FR3093564A1 - Procédé et appareillage mesurant et transmettant la quantité de lumière émise, la quantité d’électricité consommée et le facteur de vieillissement d’un luminaire - Google Patents
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Abstract
Un procédé et appareillage réalisant dans un même dispositif la mesure et le comptage, en fonction du temps de la quantité de lumière émise par un luminaire et de la quantité d’électricité qu’il consomme ainsi que déterminant le facteur de vieillissement de la source de lumière, et transmettant ces informations par un réseau de communication sans fil à un récepteur (64) aux fins de leur traitement informatique.
Entre autres applications, l’appareillage s’utilise dans un réseau de télérelève pour commercialiser auprès d’un client consommateur de lumière (65) la quantité de lumière émise par un éclairage selon un modèle d’économie de fonctionnalité et d’usage. Par ailleurs, la télérelève de la quantité d’électricité consommée par l’éclairage est utilisée pour suivre son vieillissement aux fins d’optimisation des opérations d’entretien et de maintenance.
L’appareillage est destiné à être associé à un luminaire (50) et être intégré dans un réseau de communication sans fil (60,61,62,63,64). Il est constitué d’un boîtier électronique (20) doté d’un microprocesseur programmable doté d’une horloge temps-réel et d’une transmission sans fil (21), d’un capteur de lumière (52) et d’un compteur d’énergie électrique (23).
Description
La présente invention concerne, dans le domaine de l’éclairage, un procédé et appareillage réalisant dans un même dispositif la mesure et le comptage de la quantité de lumière émise et de la quantité d’électricité consommée par un luminaire sur une période de temps ainsi que déterminant le facteur de vieillissement de sa source de lumière, ledit procédé et appareillage communiquant ses données par liaison sans fil à un récepteur aux fins de leur traitement informatique.
Le procédé et appareillage objet de l’invention détermine la quantité de lumière émise par le luminaire en fonction de l’intensité et de la durée de son rayonnement lumineux et détermine la quantité d’électricité consommée de façon concomitante par le comptage de l’énergie électrique alimentant le luminaire, ces deux valeurs servant également à la détermination d’un facteur de vieillissement à partir de la variation du rendement du luminaire, l’ensemble des données élaborées par ledit procédé et appareillage étant transmises dans un réseau de communication sans fil.
Le procédé et l’appareillage tel que décrit ci-avant permet, entre autres applications de disposer par télérelève de la quantités de lumière émise par un luminaire ou par un groupe de luminaires dans le but de la commercialiser selon un modèle d’économie de fonctionnalité et d’usage, et de surveiller le vieillissement de la source de lumière du luminaire pour optimiser son renouvellement, sa maintenance et son entretien.
Les procédés connus de la technique antérieure permettent de quantifier l’intensité lumineuse d’une source de lumière ou l’éclairement produit par une source de lumière sur une surface. Lorsqu’ils sont utilisés comme instruments de mesure, les dispositifs utilisant ces techniques connues sont appelés, dans le premier cas « luminancemètre » et dans le second cas « luxmètre ».
D’autres appareillages appliquent les mêmes techniques connues de mesure d’éclairement dans un volume isolé de la lumière extérieure, généralement sphérique, dont la surface interne est réfléchissante et diffusante pour quantifier le flux lumineux émis par une source de lumière placée à l’intérieur de ce volume. De tels dispositifs appelés de manière générique « sphère intégratrice » fournissent expérimentalement de façon normalisée le flux lumineux exprimé en « lumen » qu’émet un luminaire de façon globale.
Des procédés et techniques de mesure de l’intensité lumineuse et de l’éclairement sont décrits dans les brevets suivants :
WO2015130894 décrivant un appareillage permettant de mesurer les caractéristiques d’éclairage d’un luminaire ayant des caractéristiques inconnues.
WO2018043908 décrivant un procédé et dispositif destiné à la mesure de l’éclairement.
WO2015010435 décrivant un dispositif portatif de mesure de l’éclairement énergétique optique et procédé de correction s’y rapportant.
WO2013161139 décrivant un dispositif d’évaluation d’éclairement qui évalue un environnement éclairé par une source lumineuse arbitraire.
WO2012004696 décrivant un appareil d’éclairage comprenant une unité de mesure de l’éclairement de la zone éclairée par l’appareil.
WO9939375 décrivant un luxmètre.
EP0516827 décrivant un luxmètre à pluralité d’éléments photosensibles.
D’autre part, de nombreux capteurs photosensibles existent pour acquérir la luminosité du faisceau de lumière auquel ils sont soumis et la convertir en valeur numérique. Ces capteurs à sortie numérique, appelés « ALS » sont couramment utilisés, entre autres applications, pour ajuster automatiquement la luminosité de l’écran d’affichage d’un micro-ordinateur ou d’un smartphone, ou pour mesurer la luminosité ambiante pour régler l’intensité lumineuse d’un système d’éclairage.
On peut citer les capteurs « ALS » Vishay VEML6030 ou Avago APDS9309.
D’autres capteurs photosensibles existent également pour convertir le rayonnement lumineux en courant électrique. Ces capteurs, appelés « cellules », sont utilisés pour la réalisation de panneaux photovoltaïques destinés à produire de l’énergie électrique à partir du rayonnement solaire. Ces cellules sont généralement composées de semiconducteurs monocristallins, polycristallins ou amorphes.
Au sens de la physique, les appareillages existants, quelle que soit la technique qu’ils emploient pour capter la lumière, se rapportent à la puissance du rayonnement lumineux.
