FR2638522A1 - Thermostatic system for temperature regulation - Google Patents
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Abstract
Description
On sait que, dans le domaine de la régulation, on utilise des capteurs de température et que les performances exigées pour les systèmes de régulation sont élevées. De tels systèmes sont destinés en particulier aux usages dits "grand public", par exemple le chauffage, l'électroménager, la réfrigération, etc. It is known that, in the field of regulation, temperature sensors are used and that the performance required for the control systems is high. Such systems are intended in particular for so-called "general public" uses, for example heating, household appliances, refrigeration, etc.
A l'heure actuelle, les systèmes de régulation destines à de telles applications "grand public" comportent des capteurs de température qui sont généralement constitués, soit par des thermostats à bulbe, soit par des composants électroniques appelés "thermistances", qui sont ils directement au contact du milieu fluide (liquide ou gazeux) dont on veut détecter et réguler la temperature et qui présentent tous l'inconvénient d'avoir un temps de réponse trop important pouvant aller jusqu'à 10 secondes. On a donné ci-après quelques exemples de systèmes de régulation actuellement réalisés. At present, the control systems intended for such "general public" applications comprise temperature sensors which are generally constituted either by bulb thermostats or by electronic components known as "thermistors", which are directly connected to them. in contact with the fluid medium (liquid or gas) which we want to detect and regulate the temperature and all have the disadvantage of having too much response time of up to 10 seconds. Some examples of control systems currently produced are given below.
Dans le domaine du chauffage de l'eau sanitaire, on utilise des générateurs, notamment à gaz, dits chauffe-bains, ayant une puissance variable permettant de couvrir pratiquement tous les besoins. Ors ces appareils offrent l'inconvénient de ne pas fournir instantanément la température d'eau desirée, en raison de leur inertie thermique due, d'une part, à leurs dimensions et nasses physiques et, d'autre part, à l'importante constance de temps thermique des élements de régulation . capteur de température et actionneur. Ces phénomènes d'inertie thermique augmentent l'inconfort et, dans une certaine mesure, la consommation d'énergie. In the field of heating sanitary water, it uses generators, including gas, said heaters baths, with a variable power to cover virtually all needs. However, these devices have the disadvantage of not providing instantaneously the desired water temperature, due to their thermal inertia due, on the one hand, to their physical dimensions and traps and, on the other hand, to the important constancy of thermal time of the regulating elements. temperature sensor and actuator. These phenomena of thermal inertia increase the discomfort and, to a certain extent, the energy consumption.
Dans le cas de chauffage de locaux, le système de régulation electronique, s'il existe, permet de compenser partiellement ces phenomenes d'inertie thermique. Dans le cas ou il n'existe pas de régulation électronique, par exemple avec des thermostats d'ambiance incorporés ou en applique nurale, les crêtes entre température de marche et d'arret peuvent doubler par rapport à la valeur propre du thermostat, et le temps de réponse peut atteindre 6 à 8 minutes. In the case of space heating, the electronic control system, if it exists, partially compensates for these phenomena of thermal inertia. In the case where there is no electronic control system, for example with built-in room thermostats or in-wall thermostats, the peaks between start and stop temperature can double in relation to the intrinsic value of the thermostat, and the response time can reach 6 to 8 minutes.
Dans le cas d'une installation de chauffage central å eau chaude, les températures sont captées a l'aide d'aquastats de surface ou de plongée (dans le liquide) et les constantes de temps sont de l'ordre de la minute avec un temps nort de 2 à 4 secondes. In the case of a central heating system with hot water, the temperatures are recorded using surface aquastats or dive (in the liquid) and the time constants are of the order of one minute with a time is 2 to 4 seconds.
Dans le domaine de l'électromenager, et plus précisément dans le cas des fours domestiques, on utilise généralement des thermostats å bulbe qui possèdent une inertie de 0,5 å 1 minute, les résistances de chauffage du four ayant ellesmêmes une inertie thermique de l'ordre de 1 Minute. Ces inerties entrainent des amplitudes de température de l'ordre de 20 à 40 autour de la température régulée. In the field of household appliances, and more specifically in the case of domestic ovens, bulb thermostats are generally used which have an inertia of 0.5 to 1 minute, the heating resistances of the oven having themselves a thermal inertia of the oven. 1 minute order. These inertias cause temperature amplitudes of the order of 20 to 40 around the regulated temperature.
