FR2558954A1

FR2558954A1 - Calorimetre

Info

Publication number: FR2558954A1
Application number: FR8500895A
Authority: FR
Inventors: Fritz Von Ballmoos; Matthias Haas
Original assignee: BALLMOOS AG VON
Current assignee: BALLMOOS AG VON
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1985-01-23
Publication date: 1985-08-02
Also published as: ATA17985A; CH662884A5; AT393031B; FR2558954B1; DE3500539A1

Abstract

CALORIMETRE DESTINE A MESURER LES QUANTITES DE CHALEUR. LE CALORIMETRE CONTIENT DANS LA TUYAUTERIE ALLER ET RETOUR11, 12 ALLANT VERS UN ECHANGEUR DE CHALEUR13 UN TRONCON DE TUYAUTERIE16, 17 PRODUISANT UN ECOULEMENT LAMINAIRE DU CALOPORTEUR ET CONTIENT UN CAPTEUR DE TEMPERATURE, UN DEBITMETRE18, 19 ETANT INSTALLE EN AVAL DE CHAQUE TRONCON, LE CALCUL DE LA QUANTITE DE CHALEUR UTILISANT UN CIRCUIT ELECTRONIQUE23 ET UN DISPOSITIF D'AFFICHAGE31, LES VALEURS CARACTERISTIQUES DES CAPTEURS DE TEMPERATURE ET DU FLUIDE CALOPORTEUR ETANT MEMORISEES DE FACON A AUGMENTER LA PRECISION DES MESURES. L'INVENTION TROUVE SON APPLICATION PRINCIPALE DANS LA MESURE DES QUANTITES DE CHALEUR DANS LES RESEAUX DE CHAUFFAGE URBAIN.

Description

L'invention concerne un calorimètre possédant un débitmètre dans la canalisation aller ou retour et un capteur de température dans la tuyauterie aller et dans celle de retour, de même qu'un circuit électronique dont les entrées sont raccordées au débitmètre et aux deux capteurs de température, et qui calcule la quantité de chaleur cédée ou absorbée par un fluide caloporteur entre la tuyauterie aller et la tuyauterie retour, ainsi qu'un dispositif d'affichage, qui affiche au moins la quantité de chaleur calculée.

Les calorimètres de ce genre fonctionnent selon la formule bien connue Q = V.p.c.AT.t. Dans cette formule, le volume V du caloporteur s'écoulant par unité de temps à travers la tuyautera 2 est déterminé par le débitmètre, et la différence de température QU à partir des valeurs obtenues par les deux capteurs de température. La masse volumique p du caloporteur, de même que sa capacité calorifique c, qui dépendent toutes deux de la température, sont mémorisées dans une partie du circuit électronique, lequel calcule la quantité de chaleur absorbée ou dégagée à partir des valeurs mesurées et des valeurs mémorisées.

On utilise simplement, en tant que débitmètre, des appareils classiques à moulinet, possédant un capteur de mesure électronique. Le capteur de température peut être avantageusement un thermomètre à résistance de platine. On trouve une description d'un circuit électronique destiné au calcul de la quantité de chaleur, par exemple dans le brevet
CH 607 649. Ce dernier circuit produit et intègre une séquence d'impulsions, dont les impulsions ont une fréquence correspondant à l'écoulement par unité de temps et une largeur correspondant à la différence de température.

Un autre circuit électronique décrit dans le brevet CH 618 511 contient une source d'intensité électrique constante destinée à alimenter le thermomètre à résistance, ainsi que des résistances étalons, qui peuvent etre raccordées à l'entrée du circuit à la place de ce thermomètre pour contrôler son fonctionnement.

Partant de l'observation que les erreurs que l'on peut avoir du fait du traitement électronique des valeurs mesurées sont faibles par rapport aux erreurs de mesure du débitmètre et de la différence de température déterminée à partir des deux mesures de la température, la présente invention a pour but de créer un calorimètre permettant de mesurer en particulier de faibles débits, et tant la température absolue que de faibles différences de température, avec une précision nettement plus élevée que dans la technique antérieure, et donc de calculer la quantité de chaleur avec une précision en conséquence plus élevée.

