Brevet FR3040092A1 — publié le 20170217

DISPOSITIF ÉLECTRONIQUE PERMETTANT LA REGULATION D'UN CHAUFFAGE ÉLECTRIQUE UTILISANT UN CAPTEUR DE TEMPERATURE INFLUENCÉ PAR LES ÉLÉMENTS CHAUFFANTS La présente invention se rapporte au domaine du chauffage électrique et concerne plus particulièrement un dispositif permettant de commander des éléments chauffants électriques afin d'obtenir la température souhaitée sans nécessiter une sonde de température distante ou isolée des éléments chauffants. Dans la mise en oeuvre d'un chauffage électrique, c'est à dire utilisant des éléments de chauffage électrique à effet joule appelés généralement radiateurs, il est nécessaire de commander les éléments chauffants (radiateurs, plinthes chauffantes, planchers ou murs chauffants...) pour que la température ressentie par les occupants soit agréable. Cette commande, appelée de manière globale régulation, a pour objectif d'obtenir la température souhaitée dans le logement. Les éléments chauffants peuvent être commandés en « tout ou rien » ou en « variation de puissance ». La variation de puissance permet d'avoir une température constante de l'élément chauffant (8) et d'éviter ainsi de créer des fluctuations de température dans la pièce (11). La variation de puissance est souvent réalisée par un « tout ou rien » sur des espaces de temps courts comparés à l'inertie thermique du système chauffant assurant ainsi une chauffe perçue comme constante. Il est important que la régulation soit de qualité car si la puissance commandée est trop importante ou non régulière la température dépassera la valeur souhaitée ou ne sera pas constante, réduisant le confort et augmentant la consommation d'énergie. Réciproquement si la commande est trop faible la température sera trop basse. La qualité de la régulation repose sur la pertinence de la 35 température mesurée dans la pièce. Comme l'illustre la figure 2, les dispositifs de régulations de chauffage électrique (9) utilisent une ou plusieurs sondes de 3040092 2 température (10) afin de mesurer la température Ti, de la pièce (11). Pour mesurer la température de la pièce T" les sondes (10) ne doivent pas être perturbées par la chaleur émise par les éléments chauffants (8). Les sondes sont donc positionnées à distance de ceux- 5 ci et si possible à un endroit représentatif de la température ressentie par les occupants, par exemple à une hauteur entre 80 cm et 150 cm du sol sur un mur intérieur. Ainsi, la température Tm mesurée par la sonde (10) est supposée très proche ou identique à la température de l'air « ressentie », 10 c'est-à-dire Tpla température de la pièce (11). Pour réaliser cela, les sondes de température (10) sont donc positionnées sur les murs ou posées sur les meubles et communiquent avec la régulation (9) avec ou sans fil. Sur certains radiateurs électriques, la sonde (10) est placée par 15 exemple sur les flancs du radiateur espérant ainsi être peu impactée par l'air réchauffé par le radiateur. Cette mesure de la température est primordiale pour l'algorithme mis en oeuvre dans le module de régulation (9) car c'est en fonction de la température Tpde l'air de la pièce(11) que va être déterminée la 20 commande des éléments chauffants (8) afin que la température mesurée corresponde à la température désirée appelée température de consigne T,. De nombreux algorithmes de régulations ont été développés, par exemple le populaire Proportionnel-Intégral-Dérivé, des algorithmes 25 autoadaptatifs ou plus récemment les commandes prédictives. Tous ces algorithmes commandent les éléments chauffants pour faire coïncider la température de consigne T,avec la température mesurée Tm. La température Tm ne doit pas être biaisée car l'algorithme de régulation va commander les éléments chauffants sur 30 la base d'une information erronée et la température de la pièce ne sera pas celle attendue. Or cette approche présente des inconvénients : - il est parfois très difficile de positionner une sonde (10) à un endroit où la température mesurée est représentative. En effet, si elle est éclairée par le soleil, trop proche d'une source de chaleur (four, éclairage), sur un mur froid... la mesure peut être fortement biaisée ; - les sondes de températures (10) positionnées sur les murs sont 3040092 3 inesthétiques ; - il est nécessaire d'assurer la communication entre la sonde (10) et la régulation (9) soit avec des fils à installer, soit sans fil avec généralement des piles dans la sonde ; 5 - si, pour éviter les points ci-dessus la sonde (10) est placée