Brevet FR2804222A1 — publié le 20010727

PROCEDE DE REGULATION EN TEMPERATURE D'UN SYSTEME COMBINANT UNE BOUCLE FERMEE DE REGULATION EN TEMPERATURE AVEC UNE BOUCLE OUVERTE REALISEE A PARTIR D'UNE MESURE DE FLUX THERMIQUE La présente invention concerne un procédé de régulation en température d'un système combinant une boucle fermée de régulation en température classique avec une boucle de régulation ouverte réalisée à partir d'une mesure de flux thermique représentative du déséquilibre énergétique du système. Elle trouve principalement son application à la régulation de température de tout système susceptible de subir un déséquilibre énergétique brutal et important, du fait par exemple, mais de manière non limitative, d'une modification des conditions de charge thermique du système. La régulation de température d'un système, et par exemple d'une enceinte chauffée, utilise le plus souvent un simple capteur de température du type thermistance, thermocouple, etc., mesurant la température instantanée du système. De manière usuelle, le signal de mesure de température délivré par ce capteur est utilisé dans une boucle de régulation fermée en étant par exemple comparé à une température de consigne prédéterminée. Ce type de régulation en température en boucle fermée nécessite généralement une action correctrice, par exemple de type PID, destinée à compenser la constante de temps du système (inertie thermique) dans le but d'obtenir une régulation` la plus précise possible. Cependant, on constate en pratique que malgré la mise en oeuvre dans la boucle de régulation fermée d'une correction efficace, on ne parvient pas à effectuer une régulation satisfaisante dans le cas où le système régulé en température subit des modifications brutales de son équilibre énergétique, par exemple par un apport de masse de température différente. Un exemple, non limitatif de l'invention, de système susceptible de subir des modifications brutales de son équilibre énergétique est un bain liquide dont la température est régulée en boucle fermée à une température de consigne prédéterminée, et à l'intérieur duquel on vient plonger une masse dont la température est très différente de la température de consigne ; il s'agit par exemple d'un bain de cuisson du type bain d'huile de friteuse électrique. Dans ce type d'application, avec une régulation classique en boucle fermée, on constate qu'après introduction de la masse dans le système régulé en température, la température réelle du système qui est mesurée subit un écart important par rapport à la consigne pendant une période transitoire qui est plus ou moins longue en fonction notamment de l'importance du déséquilibre énergétique subi par le système, et du temps de réaction de la boucle fermée de régulation en température. La présente invention a pour but principal de pallier l'inconvénient ci-dessus, en proposant un nouveau procédé de régulation en température d'un système qui permet d'anticiper au moins en partie les effets perturbateurs sur la régulation en température découlant d'un déséquilibre énergétique brutal subi par le système. Le procédé de régulation en température d'un système selon l'invention est connu en ce qu'on effectue une régulation en boucle fermée de la température du système à partir d'une mesure de la température du système. De manière caractéristique et nouvelle selon l'invention, on combine, à cette régulation en boucle fermée, une régulation en boucle ouverte de la température du système à partir d'un mesure du flux thermique échangé par conduction entre le système et une masselotte. L'invention a également pour autre objet un système qui est de manière connue équipé de moyens de régulation en température comportant une boucle fermée de régulation en température. De manière caractéristique selon l'invention, les moyens de régulation comportent en outre une masselotte apte à échanger de l'énergie thermique par conduction avec le système, des moyens de mesure délivrant un signal de correction qui est représentatif du flux thermique échangé par conduction entre le système et la masselotte, et une boucle ouverte de régulation en température utilisant le signal de correction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'une variante particulière de mise en oeuvre de l'invention, laquelle description est donnée à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente de manière schématique une enceinte contenant un bain de liquide et équipée