Ce but est atteint, selon l'invention, par un calorimètre du type décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il est prévu dans la tuyauterie retour ou la tuyauterie aller un deuxième débitmètre, les capteurs de température étant disposés dans un tronçon de tuyauterie produisant un écoulement pratiquement laminaire du caloporteur.

Le calorimètre selon l'invention permet de déterminer la valeur absolue de la température du caloporteur dans la tuyauterie aller et dans la tuyauterie retour, de même que la différence de température, avec une précision que l'on ne pouvait atteindre à ce jour. De plus, l'utilisation de deux débitmètres permet de déterminer les erreurs dues aux appareils de mesure, et donc de les réduire. Elle permet aussi de reconnaître les- défauts de fonctionnement d'un -appareil de mesure, provoqués par exemple par des dépôts sur le moulinet ou dans son support, ou des fuites dans la tuyauterie entre les appareils de mesure ou dans l'échangeur de chaleur.

Une forme de réalisation préférée du calorimètre selon l'invention est caractérisée en ce que le tronçon de tuyauterie possède une première partie, voisine du raccordement à la tuyauterie d'arrivée, partie qui s'évase progressivement de façon à former une zone dans laquelle le caloporteur subit une turbulence et un mélange élevés, ainsi qu'une deuxième partie, voisine du raccordement à la tuyauterie d'évacuation, qui se rétrécit en forme de buse, de façon à produire un courant de caloporteur pratiquement laminaire, de telle sorte que la partie active du capteur de température se trouve dans la zone d'écoulement de la buse.

L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et du dessin annexé, qui représente des exemples de réalisation de l'invention, dessin ~dans lequel :
La Figure 1 est une représentation schématique d'une forme de réalisation du calorimètre selon l'invention
La Figure 2 est une coupe longitudinale schématique d'un tronçon de tuyauterie possédant un capteur de température ; et
La Figure 3 est une vue schématique de côté de la zone d'écoulement du tronçon de tuyauterie selon la
Figure 2.

La forme de réalisation du calorimètre selon liinven- tion présentée sur la Figure 1 est installée dans une tuyauterie du type branchement, aller 11 et retour 12, qui relie le circuit primaire d'un caloporteur, non représenté, à un échangeur de chaleur 13. Un consommateur 14, par exemple un radiateur ou un réservoir d'eau chaude, ou un autre consommateur d'énergie thermique, est raccordé à l'échangeur de chaleur. Les parties du calorimètre utilisées dans la tuyauterie aller et dans la tuyauterie retour sont constituées, quand on les regarde dans la direction de l'écoulement du caloporteur, chacune par un tronçon de tuyauterie 16 et 17 et un débitmètre 18 et 19.Chaque tronçon contient un capteur de température, qui va être décrit plus en détail ci-apres. A chaque débitmètre est couplé un générateur électronique de signaux, respectivement 21 et 22, qui produit une impulsion correspondant à un débit réglable. En outre, le calorimètre contient un circuit électronique 23. Ce circuit contient deux compteurs d'impulsions 24, 26, dont les entrées sont connectées aux générateurs de signaux 21 et 22, de même qu'un circuit de mesure de la température 27, dont les entrées sont raccor dées à chacun des capteurs de température se trouvant dans les tronçons de tuyauterie 16 et 17, un convertisseur analogique/numérique 28 monté en aval du circuit de mesure de la température, ainsi qu'une unité de calcul 29 destinée à calculer la quantité de chaleur et effectuer l'optimisation numérique et la correction des valeurs de mesure.

Les sorties de l'unité de calcul 29 sont connectées à un dispositif d'affichage et d'émission de signaux 31.

