Installation des thermostats

Le bon fonctionnement d’un thermostat dépend d’abord du bon choix du composant, mais aussi des conditions de son installation. Les conditions de réglage et de contrôle des appareils en usine sont toujours des conditions idéales de laboratoire, garantissant la précision de la mesure et sa répétabilité. Ces conditions sont rarement celles qui se retrouvent en pratique lors de l’installation des thermostats. Cependant, avec un minimum de contraintes, il est possible d’optimiser les montages.

On aura toujours à l’esprit les deux principales règles à respecter :

  • un thermostat ne mesure que la température de l’endroit où est situé son élément sensible, et par conséquent il faut que cet endroit soit représentatif de la température qu’il doit contrôler.
  • Les phénomènes d’inertie thermique sont les causes les plus courantes d’une mauvaise régulation. Un thermostat n’a pas une réponse instantanée à une variation de température.

1. RÈGLES GÉNÉRALES

 

1.1 CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE

La température d’un milieu (liquide, air, métal ) décroît au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la source de chaleur. Cette décroissance, nommée gradient thermique, est inversement proportionnelle à la conductibilité thermique du milieu. Pour une bonne régulation de la température, on cherchera tout d’abord à rendre cette décroissance la plus faible possible : en agitant le liquide, en brassant l’air, en utilisant des métaux bons conducteurs de la chaleur.

Dans des bains liquides non agités, des écarts thermiques de plusieurs dizaines de degrés entre différents points de mesure sont tout à fait courants. Il en est de même dans l’air.

1.2 TEMPS DE RÉPONSE

De manière pratique, le temps mis par un appareil pour changer de température est proportionnel à sa masse et inversement proportionnel à sa conductibilité thermique.

Soumis à la même variation de température, un gros bloc de cuivre mettra plus longtemps à chauffer qu’un petit. Un bloc d’argent pur de même masse réagira beaucoup plus vite.

Dans une pièce, l’exposition au soleil va faire monter très rapidement la température de l’air ambiant car sa masse est faible, mais les murs vont réagir beaucoup plus lentement en raison de leur masse, malgré que leur conductibilité thermique soit supérieure. Pour mettre en marche le conditionneur d’air, il faut donc lui faire mesurer la température de l’air et non pas celle des murs.

Conductibilité (Conductivité) thermique de quelques matériaux

Materials Conductivité thermique à 20°C (W•m-1•K-1) Materials Conductivité thermique à 20°C (W•m-1•K-1)
Mousse de Polyuréthane rigide 0,025 Titane 20
Air (pression atmosphérique) 0,026 Acier inoxydable (304) 26
Polystyrène expansé 0,036 Acier doux 46
Laine de verre 0,043 Platine 72
Liège 0,043 Fer 80
Bois  (valeur moyenne) 0,16 Fonte 100
Amiante 0,17 Silicium 149
Epoxy 0,25 Aluminium allié avec SiC 150-200
Nylon 0,25 Aluminium (pureté de 99,9 %) 237
PPS (Ryton) 0,3 Carbure de silicium pur non fritté 250
Caoutchouc vulcanisé (EPDM) 0,4 Or 317
Eau 0,63 Cuivre 390
Béton 0,92 Argent 429
Verre 1,23 Graphite 500-2000
Bakélite 1,42 Diamant 1000-2600
Quartz 10 Graphène 4000-5300

Il est possible de constater facilement que si un gradient thermique met 1 seconde pour être transmis dans un support en argent, il lui faudra 1.1 seconde dans du cuivre, 2,5 secondes dans de l’aluminium allié, 4,3 secondes dans de la fonte, 6,3 secondes dans de l’acier doux, 16.5 secondes dans de l’acier inoxydable, 680 secondes (+ de 11 minutes) dans de l’eau non agitée et 16500 secondes (+ de 4 heures) dans de l’air non brassé.

1.3 TEMPS DE CHAUFFE

Un problème fréquemment soulevé, et que beaucoup considèrent comme lié aux thermostats et les temps mis pour chauffer un produit. En réalité, à puissance constante, la quantité de chaleur (l’énergie) nécessaire pour chauffer un produit dépends de sa masse et de sa capacité calorifique, et non pas du thermostat.

La capacité thermique massique(ou capacité calorifique massique) est l’énergie qu’il faut apporter à un corps pour augmenter sa température d’un degré kelvin pour une masse d’un kg. Elle s’exprime en joule par kelvin par kg (J/K). Le nom de capacité calorifique a pour origine la calorie qui était définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 15 °C à 16 °C la température d’un gramme d’eau.

