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MEMOIRE DESCRIPTIF
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à l'appui d'une demande de B D'INVENTION pour "Procédé et dispositif de surveillance et de commande d'un évaporateur" par la Société Anonyme : SOCIETE NATIONALE ELF AQUITAINE, Tour Aquitaine, F-92400 COURBEVOIE. (France). Priorité d'une demande de brevet déposée en France, le 22 décembre 1982, sous le NO 82 21549.
Inventeur : Christian BOUSSICAULT.
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La présente invention concerne un procédé et un dispositif de surveillance et de commande d'un évaporateur en vue de détecter la présence de givre à sa surface et de déclancher son élimination. Elle concerne en particulier le cas ou l'évaporateur est celui d'une pompe à chaleur.
Le principe d'une pompe à chaleur est bien connu de l'homme de l'art et on rappelle simplement que les pompes à chaleur utilisant l'air comme source froide comprennent un évaporateur où cet air échange ses calories avec un fluide frigorigène circulant à l'intérieur de cet évaporateur et qui de ce fait se vaporise. Lors de l'utilisation d'une telle pompe à chaleur pour le chauffage, l'air utilisé comme source froide est de l'air pris à l'extérieur du local à chauffer. Dans certaines conditions, l'utilisation de cet air extérieur peut amener la création de givre sur l'évaporateur ce qui en freinant l'échange thermique entre les deux fluides pénalise le rendement de l'installation et nécessite une opération de dégivrage. Cette opération qui nécessite l'arrêt de la pompe ne doit être effectuée qu'à bon escient si l'on veut optimiser l'installation.
On prévoit donc dans ces installations des dispositifs permettant de détecter la présence de givre et déclencher l'opération de dégivrage. Ces dispositifs sont habituellement constitués par des capteurs permettant de mesurer la perte de charge subie par l'air lors de son passage sur l'évapora- teur ou de mesurer la température d'évaporation par mesure directe sur la paroi de l'évaporateur. On peut aussi utiliser des systèmes de temporisation qui déclenchent le dégivrage à des intervalles de temps prédéterminés. Cependant, ces réalisations présentent l'inconvénient lié au fait que toutes les mesures effectuées sont des mesures absolues rui ne prennent en compte ni les conditions initiales de l'installation et ses conditions de fonctionnement, ni non plus les conditions extérieures et leurs variations.
Parmi les conditions extérieures influentes sur l'apparition du givre, on peut citer le degré hygrométrique de l'air, sa température.
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Parmi les conditions de l'installation, il est nécessaire de surveiller le débit d'air qui, si il est fixé pour une installation, et peut être considéré comme constant, varie d'une installation à l'autre. Toutes ces conditions nécessitent alors un réglage sur place de l'installation.
Au contraire, l'invention prévoit un dispositif et un procédé de détection de la présence de givre qui permettent de pallier à ces inconvénients dont le fonctionnement n'est pas tributaire des variations des différents paramètres ci-dessus cités et qui ne nécessitent aucun réglage lié au site où est installé l'évaporateur.
Pour cela l'invention prévoit un procédé de surveillance et de commande d'un évaporateur en vue d'assurer la détection et l'élimination du givre sur la surface de l'évaporateur, ledit évaporateur étant associé à un circuit de circulation d'un fluide frigogène et en contact avec un second fluide mis e ;
mouvement de façon à le traverser, le second fluide étant susceptible de céder ses calories au premier fluide et de provoquer son évaporation, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer un paramètre PI représentatif de l'état du second fluide en amont de l'évaporateur et un paramètre P2 représentant le même fluide en aval de l'évaporateur, ces mesures étant effectuées à des instants (ti) déterminés à partir d'un instant initial, à calculer pour chaque instant (ti) la différence Pi existant entre les deux paramètres PI et P2 et à comparer chaque différence Pi avec la différence A Po mesurée à l'instant initial, cette comparaison se faisant sous la forme d'un :
soustraction dont le résultat est un paramètres, et à commander le dégivrage de l'évaporateur quandS est supérieur a une valeur de consigne Cl.
