Brevet FR2875289A1 — publié le 20060317

PROCÉDÉ POUR LA RÉGULATION DU RAPPORT AIR/GAZ D'UN BRêLEUR ET BRêLEUR METTANT EN UVRE CE PROCÉDÉ La présente invention concerne le domaine des brûleurs à gaz, et plus précisément les brûleurs comprenant un dispositif de régulation active du rapport air/gaz. Le fonctionnement général d'un tel brûleur est décrit dans le brevet français FR2775782 concernant un dispositif pour la régulation active du rapport air/gaz d'un brûleur comprenant un dispositif de mesure de pression différentielle. Le brûleur de l'art antérieur comprend un mélangeur air/gaz situé en amont du brûleur, une conduite d'air contenant un diaphragme calibré d'air et connectée à une première entrée dudit mélangeur air/gaz, une conduite d'alimentation en gaz contenant un diaphragme calibré de gaz et connectée à une seconde entrée dudit mélangeur air/gaz. Il comprend par ailleurs des moyens de réglage des débits d'air et de gaz envoyés audit mélangeur air/gaz disposés en amont desdits diaphragmes calibrés d'air et de gaz. Un dispositif de mesure de pression différentielle est branché de manière à délivrer un signal de mesure représentatif d'au moins un des paramètres que sont le débit d'air dans la conduite d'air, la différence des pressions d'air et de gaz dans les conduites d'air et de gaz et le débit de gaz dans la conduite de gaz (38) de manière à ce que la quantité de gaz envoyée au mélangeur air/gaz {36) soit telle que le rapport air/gaz ait une valeur prédéfinie. Chacun des dispositifs de mesure de pression différentielle comprend un capteur de pression différentielle ayant des premier et second orifices d'entrée raccordés respectivement à des première et seconde prises de pression dont l'une comprend un orifice calibré d'étranglement et une sortie qui, en service, délivre un signal représentatif d'une différence de pression entre les premier et second orifices d'entrée dudit capteur une vanne à deux voies. Une première voie est reliée à celle des première et seconde prises de pression dans laquelle est inséré ledit orifice calibré d'étranglement entre cet orifice calibré et l'orifice d'entrée correspondant du capteur et dont une seconde voie est reliée à l'autre des première et seconde prises de pression. L'orifice calibré présente une section de passage nettement plus petite que celle de ladite vanne à deux voies isolant l'un de l'autre les deux orifices d'entrée, lorsqu'elle est dans un premier état, et les met en communication l'un avec l'autre, lorsqu'elle est dans un second état. Le dispositif de l'art antérieur comprend en outre des moyens de mémorisation reliés à la sortie de chaque capteur pour mémoriser au moins deux valeurs du signal de sortie de chaque capteur et une unité de commande reliée à ladite vanne à deux voies et aux moyens de mémorisation pour commuter ladite vanne à deux voies et commander la mémorisation d'une première valeur du signal de sortie du capteur quand la vanne à deux voies est dans son premier état, et la mémorisation d'une seconde valeur du signal de sortie du capteur dans lesdits moyens de mémorisation quand la vanne à deux voies est dans son second état. Il comprend encore des moyens pour calculer la différence entre lesdites première et seconde valeurs du signal de sortie du capteur lesdits moyens de mémorisation et ledit moyen de calcul de la différence formant un circuit de mesure qui délivre en sortie un signal de mesure représentant la valeur exacte de la différence des pressions respectivement appliquées aux premier et second orifices d'entrée de chaque capteur. Un autre document de l'art antérieur, le brevet européen EP0644377B1 décrit un dispositif de régulation pour l'envoi de gaz et d'air de combustion à un brûleur d'une manière commandée par le besoin en chaleur d'un appareil d'utilisation, dans lequel É un signal de sortie, qui correspond au besoin en 10 chaleur, d'un régulateur du besoin en chaleur commande l'envoi d'air de combustion; É un dispositif de mesure de pression différentielle produit un signal de pression différentielle, qui est proportionnel au courant d'air de combustion, et l'envoie aux deux chambres à