à proximité des éléments chauffants (8), la régulation est médiocre car la température mesurée est fortement biaisée ; - la sonde (10) est généralement placée sur une carte électronique qui ne doit pas dégager de chaleur pour ne pas interférer avec 10 la température mesurée, cela contraint la conception de la carte et ses fonctionnalités qui peuvent notamment pas assurer la partie régulation de puissance ; - enfin, un changement de température peut mettre du temps à être perçu par la sonde car l'air à proximité de la sonde est 15 statique compte tenu de son placement optimum éloigné de toutes sources de chaleur ou de froid. Tous ces points seraient résolus s'il était possible de placer la sonde de température (10) à proximité des éléments chauffants (8) et 20 d'obtenir une mesure juste de la température de la pièce. L'invention vient proposer une solution. PRESENTATION DE L'INVENTION 25 Les dessins annexés illustrent l'invention : - la figure 1 représente le dispositif et son environnement ; - la figure 2 illustre le fonctionnement d'un chauffage électrique classique ; 30 - la figure 3 illustre l'impact de la commande du chauffage sur la température mesurée avec une sonde influencée des éléments chauffants ; - la figure 4 illustre la communication entre le dispositif et le réseau internet. 35 En référence à ces figures, l'invention est un dispositif électronique (1) permettant la commande d'un moyen de chauffage 3040092 4 électrique (8) comprenant une ou plusieurs cartes électroniques à microcontrôleur ou réseau logique programmable ou des composants actifs équivalents, une sonde de température (5) qui peut être un capteur directement numérique ou un capteur analogique (par exemple 5 une thermistance) dont la valeur est numérisée, des moyens permettant la régulation (4), la compensation (2), l'apprentissage (3) et le raccordement aux équipements commandés à travers un composant de commande de type relais, triacs, thyristors ou équivalents (6). La sonde de température (5) est placée à proximité des éléments 10 chauffants (8) et/ou des composants de commande (6), la température de la pièce Tp(t) est déterminée par compensation (2) de la température Tm(t) mesurée par la sonde (5) en fonction de la valeur du signal C(t) de la commande (6) et de paramètres Pl..n. Les paramètres Pl..n sont déterminés automatiquement par 15 apprentissage (3) en analysant la température mesurée Tm(t) en fonction du signal de commande C(t). Le signal de commande C(t) est déterminé par la régulation (4) en fonction de l'écart entre la température de la pièce Tp(t) issue de la compensation(2) et la température désirée Tc(t). 20 Plusieurs sondes de températures peuvent être utilisées pour la compensation et/ou l'apprentissage. Des moyens de communication (12) utilisant une télécommande pour modifier des paramètres comme la température de consigne peuvent être mis en oeuvre, ces moyens pouvant utiliser le réseau internet. La régulation (4) utilise, par exemple, 25 un mécanisme Proportionnel-Intégral-Dérivé. Un indicateur visuel indiquant l'état peut être présent. Il est envisageable que le dispositif (1) puisse communiquer avec d'autres dispositifs similaires pour coordonner la température dans plusieurs pièces. 30 Le dispositif (1) peut être dans certaines implémentations regroupé sur une seule carte électronique. La puissance réellement consommée par les éléments chauffants (8) peut être mesurée. L'apprentissage (3) peut forcer une commande spécifique C(t) afin de déterminer les paramètres PL.n. 35 L'invention permet donc d'utiliser un capteur de température (5) à proximité de l'élément chauffant (8) et/ou d'une carte électronique dissipant de la chaleur et d'éléments de commande (6) tout en étant 3040092 5 capable de connaître la température de la pièce Ti, et donc d'assurer une régulation performante. Pour cela elle met en oeuvre : 5 - un capteur de température (8) qui mesure une température Tm différente de celle de la pièce Ti, puisqu'il est influencé par la chaleur émise à proximité ; - un mécanisme de compensation (2), assuré par exemple par un code informatique, qui détermine la température de la 10 pièce Ti, ; - un mécanisme d'apprentissage (3) assuré par exemple par un code informatique qui détermine comment effectuer la compensation notamment en estimant l'impact des sources de chaleur sur la sonde. ; 15 - un mécanisme de régulation (4), assuré par exemple par un code informatique, qui détermine la valeur de la commande C(t), où une commande en variation