FR2470371A1 - Appareil de mesure de l'efficacite d'installation de combustion - Google Patents

Abstract

UN APPAREIL COMPREND UN PREMIER DETECTEUR 3 PRODUISANT UN SIGNAL DE SORTIE FONCTION DE LA CONCENTRATION EN UN GAZ CONSTITUTIF DES GAZ D'ECHAPPEMENT, UN SECOND DETECTEUR 5 PRODUISANT UN SIGNAL DE SORTIE FONCTION DE LA TEMPERATURE DES GAZ D'ECHAPPEMENT, ET DES MOYENS DE CALCUL RECEVANT LESDITS SIGNAUX DE SORTIE, EN TIRANT DES VALEURS REPRESENTATIVES DE LA CONCENTRATION EN GAZ CONSTITUTIF ET LA TEMPERATURE DES GAZ D'ECHAPPEMENT ET APPLIQUANT CES VALEURS A LA RESOLUTION D'UNE FORMULE RAPPORTANT LE DEGRE D'EFFICACITE DE COMBUSTION AUXDITES TEMPERATURE ET CONCENTRATION. AVANT DE TIRER UNE VALEUR DES MESURES, LES MOYENS DE CALCUL 10 PEUVENT ETRE ACTIONNES POUR ETALONNER L'UN AU MOINS DES DETECTEURS 3 A PARTIR D'UNE MESURE D'ESSAI FAITE AVEC CE DETECTEUR 3.

Description

La prc.-'ntP irlv(ntion (-oncel-ne un rrpprtreil pour la ff.r?sure du degré d'efficacité d'installations de combustion utilisant des combustibles fossiles.

Un procédé connu de détermination du degré d'efficacité d'une installation de combustion, par exemple, d'une chaudière ou d'un four, consiste à mesurer la concentration en oxygène ou en C02 et la température des gaz d'échappement, puis à rapporter les valeurs mesurées à un tableau standard donnant soit la proportion de perte de chaleur, soit des valeurs d'efficacité pour différentes températures et concentrationsd'oxygène ou de C02. On doit utiliser un tableau différent pour chaque type de combustible différent, par exemple un combustible so- lide, du mazout, ou des gaz naturels.Sans parler des limitations de précision inhérentes à l'usage de tels tableaux, il est possible que l'opérateur se rapporte au mauvais tableau, c'est-à-dire au tableau concernant un autre combustible, ou se trompe de ligne ou de colonne dans le tableau, ou même interprete ou lise incorrectement les indications données par un ou plusieurs instruments de mesure.

Diverses formes d'appareil ont été proposées pour remédier à ces inconvénients en fournissant des moyens de détermination automatique du degré d'efficacité à partir de la mesure de la température et de celle de la concentration en 02 ou C02 des gaz d'échappement.

Par exemple, la demande de brevet britannique n02 016707 décrit un appareil adapté à suivre un algorithme prédéterminé rapportant l'efficacité de ltopération( < ) en fonction des signaux de sortie de détecteurs de température et de concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement et incorporant des corrections pour la non-linéarité des détecteurs de 02 et de température utilisés. Cet appareil présente cependant un in convénient en ce sens qu'il n'est pas possible d'indiquer séparément la concentration en oxygène et la température d'échappement réelles du fait que les corrections de non-linéarité des détecteurs sont intégralement incorporées dans l'algorithme unique.

Le brevet britannique n01 562 576 décrit un autre type d'appareil dans lequel un dispositif de calcul électronique re çoit des signaux de sortie provenant d'un détecteur de concentration en 02 ou C02 et d'un détecteur de températures, et cal cule l'efficacité t en fonction d'une formule prédétorminée rapportent cette quantité à la concentration en 02 ou C02 et à la température des gaz d'échappement. Cependant, cet appareil suppose que la variation des signaux reçus des détecteurs varie de manière linéaire avec les quantités mesurées. Cela est rarement le cas, en particulier lorsqu'il s'agit de détecteurs de concentration de gaz.

Le problème de l'étalonnage d'un détecteur de concentration en 02 est discuté dans "Tmproving the measurement of 02 in flue gases", article publié par Alan M.CROSSLEY dans "Power & Works Engineering", Octobre 1979.

Cependant, la solution proposez implique i a prise d'une serine de mesures d'essai sur des gaz d'essai ayant différentes concentrations connues en 02 couvrant la gamme d'intérêt, ce qui en fait un procédé long et fastidieux.

La présente invention a pour but d'apporter un appareil pour la mesure du degré d'efficacité d'une installation de combustion qui permet d'éliminer un ou plusieurs des inconvéni-ents précités ou qui les réduit de manière substantielle.

Selon la présente invention, l'appareil pour la mesure du degré d'efficacité d'une installation de combustion comprend un premier détecteur adapté à produire un signal de sortie qui varie avec la concentration en un oaz constitutif des gaz d'échappement de l'installation, un second détecteur adapté à produire un signal de sortie qui varie avec la température des gaz d'échappement, et des moyens de calcul adaptes à recevoir les signaux de sortie des détecteurs, à en tirer des valeurs de mesure représentant la concentration en gaz constitutif et la température des gaz d'échappement et à appliquer ces valeurs de mesure au calcul d'une formule prédéterminée rapportant le degré d'efficacité de combustion à la température et à la concentration du gaz constitutif dans les gaz d'échappement, les moyens de calcul pouvant être actionnés avant le moment où ils tirent la valeur de mesure, afin dtalonner l'un au moins des détecteurs lors d'une mesure d'essai faite avec ce détecteur.

Dans une forme d'exécution préferée, cela est accompli dans le cas d'un détecteur donnant une relation connue non-li- néaire entre son signal de sortie et la quantité à mesurer en calculant la valeur d'un coefficient d'une équation ou d'une formule définissant cette relation non- linéaire à partir du signal de sortie du détecteur produit par la mesure d'essai.