Ce procédé permet donc de ne commander le dégivrage qu'à bon escient et du fait que la consigne de référence est fournie par la première mesure, il permet de s'affranchir des conditions extérieures.
Selon une autre caractéristique, la différence Po est comparée à l'instant to, à une valeur Co, et le dégivrage est commandé quanda Po est supérieur à Co. Cette valeur Co est choisie d'après les caractéristiques du dispositif.
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Cette étape du procédé permetdes'assurer que la première mesure prise comme référence, n'a pas été faite en présence de givre ou de tout autre paramètre néfaste, et de préférence, elle est répétée plusieurs fois si nécessaire et l'installation est arrêtée si, après un nombre d'essais, par exemple quatre, la différenceApo n'est pas devenue supérieure à la consigne Co.
Enfin, selon une autre caractéristique, la commande du dégivrage de l'évaporateur est interrompue quand le paramètre P2 devient supérieur à une valeur de consigne C2.
De préférence, le paramètre mesuré est la température ou encore la pression.
L'invention prévoit aussi un dispositif de mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini et qui comporte au moins deux moyens permettant de mesurer un paramètre représentatif du fluide, chacun desdits moyens étant situé d'un côté de l'évaporateur et étant muni de moyens pour générer des signaux continus représentatifs dudit paramètre, des moyens de traitement de ces signaux permettant à chaque instant d'établir la différence entre les valeurs des paramètres mesurés par lesdits capteurs et de comparer cette différence à celle existant initialement lors de la mise en marche de l'installation de façon à pouvoir générer un signal de commande actionnant un dispositif de dégivrage de l'évaporateur en fonction du résultat de ladite comparaison.
Selon un mode de réalisation préférentielle, les moyens de mesure sont des capteurs de température fournissant un signal analogique et associés à un convertisseur analogique numérique permettant de rentrer ces signaux dans un microprocesseur constituant ledit moyen de traitement des signaux.
Enfin, selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les moyens de mesure de la température comportent : - au moins deux résistances variables avec la température parcourues par un courant d'intensité grossièrement régla- ble et montées en série avec deux résistances étalons,
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- un moyen de multiplexage du signal muni d'au moins quatre voies d'entrée dont au moins deux reçoivent chacune un signal analogique représentatif de la tension aux bornes des résistances variables et dont deux parmi les autres recoivent chacune un signal représentatif de la tension aux bornes des résistances étalon, ce moyen de multi- plexage comportant aussi une voie de sortie et des moyens de sélection permettant de sélectionner à chaque instant une desdites voies d'entrée afin de la mettre en communi- cation avec ladite voie de sortie,
- un moyen de transformation permettant de transformer les signaux issus du moyen de multiplexage en des signaux al- ternatifs dont un des paramètres constitutifs est propor- tionnel à la tension du signal correspondant, lesdits signaux étant directement traités par le microprocesseur.
Selon l'invention, le moyen de transformation peut générer des signaux alternatifs dont la période est pro- portionnelle à la tension du signal correspondant mais il peut, selon un autre mode de réalisation, générer des signaux dont la fréquence est proportionnelle à la tension dudit signal.
Selon une caractéristique préférentielle, les moyens de traitement sont constitués par un microprocesseur per- mettant d'effectuer une comparaison par seconde.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, description faite en référence aux dessins annéxés sur lesquels : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 2 représente un second mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente schématiquement la partie évaporation d'une pompe à chaleur à laquelle on a associé un dispositif de détection de givre selon l'invention.
L'évaporateur (1) dans lequel circule le fluide frigorifique est placé dans un courant d'air (2) produit par un ventilateur (3). Le circuit (4) de circulation du fluide frigorifique comporte un détendeur (35).
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Il est bouclé par le reste de l'installation d'échange de calories de la pompe à chaleur représenté par le rectangle (5) et qui comporte, notamment et d'une manière habituelle un compresseur et un condenseur. Le circuit (4) comporte une boucle (6) de contournement permettant le contournement du condenseur et du détendeur (35). Cette boucle est commandée par une vanne trois voies (7) associée à un servomoteur (30). Le ventilateur (3) est muni d'un interrupteur électromagnétique (8).
