FR3073285A1 - Dispositif de mesure de debit d'air pour une installation de ventilation - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un dispositif de mesure d'un débit d'air pour une installation de ventilation d'un local, comprenant : - une conduite (2) de passage d'un flux d'air (F), - une carte de circuit imprimé (3) agencée pour se déformer sous l'action du flux d'air (F) dans la conduite de passage (2), - une au moins jauge de déformation (4) pour mesurer la déformation de la dite carte de circuit imprimé (3), et - un circuit électrique d'analyse pour transformer la mesure de déformation en une mesure du débit d'air à travers ladite conduite (2).
Description
DISPOSITIF DE MESURE DE DEBIT D’AIR POUR UNE
INSTALLATION DE VENTILATION
L’invention a pour objet un dispositif de mesure d’un débit d’air pour une installation de ventilation d’un local.
De manière connue, le débit d’air circulant dans une telle installation est mesuré en plaçant un débitmètre dans une conduite de l’installation.
Le débitmètre se présente par exemple sous la forme d’un anémomètre ou d’une sonde à fil chaud ou encore d’une mesure d’un différentiel de pression.
Néanmoins, l’ajout de ce composant augmente le coût de l’installation, tout en complexifiant la mise en place de l’installation, puisqu’il faut prévoir de positionner le débitmètre dans le flux d’air.
De surcroît, la fiabilité de la mesure donnée par le débitmètre dépend de l’emplacement du composant, qu’il faut par conséquent prendre soin de choisir judicieusement.
Le but de l’invention est de remédier au moins partiellement à ces inconvénients.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de mesure d’un débit d’air pour une installation de ventilation d’un local, comprenant :
- une conduite de passage d’un flux d’air,
- une carte de circuit imprimé agencée pour se déformer sous l’action du flux d’air dans la conduite de passage,
- au moins une jauge de déformation pour mesurer la déformation de la dite carte de circuit imprimé, et
- un circuit électrique d’analyse pour transformer la mesure de déformation en une mesure du débit d’air à travers ladite conduite.
Ainsi, grâce au dispositif selon la présente invention, la mesure de débit se déduit directement de la déformation de la carte de circuit imprimé, ce qui permet de s’affranchir du choix du positionnement du débitmètre dans l’installation.
De plus, l’utilisation de la carte de circuit imprimé, par ailleurs nécessaire au fonctionnement de l’installation de ventilation, permet d’éviter l’ajout d’un composant supplémentaire, réduisant de ce fait le coût global de l’installation.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le circuit électrique d’analyse comprend un pont de Wheastone.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la carte de circuit imprimé est montée mobile et comprend une lame d’obturation au moins partielle de la conduite dans au moins une position normale d’utilisation, ladite au moins une jauge étant agencée pour mesurer une flexion ou torsion de ladite lame d’obturation.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la lame d’obturation présente une section d’obturation complète de la conduite dans au moins une position normale d’utilisation.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la carte de circuit imprimé comprend au moins un axe de rotation, ladite au moins une jauge étant agencée pour mesurer une contrainte de réaction au niveau dudit au moins un axe de rotation.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la carte de circuit imprimé comprend un palier de guidage dudit au moins un axe de rotation.
Selon une autre caractéristique de l’invention, ledit au moins un axe de rotation est configuré pour connecter la carte de circuit imprimé à une source d’alimentation électrique et/ou à un actionneur et/ou à une unité de communication de la carte de circuit imprimé avec un autre module de l’installation de ventilation.