C(t) peut indiquer le rapport cyclique de signal de commande qui a pour objectif de minimiser l'écart entre la température de consigne T, 20 et la température de la pièce Ti, ; - une commande (6), assurée par un relais mécanique, statique, ou des composants de puissance comme un triac, commande la chauffe de l'élément chauffant (8) en contrôlant le passage du courant électrique dans 25 l'alimentation de celui-ci. ; - une interface communication (12) qui permet à l'utilisateur de définir la consigne T, et d'éventuelles programmations horaires ou tout autre paramétrage du système ainsi qu' un retour sur le fonctionnement du 30 dispositif (1). La sonde (5) étant placée à proximité de l'élément chauffant (8) et/ou du système de commande (6), la valeur de la température Tm mesurée n'est pas la température de la pièce Ti, mais une température 35 supérieure compte tenu de l'influence des sources de chaleur proches. L'invention consiste à prendre en compte la chaleur émise par ces sources pour corriger la valeur de la température mesurée Tm afin de déterminer la température de la pièce T. 3040092 6 Cela est possible car c'est la régulation (4) qui commande la chaleur émise par ces sources. En effet, la régulation (4) actionne la commande (6) reliée à l'élément chauffant (8), donc la puissance de commande est disponible au sein du dispositif (1). 5 Par conséquent en utilisant le signal de commande C(t) et en connaissant son impact sur la température mesurée Tm il est possible de corriger la valeur mesurée de cette influence. Ainsi, la compensation (2) consiste à déterminer la température de la pièce Tpen fonction de la température mesurée T, de la commande 10 de l'élément chauffant C(t) et de paramètres PL.mqui caractérisent l'impact sur la sonde de l'élément chauffant et des sources de chaleur liées à la régulation et situées à proximité. Certaines commandes (6) permettent de connaître la puissance réellement consommée par les éléments commandés (8). Cela permet par 15 exemple une commande par asservissement. Dans ce cas il est possible d'avoir deux valeurs pour la commande C : la valeur désirée et la valeur mesurée. La compensation utilisera alors la valeur mesurée puisque c'est elle qui détermine la chaleur émise. Il est également possible de corriger la température mesurée Tm 20 en fonction de paramètres fixes comme la hauteur de la sonde dans la pièce. Ainsi, si l'on considère uniquement un état d'équilibre où les températures sont stabilisées : T p= f (C , T ',) 25 La fonction f peut être un estimateur du 2° ordre de la température Tpde la pièce les paramètres P1, P2, P3 étant alors dépendants de la commande C : f (C, T ')= l(C)+ P 2(C) T ',- F P 3(C) . T2', Les paramètres PL.mnécessaires à la correction de la température 30 dépendent de nombreux facteurs et ne peuvent être prédéterminés simplement. L'apprentissage (3) permet leur autodétermination à partir des températures mesurées et de la commande des éléments chauffants. Cela est rendu possible en particulier quand l'inertie thermique de la pièce est significativement différente de celle des 35 éléments chauffants. La figure 3 représente les températures Tm, Tp et la commande C pour une installation classique. On distingue la montée rapide en température Tmde la sonde lors de la commande de l'élément chauffant, 3040092 7 la température de la pièce évoluant bien plus lentement. Un mécanisme d'apprentissage (3) peut ainsi déterminer la valeur des paramètres Pl_n représentant l'impact d'une commande C sur la température mesurée Tm. Pour cela il peut utiliser une régression 5 statistique du 2° ordre sur une période de temps où l'influence de la température de la pièce est négligeable. En répétant cette mesure pour des valeurs différentes de C, l'ensemble des paramètres Pl_npeut être déterminé. Une modélisation mathématique des échanges thermiques entre les 10 éléments chauffants, la pièce et la sonde offrent également un modèle intéressant en particulier pour les situations où les températures ne sont pas stabilisées. Pour améliorer l'apprentissage, il peut être utile d'effectuer une commande spécifique des éléments chauffants pour déterminer les 15 paramètres Cela peut conduire à un mode « d'apprentissage » où le dispositif ne cherche plus à assurer la régulation du chauffage mais à déterminer les paramètres d'impact. Ce mode peut-être mis en oeuvre, par exemple, après l'installation pendant une phase d'apprentissage de quelques heures pour disposer d'une valeur 20 initiale des paramètres. Le fait de placer la sonde (5) près des éléments chauffants (8) assure une circulation d'air par convection autour du capteur. Ainsi, La mesure corrigée est plus réactive que celle d'une sonde placée 25 dans un endroit sans circulation d'air. Cela peut conduire à filtrer les températures mesurées Tm par un « passe bas » ou un « moyenneur » pour ne pas perturber la régulation avec des variations de température non significatives. 