membrane d'un module de commande pneumatique; É le signal de sortie pneumatique du module de commande charge la membrane d'une vanne principale d'envoi de gaz, qui est montée dans la canalisation d'amenée de gaz et est commandée par la membrane; É la chambre de commande de la vanne principale d'envoi de gaz est raccordée d'une part par l'intermédiaire d'un premier étranglement à l'entrée de gaz de la vanne principale d'envoi de gaz et d'autre part à une vanne d'évacuation prévue dans le module de commande et dont le corps de fermeture est porté par la membrane du module de commande; É la chambre de pression du module de commande est raccordée au côté haute pression du dispositif de mesure de 30 pression différentielle É la chambre d'évacuation du module de commande est raccordée d'une part par l'intermédiaire d'un second étranglement à la sortie de la vanne principale d'envoi de gaz et d'autre part, par l'intermédiaire d'un troisième étranglement, au côté basse pression du dispositif de mesure de pression différentielle. Le brevet américain US4645450 décrit un système de réglage de débit qui permet de régler de façon optimale le débit d'air et de combustible fournis à un brûleur dans une pluralité de modes de fonctionnement comprenant toute la plage de chauffage du brûleur. Le système comprend une paire de senseurs de pression différentielle connectés entre la conduite d'air et le brûleur, et entre la conduite de combustible et le brûleur, de même qu'une paire de soupapes d'air et de combustible, actionnée à l'électricité pour régler la pression de l'air et du combustible destinés au brûleur. Le système comprend en outre un dispositif de commande par microprocesseur électriquement connecté aux senseurs de pression et aux soupapes de réglage de la pression d'air et de combustible. Des rapports optimaux de pression air/combustible sont empiriquement dérivés à chaque point de la plage de chauffage du brûleur par des fluxmètres amovibles connectables, des détecteurs d'oxygène et des couples thermo-électriques. Ces informations sont enregistrées dans la mémoire du dispositif de commande par micro-ordinateur. L'utilisation d'un dispositif de commande par micro-ordinateur en association avec un fluxmètre connectable et amovible et avec un couple thermo-électrique permet de réadapter aisément le système à un brûleur existant sans qu'il soit nécessaire d'installer des fluxmètres à diaphragme à paroi mince La demande de brevet japonais JP59212622 décrit un dispositif de mesure de pression différentielle pour la régulation du rapport air/gaz, mettant en uvre un capteur différentiel. Les différentes solutions de l'art antérieur mettent en uvre des composants coûteux, tels que plusieurs capteurs de pression ou des vannes trois voies. Les capteurs de pression différentielle bon marché présentent souvent une dérive thermique et une dérive à long terme. A cause de ces dérives, la valeur du signal de sortie du capteur différentiel n'est pas toujours nulle lorsque les pressions appliquées aux orifices d'entrée sont égales et les mesures sont donc faussées. Le but de la présente invention est de proposer un brûleur comprenant un dispositif de régulation simplifié, avec un seul capteur de pression différentiel et aucune vanne à trois voies, la calibration étant réalisée par un traitement des informations fournies par ce capteur différentiel et optionnellement par le capteur de température du corps de chauffe, grâce à une procédure automatique de calibrage. À cet effet, l'invention concerne, selon son mode de mise en uvre le plus général, un procédé de régulation d'un brûleur de chaudière comprenant un capteur de pression différentiel unique, raccordé d'une part à un conduit d'alimentation en air d'une chambre de mélange, et d'autre part au conduit d'alimentation en gaz sous pression de ladite chambre de mélange, en amont des diaphragmes calibrés prévus sur lesdits conduits, caractérisé en ce qu'il comporte des séquences périodiques de calibrage consistant à : mesurer la vitesse de rotation Nréf du moteur du ventilateur correspondant une pression différentielle de référence APréf mesurée par ledit