Par ailleurs, des dispositifs connus de la technique antérieure permettent de quantifier la consommation d’électricité d’un équipement alimenté par le secteur. La valeur que fournissent ces appareillages sont une énergie électrique exprimée en Watt.heure (Wh) ou millier de Watt.heure (kWh). De tels dispositifs de mesure sont couramment utilisés par les fournisseurs d’électricité pour relever et facturer la consommation d’électricité de leurs clients et analyser la qualité ou la forme de cette consommation d’énergie électrique lorsque la tension fournie est alternative. Certains servent à réaliser des sous-comptages de la consommation électrique dans un réseau d’alimentation par le secteur.
De tels dispositifs communiquent généralement la valeur de l’énergie électrique consommée sous forme de donnée numérique ou analogique, et/ou délivrent un signal électrique sous forme d’une impulsion de tension par Wh consommé. Certains procédés connus de la technique antérieure transmettent ces données sur des réseaux de communication pour effectuer des télérelèves de l’énergie électrique consommée.
La présente invention propose un procédé ainsi qu’un appareillage réalisant dans un même dispositif la mesure et le comptage de la quantité de lumière émise par un luminaire et de la quantité d’électricité qu’il consomme ainsi que la détermination du facteur de vieillissement de la source de lumière du luminaire, ledit appareillage transmettant ces valeurs périodiquement vers un récepteur aux fins de traitement informatique par ce dernier de ces valeurs, en utilisant un réseau de communication sans fil.
Le procédé et l’appareillage objets de la présente invention mesurent et calculent dans un même dispositif la quantité de lumière par le comptage des mesures de l’énergie lumineuse émise par le luminaire. De façon concomitante, le procédé et l’appareillage élaborent la quantité d’électricité par le comptage de l’énergie électrique consommée. Ces deux quantités sont également utilisées par le procédé pour calculer le facteur de vieillissement de la source de lumière du luminaire à partir de la variation du rendement du luminaire par rapport à un rendement de référence. Les valeurs ainsi constituées sont transmises périodiquement sous forme d’un message à un réseau de communication sans fil, préférentiellement de type IoT (internet des objets).
L’exposé ci-après apporte la démonstration que d’après les lois de la physique, la définition de l’énergie s’applique à la lumière comme à toute particule matérielle et permet de caractériser la « quantité de lumière ».
Au sens de la physique, l’énergie caractérise la capacité à modifier un état, à produire un travail entrainant un mouvement, de la lumière ou de la chaleur. Toute action ou changement d’état nécessite que de l’énergie soit échangée. Bien que la principale unité physique de l’énergie dans le système international des unités (SI) soit le Joule, le KWh est également fréquemment utilisé. Par définition, 1kWh = 1000 Wh = 3 600 000 Joules.
La lumière peut être vue comme une onde électromagnétique se propageant dans le vide à une vitesse (c) voisine de 300.000 km/s.
Le mécanisme de propagation, représenté par , se décompose en un champ électrique (E) et un champ magnétique (B). Ces deux champs oscillent avec une fréquence (n) dans deux plans orthonormés, l'onde se déplaçant dans la direction commune aux deux plans définissant un vecteur appelé « vecteur de Poynting » (S).
Les trois vecteurs (E) , (B) et (S), pris dans cet ordre définissent un trièdre direct. Le vecteur de Poynting (S) définissant la direction de propagation de la lumière est le produit vectoriel du champ électrique (E) par le champ magnétique (B) :
La constante ɛ0, appelée permittivité du vide, rend le vecteur de Poynting (S) homogène à une puissance (W = J.s-1) par unité de surface. Le vecteur (S) indique dans quelle direction l'énergie est émise.
L’énergie par unité de volume (u) véhiculée par l'onde lumineuse se trouve équitablement répartie entre les deux champs :
µ0est la perméabilité du vide, relié à la permittivité et à la vitesse de la lumière par la relation :
En conséquence, la densité d'énergie (u) contenue dans une onde lumineuse est donnée de manière équivalente par le carré du champ électrique (E) ou par le carré du champ magnétique (B).
La dualité onde-corpuscule exprimée par la mécanique quantique fait que l’onde lumineuse peut être considérée comme un flux de particules élémentaires appelées « photons ». L'énergie véhiculée par chaque photon est alors donnée par le produit de la constante de Planck (h) par la fréquence (n) de l'onde lumineuse selon la formule :
Au lieu de la fréquence (n) de l’onde, on peut utiliser la pulsation (w = 2π.n) et la constante réduite de Planck (h = h/2π), ou la longueur d'onde (l = c/n).
En raison de la théorie de la relativité, ces photons se déplaçant par définition à la vitesse de la lumière, leur masse ne peut qu’être rigoureusement nulle. Pour autant, le photon véhicule une impulsion (p) = E/c = h.n/c.
Par conséquent, la lumière répond à la définition physique de l’énergie au même titre que toute particule matérielle et le cumul de cette énergie lumineuse (EL) pendant un temps défini constitue une quantité matérielle que l’on peut dénommer « quantité de lumière » (QL).
Cette grandeur peut valablement être mesurée et comptabilisée pour être utilisée à des fins techniques et commerciales.
Lorsque l’énergie lumineuse (EL) résulte de la transformation d’une énergie primaire telle que l’énergie électrique (EE), il est alors possible de quantifier le rendement énergétique (η) de la transformation en effectuant le rapport entre ces deux énergies et d’en établir la variation proportionnelle (xv 1) sous la forme d’un ratio par rapport à un état de référence défini par (η0).
xv = xv1.100 exprime alors le ratio en % de l’état de référence η0.