Ce coefficient, que l'on peut commodément appeler coefficient d'étalonnage, est ensuite utilisé par les moyens de calcul lorsqu'ils tirent une valeur de mesure des gaz d'échappement selon l'équation définissant la relation non-linéaire entre le signal de sortie du détecteur et la quantité à mesurer. De cette manière, le détecteur est calibré, et la non-linéarité de la réponse du détecteur est automatiquement et simultanément compensée à partir d'une mesure d'essai unique.

Le degré d'efficacité de l'installation de combustion peut etre obtenu en déterminant la perte de chaleur des gaz d'échappement ou le coefficient de fonctionnement(4) de l'installation.

La formule prédéterminée particulière utilisée dans le calcul de ces valeurs a' partir des valeurs de mesure tirées de la concentration en gaz constitutif et de la température des gaz d'échappementrepose sur un calcul antérieur de la perte de chaleur. Dans le cas préféré où le gaz constitutif est l'oxygène, la perte de chaleur est de préférence calculée selon la formule suivante
R3 ( 1 T2)
Perte de chaleur = S02E ~ / 2S dans laquelle K3 est une constante relative au type de combustible, T1 et T2 sont respectivement la température des gaz d'échappement et une température de référence, par exemple la température ambiante, et %02E et %O2S sont respectivement les concentrations en oxygène exprimées en pourcentage de l'air fourni à l'installation de chauffage, qui peut normalement être considéré comme étant égale à 21, et des gaz d'échappement.

En variante, le constituant gazeux dont la concentration est mesurée peut être C02, auquel cas la perte de chaleur peut être calculée en substance comme suit K1 (T1 T2 )
Perte de chaleur =
%CO2 dans laquelle T1 et T2 ont la meme signification que ci-dessus,
K1 est encore une constante concernant le type de combustible utilisé et %CO2 est celui des gaz d'échappement.

QueUeque soitla formule de perte de chaleur utilisée, et que l'on se base sur la concentration en oxygène ou en gaz carbonique des gaz d'échappement, on peut utiliser la formule préférée ci-après pour déterminer l'efficacité de fonctionne ment de l'installation de chauffage
Efficacité =

<tb> 100 <SEP> - <SEP> CR <SEP> + <SEP> (perte <SEP> de <SEP> chaleur) <SEP> + <SEP> K <SEP> <SEP> I <SEP> K4tP-+(T1-T2) <SEP>
<tb> dans laquelle R et r sont des constantes relatives, respectivement, au type de l'installation de chauffage et à la teneur en humidité et en hydrogène des gaz d'échappement, K3 et K4 sont des constantes relatives au type de combustible utilisé et T1 et T2 sont tels que définis précédemment.

De préférence, donc, le détecteur de température peut être adapté à produire un signal de sortie rapporté à la valeur de (T1 --T2) ; il peut s'agir, par exemple, d'un thermocouple dont la source froide ou de référence est.placée dans l'atmosphère ambiante, tandis que la source "chaude" est placée dans les gaz d'échappement. De préférence, on utilise un thermo-couple en alliage de type K.

De préférence encore, différentes valeurs pour les constantes K1, K3 et K4 correspondant à différents types de combustible, tel qu'un combustible solide, du mazout ou du gaz naturel, sont mises en mémoire dans les moyens de calcul, et l'appareil comprend des moyens pour sélectionner la valeur de la constante à utiliser dans le calcul de la formule prédéterminée.

Pour simplifier le fonctionnement de l'appareil et réduire les possibilités d'erreur, les moyens de calcul fonctionnent de préférence de manière à accomplir automatiquement des étapes séparées du processus de fonctionnement à partir de mesures d'essai à des fins d'étalonnage, en tirant les valeurs de mesure de la concentration en gaz constitutif et de la température à partir de mesures prises sur les gaz d'échappement, pour aboutir au calcul final de la perte de chaleur et/ou de l'efficacité de fonctionnement, lorsqu'il reçoit des instructions de l'opérateur, commodément au moyen de dispositifsinterrupteurs ou analogue.En conséquence, l'appareil peut également comprendre des moyens d'indication visuelle ou sonore de l'accomplissement satisfaisant de plusieurs ou de chacune de ces étapes séparées, de telle sorte que l'opérateur puisse actionner le dispositif interrupteur approprié pour permettre à l'opération suivante d'être effectuée.

Une forme d'exécution de l'invention, non limitative, est décrite ci-après en détail par référence aux dessins annexées dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'un dispositif de contrôle d'ef ficacité de combustible selon l'invention - la figure 2 montre l'architecture interne d'un microprocesseur appartenant au dispositif de contrôle de la figure 1 - les figures 3a et 3b sont des schémas de circuit de deux formes d'amplificateur convenant à l'utilisation dans le dispositif de contrôle selon la figure 1 ; et - les figures 4 et 5 sont des schémas indiquant la succession des différentes parties d'un programme qui commande le fonc tionncment'de l'appareil de la figure 1.

Si l'on se réfère à la figure 1, on voit que l'appareil comprend un module analogique 1 comportant une première borne d'entrée 2 recevant le signal de sortie d'un détecteur d'oxygène 3 et une seconde borne d'entrée 4 recevant le signal de sortie d'un détecteur de température 5. Le module analogique 1 comprend des amplificateurs respectifs pour amplifier linéairement les tensions-d'entrée reçues à ses deux bornes d'entrée pour produire,aux deux bornes de sortie respectives 7 et 8, des tensions de sortie maximales dont chacune est égale à la valeur d'une tension des références, par exemple 3 volts, produite à une troisième borne de sortie 9.