Le besoin se fait donc sentir de disposer d'un nouveau capteur de température permettant de réduire les constantes de temps mort des systèmes de régulation, en les amenant vers des valeurs proches de 1 seconde et 0,5 seconde respectivement. C'est précisément le but de la présente invention qui a créé un capteur de température en exploitant au mieux les caractéristiques thermiques de la conduction, de la convection et du rayonnement, en réduisant au maximum la nasse de l'élément capteur et de son boîtier. The need is therefore felt to have a new temperature sensor to reduce the dead time constants of the control systems, bringing them to values close to 1 second and 0.5 seconds respectively. It is precisely the object of the present invention that has created a temperature sensor by making the best use of the thermal characteristics of conduction, convection and radiation, by minimizing the mud of the sensor element and its housing. .
En conséquence, cette invention a pour objet un capteur de température caractérisé en ce qu'il comporte un élément sensible constitué par une jauge electrique ou jauge de contrainte a dépôt métallique qui est montée avec isolation électrique, sur un support en cuivre pur, de masse très faible et qui est en contact thermique avec le milieu ou l'élément dont on veut mesurer la température et en ce que la lIaison entre la jauge et les composants. du système de régulation est assurée par des fils conducteurs, traversant de façon étanche ledit capteur et qui sont reliés à des broches de connexion. Accordingly, this invention relates to a temperature sensor characterized in that it comprises a sensitive element consisting of an electric gauge or metal deposit strain gauge which is mounted with electrical insulation, on a pure copper support mass It is very weak and is in thermal contact with the medium or element whose temperature is to be measured and in that the relationship between the gauge and the components. the control system is provided by conductive son, through sealing said sensor and which are connected to connection pins.
Selon l'invention, la jauge électrique ou de contrainte comporte un dépôt de nickel et son poids est inférieur au gramme. According to the invention, the electric or stress gauge comprises a nickel deposit and its weight is less than one gram.
Selon un premier exemple de réalisation du capteur de température selon l'invention, appliqué à la mesure de la température d'un fluide, ledit capteur est plongé dans ce fluide. According to a first exemplary embodiment of the temperature sensor according to the invention, applied to the measurement of the temperature of a fluid, said sensor is immersed in this fluid.
Selon un second exemple de réalisation de l'invention, le capteur est appliqué contre la surface de l'élément dont on veut mesurer la température et il comporte des moyens prévus à cet effet. Dans ce but, la surface du support en cuivre pur sur lequel est montée la jauge, est conçue de manière à epouser la forme de l'élément sur lequel est appliqué le capteur et dont on veut mesurer la température. According to a second embodiment of the invention, the sensor is applied against the surface of the element whose temperature is to be measured and it comprises means provided for this purpose. For this purpose, the surface of the pure copper support on which the gauge is mounted, is designed to match the shape of the element on which the sensor is applied and whose temperature is to be measured.
D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé qui en illustre deux exemples de réalisation dépourvus de tout caractere limitatif. Sur le dessin
La figure 1 est une vue en coupe axiale verticale d'un premier mede de réalisation d'un capteur selon l'invention.Other features and advantages of this invention will become apparent from the description given below with reference to the accompanying drawing which illustrates two embodiments having no limiting character. On the drawing
FIG. 1 is a view in vertical axial section of a first embodiment of a sensor according to the invention.
Ainsi qu'on le comprend, le capteur de température objet de cette invention met en oeuvre un élément sensible constitué par une jauge électrique ou de contrainte 10 a dépôt métallique, de préférence en nickel, et qui présente une variation de résistance en fonction de la température. La masse de la jauge 10 est inférieure au gramme. As is understood, the temperature sensor of this invention implements a sensitive element constituted by an electric strain gauge or metal strain 10, preferably nickel, and which has a variation of resistance according to the temperature. The mass of the gauge 10 is less than one gram.
La jauge 10 est montée isolée sur un support métallique 12, en cuivre pur, de masse très faible et dont la forme est déterminée, comme on le verra ci apures, de manière å s'adapter à la forme de la surface contre laquelle s' applique le capteur. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 1, le capteur est conçu de manière à s'appliquer contre une canalisation 14 dans laquelle circule le fluide dont la température doit être régulée. Le capteur comporte alors un corps isolant 16 dans la partie supérieure cuquel sont logés la jauge 10 et son support 12 et dont.la partie inférieure présente un evidement dans lequel vient se loger la canalisation 14, de manière que le corps isolant 16 entoure ladite canalisation. The gauge 10 is mounted insulated on a metal support 12, made of pure copper, of very low mass and whose shape is determined, as will be seen hereinafter, so as to adapt to the shape of the surface against which apply the sensor. In the embodiment illustrated in Figure 1, the sensor is designed to be applied against a pipe 14 in which circulates the fluid whose temperature must be regulated. The sensor then comprises an insulating body 16 in the upper part of which are housed the gauge 10 and its support 12 and whose lower part has a recess in which is housed the pipe 14, so that the insulating body 16 surrounds said pipe .