Dans le domaine de l’éclairage, la lumière dite « artificielle » consiste en une émission d’ondes visibles à l’œil nu, c’est-à-dire dont la longueur d’onde est comprise entre 400 nm et 700 nm, produites par des sources de lumière intégrées dans des équipements que l’on désigne sous le nom de « luminaires ». Ces sources de lumière sont de diverses natures parmi lesquelles on peut citer les tubes et lampes à mercure, sodium basse et haute pression, halogénure métallique, diodes électroluminescentes (LED)...etc.
Dans le système international des unités (SI), l’intensité du rayonnement de lumière visible à l’œil nu est exprimée en unité appelée « candela ». La candela (cd) est précisément définie comme étant l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 1012hertz, soit une longueur d’onde de 555 nm, et dont l’intensité dans cette direction est 1/683 Watt par stéradian (W/sr), le stéradian étant l’unité d’angle solide dans le système (SI).
Physiologiquement, la meilleure sensibilité de l’œil nu se situe à la longueur d’onde de 555 nm qui correspond à la couleur vert-jaune.
De façon aujourd’hui standardisée, le flux émis par une source de lumière visible ou plus généralement par un luminaire réalisant l’éclairage est couramment exprimé par une unité physique appelée « lumen » dont le symbole est lm.
Le lumen exprime le flux lumineux émis dans un angle solide de 1 stéradian par une source ponctuelle uniforme située au sommet de l’angle solide et ayant une intensité lumineuse de une candela. Dans le système SI : 1 lm = 1 cd.sr.
Au sens de la physique, le flux lumineux (φ), exprimé en lumen, est la puissance de l’onde émise par la source de lumière visible dans l’angle solide défini. Pour une lumière monochromatique de longueur d’onde 555 nm, soit une fréquence de 540 1012hertz, cette puissance est de 1/683 Watt = 1,464 10-3W.
Le lumen quantifie la puissance lumineuse d’une source telle qu’une ampoule ou d’un luminaire de manière globale. Cette valeur, mesurée expérimentalement par le fabricant à l’aide d’un instrument standardisé appelé « sphère intégratrice » est indiquée dans les spécifications photométriques du produit fournies par le fabricant.
Un capteur de lumière de type ALS mesure le rayonnement lumineux moyen d’une source émettant un spectre d’ondes visibles centré sur la longueur d’onde 555 nm et convertit cette puissance lumineuse (L) en une valeur numérique N entière dont la fonction de transfert est linéaire : L = k.N
Si L est exprimé en candela, (k) est généralement de l’ordre de 1,5 cd par incrément (inc) de N = 1,5 cd/inc, pour une amplitude de mesure de 100 000 cd. Dans les conditions de la mesure, la valeur N est également liée au flux lumineux (φ) du luminaire exprimé en lumen par une constante (k1) de proportionnalité exprimée en lm/inc telle que : φ = k1.N (lm)
La distribution surfacique de l’émission de lumière d’un luminaire varie selon sa technique et sa construction. Elle est sensiblement homogène pour une source de lumière émise de façon volumétrique par un gaz ionisé, tel que le plasma fluorescent et est hétérogène lorsque la lumière est émise par un ensemble de sources ponctuelles tel que des LED. Dans ce cas, la puissance lumineuse mesurée par le capteur ALS implanté à très courte distance de la surface émettrice du luminaire est dépendante de sa position sur cette surface.
Cependant, chacune des LED contribuant de façon identique à la valeur du flux lumineux global du luminaire, la puissance mesurée par un capteur de lumière ALS dans une partie circonscrite de la surface émettrice est proportionnelle au flux de lumière (φ) émis par le luminaire.
Le facteur de proportionnalité (k1) est alors une constante qui doit être déterminée par une mesure expérimentale réalisée pour un flux (φ) déterminé. Cette opération est dénommée « calibration ».
La loi de conversion étant linéaire, le coefficient (k1) peut être déterminé par un point de mesure préférentiellement effectuée à flux lumineux maximal émis par le luminaire (φM).
Cette calibration fournit le couple de valeurs : (NL M, φM) , (NL M) étant la valeur numérique délivrée par le capteur ALS lorsque le luminaire émet (φM).
Au sens de la physique, l’énergie lumineuse (EL) émise par un luminaire de façon globale est le produit du flux de lumière (φ) par le temps (t) exprimé en seconde dans le système SI, soit : EL= φ.t (lm.s)
L’énergie ELest qualifiée d’énergie élémentaire.
Dans une application de l’invention, destinée au commerce de la quantité de lumière, l’énergie lumineuse sera préférentiellement considérée sur 1 heure (EL(h)) et calculée par la moyenne arithmétique des valeurs d’énergie élémentaire (EL), exprimée en lumen.heure (lmh) :
La quantité de lumière (QL) émise pendant un temps (T) entier non borné exprimé en heures est définie comme étant le résultat de la somme de (i=1) à (i=T) de l’énergie lumineuse EL(h)i. Par commodité, par rapport à la dimension du résultat et la résolution utile à l’application de commerce de lumière, la quantité de lumière sera préférablement exprimée en millier de lumen.heure (klmh) :
La quantité d’électricité (QE) consommée par le luminaire pour émettre la quantité de lumière QLest définie comme étant le résultat de la somme pendant la même durée (T) de l’énergie électrique élémentaire EE(h)iexprimée en Wh. Par commodité par rapport à la dimension du résultat et à la résolution utile pour l’application, la quantité d’électricité sera préférablement exprimée en millier de Watt.heure (kWh).
Le rendement instantané du luminaire ηLs’exprime par le rapport des deux puissances : ηL= φ / PE(lm/W) , où PEest la puissance électrique du luminaire lorsqu’il délivre la puissance lumineuse PLexprimée en unité de flux lumineux φ.