Les bornes de sortie 7, 8, 9 du module analogique 1 sont réunies aux bornes d'entrée respectives désignées par A/C1,
A/C2 et A/C REF d'une pastille de microprocesseur 10 à 8 bits comprenant un transformateur interne A/C à 8 bits ayant deux canaux d'entrée. Les bornes A/C1 et A/C2 constituent les connexions d'entrée des deux canaux de transformateur A/C tandis que la tension appliquée à la borne d'entrée A/C REF depuis le module analogique 1 détermine la limite supérieure de la gamme de transformation. La partie de microprocesseur 10 utilisée dans le présent exemple est un composant disponible dans le commerce, vendu sur la marque INTEL (marque enregistrée) 8022, et fabriqué par Intel Corporation of America , E.U.A.

Elle convient particulièrement à la présente application car elle permet d'obtenir la transformation A/C à deux canaux voulue sans avoir recours à une transformation A/C externe des signaux de sortie des détecteurs d'oxygène et de température 3 et 5.

La pastille de micropro-es ur 10 cornporte également trois portes entrée/sortie(E/S) 12, 13 et 14 de 8 lignes chacune
Trois des lignes E/S de la première porte 12 sont réunies à un interrupteur 16 de sélection de combustible à trois voies, tandis que trois autres lignes sont respectivement réunies aux interrupteurs 17, 18 et 19 pour sélectionner icelui de trois programmes de fonctionnement différent qui est approprié et qui est stocké dans une mémoire ne permettant que la lecture (ROM) ayant une capacité de 2K(8-bits) mots contswnue dans la pastille de microprocesseur 10.

L'une des lignes E/S de la seconde porte 13 est montée de manière à permettre à un oscillateur 20 d'alimenter un hautparleur 21 pour fournir un signal d'avertissement sonore lorsqu'une mesure de concentration d'oxygène a été faite. Une autre ligne est réunie pour actionner le moteur 22 d'une pompe d'aspiration d'air pour faire pénétrer de l'air dans le détecteur d'oxygène 3 avant que soit prise une mesure de la concentration en oxygène. Deux autres lignes E/S de la seconde porte 13, ainsi que les huit lignes E/S de la troisième porte 14 sont réunies aux entrées respectives d'un module d'affichage 24.

Le module d'affichage 24 comprend trois affichages alphanumériques à sept segments 25a, 25b et 25c entrainés par les sept lignes E/S de la troisième porte E/S 14 du microprocesseur 10, un groupe de trois lampes témoins 26a, 26b et 26c commandées par la huitième ligne E/S de la porte 14 alv fins d'indiquer laquelle des trois quantités, température, pourcentage oxygène ou efficacité, est en cours dXaffichage sur les dispositifs d'affichage alpha-numérique 25a, 25b et 25c et deux autres lampes témoins 27, 28 commandées par les d(^lLs lignes
E/S de la porte 13 réunies au module d'affichage 24, lune 27 pour indiquer le moment de l'étalonnage satisfaisant du détecteur d'oxygène, et l'autre 28 pour indiquer le moment de la terminaison satisfaisante de la lecture de la concentration en oxygène.

La pastille de microprocesseur comprend d'autres bornes, à savoir, des bornes d'alimentation en énergie 30, 31 entre lesquelles est montée une source stabilisée 32 de +5 V, une paire de bornes de commande à cristaux 34, 35 entre lesquelles est monté un élément de minuterie 36 pour conlltlander le ionction- nement dans le temps d'un oscillateur commandé par un cristal interne et un circuit d'horlogerie monté dans la pastille de microprocesseur 10. Dans le présent exemple, l'élément de minuterie 36 est formé d'une résistance 15k qui fixe la période de minuterie du processeur à Sjis donnant ainsi une durée de cycle d'instructionsde 150ps (30 périodes d'horlogerie).

La figure 2 montre un schéma de l'architecture interne d'une pastille de microprocesseur 10, comprenant un horloge 40, dont le temps d'horlogerie est déterminé par l'élément de minuterie 36(figure 1) et qui commande la durée du cycle d'instruc xtions du microprocesseur via une unité de traitement central (UTC) à 8 bits 41. L'UTC 41 accomplit diverses opérations arithmétiques et commande le fonctionnement des sections restantes du microprocesseur selon des-instructions de programme stockées dans une mémoire ne permettant que la lecture(ROM) 42 mentionnée plus haut.Le microprocesseur comprend également une mémoire de données 43 ayant une capacité de 64 mots à 8 bits et à laquelle on peut avoir accès pendant le fonctionnement tant pour y entrer des données écrites que pour lire des données à partir de celles-ci ; un compteur horlogerie/situation 44 à 8 bits; ; et un transformateur A/C à 8 bits 45 à deux canaux dont il a été question plus haut à propos du module analogique 1 (figure 1). L'UTC 41, la mémoire de programme 42, la mémoire de données 43, le compteur horlogerie/situation 44 et le transformateur A/C 45 à deux canaux sont tous réunis entre eux et aux trois portes E/S 12, 13 et 14 au moyen d'un réseau interne 47.

Si l'on se réfère de nouveau à la figure 1, le gain des amplificateurs respectifs, dans le module analogique 1, nécessaire pour amener les signaux de sortie du détecteur d'oxygène 3 et du détecteur de température 5 à une valeur maximale d'environ 3 volts, dépend de la gamme sur laquelle s'étendent ces deux signaux de sortie. La gamme maximale voulue des concentrations en oxygène devant être mesurées par le détecteur d'oxygène 3 sur le présent exemple va de O à environ 22% (La concentration nominale en oxygène dans l'air ambiant étant de 20,9%).

Une forme convenant particulièrement bien de détecteur d'oxygène est celle qui est disponible-dans le commerce sous la dénomination "C/S" et qui est vendue par City Technology Limited, Londres, Angleterre; lorsqu'il est chargé par une résistance de 47 ohms, ce détecteur donne une tension de sortie maxi ma)e de 47mV pour la concentration en oxygène de l'air ambiant (20,9%). Cette forme de détecteur d'oxygène fonctionne selon un principe électrolytique. Le détecteur s'auto-alimente en énergie, est limite quant à la diffusion, et est formé fondamen talement d'une anode métal, d'un électrolyte, et d'une cathode air.La diffusion de l'oxygène vers la cathode air est comman déepar une barrière de diffusion capillaire.