Deux sondes de température (9) et (10) sont placées dans le courant d'air (2), la sonde (9) en amont de l'évaporateur et la sonde (10) en aval. Chacune de ces sondes est connectée à un microprocesseur (11), par l'intermédiaire des câbles (12) et (13) et des convertisseurs analogique numérique (31) et (32).
Le dispositif ainsi représenté fonctionne de la manière suivante. Le système est mis en fonctionnement normal, c'est-à-dire que le fluide frigorifique circule dans l'évaporateur, le circuit de contournement (6) est fermé, le ventilateur (3) alimente et aspire le courant d'air (2) vers et à travers l'évaporateur (1), et l'évaporateur n'est pas givré. Au bout d'un certain temps tl, on considère que le régime permanent est atteint.
A partir de ce temps tl, le microprocesseur de surveillance se met en route et effectue, à des instants ti séparés par des intervalles de temps réguliers de l'ordre de 1 seconde, le calcul de la différence T entre la température mesurée par la sonde 9 et celle mesurée par la sonde 10. La première mesure faites tao est prise comme mesure de référence et donc mise en mémoire. A chaque instant ti, le microprocesseur comparet Ti à To. Dès queA Ti devient supérieur à boo augmenté d'une constante K, le microprocesseur élabore un signal actionnant l'interrupteur (8) du ventilateur. Ce signal agit aussi sur le servomoteur (30) qui actionne la vanne trois voies (7) de façon à ce que le fluide frigorifique circule dans le circuit de contournement (6).
Simultanément, le microprocesseur surveille la température mesurée par la sonde aval (10) et dès que celleci redevient supérieure à une valeur limite, le micropro-
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cesseur élabore ur nouveau signal qui par action de J
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l'interrupteur (8) et du servomoteur (30) remet le système en fonctionnement normal de sorte que le cycle reprend comme précédemment.
Ce système effectue aussi une surveillance de l'installation au démarrage qui permet de prendre en compte la situation où l'évaporateur serait givré lors de la mesure deATo, ou celle liée à un fonctionnement défectueux du circuit de circulation du fluide frigorifique. Pour cela le microprocesseur compare l'intervalle To à une valeur limite et déclenche le dégivrage si 6. To est supérieur à cette valeur.
En effet, dans ce cas on considère que l'échange thermique ne s'est pas bien fait et que l'évaporateur est givré. Cette opération peut être répétée un certain nombre de fois jusqu'à obtention d'un fonctionnement normal mais le microprocesseur va déclencher un arrêt total si ce fonctionnement normal n'est pas obtenu au bout d'un nombre déterminé de dégivrages : par exemple 4. Cette phase du procédé permet donc de s'assurer que la valeur To, prise en compte pendant toute la surveillance, correspondant à un état normal du dispositif.
La figure 2, représente une variante de l'invention selon laquelle les températures sont mesurées à l'aide d'un dispositif comprenant deux sondes montées en parallèle avec deux résistances étalon, un multiplexeur et un générateur de signaux numériques. Le microprocesseur assume le calcul des températures et la surveillance du dégivrage. Un tel dispositif est décrit plus précisément dans la demande de brevet nO 82 19 765 à laquelle il est fait explicitement référence.
Sur cette figure 2, les éléments indentiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes repères. De part et d'autre de 1'évaporateur sont placées des sondes de température (101) et (102) chacune constituée par une résistance variable en fonction de la température. Ces deux sondes sont montées en série avec deux résistances étalons placées dans le boitier (103) qui permet aussi l'alimentation de l'ensemble sondes-résistances étalon par une tension continue.
Les cables (105) et (106) sont des conducteurs à quatre fils permettant la mise en série des sondes et des résistances
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et permettant aussi la mesure de la tension aux bornes des résistances variables. Un cable (107) multiconducteur relie le boitier (103) à un multiplexeur (109). Ce cable permet d'alimenter le bus d'entrée du multiplexeur avec les tensions aux bornes des résistances variables et aux bornes des résistances étalon. La sortie du multiplexeur est reliée à un amplificateur (110) puis à convertisseur analogique-numérique (lil) lequel est connecté au microprocesseur (112), lui même relié au multiplexeur (109) par un cable (120) de transport des ordres de commandes.