Le rendement moyen du luminaire peut s’exprimer par le rapport de la quantité de lumière sur la quantité d’électricité, pour une durée identique (T) :
Le rendement est couramment utilisé comme facteur de classification de la performance énergétique des luminaires. Le meilleur rendement est aujourd’hui de l’ordre de 150 lm/W.
Le ratio de variation du rendement par rapport à la valeur de référence η0s’exprime en % par :
Si η0est défini comme étant le rendement du luminaire à l’état neuf tel que spécifié par son fabricant ou mesuré expérimentalement par un instrument d’étalonnage tel qu’un sphère intégratrice, (xv) est alors qualifié de « facteur de vieillissement ».
Le procédé objet de l’invention est une méthode pour quantifier à partir d’un temps initial (t0) la quantité de lumière (QL) émise par une source de lumière visible ou plus généralement par un luminaire et de façon concomitante la quantité d’électricité qu’il consomme (QE), ainsi que pour quantifier le facteur de vieillissement (xv) de la source de lumière.
L’invention décrit un appareillage mettant en œuvre le procédé dans un dispositif unique qui transmet de façon périodique ses résultats dans un réseau de communication sans fil.
Dans une application préférentielle de l’invention, (QL) est destinée à être traitée par des moyens informatiques dans le but de commercialiser selon une tarification à l’unité les klmh fournis par le luminaire équipé de l’appareillage, de connaître la quantité d’électricité (QE) consommée de façon concomitante et de suivre par l’évolution du facteur (xv) le vieillissement de la source de lumière au fur et à mesure de son fonctionnement afin d’optimiser son renouvellement, sa maintenance et son entretien.
La présente invention apporte une solution opérationnelle de mesure et de comptabilisation nécessaire et suffisante pour appliquer à l’éclairage le modèle économique de la fonctionnalité et de l’usage, celui-ci constituant une alternative à l’achat de luminaires sous la forme de la facturation périodique de la quantité de lumière émise par les luminaires dont le client bénéficie de l’usage sans être contraint d’en être propriétaire au sens réel ou au sens fiscal.
Ce modèle économique présente de nombreux avantages pour le client parmi lesquels on peut citer son caractère déconsolidant au sens de la norme comptable internationale IFRS, la préservation de la capacité d’investissement (CapEx) ainsi que la conséquence vertueuse sur le plan environnemental de son modèle d’économie circulaire.
Le procédé objet de la présente invention comporte les étapes suivantes :
- une étape de calibration déterminant expérimentalement le couple de valeurs (NM, φM) permettant de calculer le facteur de conversion (k1) exprimé en lm/inc, (NM) étant la donnée brute délivrée par le capteur de lumière alors que le luminaire émet le flux lumineux maximal (φM) en lumen, tel que spécifié par son fabricant,
- une étape de calcul de la moyenne arithmétique de 3600 valeurs brutes instantanées (NL (i)) délivrées par le capteur de lumière au rythme d’une valeur par seconde. Le résultat (NL h) est l’image de l’énergie lumineuse moyenne du luminaire sur une heure, exprimée en valeur brute de mesure du capteur de lumière,
- une étape concomitante avec l’étape précédente, de cumul des impulsions délivrées par le compteur mesurant l’énergie électrique consommée par le luminaire. Le résultat est l’énergie électrique moyenne consommée par le luminaire (EE h) en une heure, exprimée en Wh,
- une étape de cumul à perpétuité des valeurs (NL h) au rythme d’une valeur par heure. Le résultat (QL N) est l’image de la quantité de lumière émise par le luminaire, exprimée en valeur brute de mesure du capteur de lumière,
- une étape de cumul à perpétuité des valeurs (EE h) au rythme d’une valeur par heure. Le résultat est la quantité d’électricité (QE) consommée par le luminaire exprimée en Wh,
- une étape d’archivage de l’histogramme de (QL N) et (EEh) au rythme d’une mémorisation par jour, datée
- une étape de conversion de (QLN) en kilo lumen.heure (QL) par l’application du facteur de conversion k1/1000 : QL= QLN.k1/1000 ,
- une étape de calcul du rendement moyen du luminaire sur une durée (T), préférablement de 24 heures, par le rapport de la variation de (QL) sur la variation de (QE) pendant la durée (T) :
- une étape de calcul du facteur de vieillissement du luminaire (xv) :
η0étant le rendement de référence du luminaire tel que spécifié par le fabricant ou mesuré expérimentalement à l’aide d’un instrument d’étalonnage tel qu’une sphère intégratrice,
L’appareillage selon l’invention réunit dans un dispositif électronique unique autonome en alimentation les circuits et les fonctionnalités permettant de transmettre périodiquement dans un réseau de communication les données (QL N), (QE) ainsi que la valeur de calibration (NM) et la date, lesdites données étant élaborées en appliquant les étapes caractérisant le procédé objet de l’invention.
L’appareillage se compose d’un boîtier et d’un capteur de lumière raccordé au boîtier de telle façon qu’il soit déporté de ce boîtier afin d’être positionné sur le luminaire. Ce boîtier est également doté d’une voie d’entrée pour l’acquisition du signal de mesure de l’énergie électrique fourni par un compteur déporté du boîtier pour être placé dans le circuit d’alimentation électrique du luminaire.
Ledit boîtier de l’appareillage intègre un transmetteur par ondes radiofréquences doté d’une antenne et dispose d’une voie de communication annexe par liaison filaire à laquelle un système tel qu’un micro-ordinateur peut se raccorder afin d’échanger des messages avec l’appareillage.