capteur de pression différentiel, la vanne d'alimentation en gaz étant fermée calculer et enregistrer au moins un paramètre 1, k représentatif des caractéristiques du conduit d'évacuation des fumées, ainsi que les valeurs Nmin et Nmax correspondant à la limite respectivement inférieure et supérieure de la vitesse de rotation du moteur. Selon une première variante, la valeur de la température est fournie par le capteur de température du corps de chauffe. Selon une deuxième variante, la valeur de la température est fournie par le capteur de température de l'air d'alimentation ou de la température des fumées. Selon un mode de mise en uvre particulier, la pression différentielle de référence Préf est égale à 100 pascals. Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comporte une étape de recalage du capteur de pression différentielle consistant à ouvrir une vanne d'autozéro placée sur un conduit reliant les deux entrées du capteur de pression, à interrompre l'alimentation du moteur du ventilateur et à enregistrer la valeur du signal So délivrée par le capteur de pression différentielle, puis à refermer la vanne d'autozéro et à soustraire So à la mesure. Selon un mode de mise en uvre préféré, le procédé comporte une procédure d'allumage comportant une étape de passage de la régulation du moteur par le capteur de pression vers une régulation du moteur avec le compte-tours, à une valeur Nréf, une étape d'allumage après l'ouverture de la vanne modulante de gaz et de lecture de la pression différentielle air/gaz, et une étape de commande de la vanne modulante gaz par un algorithme de régulation qui prend comme signal d'entrée le capteur de pression différentielle air/gaz. Selon un exemple de mise en oeuvre, on régule la différence de pression air/gaz AP air/gaz à une première valeur prédéterminée par exemple 5 pascals pendant la phase d'allumage pour faciliter l'allumage. Avantageusement, on régule la différence de pression air/gaz AP air/gaz à une deuxième valeur prédéterminée, par exemple 0 pascal après la phase d'allumage pour obtenir un bon rapport air/gaz. Selon une variante préférée, la régulation de la vitesse du moteur du ventilateur en fonction de la puissance de chauffe est bornée par des valeurs Nmin(T) et Nmax(T) fonction de la température T mesurée pendant le fonctionnement du brûleur et de la valeur la valeur Nréf avant l'allumage du brûleur. L'invention concerne également un brûleur pour chaudière, comprenant une chaîne de mélange alimentée par un mélange air/gaz par l'intermédiaire d'un dispositif de régulation comprenant un ventilateur entraîné par un moteur électrique à vitesse variable, relié à la chambre de mélange par l'intermédiaire d'un conduit présentant un diaphragme calibré, et une alimentation en gaz combustible sous pression débouchant dans ladite chambre de mélange par l'intermédiaire d'une vanne proportionnelle et d'un diaphragme calibré, caractérisé en ce que qu'il comporte un capteur de pression différentiel unique, raccordé d'une part au conduit d'alimentation en air, et d'autre part au conduit d'alimentation en gaz sous pression, en amont des diaphragmes calibrés, le brûleur comportant en outre un calculateur pour déterminer et mémoriser périodiquement au moins un paramètre 1, k représentatif des caractéristiques du conduit d'évacuation des fumées pendant des étapes de calibration où ledit calculateur enregistre la vitesse de rotation Nréf du moteur du ventilateur pour une pression différentielle de référence Préf mesurée par ledit capteur de pression différentiel, et calcule en fonction de ces paramètres les valeurs Nmin et Nmax correspondant à la limite respectivement inférieure et supérieure de la vitesse de rotation du moteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant au dessin annexé (figure 1) représentant une vue schématique d'un exemple d'un brûleur selon l'invention. Ce brûleur comprend une chambre de mélange (1) dans lequel débouche un conduit d'alimentation en air (2) et un conduit d'alimentation en gaz (3). Le conduit d'alimentation en air (2) comprend un diaphragme (21) formant un passage calibré pour le flux d'air provenant