En se référant à la demande de brevet nO 82 19 765 à la description faite en référence à la figure l on comprend aisément que le fonctionnement du dispositif représenté est assuré principalement par le microprocesseur qui non seulement effectue les adressages du multiplexeur et les règles de trois permettant le calcul des températures mais encore fait les diverses opérations nécessaire à la détec-
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tion de la présence de givre sur l'évaporateur.
Le convertisseur analogique (lil) est, de préférence, similaire au V. C. O. décrit dans la demande de brevet nO 82 19765c'est à dire un dispositif qui délivre à sa sortie une fréquence proportionnelle à la tension présente à l'entrée.
On peut aussi utiliser un modulateur de largeur d'impulsions de sorte que le microprocesseur travaillera à partir d'une période, par comptage d'impulsions dont le nombre est directement proportionnel à la période.
Le dispositif représenté peut comporter différents organes de surveillance permettant par exemple de vérifier que le ventilateur est en fonctionnement ou que son accès par l'air extérieur n'est pas gêné par des éléments tels que des feuilles mortes par exemple.
Ce dispositif est particulièrement bien adapté à la surveillance de l'évaporateur d'une pompe à chaleur telle que celle décrite dans la demande de brevet français nO 80 06 103"Installation de chauffage pour locaux à usage d'habitation ou industriel".
Enfin, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, elle en englobe au contraire toutes les variantes.
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DESCRIPTIVE MEMORY
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in support of a B D'INVENTION request for "Process and device for monitoring and controlling an evaporator" by the Anonymous Company: SOCIETE NATIONALE ELF AQUITAINE, Tour Aquitaine, F-92400 COURBEVOIE. (France). Priority of a patent application filed in France, December 22, 1982, under NO 82 21549.
Inventor: Christian BOUSSICAULT.
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The present invention relates to a method and a device for monitoring and controlling an evaporator in order to detect the presence of frost on its surface and to initiate its elimination. It relates in particular to the case where the evaporator is that of a heat pump.
The principle of a heat pump is well known to those skilled in the art and it is simply recalled that heat pumps using air as a cold source include an evaporator where this air exchanges its calories with a refrigerant circulating at the interior of this evaporator and which therefore vaporizes. When using such a heat pump for heating, the air used as a cold source is air taken from outside the room to be heated. Under certain conditions, the use of this outside air can lead to the creation of frost on the evaporator, which by slowing down the heat exchange between the two fluids penalizes the efficiency of the installation and requires a defrosting operation. This operation, which requires stopping the pump, should only be done wisely if the installation is to be optimized.
Devices are therefore provided in these installations for detecting the presence of frost and triggering the defrosting operation. These devices are usually constituted by sensors making it possible to measure the pressure drop undergone by the air during its passage over the evaporator or to measure the evaporation temperature by direct measurement on the wall of the evaporator. It is also possible to use timing systems which initiate defrosting at predetermined time intervals. However, these embodiments have the drawback linked to the fact that all the measurements carried out are absolute measurements rui take into account neither the initial conditions of the installation and its operating conditions, nor the external conditions and their variations either.
Among the external conditions influencing the appearance of frost, one can cite the hygrometric degree of the air, its temperature.
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Among the installation conditions, it is necessary to monitor the air flow which, if it is fixed for an installation, and can be considered constant, varies from one installation to another. All these conditions then require on-site adjustment of the installation.
On the contrary, the invention provides a device and a method for detecting the presence of frost which make it possible to overcome these drawbacks, the operation of which is not dependent on variations in the various parameters mentioned above and which do not require any related adjustment. at the site where the evaporator is installed.