Le capteur de lumière faisant partie de l’appareillage est réalisé de telle façon qu’il soit miniature et que sa surface de captage photosensible puisse être soumise au faisceau lumineux émis par la source de lumière ou le luminaire auquel l’appareillage est associé. Dans une réalisation préférentielle de l’invention, le capteur est collé sur la face émettrice de lumière du luminaire ou fixé à environ 1cm de cette face à l’aide d’un clip adhésif de forme adaptée au capteur.
Le boîtier de l’appareillage mettant en œuvre le procédé objet de l’invention dispose d’un microcontrôleur programmable, d’une mémoire non volatile et d’une base de temps précise assurant une fonction de type horloge temps-réel calendaire (RTCC).
L’appareillage est conçu pour être autonome en alimentation de façon qu’il ne nécessite aucun raccordement à une source d’alimentation externe et est conçu pour minimiser sa consommation électrique de telle façon que la durée du fonctionnement de l’appareillage, alimenté par deux piles de type AA (LR6) logées dans le boîtier de l’appareillage soit d’environ 10 ans. Pour cela, le programme de fonctionnement de l’appareillage assure la mise en veille du microcontrôleur et son réveil en fonction du franchissement de valeurs définies mesurées par le capteur de lumière.
L’appareillage objet de l’invention transmet avec une périodicité définie préférentiellement à 1 jour, les valeurs qu’il élabore par l’émission en ondes radiofréquences d’un message binaire de taille réduite. Dans ces conditions, la très courte durée d’activation de l’émetteur et la faible récurrence de la transmission permettent de minimiser la consommation électrique de l’appareillage.
Dans une réalisation préférentielle de la présente invention, le transmetteur inclus dans l’appareillage communique dans un réseau sans fil de type IoT (Internet des Objets) tel que les réseaux privés Sigfox ou LoRaWan.
La communication bidirectionnelle dans ce type de réseau permet à l’appareillage de gérer des commandes qui lui sont envoyées pour exécuter des fonctions telles que la calibration de la mesure du flux lumineux, la mise à jour de l’horloge calendaire interne, la remise à zéro des compteurs d’énergie.
Dans une version de l’appareillage mettant en œuvre le procédé objet de l’invention, le capteur de lumière est une cellule photovoltaïque miniature. Dans cette réalisation, ladite cellule sert de façon concomitante à mesurer l’intensité du flux lumineux du luminaire et le courant qu’elle fournit sert à charger la batterie alimentant l’appareillage. L’énergie électrique moyenne consommée pour alimenter l’appareillage étant extrêmement réduite par rapport à la quantité de lumière fournie par le luminaire, l’énergie électrique produite par la cellule photovoltaïque permet d’entretenir le niveau de charge de la batterie interne dont la capacité peut alors être fortement réduite par rapport à celle nécessaire en utilisant des piles. Le boîtier de l’appareillage peut ainsi être miniaturisé et son coût peut significativement baisser.
Le principe du cheminement, dans le réseau IoT, de la donnée élaborée par l’appareillage objet de la présente invention est décrit ci-après pour une utilisation de la présente invention, donnée à titre d’exemple, par un opérateur de service d’éclairage appliquant le modèle d’économie de fonctionnalité et d’usage évoqué précédemment.
L’appareillage transmet une fois par jour un message se rapportant au luminaire auquel il est associé. Ce message contient un code servant à l’identification de l’appareillage, la date courante, la valeur de la quantité de lumière (QL N), la valeur de la quantité d’électricité consommée (QE) exprimée en Wh et la mesure brute de calibration du capteur de lumière (NM). Ce message est reçu par la borne locale du réseau IoT et retransmis via Internet au serveur de ce réseau IoT appelé « Cloud » qui l’archive et le met à disposition de l’opérateur du service. Ce dernier collecte le message et traite ses données en tenant compte des spécifications photométriques et énergétiques du luminaire fournies par le fabricant, pour élaborer la consommation de lumière Δ( T )(QL) pendant une période définie (en klmh) ainsi que pour calculer le facteur de vieillissement (xv) du luminaire. Dans le modèle économique décrit, le processus conduit à la facturation périodique par l’opérateur du service de la quantité de lumière Δ( T )(QL) consommée par le client à un prix unitaire du klmh défini. Par ailleurs, l’opérateur surveille l’évolution du facteur (xv) caractérisant le vieillissement du luminaire pour gérer de façon optimale le renouvellement, la maintenance et l’entretien du luminaire.
Le procédé objet de l’invention s’applique à un système d’éclairage composé de multiples luminaires en équipant chaque luminaire d’un appareillage selon l’invention ou en équipant uniquement un luminaire considéré comme « témoin » d’un groupe de luminaires dont le fonctionnement est simultané et la commande de gradation est identique, l’inventaire des luminaires appartenant à ce groupe étant connu par système de traitement informatique de l’opérateur du service pour élaborer la quantité de lumière globale de l’ensemble de luminaires.
Les caractéristiques de l’invention sont exposées, en particulier dans les revendications ci-annexées. Cependant, l’appareillage selon le procédé objet de l’invention se comprend mieux en se référant à la description détaillée ci-après d’un mode de réalisation exemplaire avec les figures qui l’accompagnent et dont la brève description est la suivante :
A l’appui des figures ci-jointes, la description détaillée d’un mode de réalisation de l’appareillage mettant en œuvre le procédé objet de la présente invention est présentée ci-après.
Dans ce mode de réalisation de l’appareillage, le capteur photosensible est du type « ALS » (ambiant light sensor) à sortie numérique avec interface bus type « I2C » tel que le capteur Vishay VEML6030 dont la taille est extrêmement réduite (2x2x0,85 mm). La liaison (27) est constituée d’un câble électrique comportant 5 conducteurs véhiculant l’alimentation, les signaux de communication du bus I2C ainsi qu’un signal balisant le franchissement d’un seuil de luminosité programmable. La longueur de ce câble est d’environ 1 mètre.
