d'effectuer la soustraction des oscillations des deux oscillateurs, des moyens (10) permettant de stocker le résultat des soustractions successives, et enfin des organes de securité (21), (22), (24), (25), (29), (30), permettant de rendre l'appareil inviolable. 2*) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la thermistance R2 est au contact thermique avec la paroi du convecteur, tandis que la thermistance R1 est en contact avec une pièce métallique qui est a la température de l'air ambiant. 3*) Dispositif suivant la revendication 1, caractérise en ce que la thermistance R1 est remplacée par une simple resistance. 4*) Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens (8) et (9) permettant de soustraire, pendant une période donnée, le nombre d'oscillations de chaque oscillateur, sont des compteurs binaires. 5 ) Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens permettant d'effectuer la soustraction des oscillations consistent en un compteur-décompteur. 6*) Dispositif suivant les revendications de 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (10) permettant de stocker un nombre d'oscillations, sont constitues par une serie de compteurs binaires, éventuellement suivis d'un compteur mécanique ou thermique. 7g) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérise en ce que les organes de sécurité permettant de rendre l'appareil inviolable consistent en un fusible (25), commandé par un ILS (24), lul-meme actionné par un aimant permanent (22) qui rayonne un champ magnétique influencé par la présence du convecteur, ou par un interrupteur mecanique (30).