Selon une autre caractéristique de l’invention, ladite au moins une jauge de déformation comprend au moins un fil électrique formé par un fil métallique ou une encre conductrice électriquement ou une piste conductrice électriquement de la carte de circuit imprimé.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le dispositif comprend un actionneur de la carte de circuit imprimé, ledit actionneur étant piloté par des circuits de commande de la carte de circuit imprimé.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la carte de circuit imprimé est montée encastrée dans ladite conduite, de préférence dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction du flux d’air.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le circuit électrique d’analyse comprend une unité de calcul intégrant un modèle mathématique pour lier la mesure de déformation et le débit du dit flux d’air en prenant en compte au moins un paramètre parmi la température et/ou l’humidité mesurées dudit flux d’air, et/ou la position de la carte de circuit imprimé.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la carte de circuit imprimé est protégée au moins partiellement par une enveloppe de protection.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la carte de circuit imprimé comprend au moins un capteur de mesure d’un paramètre relatif au flux d’air, le paramètre étant choisi parmi une pression, un taux d’humidité, une température, une qualité d’air.
L’invention a également pour objet une installation de ventilation d’un local, comprenant un dispositif de mesure de débit d’air tel que décrit précédemment.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre une vue en coupe longitudinale d’un dispositif de mesure de débit d’air selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 2 illustre une carte de circuit imprimé pour un dispositif de mesure de débit d’air selon une variante de réalisation ;
- la figure 3 illustre une vue en coupe longitudinale d’un dispositif de mesure de débit d’air selon un deuxième mode de réalisation ; et
- la figure 4 illustre un pont de Wheastone du dispositif de la figure 1.
L’invention a pour objet un dispositif de mesure de débit d’air 1 pour une installation de ventilation d’un local.
Le local est par exemple un logement, tel qu’une maison ou un appartement, ou des bureaux de travail, ou encore un bâtiment complet.
Comme particulièrement visible sur les figures 1 et 3, le dispositif de mesure de débit d’air 1 comprend une conduite 2 de passage d’un flux d’air, référencé F.
Le flux d’air F est à destination ou issu du local via l’installation de ventilation. Dit autrement, le flux d’air correspond par exemple à un air extrait (vicié) ou à un air insufflé (air neuf ou recyclé).
Le dispositif 1 comprend également une carte de circuit imprimé 3, encore appelée carte électronique.
La carte 3 est configurée pour se déformer sous l’action du flux d’air F dans la conduite de passage 2, comme il va être détaillé.
Le dispositif 1 comprend également au moins une jauge de déformation 4 pour mesurer la déformation de la carte 3 et un circuit électrique d’analyse 5 pour transformer la mesure de déformation en une mesure du débit d’air à travers la conduite, détaillés ultérieurement.
Comme il ressort des figures, la carte de circuit imprimé 3 comprend un support rigide 33, par exemple en époxy, sur lequel sont gravées des pistes électriquement conductrices, non illustrées.
Le support 33 présente typiquement une épaisseur comprise entre 0,8 et
1,6mm.
La carte de circuit imprimé 3 est maintenant décrite en référence aux figures 1 et 2.
Selon ces modes de réalisation, la carte 3 est montée mobile dans la conduite 2.
De préférence, la carte 3 est montée pivotante entre une position d’obturation complète de la conduite 2, dans laquelle le flux d’air F est sensiblement bloqué, et au moins une position d’ouverture dans laquelle au moins une partie du flux d’air F passe à travers la conduite 2.
On note que dans la position d’obturation complète, il est malgré tout possible qu’une fuite persiste, ce qui permet dans certains cas d’assurer un débit seuil minimal.
Avantageusement, selon l’angle de la carte 3, le flux d’air F passe complètement ou partiellement à travers la conduite 2.
La figure 1 illustre une position d’ouverture totale, dans laquelle le flux d’air F circule librement à travers la conduite 2.
Dans une position de la carte telle que le plan de la carte est orienté de manière sensiblement perpendiculaire au plan de coupe de la figure 1, le flux d’air F est sensiblement bloqué.
Le support 33 est conformé pour obturer complètement la conduite 2 dans la position d’obturation complète.
Ainsi, selon ces modes de réalisation, le support 33 forme une lame d’obturation au moins partielle de la conduite 2.