Dans ce mode de réalisation de l’appareillage, le compteur d’énergie électrique (23) est constitué d’un module en boîtier standard DIN43880, tel que le compteur ABB type C11 pour secteur monophasé. La liaison (26) est constituée d’un câble électrique comportant 2 conducteurs véhiculant le signal de comptage. Ce signal, conforme à la norme EN62053-31 consiste en une impulsion de tension par Wh d’énergie électrique mesurée par le compteur. La longueur de la liaison est d’environ 1 mètre.
Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, une connexion (25) est disponible pour raccorder un équipement externe doté d’un bus de communication série asynchrone, tel qu’un micro-ordinateur. La connexion (25) est du type RJ12. Cette communication permet d’échanger des messages avec l’appareillage selon un protocole implémenté dans la programmation du boîtier (20).
Le fonctionnement est géré par un microcontrôleur (30) disposant en interne d’une mémoire programme et d’une mémoire de données non volatile ainsi que d’une horloge temps réel calendaire (RTCC) précise. Le circuit (32) consiste en un module transmetteur radiofréquence compatible avec le réseau IoT choisi. Il est équipé d’une antenne (21) implantée sur le boîtier (20). Le microcontrôleur (30) communique avec le module transmetteur (32) par une liaison série asynchrone via un port de communication du microcontrôleur (30).
La liaison (25) utilise un second port de communication série asynchrone du microcontrôleur (30) pour communiquer par liaison filaire avec un système externe tel qu’un micro-ordinateur.
Une liaison (34) est prévue pour communiquer avec le capteur de luminosité « ALS » (22). Cette liaison numérique utilise le protocole de communication série I2C, géré par les entrées-sorties du microcontrôleur (30). Un signal binaire est émis par le capteur ALS (22) lorsque la mesure de luminosité franchit un seuil programmable. Ce signal est relié à une entrée d’interruption disponible sur le microcontrôleur (30). Ce signal est géré par le microcontrôleur (30) pour sortir du mode veille et exécuter les processus programmés.
Une liaison (33) est prévue pour le comptage des impulsions de tension délivrées par le capteur d’énergie électrique (23). Ce comptage est géré par le programme du microcontrôleur (30).
Une mise en veille de l’électronique, gérée à partir de la détection du signal de franchissement de seuil de luminosité transmis par le capteur ALS (22) permet de minimiser la consommation électrique de l’appareillage. Dans un tel fonctionnement, seul le franchissement d’un seuil de mesure programmé pour définir l’état allumé du luminaire active le microcontrôleur (30) pour exécuter le programme de mesure et de comptage. D’autre part, une alarme émise par le RTCC interne au microcontrôleur (30) active une fois par jour la transmission du message radiofréquence.
Dans ces conditions, la consommation de l’appareillage est minimisée et la pile (31) peut assurer le fonctionnement pendant environ 10 ans.
Le microcontrôleur est activé lors du franchissement dans le sens croissant du seuil de luminosité caractérisant l’allumage du luminaire. Le signal généré alors par le capteur ALS déclenche une interruption réveillant le microcontrôleur (30) de son mode de veille basse consommation et son programme applique le procédé objet de l’invention dont les étapes sont les suivantes :
- une étape d’acquisition de l’horloge calendaire RTCC interne permettant de positionner le réveil du microcontrôleur dans la période horaire en cours,
- une étape de calcul de la moyenne arithmétique des valeurs brutes (NL (i)) délivrées par le capteur de lumière au rythme d’une valeur par seconde pendant la durée restante de la période horaire. Le résultat (NL h) est l’image de l’énergie lumineuse moyenne du luminaire sur une heure, exprimée en valeur brute de mesure du capteur de lumière,
- une étape concomitante avec l’étape précédente, de cumul des impulsions délivrées par le compteur d’énergie électrique pendant la durée restante de la période horaire. Le résultat est l’énergie moyenne consommée par le luminaire (EE h) en une heure, exprimée en Wh,
- une étape de cumul à perpétuité des valeurs (NL h) au rythme d’une valeur par heure. Le résultat (QL N) est l’image de la quantité de lumière émise par le luminaire, exprimée en valeur brute de mesure du capteur de lumière,
- une étape de cumul à perpétuité des valeurs (EE h) au rythme d’une valeur par heure. Le résultat est la quantité d’électricité (QE) consommée par le luminaire exprimée en Wh.
Le microcontrôleur archive dans sa mémoire non volatile à la fin de la période horaire les valeurs (QL N) et (QE) ainsi que la date courante.
Les étapes précédentes sont renouvelées tant que le seuil de luminosité caractérisant l’allumage du luminaire n’est pas franchi dans le sens décroissant. Lorsqu’il est franchi, le microcontrôleur se replace en mode veille basse consommation. Il sera réactivé lorsque la luminosité franchira à nouveau le seuil dans le sens croissant.
L’alarme de l’horloge RTCC interne du microcontrôleur, programmée pour se déclencher à l’heure à laquelle la transmission doit être faite quotidiennement active le microcontrôleur qui commande l’émission du message contenant les données par le transmetteur radiofréquence. Ce message binaire contient les valeurs (QL N) et (QE) les plus récentes ainsi que la valeur de la mesure de calibration (NLM) en mémoire. Ce message est de taille réduite, soit 12 octets maximum.
L’électronique est alimentée par une batterie de faible capacité (44) qui est rechargée par le courant produit par la cellule photovoltaïque miniature (41) du type de celles couramment utilisées pour alimenter les calculatrices de poche.