d'une sonde de température et d'un fluxmètre thermique associé à une masselotte pour la mise en oeuvre du procédé de régulation de l'invention, - la figure 2 est un synoptique des moyens de régulation de l'enceinte/bain de liquide de la figure 1, - la figure 3 est un exemple de montage électronique conforme au synoptique de la figure 2, - les figures 4 à 9 représentent des courbes de température et de flux thermique obtenues lors d'essais effectués avec le montage de la figure 3 pour la régulation en température d'un bain d'huile, et sont commentées en détail dans la description ci-après. On a représenté de manière schématique à la figure 1 une enceinte 1, dont la paroi est dans un matériau thermiquement conducteur, qui contient un bain de liquide 2, et qui est équipée de moyens de chauffage 3 de sa paroi, sous la forme par exemple de résistances électriques, permettant un chauffage par conduction de la paroi de l'enceinte, en vue d'une régulation en température du bain de liquide 2 par rapport à une température de consigne. Pour la régulation en température du bain, sur la face externe de la paroi de l'enceinte 1, est montée une masselotte 4 , qui est protégée par une enveloppe d'isolation thermique 5, à l'exception de sa face d'échange 4a orientée vers la paroi de l'enceinte. L'enveloppe d'isolation thermique est par exemple constituée d'une feuille de Téflon d'une épaisseur de l'ordre du millimètre ou bien d'une couche de fibres céramiques tissées ou agglomérées sur une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres. Entre la face d'échange 4a de la masselotte 4 et la paroi de l'enceinte 1 est interposé un fluxmètre conductif 6, réalisé par exemple à partir d'une thermopile planaire à thermojonctions distribuées. II s'agit par exemple d'une fluxmètre conductif du type de celui décrit dans la demande de brevet français FR-A-2 704 979. La paroi de l'enceinte 1 échange de l'énergie thermique avec la masselotte 4 par conduction au travers du fluxmètrè 6 et via la face d'échange 4a de la masselotte. De manière usuelle, la thermopile du fluxmètre 6 délivre à ses bornes une tension continue, dont la valeur est proportionnelle au flux thermique échangé par conduction entre la masselotte 4 et l'enceinte 1. A l'intérieur de l'enceinte 1 est en outre montée une sonde de température 7, qui est plongée dans le bain de liquide 2, et qui délivre de manière usuelle une tension de sortie dont la valeur est proportionnelle à la température du bain de liquide 2. Les signaux délivrés par la sonde de température 7 et par le fluxmètre 6 sont utilisés par des moyens électroniques de régulation conformes au synoptique de la figure 2. En référence à cette figure, le signal 7a délivré par la sonde de température 7 est traité par un étage de régulation ET1, qui est de type tout ou rien, et qui met en oeuvre - un sommateur 8, - un comparateur 9, qui délivre en sortie, à destination d'un monostable redéclenchable 10, un signal de commande 9a de type tout ou rien fonction de la comparaison du signal de mesure corrigé 8a délivré par le sommateur 8 et d'une valeur de consigne (Vcons) représentative de la température de consigne à laquelle on souhaite maintenir le bain de liquide 2 dans l'enceinte 1, - un relais R commandé par le monostable 10, et permettant la commande de puissance des moyens de chauffage 3 de l'enceinte 1. La sonde de température 7 et l'étage de ET1 constituent une boucle fermée de régulation en température du système constituée par l'enceinte l et le bain de liquide 2. Parallèlement, le signal 6a délivré par le fluxmètre 6 est traité par un étage ET2 d'amplification (gain k) et de filtrage. Cette étage ET2 délivre en sortie un signal de correction 6'a, qui est représentatif du flux thermique instantané échangé entre la masselotte 5 et l'enceinte 1. Ce signal de correction est additionné ( sommateur 8) en boucle ouverte avec le signal de mesure 7a délivré par la sonde de température. Entre la sortie de l'étage d'amplification et de filtrage ET2 et l'entrée du sommateur 8 est en outre monté un interrupteur 11, qui permet, tel que cela apparaîtra ci-après d'effectuer des essais avec régulation en température en boucle fermée seule ( interrupteur 11 ouvert) et des essais avec régulation en température en boucle fermée couplée avec une correction prédictive en boucle ouverte, qui est plus communément appelée correction feedforward , et qui conformément à une caractéristique essentielle