30 Par ailleurs, des moyens de communication (12) permettent notamment de définir la température de consigne T, des programmations horaires, un comportement particulier comme le fonctionnement hors gel... Cette communication peut être rudimentaire avec par exemple un 35 bouton rotatif, des touches ou une télécommande dans l'esprit de celle des climatiseurs. Elle peut aussi utiliser une connexion informatique (16), par exemple de type Ethernet ou wifi permettant alors une interface 3040092 8 complète en utilisant le réseau internet (15) et un serveur (14). Le serveur (14) permet d'enregistrer des informations collectées par le dispositif (1), comme la température, la puissance de commande. Pour cela le dispositif (1) transmet de manière périodique 5 les données correspondantes par une connexion informatique, par exemple de type TCP/IP. Réciproquement, si des paramètres liés à la régulation comme la température de consigne ou des plages de programmation sont modifiés au sein du serveur (14), le dispositif en est informé et peut prendre en compte les nouveaux paramètres. 10 Pour interagir avec le dispositif (1), il est alors possible d'utiliser un terminal (13), par exemple un navigateur internet, un smartphone, une tablette ou tout autre périphérique équivalent. Le serveur (14) permet la communication avec les terminaux (13) sans qu'ils soient sur le même réseau informatique que le dispositif 15 (1). Ainsi, il est possible de consulter des informations sur le fonctionnement du système et de le contrôler à distance. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique (1) permettant la commande d'un chauffage électrique (8) comprenant une ou plusieurs cartes électroniques à microcontrôleur ou réseau logique programmable ou des composants actifs, une sonde de température (5) qui peut être un capteur directement numérique ou un capteur analogique (par exemple une thermistance) dont la valeur est numérisée, des moyens permettant la régulation (4), la compensation (2), l'apprentissage (3) et le raccordement aux éléments chauffants (8) à travers un composant de commande de type relais, triacs, thyristors (6) caractérisé en ce que : - la sonde de température (5) est influencée par les éléments chauffants (8) et/ou les composants de commande (6), - la température de la pièce Tp(t) est déterminée par compensation (2) de la température Tm(t) mesurée par la sonde (5) en fonction de la valeur du signal C(t) de la commande (6) et de paramètres - les paramètres Pl..., sont déterminés automatiquement par apprentissage (3) en analysant la température mesurée Tm(t) en fonction du signal de commande C(t), - le signal de commande C(t) est déterminé par la régulation (4) en fonction de l'écart entre la température de la pièce Tp(t) issue de la compensation(2) et la température désirée Mt). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que plusieurs sondes de températures sont utilisées pour la compensation et/ou l'apprentissage. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce des moyens de communication (12) utilisant le réseau internet sont mis en oeuvre pour interagir avec l'utilisateur. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la régulation (4) utilise un mécanisme Proportionnel- Intégral-Dérivé. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que des moyens de communication (12) utilisent une 3040092 10 télécommande pour modifier des paramètres comme la température de consigne. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte, un indicateur visuel indiquant son état. 5 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il communique avec d'autres dispositifs pour coordonner la température dans plusieurs pièces. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est regroupé sur une seule carte électronique. 10 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la puissance réellement consommée par les éléments chauffants (8) est mesurée. 10.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que pour l'apprentissage (3) une commande spécifique C(t) 15 est forcée pour déterminer les paramètres