Sur les figures 1 et 2, le support 33 présente une forme générale de disque ou de cylindre circulaire aplati.
Dans une variante, le support 33 pourrait être de forme élliptique, ainsi la position d’obturation serait obtenue lorsque l’angle entre le plan de coupe et le plan de la carte fait légèrement moins que 90°. Dans ce cas, l’étanchéité présente une excellente fiabilité.
La carte de circuit imprimé 3 comprend également au moins un axe de rotation.
Sur les figures 1 et 2, la carte 3 comprend deux axes de rotation 6, 7.
On note que, par axe de rotation, on entend branche faisant saillie hors du disque de la carte.
Les axes de rotation 6, 7 sont disposés diamétralement opposés, ce qui permet à la carte de pivoter autour d’une direction de rotation R.
La carte 3 comprend aussi un palier 8, 9 de guidage en rotation associé respectivement à l’un des axes de rotation 6, 7.
Les paliers 8, 9 sont de préférence constitués en matière plastique, par exemple en une ou deux parties.
Les paliers 8, 9 sont par exemple surmoulés autour de l’axe de rotation associé 6, 7.
Comme visible sur la figure 1, le dispositif 1 comprend un actionneur 10 de la carte de circuit imprimé 3.
Il peut s’agir par exemple d’un moteur pas à pas.
L’actionneur 10 commande le pivotement des axes de rotation 6, 7, déplaçant le support 33 entre la position d’obturation complète et la position d’ouverture complète.
De préférence, l’actionneur 10 est piloté par la carte 3.
L’actionneur 10 est disposé au-dessus de la conduite 2.
La carte de circuit imprimé 3 est maintenant décrite en référence à la figure 3.
Selon ce mode de réalisation, la carte 3 est montée dans la conduite 2 de sorte à fléchir sous l’effet du flux d’air F.
De préférence, le support 33 s’étend dans la conduite 2 en étant encastré par une extrémité 20 à la conduite 2, tandis qu’une autre extrémité 21, de préférence opposée, est laissée libre.
Comme il ressort de la figure 3, un plan du support 33 est disposé sensiblement orthogonalement au flux d’air F.
Ainsi, quand le flux d’air F traverse la conduite 2, il fait ployer l’extrémité libre 21 du support 33.
Avantageusement, la carte 3 intègre différentes fonctions électroniques outre le pilotage du moteur de l’actionneur, telle que le pilotage d’une régulation de l’installation de ventilation en fonction notamment d’une mesure issue d’un capteur, une communication de la carte de circuit imprimé avec un module de l’installation de ventilation (par exemple réception de consigne de fonctionnement, transmission d’états, de mesures...) via par exemple un microcontrôleur 23 disposé sur le support 33.
Le module peut être un autre dispositif de régulation 1 ou une unité de ventilation de l’installation, équipée d’un ventilateur.
La carte 3 peut également intégrer une fonction de traitement de signal, notamment du celui issu du circuit électrique d’analyse 5.
On note qu’au moins l’un des axes de rotation pour le mode de réalisation des figures 1 et 2 ou l’extrémité fixée 20 pour le mode de réalisation de la figure 3 est avantageusement configuré pour connecter la carte de circuit imprimé à une source d’alimentation électrique 11 et/ou à une unité de communication de la carte de circuit imprimé avec un autre module de l’installation de ventilation et/ ou à un actionneur.
Le dispositif 1 comprend également au moins un capteur 22 de mesure d’un paramètre relatif au flux d’air, le paramètre étant choisi préférentiellement parmi une pression, un taux d’humidité, une température, une qualité d’air.
Par qualité d’air, on entend détection de gaz tel que dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, composés organiques volatils (COV).
Le capteur de mesure 22 est de préférence solidaire du support 33 de la carte 3, comme visible sur la figure 3.
Sur la figure 3, le capteur 22 est disposé sur l’une 24 des faces 24, 25 du support 33.