L'amplificateur dans le module analogique 1 associé au détecteur d'oxygène peut donc avoir un gain d'environ 60 pour produire une tension de sortie maximale de 3 volts pour un signal d'entrée de 50mV représentant une concentration d'oxygène maximale d'environ 22%.

Une forme de détecteur de température que l'on préfère est constituée par un thermo-couple en alliage de"type K" tel que défini dans les normes britanniques BSNo.4937 part 4:1973 ; le signal de sortie de ce détecteur varie avec la température à une vitesse d'environ 4,lmV par 1000C donnant une lecture maximale d'environ 41mV à 1000 C, ce qui correspond à la limite supérieure de la gamme de température d'intérêt. Encore une fois, un facteur d'amplification de 60 conviendrait au signal de sortie de ce thermo-couple, donnant une tension de sortie maximale d'environ 2,6 volts pour une tension de sortie de détecteur de 45mV.

Pour obtenir une précision instrumentale globale de + les amplificateursdns le module analogique, qui peuvent etre des dispositifs commerciaux, maintiennent une précision supérieure à + 1% sur une gamme de température de 20 C, et toute dérive de température est compensée pour éliminer automatiquement le besoin d'un réétalonnage pendant le fonctionnement.

Les figures 3a et 3b montrent, purement à titre d'exemples, deux variantes de forme convenable de circuit d'amplification opérationnel en courant continu pour amplifier les signaux de sortie des détecteurs 3 et 5. Le circuit de la figure 3a utilise un préamplificateur à deux transistors T1, T2 (appartenant de préférence à la même pastille! tandis que la figure 3b utilise une diode de sortie D1 dont l'entrée est à la terre.

Les signaux de sortie des détecteurs amplifiés linéairement provenant du module analogique 1, sont ensuite appliqués aux canaux respectifs du transformateur A/C 45 à 8 bits du microprocesseur 10 via les bornes d'entrée A/C1 et A/C2 : les deux canaux du transformateur A/C 45 sont réglés de manière à produire une lecture numérique maximale de 256 lorsqu'on y applique une tension d'entrée maximale de 3 volts déterminée par la tension de référence appliquée à la borne A/C REF. Ainsi chaque incrément de la gamme numérique correspond à environ 12mV. Le résultat de la transformation A/C sur chaque canal peut être lu à partir du transformateur A/C 45 via le réseau interne 47 pendant le déroulement d'un programme.

Cependant, avant que ces valeurs puissent etre utilisées pour donner une mesure précise, les détecteurs de température et d'oxygène 5 et 3 doivent être étalonnés car aucun d'eux n'a une tension de sortie qui soit en relation linéaire avec les quantités qu'ils doivent mesurer. Dans les deux cas, une correction est effectuée sur la valeur numérique du signal du détecteur.

Le relation entre la tension de sortie du détecteur d'o xygène et le niveau d'oxygène réel de l'échantillon relevé est exponentielle
C = 1 - exp -S (I)
k dans laquelle C est la concentration fractionnaire en oxygène (par exemple 0,209 dans l'air ambiant), S est le signal de sortie du détecteur et k est une constante.

Si l'on développe cette exponentielle, on obtient exp-S = 1 - S + S - S3 (II)
k k 2k 6k et on peut ainsi prendre, en première approximation, C=S/k et, en deuxième approximation, C = S (1 - s ) (III)
Cependant, avant que la valeur de Ck, c'est-à-dire la concentration en oxygène, puisse être calculée à partir de l'une ou l'autre de ces approximations, on doit d'abord déterminer la valeur de k, qui est la constante d'étalonnage. Cela est fait en prenant une lecture d'étalonnage initiale de la concentration en oxygène d'un gaz d'essai, par exemple de l'air ambiant, et en donnant à la lecture numérique résultante S', transformée en A/c, la concentration nominale fractionnaire en oxygène de l'air ambiant C' - 0,209. La valeur k est ensuite calculée selon l'équation suivante qui dérive de l'équation (I)

= 4,2651 x S'(pour l'air ambiant pris comme gaz d'essai).

Ayant ainsi déterminé une valeur pour k à partir de la lecture d'tztalollnage initiale S', cette valeur est mise en mé- moire et utiliaicornme constante d 'étalonnage pour déterminer la concentration réelle en oxygène en utilisant l'équation (I), ou plutôt l'une des approximations simplifiées données par les équations (II) ou (ICI) (dans cet exemple l'équation (III)! pour une mesure ultérieure.

Le thermo-couple en alliage de "type K" 5 produit une tension de sortie qui est sensiblement linéaire sur la quasi totalité de la gamme d'intérêt c'est-à-dire de 50 à 10000C.

L'étalonnage du thermo-couple est cependant nécessaire et cela est commodément accompli par un réglage approprié de la tension de compensation de l'amplificateur associé dans le module analogique avant de prendre une mesure sur les gaz d'échappement, en se rapportantà une lecture de la température ambiante pour laquelle la tension de sortie du thermo-couple doit être nulle puisque ses deux sources sont à la meme température (la température ambiante).

Lorsqu 'on prend une mesure sur les gaz d'échappement, le thermo-couple enregistre automatiquement la différence de température entre les gaz d'échappement et l'air ambiant.

En variante, le microprocesseur 10 peut être conçu de manière à stocker une valeur représentative du signal de sortie du thermo-couple produit par une mesure d'essai à la température ambiante et pour soustraire cette valeur de référence de la valeur appropriée produite par le thermo-couple lors d'une mesure sur les gaz d'échappement.