La jauge 10 est maintenue appliquée contre la canalisation 14, à l'aide d'un ressort 18 comprime entre une pièce isolante 20 prenant appui contre la surface supérieure du support métallique 12 et une couronne 22 venant se visser dans le corps 16. Grâce a cette couronne, il est possible de régler la pression du ressort 18 et donc d'obtenir un contact optimal entre la jauge 10 et la surface de la canalisation 14. The gauge 10 is held pressed against the pipe 14, with the aid of a spring 18 compressed between an insulating part 20 bearing against the upper surface of the metal support 12 and a ring 22 which is screwed into the body 16. this crown, it is possible to adjust the pressure of the spring 18 and thus to obtain an optimal contact between the gauge 10 and the surface of the pipe 14.
Des fils conducteurs 24, qui traversent la pièce isolante 22, relient la jauge 10 à des broches de connexion 26 assurant la liaison avec les organes de régulation de type classique tnon représenté sur le dessin). Conductive wires 24, which pass through the insulating part 22, connect the gauge 10 to connecting pins 26 providing the connection with the conventional control elements (not shown in the drawing).
Comme on l'a précisé ci-dessus, le capteur décrit en reférence à la figure 1, exploite au mieux les caractéristiques thermiques de la conduction, de la convexion et du rayonnement, en réduisant au maximum la masse de l'élément capteur et de son boîtier. Ainsi, il est possible d'atteindre des constantes de temps très faibles, inférieures à la seconde. Par ailleurs, et contrairement aux capteurs de température actuellement utilisés dans les systèmes de régulation des installations de chauffage, le capteur selon l'invention n'est pas immergé dans le fluide dont on veut réguler la température, mais simplement plaqué contre la surface de la canalisation vehiculant ce fluide, ce qui permet son remplacement de façon simple et économique, par échange standard, en cas de défectuosité de fonctionnement. As has been specified above, the sensor described in FIG. 1 makes the best use of the thermal characteristics of the conduction, convection and radiation, by reducing as much as possible the mass of the sensor element and of its case. Thus, it is possible to achieve very low time constants, less than one second. Moreover, and contrary to the temperature sensors currently used in the control systems of heating systems, the sensor according to the invention is not immersed in the fluid whose temperature is to be regulated, but simply pressed against the surface of the pipe that carries this fluid, which allows its replacement simply and economically, by standard exchange, in case of malfunction.
La variante de l'invention illustrée par la figure 2 est destinée å etre appliquée contre une paroi. Cette variante est plus particulièrement destinée aux sondes de surface pour four, ainsi qu'aux sondes d'ambiance. The variant of the invention illustrated in FIG. 2 is intended to be applied against a wall. This variant is more particularly intended for surface probes for furnace, as well as room probes.
Le capteur représenté sur la figure 2 comporte des composants principaux identiques à ceux du capteur illustré par la figure 1. Ils ont été désignés par les mêmes références. Le capteur est logé dans un boîtier en deux parties 28, 32 fixé sur la paroi 30 à l'aide de vis telles que 34 par exemple. De la même façon que décrite précédemment, la jauge 10 est maintenue plaquée contre la surface extérieure de la paroi 30. The sensor shown in Figure 2 comprises the main components identical to those of the sensor shown in Figure 1. They have been designated by the same references. The sensor is housed in a housing in two parts 28, 32 fixed on the wall 30 by means of screws such as 34 for example. In the same way as described above, the gauge 10 is kept pressed against the outer surface of the wall 30.
On donne ci-après à titre non limitatif quelques exemples d'application du capteur illustré par la figure 2. Some examples of application of the sensor illustrated in FIG. 2 are given below without implying limitation.
a) Sonde de surface pour four
On sait que la température moyenne vers le centre du four dépend de la puissance chauffante installé, de la température maximum atteinte par les résistances rayonnantes, de la surface interne et des isolations ou déperditions caloriques ; sur la surface intérieure d'une paroi telle que 30, il existe une zone dont la température est une "image" de celle du centre du four. Sur cette zone, on peut appliquer la sonde de surface illustrée par la figure 2, permettant de reduire les différentielles dynamiques de température par une régulation plus fine.a) Surface probe for oven
It is known that the average temperature towards the center of the furnace depends on the heating power installed, the maximum temperature reached by the radiating resistors, the internal surface and the heat insulation or losses; on the inner surface of a wall such as 30, there is an area whose temperature is an "image" of that of the center of the oven. In this zone, it is possible to apply the surface probe illustrated in FIG. 2, making it possible to reduce the dynamic temperature differentials by a finer regulation.