For this, the invention provides a method of monitoring and controlling an evaporator in order to ensure the detection and elimination of frost on the surface of the evaporator, said evaporator being associated with a circulation circuit of a refrigerant and in contact with a second fluid put e;
movement so as to pass through it, the second fluid being capable of yielding its calories to the first fluid and of causing its evaporation, characterized in that it consists in measuring a parameter PI representative of the state of the second fluid upstream of the evaporator and a parameter P2 representing the same fluid downstream of the evaporator, these measurements being carried out at instants (ti) determined from an initial instant, to calculate for each instant (ti) the difference Pi existing between the two parameters PI and P2 and to compare each difference Pi with the difference A Po measured at the initial instant, this comparison being made in the form of a:
subtraction whose result is a parameter, and to control the defrosting of the evaporator when S is greater than a setpoint Cl.
This process therefore makes it possible to control defrosting only wisely and the fact that the reference setpoint is provided by the first measurement, it makes it possible to be free from external conditions.
According to another characteristic, the difference Po is compared at the instant to, to a value Co, and the defrosting is controlled when Po is greater than Co. This value Co is chosen according to the characteristics of the device.
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This step of the process makes it possible to ensure that the first measurement taken as a reference, has not been made in the presence of frost or any other harmful parameter, and preferably, it is repeated several times if necessary and the installation is stopped if , after a number of trials, for example four, the Apo difference did not become greater than the setpoint Co.
Finally, according to another characteristic, the control of the defrosting of the evaporator is interrupted when the parameter P2 becomes greater than a setpoint value C2.
Preferably, the parameter measured is the temperature or even the pressure.
The invention also provides a device for implementing the method defined above and which comprises at least two means making it possible to measure a parameter representative of the fluid, each of said means being located on one side of the evaporator and being provided with means for generating continuous signals representative of said parameter, means for processing these signals making it possible at all times to establish the difference between the values of the parameters measured by said sensors and to compare this difference with that which initially existed during start-up of the installation so as to be able to generate a control signal actuating a device for defrosting the evaporator as a function of the result of said comparison.
According to a preferred embodiment, the measurement means are temperature sensors supplying an analog signal and associated with an analog digital converter making it possible to input these signals into a microprocessor constituting said signal processing means.
Finally, according to a preferred characteristic of the invention, the means for measuring the temperature include: - at least two resistors varying with the temperature traversed by a current of roughly adjustable intensity and connected in series with two standard resistors,
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a signal multiplexing means provided with at least four input channels, at least two of which each receive an analog signal representative of the voltage across the variable resistors and two of the others each of which receive a signal representative of the aux voltage standard resistance terminals, this multiplexing means also comprising an output channel and selection means making it possible to select one of said input channels at all times in order to put it in communication with said output channel,
a transformation means making it possible to transform the signals coming from the multiplexing means into alternative signals one of the constituent parameters of which is proportional to the voltage of the corresponding signal, said signals being directly processed by the microprocessor.
According to the invention, the transformation means can generate alternating signals whose period is proportional to the voltage of the corresponding signal but it can, according to another embodiment, generate signals whose frequency is proportional to the voltage of said signal. signal.
According to a preferred characteristic, the processing means are constituted by a microprocessor making it possible to perform a comparison per second.
The invention will be better understood on reading the following description of an embodiment, given by way of nonlimiting example, description made with reference to the appended drawings in which: - Figure 1 shows a first embodiment of the invention - Figure 2 shows a second embodiment of the invention.
FIG. 1 schematically represents the evaporation part of a heat pump to which an ice detection device according to the invention has been associated.
The evaporator (1) in which the refrigerant circulates is placed in a stream of air (2) produced by a fan (3). The refrigerant circulation circuit (4) includes a pressure reducer (35).
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It is enclosed by the rest of the heat pump heat exchange installation represented by the rectangle (5) and which comprises, in particular and in a usual manner a compressor and a condenser. The circuit (4) includes a bypass loop (6) allowing the condenser and the regulator (35) to be bypassed. This loop is controlled by a three-way valve (7) associated with a servomotor (30). The fan (3) is provided with an electromagnetic switch (8).
Two temperature probes (9) and (10) are placed in the air stream (2), the probe (9) upstream of the evaporator and the probe (10) downstream. Each of these probes is connected to a microprocessor (11), via cables (12) and (13) and analog-to-digital converters (31) and (32).