La source de mesure du thermo-couple 5 et le détecteur d'oxygène 3 sont tous les deux logés dans une cavité d'une sonde commune. Une petite pompe 22 entrainée par un moteur est actionnée par le microprocesseur 10 pour aspirer de l'air dans la cavité quand doit se faire la lecture de la concentration en oxygène.

On peut montrer(selon la noise britannique BS. No.845:1972) que la perte de chaleur dans les gaz d'stchapp,5meZnt eos(propor- tion de verte de chaleur) est donnée tar
Perte de chaleur

(v) dans laquelle K1 est une constante fonction du type de combustible, T1 est la température des gaz d'échappement, et T2 est la température ambiante.

Le pourcentage de C02 est donné par la formule
%c02 = (1 -
- > x K2 (vi)
21 dans laquelle K2 est la valeur maximale théorique du pourcentage de C02. En remplaçant /C02 par sa valeur(équation (VI)) dans l'équation (V) et en définissant
21K1
K3 = 21K1 K2 on obtient
Perte de chaleur

La différence entre la température des gaz d'échappement et la température ambiante(Tl - T2) est donnée automatiquement par la lecture du thermo-couple puisque sa source froide ou de référence est dans le milieu ambiant, et la valeur du pourcentage d'oxygène est donnée par la lecture du détecteur d'oxygène.Si l'on remplace ces paramètres par leur valeur dans l'é- quation (VII), on obtient la mesure de la perte de chaleur en utilisant les valeurs suivantes pour K1, K2 et K3 dans le cas d'un combustible solide, du mazout et du gaz naturel
K1 R2 K3 K3(arrondi
Combustible solide 0,65 18,5% 0,73784 0,738
Mazout 0,56 15,5% 0,75871 0,759
Gaz naturel 0,38 11,8% 0,67627 0,676
Les corrections ci-dessus des lectures du transformateur
A/C des signaux de sortie du thermo-couple et du détecteur d'oxygène sont appliquées automatiquement au microprocesseur 10.

Dans le cas d'une lecture du thermo-couple, cela consiste simplement à multiplier la lecture du transformateur A/C par un facteur constant de 4,835, tandis que dans le cas du détecteur d'oxygène, on accomplit une mesure d'étalonnage initial S' dans l'air ambiant pour déterminer la valeur de la constante d'étalonnage k selon l'équation (IV) (k = 4,2651 x S') et ensuite cette valeur de constante est utilisée pour calculer la concentration en oxygène des gaz d'échappement à partir d'une mesure ultérieure S utilisant l'équation (III) comme indiqué ci-dessus.En utilisant ces valeurs, on calcule ensuite la perte de chaleur selon l'équation (VII), ou l'efficacité à partir de la perte de chaleur, en choisissant une valeur appropriée pour la constante K3 selon le type de combustible, les trois valeurs de K différentes étant stockées dans la ROM 42 du microprocesseur 10.

On va maintenant décrire le mode d'étalonnage et de mesure du dispositif de contrôle de l'efficacité du combustible.

Le programme principal est illustré à la figure 4 et il comprend un étalonnage de routine, un fonctionnement de routine et un calcul de perte de chaleur (d'efficacité). En outre, il existe un programme d'interruption illustré à la figure 5 qui se déroule continuellement sur une période de 2 ms pour mettre à jour l'affichage, enregistrer le temps et pour changer le contenu de l'affichage en le faisant portersur la valeur voulue par exemple la concentration en oxygène ou la valeur de la perte de chaleur, lorsque l'interrupteur 19 de sélection d'affichage est actionné.

Si l'on se réfère tout d'abord à la figure 4, lorsque le dispositif de commande est mis en circuit, l'affichas alpha-nu mérique 25ek Eslampes témoins 27 et 28 restent hors circuit. L'opérateur introduit ensuite la sonde contenant la soure chaude du thermo-couple 5 et le détecteur d'oxygène 3 dans l'atmosphère ambiante et manoeuvre l'interrupteur d'étalonnage 17. Cela amorce l'étalonnage de routine dans le programme principalXcer- né par la ligne en pointillés, qui met en circuit le moteur de la pompe 22, attend pendant 5 secondes et lit le résultat de transformation sur le canal A/C1 du tranformateur 45 A/C.Si cette lecture du transformateur est située entre 220 et 250, ce qui correspond à une concentration en oxygène comprise entre 20 et 22%, le moteur 22 est mis hors circuit. Si cela n'est pas le cas, d'autres lectures sont prises jusqu'à ce que l'on trouve une lecture comprise entre 220 et 250, après quoi le moteur 22 est mis hors circuit.

On considère ensuite que cette lecture S' correspond à la concentration ambiante nominale en oxygène de 20,9% et on l'utilise pour calculer la constante d'étalonnage k selon l'équation (IV), c'est-à-dire en la multipliant par 4,265. La constante d'étalonnage ainsi calculée est ensuite temporairement stockée dans la mémoire de données 43 et la lampe témoin d'étalonnage 27 est mise en circuit. Cela indique à l'opérateur que l'étalonnage du détecteur d'oxygène est terminé, que la sonde détectrice doit être introduite dans les gaz d'échappement et que l'interrupteur de fonctionnement 18 doit être actionné. Cette opération amorce le fonctionnement de routine du programme qui démarre après 15 secondes d'attente ; à ce moment, on lit le résultat de la transformation qui apparait sur le canal A/C2 du transformateur 45.On prend une seconde lecture du canal du transformateur A/C2 5 secondes plus tard et on la compare avec la première. Si les deux valeurs diffèrent de deux ou moins, ce qui correspond à une différence de température d'environ 100C ou moins, cette valeur de température est enregistrée et le moteur de la pompe 22 est mis en circuit en vue de la mesure de la concentration en oxygène des gaz d'échappement. Si les valeurs diffèrent de plus de 2, on répète le procédé toutes les 5 secondes jusqu'à ce que la différence entre deux lectures successives soit inférieure ou égale à 2.