b) Sonde de plaque chauffante ou plaque vitro céramique
Ce cas est identique au cas précèdent, une zone *image" de la température de surface existe et peut recevoir une sonde d'applique.b) Hot plate probe or ceramic hotplate
This case is identical to the previous case, an area * image "of the surface temperature exists and can receive a probe of applique.
c) Sonde d'ambiance d'applique
La constante de temps de ces sondes varie en fonction des importances relatives des trois paramètres thermiques conduction, convection, rayonnement.c) Wall-mounted room sensor
The time constant of these probes varies according to the relative importance of the three thermal parameters conduction, convection, radiation.
Ces sondes sont fixées en général sur une cloison interne et par mégarde sur un mur en liaison avec l'extérieur. These probes are usually fixed on an internal wall and inadvertently on a wall in connection with the outside.
Ces sondes reçoivent ou envoient des calories par conduction, rayonnement vers l'environnement et par convection avec l'air ambiant. Ces phénomènes liés et complexes conduisent å déterminer une constante de temps en fonction des trois paramètres
Une constante de temps de rayonnement, la conduction et la convection étant nulles.These probes receive or send calories by conduction, radiation to the environment and by convection with ambient air. These linked and complex phenomena lead to the determination of a time constant according to the three parameters
A radiation time constant, conduction and convection being zero.
Une constante de temps de conduction, la convection et le rayonnement étant nuls. A conduction time constant, convection and radiation being zero.
Une constante de temps de convection, la conductidn et le rayonnement étant nuls. A constant of convection time, the conductidn and the radiation being null.
Par exemple
Il est fréquent d'évaluer sur les thermostats classiques fixés sur une paroi, une constante de temps de rayonnement de 20 à 30 minutes.for example
It is common to evaluate on conventional thermostats fixed on a wall, a radiation time constant of 20 to 30 minutes.
Une constante de temps de convection de 2 à 8 minutes pour une vitesse d'air de 0,2mXseconde. A convection time constant of 2 to 8 minutes for an air speed of 0.2mXsecond.
Une constante de temps de conduction de l'ordre de 20 à 30 minutes. A conduction time constant of the order of 20 to 30 minutes.
La sonde d'ambiance selon l'invention est déterminée par un optimum entre la surface supportant le capteur pour le rayonnement et la convection, les masses et les isolations pour limiter la conduction, de façon å obtenir des valeurs typiques inférieures a 10 minutes pour une vitesse d'air voisine de zéro et 3 minutes pour une vitesse d'air voisine de 0,2m/seconde. The room sensor according to the invention is determined by an optimum between the surface supporting the sensor for radiation and convection, the masses and the insulations to limit the conduction, so as to obtain typical values less than 10 minutes for a air velocity close to zero and 3 minutes for an air velocity close to 0.2m / second.
d) Sonde d'ambiance incorporée
On trouve dans ce cas les trois paramètres précédents : conduction, convection, rayonnement avec des constantes de temps plus faibles de 1 minute à 5 minutes.d) Built-in room sensor
In this case, we find the three preceding parameters: conduction, convection, radiation with lower time constants of 1 minute to 5 minutes.
La sonde d'ambiance incorporée selon l'invention est déterminée par un optimum de surface supportant le capteur, pour le rayonnement et la convection, les masses et les isolations pour la conduction, de façon à obtenir des valeurs moyennes typiques de 0,5 à 2 minutes. The built-in room sensor according to the invention is determined by a surface optimum supporting the sensor, for radiation and convection, masses and insulations for conduction, so as to obtain typical average values of 0.5 to 2 minutes.
La demanderesse a effectué des essais comparatifs entre le capteur de température décrit ci-dessus et divers capteurs ou sondes de type connu. Ces essais, qui sont résumés dans le tableau ci-après, font ressortir la supériorité technique du capteur selon l'invention, par rapport aux sondes économiquement comparables. The Applicant has carried out comparative tests between the temperature sensor described above and various sensors or probes of known type. These tests, which are summarized in the table below, show the technical superiority of the sensor according to the invention, compared to economically comparable probes.