d'un ventilateur (22) entraîné par un moteur électrique (23). La vitesse de rotation de ce moteur (23) est régulée par un calculateur, et il comporte un capteur de vitesse (24) délivrant un signal exploité par ledit calculateur. Le circuit d'alimentation en gaz comprend un raccordement (33) à une arrivée de gaz sous pression, commandée par une vanne proportionnelle (32) . Un diaphragme (31) formant un passage calibré pour le flux de gaz. Un capteur de pression différentielle (10) est relié d'une part au conduit d'arrivée d'air, en amont du diaphragme {21), et d'autre part au conduit d'arrivée de gaz, en amont du diaphragme (31). Un diaphragme (25) forme un passage calibré entre le capteur (10) et le conduit d'air.A titre d'exemple, le diamètre est de 5/10 de millimètres. Le capteur (10) peut être court-circuité par un conduit (11) reliant les deux entrées du capteur (10), ce conduit comportant une vanne (12) permettant d'activer ou de désactiver le raccordement des deux entrées du capteur de pression différentielle. La vanne (12) présente, à titre d'exemple, un diamètre 10 fois supérieur, soit 5 millimètres à celui du diaphragme (12). Le fonctionnement du brûleur est explicité dans ce qui suit. Dans un premier temps, on procède à un étalonnage du capteur de pression différentielle (10). Pour cela, on arrête le fonctionnement du moteur (23) . On commande l'ouverture de la vanne (12), et on attend pendant un temps d'environ une seconde la stabilisation des pressions dans le conduit (11) ainsi que dans le capteur (10). La pression différentielle aux bornes du capteur (11) est nulle, du fait du raccordement des deux entrées. On mémorise alors la valeur du signal délivré par le capteur (10), correspondant à la valeur d'offset E, c'est-à-dire l'erreur à zéro indiquée par le capteur (10). Cette valeur d'offset E permet de corriger la valeur délivrée par le capteur (10) : Désormais OP = APmesurée E iPmesurée = pression différentielle lue par le capteur AP = pression sans l'erreur du capteur Après cette opération d'étalonnage, on referme la vanne (12). Cet étalonnage est réalisé périodiquement, par exemple 30 à chaque allumage du brûleur, ou seulement après une durée d'utilisation ou d'inactivité prédéterminée. REGULATION DU DEBIT D'ALLUMAGE ET MESURE DU CONDUIT D'EVACUATION DES FUMEES Le procédé selon l'invention prévoit l'adaptation automatique des paramètres de fonctionnement aux caractéristiques du conduit d'évacuation des fumées. Ce paramétrage est réalisé périodiquement. Il comporte les étapes suivantes: la vanne gaz proportionnelle (32) n'est pas 10 commandée et la vanne autozéro (12) est fermée. le capteur de pression différentielle mesure la perte de charge de l'opercule d'air. Ce signal est représentatif du débit d'air à la température ambiante 0 (AP = K Q2 où K est un coefficient dépendant de la géométrie de l'opercule et où Q est le débit d'air). le ventilateur est commandé : On régule APair = 100 pascals Lorsque APair = 100 p 2p, - on note la valeur du compte-tours moteur qui permet 20 d'atteindre 100 Pa: N1000, et on enregistre la température du corps de chauffe: 0 qui est représentative de la température de l'air. Alternativement, on pourrait mesurer directement la température de l'air, mais cela nécessiterait un capteur 25 supplémentaire. ALLUMAGE DU BRULEUR: - on arrête la régulation du moteur (23) avec le capteur de pression (10) et on enchaîne directement avec une régulation du moteur avec le compte- tours: on régule le moteur à N100. Il n'y a donc aucune variation sur la vitesse du moteur ni sur la pression différentielle du débit d'air. On attend une stabilisation de l'algorithme de régulation avant de passer à l'étape suivante. - on permet l'ouverture de la vanne de gaz (32) en même temps que l'on commande le dispositif d'allumage (par exemple un allumage par étincelle). Le capteur de pression fait maintenant une lecture de la pression différentielle air/gaz. - la vanne modulante gaz est commandée par un algorithme de régulation qui prend comme signal d'entrée le capteur de pression différentielle air/gaz. Dans notre application il régule \P air/gaz = 5 pascals pour