La face 24 est la face arrière de la carte 3, relativement au flux d’air F, ce qui permet de limiter les risques d’encrassement du capteur.
Avantageusement, la carte 3 est munie d’une enveloppe de protection du support 33 et des pistes conductrices, obtenue par application d’une résine et/ou d’un vernis couvrant le support 33 et les pistes totalement ou partiellement (pour ne pas le couvrir particulièrement au niveau du capteur de mesure). On appelle cela tropicalisation ou résinage.
L’enveloppe permet de rendre la carte moins sensible à l’encrassement ou aux oxydations.
La jauge de déformation 4 est maintenant décrite en référence aux figures 1 et 2.
La jauge 4 comprend au moins un fil électrique formé par un fil métallique ou une encre conductrice électriquement ou, avantageusement une piste conductrice électriquement de la carte de circuit imprimé 3.
Cette dernière alternative est particulièrement avantageuse puisqu’elle évite d’ajouter un composant supplémentaire (collage de jauge) ou elle évite une procédure particulière (dépose d’encre conductrice), l’une des pistes conductrices de la carte 3 formant directement la jauge.
Dans le cas d’une jauge 4 rapportée, la solidarisation de la jauge 4 à la carte 3 peut être obtenue par collage ou impression du fil métallique sur le support 33.
Le fil métallique est un extensomètre, de sorte que sa résistance électrique varie en fonction de sa longueur, sa longueur dépendant de la déformation de la carte 3 sous l’action du flux d’air F.
La structure de la jauge est connue de l’homme du métier et sera choisie (longueur et largeur du fil) selon la déformation subie et la sensibilité souhaitée.
Ainsi, la jauge 4 permet de mesurer la déformation de la carte 3 due à la différence de pression de part et d’autre de la carte induite par le flux.
On note que par « la » déformation, on entend qu’il s’agit de mesurer une composante de déformation dans une zone donnée des déformations de la carte, voire plusieurs composantes ou modes de déformation.
La jauge 4 est positionnée dans une zone du dispositif 1 où les contraintes exercées par le flux d’air F sont d’une amplitude suffisante, et fiables et homogènes.
Sur les figures 1 et 2, la jauge 4 disposée sur la face avant 25 du support 33.
Sur le mode de réalisation de la figure 1, la jauge 4 est positionnée pour mesurer une déformation qui tend à orienter la carte 33 dans l’axe de la conduite à la manière d’une girouette.
On note que dans cette configuration, la jauge 4 ne mesure pas de déformation en position d’ouverture complète puisque la carte 33 est alors orientée comme le flux F.
Sur la figure 3, la déformation de la jauge 4 est réalisée par flexion du support 33 sous l’action du flux d’air F.
Comme visible sur la figure 2, une première position de la jauge 4 est disposée dans une région centrale de la face avant 25 du support 33.
Comme pour le mode de réalisation de la figure 1, la déformation de cette jauge 4 est réalisée essentiellement par déformation du support 33, sous l’action du flux d’air F.
Selon une deuxième position, illustrée également sur la figure 2, la jauge 4 est disposée à proximité de l’axe de rotation 6 ou 7. Ainsi, même en position toute ouverte (à savoir orientée comme le flux), elle mesure une déformation.
La déformation de la jauge 4 dans cette deuxième position est réalisée essentiellement par déformation de l’axe de rotation 6 sous l’action du flux d’air F, la déformation étant une résultante d’une combinaison de déformations, principalement de flexion.
Selon une troisième position, illustrée également sur la figure 2, la jauge 4 est disposée sur la face avant 20 du support 33 et occupe une surface de l’ordre de la moitié de l’aire de la face avant 20, soit un demi-disque.
Le demi-disque occupé préférentiellement par la jauge 4 fait face aux axes de rotation 6, 7 ; c’est-à-dire qu’une base B du demi-disque est disposé orthogonalement aux axes de rotation 6, 7.