Après que le moteur de la pompe 22 de la sonde de détecteur ait été mis en circuit, il s'écoule 5 secondes et on prend la lecture S sur A/C1. La lampe témoin 28 indiquant que la lecture a été prise est alors allumée, et après une nouvelle attente de 10 secondes il se produit un signal sonore par suite de l'actionnement de l'oscillateur 20 qui alimente le hautparleur 21 pour indiquer que la sonde peut être enlevée des gaz d'échappement. Le moteur de la pompe 22 est alors mis hors circuit.

Les valeurs lues à partir des deux canaux du transformateur A/C pendant la partie décrite ci-dessus du programme ne font que fournir une représentation numérique de la valeur du signal de sortie provenant des détecteùrs respectifs 3 et 5.

Comme on l'a décrit plus haut, ces valeurs nécessitent une correction pour les transformer en valeurs réelles de concentration en oxygène et de température. A cette fin , la valeur de la concentration en oxygène non corrigée provenant du canal A/C1 du transformateur A/C 45 est divisée par la constante d'étalonnage k du détecteur d'oxygène déterminée précédemment pour en tirer une valeur x = S/k (dans laquelle S est le résultat de la conversion A/C de la concentration en oxygène des gaz d'échappement comme dans les equations (I), (IIl et (III)).

On utilise ensuite cette valeur x dans ltéquation (III) pour calculer la valeur C corrigée de la concentration en oxygène comme suit
C = x(l - x/2) où x = S/k
Cette valeur de C est donc la concentration réelle fractionnaire en oxygène des gaz d'échappement et elle est tempo rarement stockée tandis que la valeur de température non corrigée provenant du canal A/C2 du transformateur 45 est corrigée en la multipliant par un facteur de correction fixe de 4,835 pour donner une valeur numérique égale à la différence de température entre les gaz d'échappement et le milieu ambiant.

Après une attente de 10 secondes, le signal sonore produit par le haut-parleur 21 est interrompu, indiquant ainsi que l'interrupteur de sélection de combustible 16 doit etre positionné en correspondance avec le combustible voulu pour amorcer le calcul de l'efficacité ou de la valeur de la perte de chaleur. On détermine ainsi laquelle des trois valeurs différentes doit être utilisée pour la constante K3(0,738 pour un combustible solide; 0,759 pour du mazout ; 0,676 pour du gaz naturel) avec la valeur de température corrigée(T1 - T2) et la concentration corrigée en oxygène (C) pour la résolution de l'équation (vil).

La lampe témoin 27 est ensuite allumée et la lampe témoin 28 éteinte. On peut effectuer d'autres mesures sur les gaz d'échappement,par exemple en différents points de l'échappement, en actionmnt de manière répétée l'interrupteur de fonctionnement 18.

Une fois qu'ont été déterminées la température corrigée, la concentration corrigée en oxygène et la perte de chaleur, ces valeurs sont stockées respectivement dans des tampons B1, B2 et
B3 (non représentés) et ils sont rendus disponibles pour l'affichage sur les trois dispositifs d'affichage alpha-numériques à sept segments 25a, 25b et 25c du module d'affichage 24. Cette possibilité est offerte par le programme d'interruption dont le schéma est illustré à la figure 5 et qui est commandé par l'interrupteur de sélection d'affichage 19.

Cette opération de routine est répétée cycliquement à intervalles réguliers, de 2 ms dans le présent exemple, et au début de chaque cycle un compteur interne à 8 bits est incrémenté par un compte de 1. Un cycle complet du compteur prend donc 256 x 2 ms = 0,512 seconde , et cela sert d'horlogerie commandant la durée des différentes attentes prévues lors du déroulement du programme principal.

L'appareil décrit jusqu'ici est adapté à calculer automatiquement la perte de chaleur des gaz d'échappement d'une installation de chauffage. Cependant, comme indiqué plus haut, il peut être facilement modifié pour afficher en variante ou en Sllppléllent une indication de 1 'efficacité de fonctionnement( exprimée en pourcentage, de l'installation de chauffage à par tir des valeurs de mesure de t/ 2 et de (T1 - h ) décrites plus haut.

Le calcul de ff basé sur la valeur calorifique grossière du combustible peut être fait en programmant le microprocesseur 10 de facon à ce ou'il calcule l'équation suivante

où R est une constante relative aux pertes par rayonnement de l'installation de chauffage(en général comprisesentre 3% et 10%), K4 est une constante relative au type de combustible utilisé, P est une constante relative à la teneur en hydrogène et en humidité de l'air fourni à I'installation(dans cet exemple) cette valeur est de 1121,4) et K33 T1 et T2 sont tels que définis précédemment.

Le secpnd terme entre crochets correspond à la perte de chaleur tirée de l'équation (VII), valeur qui peut être simplement substituée dans l'équation si on l'a calculée au préalable. Encore une fois, on peut stocker différentes valeurs de constante K4 en plus de celles stockées pour K3 et les sélectionner en agissant sur l'interrupteur de sélection de combustible 16, comme l'on peut également sélectionnerune gamme de valeur pour P selon le type d'installation de chauffage.On donne ci-après des valeurs caractéristiques de K4
Combustible solide 0,00409
Mazout 0,00512
Gaz naturel 0,00828
Lorsqu'il est nécessaire de mesurer la perte de chaleur sur la base de la concentration en % 2 des gaz d'échappement, en utilisant un détecteur à C02 au lieu du détecteur à 2 dé- crit, on peut utiliser l'équation (V) au lieu de l'équation (VII). On peut ensuite stocker différentes valeurs de constantes K1 comme indiqué précédemment pour les différents types de combustible et les choisir en actionnant l'interrupteur de sélection de combustible 16. Naturellement, le processus d'étalonnage est de mise sous forme linéaire nécessite des modifications pour tenir compte de la relation différente dans la variation du signal de sortie du détecteur de C02 avec la quantité mesurée, mais on peut employer des principes similaires à ceux décrits ci-dessus à propos de l'étalonnage du détecteur à 02.