Le circuit de mesure de la température 27 contient une source à intensité constante, qui fournit le courant de mesure aux capteurs de température, constitués de thermomètres à résistance de platine, un commutateur électronique commandé par l'unité de calcul, commutateur qui relie les thermomètres à résistance à la source d'intensité électrique, et un amplificateur de sortie, qui produit un signal de sortie analogique, proportionnel au courant de mesure traversant chacun des thermomètres à résistance, ou à la différence des courants de mesure.Le commutateur électronique permet, pour déterminer la valeur absolue de la température du caloporteur dans la tuyauterie aller et dans la tuyauterie retour, de relier les thermomètres à résistance, individuellement et les uns après les autres, à la source d'intensité electrique, et d'inverser la pola rité de ces liaisons. En outre, le commutateur électronique destiné à la détermination directe de la différence des températures du caloporteur dans la tuyauterie aller et dans la tuyauterie retour permet de relier simultanément les thermomètres à résistance à la source d'intensité électrique, et d'inverser aussi la polarité de cette liaison. Grâce à cette inversion de polarité, il est possible de compenser les éventuelles tensions de -suppression et/ou une dérive des grandeurs caractéristiques en fonction de la température, ce qui augmente considérablement la précision dés mesures de température.

Le tronçon de tuyauterie présenté sur la Figure 2 contient un tube central 41 qui, en llune de ses extrémités, est relié par une pièce intermédiaire 42 à palier à un tube d'admission 43 qui se termine dans une première bride 44.

L'autre extrémité du tube central est reliée par l'intermédiaire d'une pièce intermédiaire se rétrécissant en forme de buse (ci-après appelée aussi "buse") à un tube de sortie 47, qui se termine par une deuxième bride 48. On a dans le tronçon de tuyauterie un tube 51 de faible diamètre, dont la partie la plus longue 52 se trouve pratiquement sur l'axe du tube central 41 et de la buse 46 qui y fait suite, et dont la partie la plus courte 53 est repliée dans la direction radiale du tronçon de tuyauterie et est soudé en son extrémité libre à un trou correspondant aménagé dans le tube central.A l'extrémité libre de la partie la plus longue 52 du tube 51 de faible diamètre sont fixées plu sieurs surfaces conductrices de l a chaleur 54 espacées ra- dialement, dont les bords extérieurs s'appuient sur la surface intérieure du tube de sortie 47. Les bords extérieurs des surfaces conductrices de la chaleur ont de préférence une section transversale qui se rétrécit en forme de coin, de façon que la surface d'appui, au niveau du tube de sortie, soit aussi petite que possible, ou bien encore ils présentent une couche intermédiaire en un matériau peu conducteur de la chaleur, qui empêche le transfert de cha- leur des surfaces conductrices de la chaleur au tube de sortie.Dans le tube de faibl dimensions 51 est installé un thermomètre à résistance 56, dont l'embout de mesure 57 pénètre dans la zone située entre les surfaces conductrices de la chaleur 54.

La vue latérale du tronçon de tuyauterie présentée sur la Figure 3 montre en particulier la disposition en étoile des surfaces conductrices de la chaleur 54 au niveau du tube de faibles dimensions 51, et la position de l'embout de mesure 57 du thermomètre de résistance au "point central" des surfaces conductrices de la chaleur.