faciliter l'allumage (effet starter ). On attend 5 secondes que l'allumage soit terminé et que la flamme soit stabilisée et on passe à l'étape suivante. - on régule iP air/gaz = 0 VARIATION DE LA PUISSANCE Il est important de faire varier la puissance entre des bornes précises déterminant la puissance mini et la puissance maxi. En dehors de ces bornes, la bonne hygiène de combustion ne pourrait plus être garantie. Dans le cas d'un système à 2 capteurs, les bornes de puissance sont données pour la AP air mini et la AP air maxi. Dans le cas du système mono-capteur, c'est le compte-tours qui va donner la borne mini à la température de fonctionnement e: N1 e, et la borne maxi à la température de fonctionnement e: N2 0. À la température 9, la vitesse de rotation du moteur 30 du ventilateur sera toujours comprise entre N1 0 et N2 e. Ces bornes Ni e et N2 8 dépendent de la température et aussi de la longueur du conduit de cheminée sur laquelle la chaudière est installée. On a fait des mesures des bornes en laboratoire sur les conduits de fumées les plus courts possible et les conduits de fumées les plus longs possible dans toutes les conditions de température que l'on rencontrera lors du fonctionnement. Ces données expérimentales sont rentrées dans un tableau: TABLEAU DES DONNEES EXPERIMENTALES 0 91 Ni conduit Ni mini Ni mini Ni mini Ni mini Ni mini Ni mini court 0 10 20 80 90 91 N2 conduit N2 mini N2 mini N2 mini N2 mini N2 mini N2 mini court 0 10 20 80 90 91 N100 conduit N100 N100... N100 N100 mini court mini 0 mini mini 91 10 80 Ni conduit Ni maxi Ni maxi... Ni maxi... Ni long 0 10 80 maxi9l N2 conduit N2 maxi N2 maxi... N2 maxi N2 long 0 10 80 maxi9l N100 conduit N100 N100... N100... N100 long maxi 0 maxi maxi maxi9l 10 80 Détermination de la tranche de température Le microcontrôleur ayant mesuré 0, calcule à qu'elle tranche de température du tableau la mesure se situe: par exemple: 0 = 75 La tranche de température est 71 à 80 . Dans le calcul de 1 et de K, on utilisera: N100 mini 80 et N100 maxi 80 - calcul de 1 et K On calcule le degré d'appartenance de la chaudière équipée du conduit d'évacuation des fumées inconnues à l'ensemble conduit court et à l'ensemble conduit long . Ayant mesuré 0 et N100 0 le tableau des données expérimentales étant en mémoire, le microcontrôleur 5 calcule: 1 et K: 1 = (N100 0 - N100 mini 0)/(N100 maxi 0 - N100 mini 0) K = (N100 maxi 0 - N100 0)/(N100 maxi 0N100 mini 0) Le degré d'appartenance 1 et K sont indépendants de la température. Le calcul de K et 1 est fait pour chaque démarrage de brûleur et les résultats du calcul sont conservés jusqu'à l'arrêt du brûleur. - calcul des limites de modulation N1 0 et N2 0: Durant l'allumage du brûleur, le microcontrôleur détermine en permanence la tranche de température et calcule N1 0 et N2 0 avec les données appropriées du tableau des données expérimentales . N1 0 = K * N1 mini 0 + 1 * N2 maxi 0 N2 0 = K * N2 mini 0 + 1 * N2 maxi 0 Jusqu'à l'arrêt du brûleur, on mesure 0 et à chaque changement de tranches de température, on recalcule N1 0 et N2 O. La vitesse du ventilateur est régulée entre N1 0 et N2 25 0 en fonction des besoins de la régulation de température. AUTOZERO EN VOL À intervalles réguliers, il est nécessaire de ré étalonner le zéro du capteur durant le fonctionnement du brûleur. le brûleur étant allumé, on attend 10mn et on passe à l'étape suivante. On bloque la commande du ventilateur et la commande de la vanne modulante gaz; on attend une seconde que le système se stabilise et on passe à l'étape suivante. On ouvre la vanne autozéro (12) et on attend que les pressions se stabilisent 1s et on passe à l'étape suivante. On referme ensuite la vanne autozéro (12) et les régulations du moteur et de la vanne autozéro reprennent la main. REVENDICATIONS 1 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière comprenant un capteur de pression différentielle (10) unique, raccordé d'une part à un conduit d'alimentation en air (2) d'une chambre de mélange (1), et d'autre part au conduit (3) d'alimentation en gaz sous pression de ladite chambre de mélange, en amont des diaphragmes calibrés (21, 31) prévus