The device thus represented operates in the following manner. The system is put into normal operation, that is to say that the refrigerant circulates in the evaporator, the bypass circuit (6) is closed, the fan (3) feeds and draws in the air stream (2 ) to and through the evaporator (1), and the evaporator is not frosted. After a certain time tl, it is considered that the steady state is reached.
From this time tl, the monitoring microprocessor starts up and performs, at times ti separated by regular time intervals of the order of 1 second, the calculation of the difference T between the temperature measured by the probe 9 and that measured by the probe 10. The first measurement made tao is taken as a reference measurement and therefore stored. At each instant ti, the microprocessor compares Ti to To. As soon as A Ti becomes greater than boo increased by a constant K, the microprocessor generates a signal actuating the switch (8) of the fan. This signal also acts on the servomotor (30) which actuates the three-way valve (7) so that the refrigerant circulates in the bypass circuit (6).
Simultaneously, the microprocessor monitors the temperature measured by the downstream probe (10) and as soon as it becomes again above a limit value, the microprocessor
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stopper works out new signal which by action of J
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the switch (8) and the servomotor (30) returns the system to normal operation so that the cycle resumes as before.
This system also performs monitoring of the installation at start-up, which takes into account the situation where the evaporator would be iced during the measurement of ATo, or that linked to a faulty operation of the refrigerant circulation circuit. For this, the microprocessor compares the interval To with a limit value and initiates defrosting if 6. To is greater than this value.
Indeed, in this case we consider that the heat exchange has not been done well and that the evaporator is frosted. This operation can be repeated a certain number of times until normal operation is obtained, but the microprocessor will trigger a total stop if this normal operation is not obtained after a determined number of defrosts: for example 4. This phase of the process therefore makes it possible to ensure that the value To, taken into account during all the monitoring, corresponding to a normal state of the device.
FIG. 2 represents a variant of the invention according to which the temperatures are measured using a device comprising two probes mounted in parallel with two standard resistors, a multiplexer and a generator of digital signals. The microprocessor assumes the temperature calculation and the monitoring of the defrost. Such a device is described more precisely in patent application No. 82 19 765 to which reference is explicitly made.
In this FIG. 2, the elements identical to those of FIG. 1 bear the same references. On either side of the evaporator are placed temperature probes (101) and (102) each constituted by a variable resistor as a function of the temperature. These two probes are connected in series with two standard resistors placed in the housing (103) which also allows the supply of the standard probe-resistance resistors by a DC voltage.
Cables (105) and (106) are four-wire conductors allowing series connection of probes and resistors
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and also allowing the measurement of the voltage across the variable resistors. A multiconductor cable (107) connects the housing (103) to a multiplexer (109). This cable is used to supply the input bus of the multiplexer with the voltages across the variable resistors and across the standard resistors. The output of the multiplexer is connected to an amplifier (110) then to an analog-digital converter (lil) which is connected to the microprocessor (112), itself connected to the multiplexer (109) by a cable (120) for transporting orders .
Referring to patent application No. 82 19 765 in the description made with reference to FIG. 1, it is easily understood that the operation of the device shown is mainly ensured by the microprocessor which not only performs the addresses of the multiplexer and the rules of allowing the calculation of temperatures but still performs the various operations necessary for the detection
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tion of the presence of frost on the evaporator.
The analog converter (lil) is preferably similar to the V.C.O. described in patent application No. 82 19765, that is to say a device which delivers at its output a frequency proportional to the voltage present at the input.
It is also possible to use a pulse width modulator so that the microprocessor will work from a period, by counting pulses whose number is directly proportional to the period.
The device shown may include different monitoring devices, for example to verify that the fan is in operation or that its access by outside air is not hindered by elements such as dead leaves for example.
This device is particularly well suited to monitoring the evaporator of a heat pump such as that described in French patent application No. 80 06 103 "Heating installation for premises for residential or industrial use".
Finally, the invention is not limited to the embodiments described, on the contrary it encompasses all variants.