Une fois qu'on a calculé la perte de chaleur, cette valeur peut être substituée au second terme entre crochets de l'équation (VIII) ci-dessus pour déterminer l'efficacite en pourcentage('l).

En outre, le programme d'interruption contrôle la ligne d'entrée de la porte 12 à laquelle est réuni l'interrupteur de sélection d'affichage 19 pour déterminer si ce programme a fonctionné depuis le cycle précédent, et, dans l'affirmative, il remplace les informations affichées par des informations tirées de l'un des trois tampons différents BO, B1, B2 sélec tionné par différentes valeurs de x = 0, 1 ou 2. Par exemple, si le dispositif d'affichage montre la valeur de température contenue dans le tampon BO, le fonctionnement de-l'interrupteur de sélection d'affichage 19 changera x = O en x = 1, provoquant ainsi le remplacement de cette information affichée par celle du tampon B1, c'est-à-dire la valeur de concentration en oxygène corrigée.Si l'interrupteur de sélection d'affichage est enfoncé de nouveau, x changera de x = 1 à x = 2 l'affichage 25 étant renouvelé à l'aide des informations tirées du tampon B2, c'est-à-dire la valeur de perte de chaleur.

Un nouveau fonctionnement de l'interrupteur de sélection d'affichage remplacera x = 2 par x = 0, ce qui ramènera la valeur de température d'origine du tampon BO.

Simultanément, en même temps que s'affichent les informations, l'une des trois lampes témoins 26a, 26b et 26c s'allume pour indiquer quelle information est en cours d'affichage.

Le but des lectures successives comparatives des signaux de sortie du détecteur de température apparaissant sur le canal A/C2 du transformateur A/C 45 à des intervalles de 5 secondes, jusqu'à ce que les lectures successives diffèrent de moins d'une quantité prédéterminée, est de s'assurer que la température du détecteur de température s'est élevée et s'est stabilisée à la température réelle des gaz d'échappement.

On doit noter que l'appareil spécifiquement décrit ne constitue qu'une forme d'exécution préférée et que l'on peut y apporter de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on peut utiliser différentes formes de détecteur de température, d'oxygène ou de gaz carbonique né cessitant des modifications, entre autres des procédés utiiis6s pour leur étalonnage et pour la linéarisation de leurs signaux de sortie. Les deux détecteurs peuvent avoir des réponses nonlinéaires, nécessitant une correction de- non-linéarité égale ment du signal de sortie du détecteur de température . En outre, l'invention n'est pas limitée à la forme particulière de microprocesseur utilisé, d'autres formes de microprocesseur pouvant également être employées, quelles comprennent ou non des moyens de transformation internes A/C. On peut facilement utiliser des moyens de tranformation A/C externe lorsque cela est nécessaire. La gamme de combustible auquel l'appareil est destiné peut varier selon les besoins et comprendre d'autres formes de combustibles en sélectionnant convenablement les constantes K3 et R dans les équations (VII) et (VIII).

Claims (24)

Rj-3V-NICATTONS

1 - Appareil pour la mesure du degré d'efficacité d'une installation de combustion comprenant un premier détecteur adapté à produire un signal de sortie qui varie avec la concentration en un gaz constitutif des gaz d'échappement de l'installation, un second détecteur adapté à produire un signal de sortie qui varie avec la température des gaz d'échappement, et des moyens de calcul adapté à recevoir les signaux de sortie des détecteurs, à en tirer des valeurs de mesure représentant la concentration en gaz constitutif et la température des gaz d'échappement et à appliquer ces valeurs de mesure à la résolution d'une formule prédéterminée rapportant le degré d'efficacité de combustion à la température et à la concentration dudit gaz constitutif des gaz d'échappement, caractérisé en ce que, avant d'en tirer une valeur, les moyens de calcul 10 peuvent etre actionnés pour étalonner l'un au moins des détecteurs 3 à partir d'une mesure d'essai faite avec ce détecteur 3.

2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 peuvent être actionnés pour étalonner le premier détecteur 3 à partir d'une mesure d'essai faite sur un gaz d'essai ayant une concentration connue en dit gaz constitutif.

3 - Appareil selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 peuvent être actionnés pour tirer une valeur de mesure du signal de sortie du détecteur en fonction d'une formule définissant la relation entre les variations du signal de sortie du détecteur avec la quantité mesurée, et la quantité mesurée.

4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 peuvent être actionnés pour calculer la valeur d'un coefficient d'une formule définissant la relation entre les variations du signal de sortie du détecteur avec la quantité mesurée et la quantité mesurée pour l'utilisation ultérieure en tirant une valeur de mesure.

5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la relation suivante définit la variation entre le signal de sortie d'un premier détecteur 3 et la quantité mesurée :

Concentration fractionnaire = 1 - exp - S/k dans laquelle S est la valeur du signal de sortie du premier détecteur 3 et k est ledit coefficient.

6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 peuvent être actionnés pour calculer une valeur de coefficient k selon la formule suivante

où S' représente la valeur du signal de sortie produit par le premier détecteur 3 à partir de la mesure d'essai et C' représente la concentration fractionnaire en gaz constitutif du gaz d'essai.

7 - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 sont adaptés à étalonner le premier détecteur 3 à partir d'une mesure d'essai sur l'air ambiant, la valeur de C' étant fixée pour correspondre àla concentration nominale en dit gaz constitutif dans l'air ambiant.

8 - Appareil selon l'une quelconques de revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 doivent etre actionnés pour tirer une valeur de mesure de la concentration en gaz constitutif selon la formule suivante :

Concentration fractionnaire = s/k (1 - s/2k)

en gaz constitutif où S représente le signal de sortie du premier détecteur 3 produit par la mesure des gaz d'échappement.