de l'invention est de type fluxmétrique. La figure 3 est un schéma électronique d'une variante de réalisation des moyens de régulation, qui est conforme au synoptique de la figure 2, et qui présente en outre l'avantage d'être particulièrement simple et économique, mais n'est bien entendu pas limitative de l'invention. Dans un exemple précis de mise en ceuvre, les composants électroniques utilisés pour réaliser cette variante étaient les suivants amplificateurs opérationnels (A1, A2) : circuit intégré LM358 VCC : tension continue 24V TH : thermopile du fluxmètre 6 D1 : diode zener B5229 D2: diode 1 N4148 D3: diode 1 N4004 C : condensateur 1 pF P : Potentiomètre linéaire 100 KO R :relais 24 V Résistances R 1 : 1 KO R2:100 KS2 R3, R4:10 MI R5 : 50 KÇ2 R6: capteur de type CTN 100 KS2 à 25 C et environ 5 KS2 à 200 C R7:150 KQ R 8 : 22 KS2 R9: 5 M Essais de régulation Des essais ont été réalisés avec le montage de la figure 3 pour la régulation en température d'un bain d'huile de consommation alimentaire de chaleur spécifique Cs valant 2000J.Kg-' .K-'. et de masse volumique p valant 850Kg/m3 . Le volume V du bain d'huile valait 21. Le bain d'huile présentait ainsi une capacité thermique C valant 3400JIK ( C = p. Cs V). La paroi de l'enceinte 1 était en aluminium pur, d'une épaisseur de 1 ,5 mm et présentait une capacité thermique négligeable par rapport à la capacité thermique C du bain d'huile. La masselotte utilisée était réalisée en aluminium, de chaleur spécifique cs valant 880J.Kg-' .K-', et de masse volumique p valant 2600Kg/m3 . Le volume v de la masselotte valait 6cm3 (surface de la face d'échange 4a valant 6cm2 et épaisseur e de la masselotte valant 1 cm). La masselotte de la masselotte valait 6cm3 (surface de la face d'échange 4a valant 6cm2 et épaisseur e de la masselotte valant 1 cm). La masselotte présentait ainsi une capacité thermique c valant 14J/K. Le fluxmètre 6 utilisé présentait une sensibilité de 2mV/W. Les résultats de ces essais sont illustrés par les courbes des figures 4 à 9. Figures 4 et 5 ( mise en fonctionnement - régime transitoire) Les figures 4 et 5 illustrent respectivement la courbe de température mesurée par la sonde de température 7 et la courbe de flux thermique mesurée par le fluxmètre 6 lors de la mise en fonctionnement , le bain d'huile ayant une température initiale d'environ 25 C, la température de consigne pour la régulation (fixée en pratique au moyen du potentiomètre P1 sur le montage particulier de la figure 3) valant 180 C, et la correction fluxmétrique étant active ( interrupteur 11 fermé). La courbe de la figure 4 montre que la correction fluxmétrique en boucle ouverte en combinaison avec la boucle fermée de régulation en température permet d'éviter un dépassement de consigne important lors de la phase de régime transitoire correspondant à la mise en fonctionnement. A titre comparatif, sur la figure 4 est également représentée en pointillés, la courbe de température en cas de suppression de la correction fluxmétrique ( interrupteur 11 ouvert), qui fait apparaître le dépassement classique de consigne en cas de mise en ceuvre exclusivement d'une régulation classique de type tout ou rien en boucle fermée. La contrepartie du faible dépassement de consigne dans le mode de régulation de l'invention avec correction fluxmétrique est dans l'exemple illustré un léger retard pour atteindre la température de consigne. Cependant, ce retard peut être largement diminué en réalisant une agitation du bain afin d'homogénéiser la température du bain plus rapidement. Figures 6 et 7 ( régime établi) Les figure 6 et 7 représentent la courbe de température mesurée par la sonde de température 7 et la courbe de flux thermique mesurée par le fluxmètre , en régime établi autour d'une température de consigne valant 180 C, et respectivement en l'absence de correction fluxmétrique pour la figure 6 ( interrupteur 11 ouvert) et avec correction fluxmétrique pour la figure 7 ( interrupteur 11 fermé). Sans correction fluxmétriaue ( figure 6) Les cycles de chauffe ont une durée de 200s, dont 171s de refroidissement par déperdition et 29s de réchauffement (à 1600W), soit 48KJ. Les fluctuations de température sont de l'ordre de 6 C. La consommation moyenne est de 232W. Avec correction fluxmétrique ( figure 7) Les cycles de chauffe sont plus courts et ont une durée de 83s, dont 74s de refroidissement par déperdition et 12s de réchauffement (à 1600W), soit 19,2KJ. Les fluctuations