La taille sensiblement supérieure du troisième positionnement de jauge 4 permet d’assurer une grande sensibilité de mesure, puisque des déformations de moindres amplitudes du support 33 peuvent être détectées, quasiment sans impact sur le coût.
Bien entendu, selon la géométrie et son positionnement dans le flux ; le dispositif 1 peut comprendre une seule jauge, ou plusieurs, selon la sensibilité souhaitée.
Le circuit électrique d’analyse 5 comprend un pont, de préférence un pont de Wheastone, qui transforme la variation de résistance électrique en une tension Vs en sortie du pont (entre des points B et D du pont).
Sur la figure 4, la jauge 4 est montée en quart de pont, entre des points A et D du pont. Sa résistance électrique est notée J1.
Ce montage comprend une seule jauge 4 tandis que les résistances R2,
R3 et R4 sont fixes.
Dans ce cas, la tension Vs en sortie est directement proportionnelle à la variation de la résistance J1, notée AJ1 :
Δ11
Es = Fe^4J1
Où Ve est la tension d’entrée du pont de Wheastone.
Bien entendu, le circuit d’analyse 5 n’est pas limité à ce montage et il est possible de monter deux jauges 4 en demi-pont, ce qui permet de compenser par exemple des effets de température ou amplifier le signal lié à la déformation. On peut aussi monter quatre jauges 4 en pont complet.
On pourra également envisager plusieurs jauges, positionnées dans différentes positions et orientations, et qui pourront remonter différentes déformations. Par exemple, selon l’orientation du volet dans flux d’air, on pourra identifier la jauge à mesurer pour avoir l’information de débit la plus précise et la plus fiable.
Le circuit électrique d’analyse 5 comprend également une unité de calcul, non illustrée, intégrant un modèle mathématique pour lier la mesure de déformation et le débit du flux d’air F en prenant en compte au moins un paramètre parmi la température et/ou l’humidité mesurées du dit flux d’air, et/ou la position de la carte de circuit imprimé 3, particulièrement dans le cas où la carte 3 est montée mobile.
Par exemple, l’unité de calcul tient compte d’une mesure de la position du volet, selon la position de l’actionneur (notamment moteur pas à pas), avec une séquence de mise à zéro pour déterminer correctement la position du moteur (éventuellement par utilisation d’une butée franche).
Il est également possible de procéder à un étalonnage au cours de la fabrication du dispositif, ce qui permet au modèle de tenir compte de certaines dispersions dues à l’épaisseur des pistes et de la carte notamment.
Il est également possible de procéder à un étalonnage dans le temps pour prendre en compte l’encrassement du dispositif.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, et en référence aux caractéristiques déjà décrites, le dispositif 1 permet une mesure de débit, une mesure d’hygrométrie et de température de l’air traversant la conduite 2 via la carte 3. La carte 3 intègre également le pilotage de l’actionneur, avantageusement de type moteur pas à pas. La carte 3 reçoit son alimentation électrique préférentiellement depuis l’installation de ventilation. La carte 3 intègre et gère la communication avec l’installation de ventilation, notamment pour communiquer certains états de fonctionnement (mesures, positions, défauts...).
On note que l’on peut éventuellement procéder à des usinages (fraisages débouchants ou non) pour accentuer les contraintes localement (ce qui augmente la sensibilité de la mesure de débit) et/ou limiter des effets parasites ; par exemple en affaiblissant localement l’épaisseur du support ou en réalisant des trous ou rainurages.
On note également que, contrairement à d’autres technologies, telles que fils chaud, mesure de pression), la mesure de débit par extensométrie selon la présente invention est moins sensible à l’encrassement lié au passage du flux d’air potentiellement vicié, en particulier grâce à l’enveloppe de protection, ainsi qu’à sa surface sensible bien plus importante et donc moins impactée par la circulation de particules.