TABLEAU RECAPITULATIF DES RESULTATS OBTENUS
Sature de l'élément Contenu et températures Constante de temps de l'élément
sensible des bains thermostatés sensible à la température'
(capteur)
Montée de tempé- Descente de
rature température #m #d
Thermistance (CTN) Bains d'huile entre 5 s 7 s (10 kQ + 10 %) 25 C et 90 C protégée par une gaine isolante
CTN (10 kQ t 10 S) Bains d'huile entre 11,6 s 16,4 s placée dans un bul- 25-C et 90 C be en cuivre e 6x5 longueur 10 cm sans patte conductrice
CTN (10 kQ + 10 X) Bains d'huile entre 48,8 s 38,6 s placée dans un tube 25-C et 90 C en cuivre (bulbe e 7x8 longueur 3 cm) avec comme patte du
Silicon noir
Sonde Coterlaz CTN Bains d'huile entre 14,3 s 6,5 s (62 k# à & 25'C) 25-C et 90-C
CTP (1,2 kQ a 20-C) Bains d'huile entre 8,3 s 1 s toute nue 25-C et 90-C
CTP (820 R) toute Bains d'eau entre 1,6 s 4 s nue 25 C et 90-C
Sonde platine Pt Bains d'eau entre 0,65 s 0,6 s 100 Q à 20 C toute 25 C et 90-C nue
Sonde platine Pt Bains d'huile entre 1 s 1 s 500 Q å 20 C 25 C et 90-C
Sonde selon l'in- Bains d'eau entre 800 Ms 750 ms vention toute nue 25 C et 90'C (100 # à 20 C)
Sonde selon l'in- Bains d'eau entre 2,3 s 2,4 s vention montée dans 25-C et 90'C son boîtier prévu
Sonde selon l'in- Bains d'eau entre 900 ms 1,1 s vention collée sur 25 C et 90'C une plaque de cuivre en épaisseur de 0,2 mm
Sonde selon l'in- Bains d'huile entre 1,2 s 1,1 s vention (100 Q à 25 C et 90'C 20-C) toute nue
Il demeure bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ici. Ainsi, le capteur selon l'invention, lorsqu'il est appliqué à la mesure de la température d'un fluide, peut etre plongé dans ce fluide. Par ailleurs, lorsque le capteur selon l'invention est appliqué contre la surface de l'élément dont on veut mesurer la température, il peut etre fixé et maintenu contre cette surface par d'autres moyens que ceux décrits et représentés ici. SUMMARY TABLE OF RESULTS OBTAINED
Content saturated Content and temperatures Time constant of the element
sensitive thermostatic baths sensitive to temperature '
(sensor)
Temperature rise- Descent from
temperature rim #m #d
Thermistor (CTN) Oil baths between 5 s 7 s (10 kΩ + 10%) 25 C and 90 C protected by an insulating sheath
CTN (10 kQ t 10 S) Oil baths between 11.6 s 16.4 s placed in a bul- 25-C and 90 C be in copper e 6x5 length 10 cm without conductive tab
CTN (10 kΩ + 10 X) Oil baths between 48.8 s 38.6 s placed in a 25-C and 90 C copper tube (bulb e 7x8 length 3 cm) with as paw of
Black Silicon
Coterlaz CTN Probe Oil baths between 14.3s 6.5s (62k # at &25'C) 25-C and 90-C
CTP (1.2 kΩ to 20-C) Oil baths between 8.3 s 1 s all bare 25-C and 90-C
CTP (820 R) any Water Baths between 1.6 s 4 s bare 25 C and 90-C
Platinum Pt probe Water baths between 0.65s 0.6s 100Ω at 20 C all 25 C and 90-C bare
Platinum probe Pt Oil baths between 1 s 1 s 500 Q å 20 C 25 C and 90-C
Probe according to the water bath between 800 ms 750 ms all the way bare 25 C and 90'C (100 # to 20 C)
Probe according to the water bath between 2.3 s 2.4 s vention mounted in 25-C and 90'C its housing provided
Probe according to the water bath between 900 ms 1,1 stion bonded on 25 C and 90'C a copper plate in thickness of 0.2 mm
Probe according to the oil bath between 1.2 s 1,1 s vention (100 Q at 25 C and 90'C 20-C) any bare
It remains understood that the invention is not limited to the embodiments described and shown here. Thus, the sensor according to the invention, when applied to the measurement of the temperature of a fluid, can be immersed in this fluid. Furthermore, when the sensor according to the invention is applied against the surface of the element whose temperature is to be measured, it can be fixed and held against this surface by means other than those described and shown here.
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