9 - Appareil selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 peuvent être actionnés, pour l'accomplissement d'une mesure d'essai de la concentration en gaz constitutif de l'air ambiant ou d'un autre gaz d'essai, automatiquement, pour échantillonner la valeur du signal de sortie d'un premier détecteur 3, comparer cette valeur avec celle d'une valeur stockée représentant la valeur estimée du signal de sortie du détecteur pour la concentration nominale ou connue dudit gaz constitutif dans le gaz d'essai, et si la différence entre les valeurs comparées est au-dessus d'une limite prédéterminée, à répétera comparaison après un intervalle de temps prédéterminé jusqu'à ce que la différence entre les valeurs comparées tombe au-dessous de cette limite.

10 - Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce

qu'il est prévu des moyens 21 pour donner une indication visuelle et/ou sonore du fait que une mesure d'essai de la concentration en gaz constitutif a été obtenue.

11 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le premier détecteur est un détecteur d'oxygène électro-chimique 3.

12 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le détecteur de température 5 est monté de manière à produire un signal de sortie qui varie avec la différence entre la température des gaz d'échappement et une température de référence.

13 - Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le détecteur de température est un thermo-couple 5.

14 - Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le thermo-couple 5 est un thermo-couple en alliage de type

K et dont le signal de sortie varie de manière sensiblement li linéaire avec la quantité mesurée sur la gamme d'intéret.

15 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 peuvent être actionnés pour tirer une valeur de mesure du signal de sortie du détecteur de température 5, et automatiquement échantillonner la valeur du signal de sortie du détecteur de température, stocker la valeur echantillonnée pendant une période de temps prédéterminée, puis rééchantillonner la valeur du signal de sortie du détecteur de température, comparer les deux valeurs échantillonnées et répéter ce processus jusqu'à ce que la différence entre deux valeurs échantillonnées successives soient inférieures à une limite prédéterminée après quoi l'une de ces deux valeurs est conservée comme valeur de mesure.

16 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens(24 ; 27, 28) pour donner une indication visuelle et/ou sonore du fait que les valeurs de mesure de la température et de la concentration en gaz constitutif des gaz d'échappement ont été obtenues.

17 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 12, 13 ou 14J caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 peuvent être actionnés pour étalonner le détecteur de température 5 à partir d'une mesure d'essai de ladite température de référence.

18 Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la mesure du degré d'efficacité de la combustion est fournie par une indication de la perte de chaleur de l'installation de chauffage.

19 - Appareil selon la revendi(dtion 18, caractérisé en ce que le premier détecteur 3 est un détecteur d'oxygène et en ce que la formule prédéterminée pour calculer la perte de chaleur est la suivante

K3 (T1 - T2)

Perte de chaleur =

%O2E - %O2S où K3 est une constante relative au combustible utilisé par l'installation de chauffage, T1 et T2 sont respectivement la température des gaz d'échappement et une température de réfé rence et %02E et %O2S sont les concentrations en oxygène ex

2S primées en pourcentage respectivement de l'air de combustion fourni à l'installation et des gaz d'échappement.

20 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la mesure du degré d'efficacité de la combustion est fournie par une indication de l'efficacité de fonctionnement ( < ).

21 - Appareil selon la revendication 20, caractérisé en ce que le premier détecteur 3 est un détecteur d'oxygène et en ce que la formule prédéterminée pour calculer l'efficacité de

<tb> où R est une constante relative au type d'installation de chauffage, K3 et K4 sont des constantes relatives au type de combustible utilisé, P est une constante relative à la teneur en humidité et en hydrogène des gaz de combustion fournis à l'installation de chauffage, T1 et T2 sont respectivement la température des gaz d'échappement et une température de référence, et %02E et Yo02S sont les concentrations en 02 exprimées en pourcentage respectivement de l'air de combustion fourni à l'installation et des gaz d'échappement.

<tb> <SEP> 100 <SEP> = <SEP> E <SEP> + <SEP> R <SEP> 2 <SEP> ~ <SEP> + <SEP> K4 <SEP> |P <SEP> 4\\P <SEP> +(T1 <SEP> - <SEP> T2)g

<tb> fonctionnement <SEP> est <SEP> la <SEP> suivante

22 - Appareil selon la revendication 19 ou 21 > caractérisé en ce que différentes valeurs de constantes K3 et/ou K4 sont stockées dans les moyens de calcul 10 pour différents types de combustibles et en ce que l'appareil comprend des moyens 16 pour sélectionner ces différentes valeurs dans la résolution de la formule prédéterminée.

23 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens d affichage 24 pour afficher des valeurs de mesure tirées par les moyens de calcul pour la concentration en gaz constitutif et la température des gaz d'échappement > ainsi que le résultat de la r- solution de ladite formule prédéterminée utilisant ces valeurs de mesure.

24 - Appareil pour la mesure du degré d'efficacité d'une installation de combustion comprenant un premier détecteur adapté à produire un signal de sortie qui varie avec la concentration en un gaz constitutif des gaz d'échappement de l'installation, un second détecteur adapté à produire un signal de sortie qui varie avec la température des gaz d'échappement, l'un au moins desdits signaux de sortie variant de manière non linéaire avec la quantité mesurée, et des moyens de calcul adaptés à recevoir les signaux de sortie des détecteurs, caractérisé en ce que les moyens de calcul 10 sont adaptés à corriger une telle non linéarité en appliquant une correction dérivant de la relation connue entre le signal de sortie du détecteur et la quantité mesurée pour produire des valeurs de sortie respectives qui varient sensiblement de manière linéaire avec différentes valeurs de quantité mesurées et pour appliquer lesdites valeurs de sortie à la résolution d'une formule prédéterminée rapportant le degré de l'efficacité de combustion à la température et à la concentration du gaz constitutif dans les gaz d'échappement.