Quand le calorimètre décrit ci-dessus est en fonctionnement, un caloporteur, de préférence l'eau, à une température par exemple de 1200C, provenant du branchement aller 11 du circuit primaire, s'écoule par le tronçon de tuyauterie 16 et traverse le débitmètre 18 pour arriver à l'échangeur de chaleur 13 puis, après avoir cédé de la chaleur à une température par exemple de 900C, revient par le tronçon de tuyauterie 17 et le débitmètre 19 dans le branchement retour 12 du circuit primaire. La vitesse d'écoulement de l'eau pénétrant dans le tronçon de tuyau terie 16 diminue dans la pièce intermédiaire 42 qui s'élargit par palier, ce qui crée de forts tourbillons.Ces tourbillons ont pour conséquence un mélange intime de l'eau dans le tube central 41, ce qui permet une compensation pour ainsi dire complète des éventuelles différences de température de liteau qui s'écoule dans la tuyauterie aller, entre la zone de la paroi du tube et la zone centrale du tube. L'eau, qui continue à s'écouler, est accélérée de nouveau dans la pièce intermédiaire 46 qui se rétrécit en forme de buse, de sorte qu'il se crée à l'extré- mité de la buse un écoulement pour ainsi dire laminaire dans la zone de sortie 47, dont la température est essentiellement constante sur toute la section du tube.Les éventuelles faibles différences de température sont compensées par les plaques 54, qui sont bien conductrices de la chaleur, de sorte que la température du tube de faibles dimensions 51 concorde très bien, du moins dans la zone des embouts de mesure 57 du thermomètre à résistance de platine utilisé en tant que premier capteur de température 56, avec la température moyenne de l'eau "aller", et la résistance, mesurable, constitue une mesure très précise de la température de l'eau dans le circuit aller. L'eau qui sort du tronçon de tuyauterie 16 traverse ensuite le débitmètre à moulinet 18, dont le générateur de signaux électronique 21 produit pour chaque unité de volume traversée une impulsion électrique.L'eau sort ensuite du débitmètre à moulinet en traversant l'échangeur de chaleur 13 puis, de là, passe par le tronçon de tuyauterie 17 possédant le deuxième capteur de température, puis enfin le débitmètre à moulinet 19, pour arriver au branchement retour 12 du circuit primaire. La configuration de l'écoule ment dans le tronçon de tuyauterie 17 du circuit retour est alors pratiquement la même que la configuration d'écoule lement décrite pour le tronçon de tuyauterie 16 du circuit aller, car la résistance du thermomètre à résistance disposé dans le tronçon de tuyauterie 17 est elle aussi une mesure très précise de la température de l'eau "retour
Le générateur de signaux électronique 22, installé sur le débitmètre à moulinet 19 dans la canalisation de retour, crée pour chaque unité de volume traversée une impulsion électrique, tout comme le générateur de signaux 21 installé sur le débitmètre à moulinet 18 dans le circuit aller.

Le commutateur disposé dans le circuit de mesure de la température 27 est relié par l'intermédiaire d'une ligne 30 à un rythmeur installé dans l'unité de calcul 29, dont les impulsions d'horloge commandent la succession des mesures de la résistance ainsi que l'inversion de polarité du courant de mesure, et la détermination de la différence de résistance. On a une amplification de la tension aux bornes du thermomètre à résistance connecté à la source à intensité électrique constante, de même que de la différence de tension déterminée par une liaison appropriée des thermomètres à résistance. Cette tension et cette différence de tension sont envoyées, respectivement sous la forme de signaux analogiques de tension et de différence de tension, au convertisseur analogique/numérique 28, où elles sont converties en signaux numériques correspondants.

Les impulsions produites par les générateurs d'impulsions 19 et 21 sont comptées par les compteurs respectivement 26 et 24.

Le contenu de chacun des compteurs 24, 26, ainsi que les signaux numériques correspondant aux résistances des thermomètres à résistance dans le circuit aller et le circuit retour, de même qu'à leur différence, sont ensuite envoyés à l'unité de calcul 29, Cette dernière compare le contenu des compteurs et, Si la différence reste inférieure à une valeur prédéterminée1 calcule une valeur moyenne, laquelle est utilisée en tant que volume de passage pour traitement ultérieur.