de température sont nettement plus faible et de l'ordre de 1,1 C. La consommation moyenne est de 231,3W. En régime établi, le principal avantage de l'invention ; est une régulation en température plus linéaire avec de faible écarts en température par rapport à la consigne. Figures 8 et 9 ( perturbation du régime établi) Les figures 8 et 9 illustrent respectivement le comportement comparé en température des deux modes de régulation ( figure 8 en l'absence de correction fluxmétrique / figure 9 avec correction fluxmétrique), en cas de perturbation du régime établi, par immersion dans le bain d'huile 2 dont la température est régulée à une température de consigne de 180 C, d'un radiateur en aluminium de 620g présentant une température initiale de 10 C. Sans correction fluxmétrique ( figure 8) L'immersion du radiateur constituant l'instant initial (t0), le refroidissement observé dure 71s avec un décroissement continu de la température. La perte de température avant remise en chauffe est de 24 C. L'allure de cette courbe est usuellement qualifiée de banana curve . Avec correction fluxmétriaue ( figures 9) La remise en chauffe déclenchée par la composante fluxmétrique est observée après seulement 4s, et le régulateur réagit en diminuant les temps de cycles jusqu'à rétablissement d'un nouveau régime d'équilibre. La perte maximum de température n'est que de 6 C. Les résultats comparés des figures 8 et 9 montrent ainsi que la correction fluxmétrique permet de mieux anticiper les effet du déséquilibre énergétique brutal introduit par l'immersion d'une masse froide dans le bain d'huile chaud, et par là même de déclencher de manière plus précoce les moyens de chauffage en anticipant mieux la baisse de température. II en résulte ainsi un gain énergétique important dans la régulation. Choix de la masselotte De manière empirique, on peut considérer que lors d'une perturbation énergétique brutale du système régulé en température, c'est-à-dire dans l'exemple particulier précédemment décrit de l'ensemble enceinte/bain d'huile, que la masselotte joue dans la régulation un rôle de mémoire thermique du système à réguler, avant perturbation. Le choix de la masselotte devra être fait de manière empirique par l'homme du métier au cas par cas en fonction du système à réguler ,et en tenant compte des remarque ci-après. La masselotte choisie, de masse m, possède une capacité thermique : c = cs.m, où cS ( en J.Kg-'. C-') désigne la chaleur spécifique du matériau employé. Si l'on désigne par la variable r la résistance thermique globale du fluxmètre 6, la constante de temps de l'ensemble Fluxmètre / masselotte est : cm = r. c. D'une manière générale le choix de la masselotte doit être fait de telle sorte que la constante de temps im soit inférieure et de préférence très faible par rapport à la constante de temps de la fonction de transfert du système à réguler. De manière empirique, cela signifie que la masselotte doit présenter une inertie thermique qui est de préférence très faible par rapport au système à réguler. Plus particulièrement, afin de faciliter le choix de la masselotte, on peut considérer qu'un choix approprié ( mais non exclusif de l'invention) est d'opter pour une masselotte présentant une capacité thermique c au moins 100 fois plus faible que la capacité thermique C du système à réguler pour la masselotte, et de préférence c au moins 200 fois plus faible. Il convient également de souligner que la constante de temps im ne varie pas en fonction de la surface de la face d'échange 4a de la masselotte (d'une part à volume constant de la masselotte pour un même fluxmètre 6, et d'autre part à épaisseur constante de la masselotte, le fluxmètre 6 observant alors une surface identique à celle de la masselotte). Pour améliorer la régulation en tenant mieux compte de la nature distribuée du milieu à réguler, il est donc envisageable d'augmenter la surface d'échange, sans augmenter la contante de temps ; la limitation en taille de la surface d'échange est en fait limitée principalement par des raison de coût de réalisation de la thermopile du fluxmètre et de la masselotte, sachant que si l'on fait abstraction de ce coût il est préférable que cette surface d'échange soit la plus grande possible. Une autre solution, conforme à l'invention et permettant d'améliorer encore la régulation, consiste également à utiliser plusieurs ensemble masselotte/fluxmètre répartis sur la paroi de l'enceinte, et à utiliser les