sur lesdits conduits (2, 3), caractérisé en ce qu'il comporte des séquences périodiques de calibrage consistant à : - mesurer la vitesse de rotation Nréf du moteur (24) du ventilateur (23) correspondant à une pression différentielle de référence LU'réf mesurée par ledit capteur de pression différentielle (10), la vanne d'alimentation {32) en gaz étant fermée, calculer et enregistrer au moins un paramètre 1, k représentatif des caractéristiques du conduit d'évacuation des fumées, ainsi que les valeurs Nmin et Nmax correspondant à la limite respectivement inférieure et supérieure de la vitesse de rotation du moteur (23). 2 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la régulation de la vitesse du moteur du ventilateur en fonction de la puissance de chauffe est bornée par des valeurs Nmin (T) et Nmax (T) fonction de la température T mesurée pendant le fonctionnement du brûleur et de la valeur Nréf mesurée avant l'allumage du brûleur. 3 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur de la température est fournie par le capteur de température du corps de chauffe. 4 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur de la température est fournie par le capteur de température 5 de l'air d'alimentation. - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur de la température est fournie par le capteur de température des fumées. 6 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression différentielle de référence APréf est égale à 100 pascals. 7 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de recalage du capteur de pression différentielle consistant à ouvrir une vanne d'autozéro placée sur un conduit reliant les deux entrées du capteur de pression et à enregistrer la valeur du signal So délivrée par le capteur de pression différentielle, puis à refermer la vanne d'autozéro, et à soustraire So de la mesure. 8 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une procédure d'allumage comportant une étape de passage de la régulation du moteur par le capteur de pression vers une régulation du moteur avec le compte-tours, à une valeur Nréf, une étape d'allumage après l'ouverture de la vanne modulante de gaz et de lecture de la pression différentielle air/gaz, et une étape de commande de la vanne modulante gaz par un algorithme de régulation qui prend comme signal d'entrée le capteur de pression différentielle air/gaz. 9 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on régule la différence de pression air/gaz AP air/gaz à une première valeur prédéterminée pendant la phase d'allumage pour faciliter l'allumage. 10 - Procédé de régulation d'un brûleur de chaudière selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on régule la différence de pression air/gaz AP air/gaz à une deuxième valeur prédéterminée après la phase d'allumage pour faciliter un bon rapport air/gaz. 11 - Brûleur pour chaudière, comprenant une chambre de mélange alimentée par un mélange air/gaz par l'intermédiaire d'un dispositif de régulation comprenant un ventilateur entraîné par un moteur électrique à vitesse variable, relié à la chambre de mélange par l'intermédiaire d'un conduit présentant un diaphragme calibré, et un alimentation en gaz combustible sous pression débouchant dans ladite chambre de mélange par l'intermédiaire d'une vanne proportionnelle et d'un diaphragme calibré, caractérisé en ce que qu'il comporte un capteur de pression différentiel unique, raccordé d'une part au conduit d'alimentation en air, et d'autre part au conduit d'alimentation en gaz sous pression, en amont des diaphragmes calibrés, le brûleur comportant en outre un calculateur pour déterminer et mémoriser périodiquement au moins un paramètre 1, k représentatif des caractéristiques du conduit d'évacuation des fumées pendant des étapes de calibration où ledit calculateur enregistre la vitesse de rotation Nréf du moteur du ventilateur pour une pression différentielle de référence Préf mesurée par ledit capteur de pression différentiel, et calcule en fonction de ces paramètres les valeurs Nmin et Nmax correspondant à la limite respectivement inférieure et supérieure de la vitesse de rotation du moteur.