La tension analogique fournie par la cellule (41) sur sa liaison (42) est également utilisée pour mesurer la luminosité du rayonnement lumineux du luminaire auquel l’appareillage est associé. Le circuit (43) assure l’amplification de la tension et la conversion en valeur numérique est réalisée par le convertisseur analogique-digital (ADC) interne au microcontrôleur (30).
Ce mode de réalisation permet de rendre l’appareillage autonome en s’affranchissant de la pile (31) présentée sur . D’autre part, la réduction de la capacité de la batterie (44) permet de diminuer le prix de revient de l’appareillage et d’augmenter son niveau d’intégration pour le miniaturiser.
Dans cette représentation, le luminaire (50) est à flux lumineux variable contrôlé par une commande standard DALI. Il est suspendu au plafond par une chaînette (51). Par hypothèse, ce luminaire émet un flux maximal de lumière de 22 320 lumen, donnée fournie par son fabricant.
Ce luminaire (50) est alimenté par la ligne électrique (5A) sur le secteur monophasé et sa gradation est pilotée par la ligne de commande (5C) selon le standard DALI. La consigne de gradation provient d’un système de gestion centralisé (GTC) auquel il est relié.
La mise en œuvre de l’appareillage selon le procédé objet de l’invention consiste à équiper le luminaire d’un boîtier (20), inclure dans la ligne d’alimentation (5A) un compteur d’énergie électrique (23) de telle façon que le courant alimentant le luminaire traverse ledit compteur (23) en entrant dans le compteur en tant que ligne (5A) et en sortant du compteur en tant que ligne (5B) pour alimenter le luminaire (50), relier le signal d’impulsion (26) généré par le compteur (23) sur l’entrée du boîtier (20) prévue à cet effet et installer le capteur de luminosité (45) à l’aide d’un clip adhésif (55) de forme adaptée de telle façon que la face photosensible du capteur se trouve exposée au flux lumineux émis par le luminaire.
Une fonctionnalité intégrée dans le programme du microcontrôleur (30) de l’appareillage permet de calibrer précisément le capteur de luminosité (45) dans les conditions précises de son installation afin de disposer d’une valeur exacte du flux lumineux exprimée en lumen.
Cette fonctionnalité consiste à mémoriser dans le microcontrôleur (30) la valeur fournie par le capteur de luminosité (45) alors que le luminaire est allumé à pleine puissance pour délivrer le flux lumineux (φM) exprimé en lumen, tel qu’il est spécifié dans les données photométriques fournies par son fabricant. Dans cette situation, la valeur brute (NL M) transmise par le capteur de luminosité est mémorisée par le microcontrôleur (30) et sera incluse dans le message émis par l’appareillage.
La mise à l’échelle des valeurs peut ainsi être réalisée par le système de traitement informatique du receveur qui dispose de la valeur du flux du luminaire à son flux lumineux maximal connu (φM) et peut calculer le facteur de conversion (k1) des grandeurs en lmh ou klmh.
De façon à simplifier l’utilisation, il est souhaitable d’éviter de devoir communiquer avec l’appareillage pour engager la calibration du capteur de luminosité. Pour ce faire, l’opération est déclenchée automatiquement par une séquence particulière d’allumages/extinctions du luminaire à son flux lumineux maximal (φM) hors du champ d’une utilisation normale, cette séquence ayant une signature reconnaissable par le programme du microcontrôleur (30).
Cette représentation illustre la manière dont l’invention est susceptible d’application industrielle.
Afin d’être parfaitement explicite, la description est faite dans le contexte d’une utilisation de l’invention pour la vente d’une quantité de lumière repérée (6A) par un opérateur de service repéré (64) à un client repéré (65).
La donnée QL, quantité de lumière (6A) émise par le luminaire (50), cumulée depuis la mise en service t0ainsi que le cumul QEde l’énergie électrique consommée mesurée par le compteur (23) et le facteur de vieillissement inverse xvsont transmis quotidiennement au réseau IoT sous la forme d’un message numérique contenant également l’identification de l’appareillage et la date courante, vers la borne la plus proche (61) de ce réseau IoT.
La borne transmet le message via Internet (62) au serveur de l’opérateur du réseau IoT (63) appelé « Cloud ». Le serveur (64) de l’opérateur du service auquel la donnée est destinée la collecte via Internet (62) et effectue les opération complémentaire du procédé objet de l’invention. Ces opérations comportent les étapes suivantes :
- une étape de calcul du coefficient de conversion (k1) à partir du couple de données de calibration du capteur de lumière (NLM,φM), (φM) étant la valeur du flux maximal spécifiée par le fabricant du luminaire, k1= φM/ NLM,
- une étape de conversion de (QLN) en kilo lumen.heure (klmh) par l’application du facteur de conversion, QL= 1/1000 k1.QLM,
- une étape de calcul sur une période de temps (T) définie du rendement moyen :
- une étape de calcul du facteur de vieillissement du luminaire (xv) par rapport au rendement de référence η0tel que défini précédemment :
Dans l’application concernée à titre d’exemple, l’opérateur de service transmet périodiquement par son serveur (64) à son client (65) la facture de la quantité de lumière consommée par le client pendant la période de temps (T).
L’opérateur (64) informe également le client (65) de la quantité d’électricité (QE) consommée par le luminaire pendant cette période de temps et surveille le vieillissement de la source de lumière grâce à la donnée (xv) afin de gérer de façon optimale le renouvellement, la maintenance et l’entretien du luminaire.