signaux de correction délivrés par les fluxmètres en boucles ouvertes en combinaison avec la boucle fermée de régulation en température. Egalement, un des paramètres important influant sur la qualité de la régulation est le facteur d'amplification du signal délivré au bornes de la thermopile du fluxmètre ( facteur k de l'étage ET2 de la figure 2). En pratique, on choisit de préférence le type de masselotte utilisée, puis on réglera empiriquement le gain k en sorte d'obtenir la régulation optimale souhaitée en fonction de l'application. L'invention n'est pas limitée à l'application particulière ( régulation en température d'un bain de liquide dans un enceinte) qui vient d'être décrite à titre d'exemple en référence aux figures 1 à 9, mais peut avantageusement trouver son application à la régulation en température de systèmes très variés. A titre d'exemples complémentaires et non exhaustifs de l'invention, on peut citer comme autres applications envisageables de (`invention , la régulation en température de machines frigorifiques, le contrôle des changements d'état observés sur un plateau de distillation fractionnée, ou une simple fonction d'alarme permise par la prise en compte du signal en sortie de ET2. Egalement, la régulation en température d'enceintes sièges de réactions exothermiques ou endothermiques constitue une application particulièrement avantageuse de l'invention : les industries chimique, pétrolière et nucléaire sont directement concernées par ces runaway process . Dans le domaine de la métallurgie la régulation de température de bains d'alliages peut être envisagée, l'enveloppe d'isolation thermique 5 étant alors constituée d'une couche de réfractaire, et la masselotte de molybdène, tungstène ou carbone, compte tenu des conductivités et points de fusion de ces matériaux. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation en température d'un système (1,2) selon lequel on effectue une régulation en boucle fermée de la température du système à partir d'une mesure de la température du système, caractérisé en ce que l'on combine, à cette régulation en boucle fermée, une régulation en boucle ouverte de la température du système à partir d'un mesure du flux thermique échangé par conduction entre le système et une masselotte (4). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la masselotte (4) présente une capacité thermique (c) au moins 100 fois plus faible, et de préférence au moins 200 fois plus faible que la capacité thermique (C) du système à réguler. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la masselotte est en aluminium. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on utilise une masselotte (4) qui est isolée thermiquement, à l'exception de l'une (4a) de ses faces pour l'échange thermique par conduction avec le système à réguler. 5. Système (1,2) équipé de moyens de régulation en température comprenant une boucle fermée de régulation en température, caractérisés en ce que les moyens de régulation ,en température comportent en outre une masselotte (4) apte à échanger de l'énergie thermique par conduction avec le système, des moyens de mesure (6) délivrant un signal de correction (6a) qui est représentatif du flux thermique échangé par conduction entre le système et la masselotte, et une boucle ouverte de régulation en température utilisant le signal de correction. 6. Système équipé de moyens de régulation en température selon la revendication 5 caractérisés en ce que la masselotte (4) présente une capacité thermique (c) au moins 100 fois plus faible, et de préférence au moins 200 fois plus faible que la capacité thermique (C) du système à réguler. 7. Système équipé de moyens de régulation en température selon la revendication 5 ou 6 caractérisés en ce que la masselotte est en aluminium. 8. Système équipé de moyens de régulation en température selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisés en ce que la masselotte (4) est isolée thermiquement, à l'exception de l'une (4a) de ses faces pour l'échange thermique par conduction avec le système à réguler. 9. Système équipé de moyens de régulation en température selon l'une des revendication 5 à 8 caractérisés en ce que le système comprend une enceinte (1) dont la paroi est thermiquement conductrice, et en ce que la masselotte est montée (4) sur la face extérieure de la paroi de l'enceinte, les moyens de mesure (6) de flux thermique étant interposés entre la masselotte (4) et la paroi.