A l'unité de calcul 29 sont affectées des mémoires dans lesquelles sont mémorisées les valeurs obtenues sur les deux thermomètres à résistance. Ces valeurs sont déterminées par un moyen expérimental pour chaque thermomètre à résistance, avant sa mise en place, à partir de deux températures de référence. Elles permettent de calculer un déplacement parallèle et/ou différentes pentes des deux diagrammes de résistance. Il suffit alors d'utiliser les différences réciproques des valeurs caractéristiques des deux thermomètres à résistance, car la grandeur importante pour la mesure des quantités de chaleur est la différence de température et non pas la température absolue.L'unité de calcul calcule alors la valeur instantanée de la résistance, à partir de l'intensité- du courant fourni par la source à intensité constante et de là tension aux bornes de chacun des thermomètres à résistance puis, à partir de ces informations, et à l'aide des valeurs caractéristiques mémorisées, la température dans le circuit aller et dans le circuit retour, ainsi que la différence de température.

Les valeurs calculées subissent un traitement numérique dans l'unité de calcul, de façon à augmenter leur précision, par exemple par la détermination des moyennes pondérées.

Enfin, l'unité de calcul détermine la quantité de chaleur cédée, à partir du volume de passage mesuré et de la différence mesurée de température du caloporteur dans le circuit aller et le circuit retour, à l'aide des valeurs caractéristiques mémorisées, et en utilisant la formule mentionnée ci-dessus.

Quand on utilise le calorimètre avec de l'eau en tant que caloporteur, on mémorise de préférence, pour calculer la quantité de chaleur, non pas la masse volumique et la capacité, qui dépendent de la température, mais plutôt leur produit, qui est presque linéaire pour l'eau et sur la plage de températures présentant un intérêt par exemple dans le chauffage urbain.

Dans une forme de réalisation préférée du calorimètre, deux thermomètres à résistance sont installés dans chacun des tronçons centraux de la tuyauterie aller et de la tuyauterie retour. Ce mode de construction permet de déterminer la température du caloporteur à partir de la moyenne des deux résistances mesurées, ce qui augmente encore plus la précision de la mesure de la température. Ce mode de construction permet aussi une surveillance réciproque des deux thermomètres à résistance disposés dans le même tronçon central, et donc de reconnaître rapidement une modification de la courbe caractéristique de résistance en fonction de la température, voire d'un défaut mécanique.

Le dispositif d'affichage installé en aval de l'unité de calcul affiche la quantité de chaleur prélevée de l'eau du circuit primaire dans l'échangeur de chaleur, ainsi que la valeur instantanée de la puissance calorifique cédée ou absorbée, la température de l'eau dans le circuit aller et le circuit retour, la différence de température et les débits mesurés dans le circuit aller et le circuit retour.

Il est de même possible d'afficher le "temps d'erreur", pendant lequel l'appareil reçoit et traite des signaux erronés, par exemple en raison d'une défectuosité d'un thermomètre à résistance ou d'une panne au niveau de la source à intensité constante, ou encore en.raison d'une différence non-autorisée entre les débits mesurés. Il est de même possible d'avoir à l'affichage le temps de défaillance du réseau, pendant lequel l'appareil a observé une ou plusieurs pannes de réseau. De préférence, le dispositif d'affichage est pourvu de générateurs de signaux optiques et/ou acoustiques.Ces derniers sont émis dès que la différence entre le débit mesuré dans le circuit aller et le circuit retour dépasse une certaine valeur prédéterminée, car cela signifie ou bien que l'un des débitmètres donne une mesure erronée, ou bien qu'il y a une défectuosité dans la tuyauterie d'eau allant vers l'échangeur de chaleur, se trouvant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur ou en partant. Les générateurs de signaux sont en outre excités quand la résistance de l'un des thermomètres à résistance sort de l'intervalle auquel on peut s'attendre dans les conditions de marche normale ou bien quand la résistance devient infinie, lors de la rupture d'un thermomètre à résistance.Enfin, il est possible d'affecter au dispositif d'affichage un relais dont les contacts s'ouvrent lors de l'apparition d'une situation d'erreur, et qui sont par exemple reliés à un dispositif qui, lors de l'ouverture des contacts, interrompt l'apport de chaleur au calorimètre ou à l'échangeur de chaleur.