Claims (12)
- Procédé de détermination de la quantité de lumière émise par un luminaire, de la quantité d’électricité qu’il consomme ainsi que de son facteur de vieillissement caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : une étape de mesure de la valeur fournie par un capteur de lumière, de type ALS à sortie numérique, installé sur le luminaire alors que le luminaire délivre un flux lumineux de référence exprimé en lumen, ladite valeur étant définie comme valeur de calibration, une étape de détermination de la moyenne arithmétique sur une heure des mesures fournies par le capteur de lumière du luminaire, lesdites mesures étant effectuées à un rythme déterminé, le plus rapide possible, une étape de détermination d’une image de la quantité de lumière émise par le luminaire par la sommation perpétuelle des valeurs moyennes horaires résultant de l’étape précédente, une étape concomitante avec l’étape précédente de détermination de la quantité d’électricité consommée par le luminaire par la sommation des valeurs d’énergie horaire fournies par un compteur d’énergie électrique, une étape de transmission par un réseau de communication de l’image de la quantité de lumière et de la quantité d’électricité résultant des étapes précédentes, ainsi que de la valeur de calibration déterminée par la première étape, une étape de détermination par le récepteur des données résultant de l’étape précédente, de la quantité de lumière exprimée en millier de lumen.heure (klmh) en appliquant le facteur de conversion calculé à partir de la valeur de calibration et du flux lumineux de référence du luminaire, à la valeur de l’image de la quantité de lumière, et ladite étape déterminant également le facteur de variation du rendement du luminaire sur une durée, ledit rendement étant le rapport de la quantité de lumière fournie par le luminaire sur la quantité d’électricité qu’il a consommée pendant la même durée ; lesdites étapes ci-avant étant accomplies par un appareillage consistant en un dispositif unique destiné à équiper un luminaire.
- Procédé selon la revendication 1 dans lequel le capteur d’intensité lumineuse équipant le luminaire est une cellule photovoltaïque assurant la fonction de fournir une mesure d’intensité du rayonnement lumineux émis par le luminaire et de façon concomitante assurant la fonction de produire un courant électrique qui assure partiellement ou totalement l’alimentation de l’appareillage selon le procédé et la recharge de sa batterie interne.
- Appareillage tel que représenté sur [Fig 2] ci-jointe constitué d’un boîtier électronique (20) contenant un microcontrôleur programmable et une mémoire non volatile destinée à l’arhivage des données qu’il élabore, d’un capteur de lumière (22) et d’un compteur d’énergie électrique (23) dont ledit boîtier (20) est équipé d’une communication par liaison sans fil (21) et d’une voie de communication par liaison filaire (25), caractérisé en ce que, tel que présenté sur [Fig 5] ci-jointe, le capteur de lumière (52) est déporté du boîtier électronique (20) pour être installé dans le faisceau d’éclairage d’un luminaire au plus près de sa source de lumière, le capteur d’énergie électrique (23) est déporté du boîtier (20) pour être inséré dans l’alimentation électrique (5A) du même luminaire et ledit appareillage accomplit les étapes constituant le procédé objet de l’invention, tel que décrit par la revendication 1.
- Appareillage selon la revendication 3 caractérisé en ce que la voie de communication sans fil utilise un transmetteur radiofréquence intégrant ledit appareillage dans un réseau de communication du type IoT (internet des objets),
- Appareillage selon la revendication 3 caractérisé en ce que la voie de communication sans fil est de type Wifi intégrant ledit appareillage dans un réseau local relié à Internet.
- Appareillage selon la revendication 3 caractérisé en ce que la voie de communication sans fil est de type GPRS intégrant ledit appareillage dans un réseau de tépéhonie mobile.
- Appareillage selon la revendication 3 caractérisé en ce que la voie de communication sans fil est de type optique en espace libre (FSO) opérant en lumière infrarouge, ultraviolet ou laser, visible ou non.
- Appareillage selon la revendication 3 dont le fonctionnement est assuré par une pile ou une batterie logée dans le boîtier (20) permettant l’utilisation de l’appareillage sans source d’alimentation externe, ladite batterie étant rechargée par le courant produit par le capteur de lumière lorsque l’appareillage est réalisé conformément à la revendication 2.
- Appareillage selon les revendications 3 à 5 caractérisé en ce qu’il permet, en comptant la quantité de lumière émise et la quantité d’électricité consommée par un luminaire appartenant à un ensemble de luminaires dont les spécifications techniques de chacun sont connues, lesdits luminaires fonctionnant tous simultanément et avec la même consigne de gradation, de déduire par le calcul la quantité de lumière émise et la quantité d’électricité consommée globalement par cet ensemble de luminaires.
- Appareillage selon les revendications 2 à 6 caractérisé en ce que la fonction de calibration énoncée dans les étapes du procédé de l’invention présenté dans la revendication 1 est déclenchée par une séquence spécifique d’allumages et d’extinctions du luminaire, ladite séquence constituant une signature reconnaissable par le programme de fonctionnement de l’appareillage comme correspondant à l’activation du luminaire à un flux lumineux en lumen connu pour servir à la calibration de la mesure du capteur de lumière.
- Procédé et appareillage selon les revendications précédentes destiné à être inclus dans un réseau de télérelève périodique par laquel la quantité de lumière émise par une pluralité de luminaires est vendue à un client selon un modèle économique de fonctionalité et d’usage.
- Procédé et appareillage selon les revendications précédentes dont la télérelève périodique de la quantité d’électricité consommée par un luminaire est utilisée, conjuguée avec la télérelève de la quantité de lumière émise de façon concomitante par le même luminaire pour surveiller le vieillissement desdits luminaires par l’analyse de la variation du rapport de la quantité de lumière sur la quantité d’électricité dans le but d’optimiser le renouvellement, détecter les disfonctionnements et gérer efficacement les interventions de dépannage, de maintenance et d’entretien dudit luminaire.
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