Comme il ressort déjà de la présente description, selon la présente invention, la carte 3 est utilisée comme un composant structurel à proprement parler, sa déformation permettant de déterminer le débit passant la conduite.
Ainsi, le coût du dispositif 1 est réduit puisque la carte 3 constitue un capteur de débit, sa propre déformation étant analysée sous l’effet du flux.
On note que, selon la présente invention, la jauge de déformation et le circuit électrique d’analyse sont positionnés sur la même carte de circuit imprimé.
Ce dispositif est généralement intégré dans une installation de ventilation d’un bâtiment. Ce dispositif peut être en communication de fluide avec un local. Ainsi, l’installation ou le ou les dispositifs peuvent gérer / moduler le 5 débit de ventilation pour chaque local selon par exemple une mesure d’un paramètre de l’air. La connaissance par l’installation du débit géré ou de la position de modulation de chaque dispositif peut permettre aussi l’optimisation du régime de fonctionnement du ventilateur global.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure d’un débit d’air pour une installation de ventilation d’un local, comprenant :- une conduite (2) de passage d’un flux d’air (F),- une carte de circuit imprimé (3) agencée pour se déformer sous l’action du flux d’air (F) dans la conduite de passage (2),- au moins une jauge de déformation (4) pour mesurer la déformation de la dite carte de circuit imprimé (3), et- un circuit électrique d’analyse (5) pour transformer la mesure de déformation en une mesure du débit d’air à travers ladite conduite (2).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit électrique d’analyse (5) comprend un pont de Wheastone.
- 3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la carte de circuit imprimé (3) est montée mobile et comprend une lame (33) d’obturation au moins partielle de la conduite (2) dans au moins une position normale d’utilisation, ladite au moins une jauge (4) étant agencée pour mesurer par exemple une flexion ou torsion de ladite lame d’obturation (33).
- 4. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle la lame d’obturation (33) présente une section d’obturation complète de la conduite (2) dans au moins une position normale d’utilisation.
- 5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la carte de circuit imprimé (3) comprend au moins un axe de rotation (6, 7), ladite au moins une jauge (4) étant agencée pour mesurer une contrainte de réaction au niveau dudit au moins un axe de rotation (6, 7).
- 6. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la carte de circuit imprimé (3) comprend un palier de guidage (8, 9) dudit au moins un axe de rotation (6, 7).
- 7. Dispositif selon l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel ledit au moins un axe de rotation (6, 7) est configuré pour connecter la carte de circuit imprimé (3) à une source d’alimentation électrique (11) et/ou à un actionneur et/ou à une unité de communication de la carte de circuit imprimé avec un autre module de l’installation de ventilation.
- 8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une jauge de déformation (4) comprend au moins un fil électrique formé par un fil métallique ou une encre conductrice électriquement ou une piste conductrice électriquement de la carte de circuit imprimé (3).
- 9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant un actionneur (10) de la carte de circuit imprimé, ledit actionneur étant piloté par des circuits de commandes situés sur ladite carte de circuit imprimé.
- 10. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la carte de circuit imprimé (3) est montée encastrée dans la dite conduite (2), de préférence dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction du flux d’air (F).
- 11. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le circuit électrique d’analyse (5) comprend une unité de calcul intégrant un modèle mathématique pour lier la mesure de déformation et le débit du dit flux d’air en prenant en compte au moins un paramètre parmi la température et/ou l’humidité mesurées dudit flux d’air, et/ou la position de la carte de circuit imprimé (3).
- 12. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la carte de circuit imprimé (3) est protégée au moins partiellement par une enveloppe de protection.
- 13. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la carte de circuit imprimé (3) comprend au moins un capteur (22) de mesure d’un paramètre relatif au flux d’air, le paramètre étant choisi parmi un débit, une pression, un taux d’humidité, une température, une qualité d’air.
- 14. Installation de ventilation d’un local, comprenant un dispositif de mesure de débit d’air selon l’une des revendications précédentes.1/2
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