L'ensemble du circuit électronique et le dispositif d'affichage peuvent être construits à partir de composants du commerce, dont la sélection et l'interconnexion, pour le montage décrit, sont connues du spécialiste, de sorte que ces composants, et leur interconnexion, ne sont pas décrits plus avant dans la présente description.

Il est en outre bien entendu que le choix des débitmètres convenant le mieux à l'application prévue, de même que le dimensionnement des pièces intermédiaires, et en particulier leur forme, sont du ressort du spécialiste et sont déterminés en fonction du fluide caloporteur utilisé et de la quantité de chaleur à céder ou à absorber.

Claims

Revendications

1. Calorimètre possédant un débitmètre(18, 19) dans la tuyauterie aller (11) ou la tuyauterie retour (12), et un capteur de température dans la tuyauterie aller et la tuyauterie retour, de même qu'un circuit électronique (23) dont les entrées sont raccordées au débitmètre et aux deux capteurs de température et qui calcule la quantité de chaleur cédée ou absorbée par un fluide caloporteur entre la tuyauterie aller et la tuyauterie retour, ainsi qu'un dispositif d'affichage (31) qui affiche au moins une quantité de chaleur calculée, caractérisé en ce qu'il est prévu dans la tuyauterie aller (11) et dans la tuyauterie retour (12) un deuxième débitmètre (19, 18), les capteurs de température étant disposés dans un tronçon de tuyauterie (16, 17) produisant un écoulement pratiquement laminaire du fluide caloporteur.

2. Calorimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tronçon de tuyauterie (16, 17) possède une première partie (42), voisine du raccordement (44) à la tuyauterie d'arrivée, partie qui présente un élargissement en palier, de façon à former pour le fluide caloporteur une zone à turbulence et mélange plus élevés, ainsi qu'une deuxième partie (46), voisine du raccordement (48) à la tuyauterie d'évacuation, partie qui se rétrécit en forme de buse de façon à produire pour le fluide caloporteur un écoulement pratiquement laminaire, et en ce que la partie active (57) du capteur de température (56) est disposée dans la zone d'évacuation (47) de la buse (46).

3. Calorimètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans la zone d'évacuation (47) de la buse (46) sont prévues plusieurs plaques conductrices de la chaleur (54), disposées parallèlement au sens de l'écoulement et en étoile en section transversale, plaques dont le point central axial est constitué d'une manière tubulaire, et en ce que la partie active (57) du capteur de température (56) est installée dans ce tube.

4. Calorimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque débitmètre (18, 19) coopère avec un géné rateur d'impulsions (21, 22), et que le circuit électronique (23) contient deux compteurs (24, 26) pour les impulsions produites par les générateurs d'impulsions, ainsi qu'un circuit de mesure de la température (27), dont les entrées sont reliées aux capteurs de température et dont la sortie est raccordée à un convertisseur analogique/ numérique (28), ainsi qu'une unité de calcul (29) dont les entrées sont connectées aux sorties du compteur et du convertisseur analogique/numérique et dont les sorties vont jusqu'au dispositif d'affichage (31).

5. Calorimètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de mesure de la température (27) coopère avec une source de courant à intensité constante, qui envoie le courant de mesure dans les capteurs de température constitués de thermomètres à résistance (56), et qui contient un commutateur électronique commandé par le calculateur (29), commutateur qui relie à la source d'intensité électrique chacun des thermomètres à résistance destinés à mesurer la valeur absolue de la température et les relie les uns aux autres pour permettre la mesure de la différence de température, en inversant périodiquement la polarité de cette liaison ou de cette connexion, pour compenser les tensions de suppression et la dérive, en fonction de la température, des valeurs caractéristiques des composants, et ce grâce à une inversion du courant de mesure.

6. Calorimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux capteurs de température sont installés et dans la tuyauterie aller, et dans la tuyauterie retour.