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs courantes

Materials Capacité thermique massique (J*kg-1*K-1) Materials Capacité thermique massique (J*kg-1*K-1)
Or 129 Granite 800
Argent 240 Béton 880
Laiton 377 Aluminium 897
Cuivre 385 Air (sec) 1005
Fer 444 Bois 1760
Diamant 502 Huile d’olive 2000
Acier inoxydable 304 510 Éthanol 2450
Graphite 720 Eau liquide 4180

On peut facilement remarquer qu’à puissance égale, s’il faut 600 secondes pour chauffer un kg d’eau, il ne faudra que 290s pour de l’huile, 145s pour de l’air, 73s pour de l’acier inoxydable, 55s pour du cuivre et 18s pour de l’or. La capacité calorifique est donc un paramètre extrêmement important dans la définition d’un système thermique.

1.4 SURCHAUFFE ET ACCUMULATION DE CHALEUR

De nombreux systèmes de chauffage commencent par accumuler de la chaleur avant de la restituer au milieu ambiant. C’est le cas en particulier des résistances blindées, où les filaments chauffants sont enrobés de magnésie, puis recouverts d’inox. Avant que l’habillage extérieur en inox commence à chauffer, tout l’intérieur de la résistance a fortement monté en température. Même si l’alimentation électrique est alors coupée, cette chaleur accumulée à l’intérieur va continuer à se dissiper, et la tempé- rature de l’enveloppe externe va continuer à s’élever. Une régulation qui régulera en mesurant la température de l’enveloppe externe sera donc fausse.

2. LES THERMOSTATS D’APPLIQUE

 Les thermostats d’applique sont destinés à être montés sur des parois. Ce sont aussi tous les thermostats à disque bimétallique, à bride plate, ou de forme hémicylindrique.

Il faut respecter les impératifs suivants :

  • Dans le cas de thermostats dont la partie sensible est plate, cette paroi doit être plate. En particulier, pour la mesure de la température de paroi d’un tube, on brasera ou soudera sur ce tube une pièce donnant une surface plate égale au minimum à la surface de contact du Cette pièce sera réalisée dans un métal conducteur de la chaleur : cuivre, laiton.
  • Dans le cas de thermostats dont la partie sensible est bombée pour épouser la forme de la paroi (cuves, tubes).
  • Utiliser, entre les parois du thermostat et de l’appareil à contrôler, une graisse de contact.
  • Isoler le corps du thermostat et son support, afin de limiter l’influence de la température.
  • Penser que la totalité du thermostat doit pouvoir supporter la température maximale ou minimale de la Vérifier si ces températures sont compatibles.

3. LES THERMOSTATS DE VEINE D’AIR (AIRSTATS)

Les thermostats doivent être installés dans une zone où il existe une circulation d’air. Éviter les coins, les angles. Les thermostats doivent se situer à proximité de l’élément chauffant (ou refroidissant), pour être influencés rapidement par les modifications de température. Les thermostats à disque avec bride décalée sont à placer sur une paroi qui n’est pas influencée par une température autre que celle de la veine d’air.

Attention à l’utilisation de thermostats à canne bimétallique dans les veines d’air : ces appareils ont en général des temps de réponse très rapides aux variations de température, et certains modèles, avec anticipation, ne sont pas adaptés à des utilisations comme organe de sécurité, car leur déclenchement est trop rapide.

4. LES THERMOSTATS À CANNE (AQUASTATS)

Les thermostats à canne doivent être fixés par les raccords ou bossages prévus à cet effet. Il ne faut en aucun cas plier la canne, ou venir y souder, braser, visser des raccords ou des pièces gênant la dilatation de la canne.

La totalité de la partie sensible de la canne doit être immergée dans le milieu à contrôler.

Il ne faut pas fixer le thermostat sur un empilement de raccords, et la canne doit être dans une zone représentative de la température du réservoir. Éviter les zones sans convection naturelle ou sans circulation.

Quel que soit le montage, la tête du thermostat ne doit pas dépasser la température maximale admissible. En particulier, lors du montage de thermostats sur des systèmes à haute température, éloigner la tête des parois chaudes.

Utilisez des doigts de gant adaptés aux diamètres des cannes, et qui ne gênent pas les mouvements de dilatation. Si vous voulez obtenir des réglages précis et de faibles différentielles, installez de la graisse thermique entre le doigt de gant et la canne.

5. LES THERMOSTATS A BULBE ET CAPILLAIRE

Les thermostats à bulbe et capillaire sont prévus pour mesurer la température avec le bulbe, qui doit être positionné dans le milieu à contrôler. Cependant, le capillaire et le reste du système de mesure sont influencés, de manière  modérée, par la température. Il importe donc de ne pas exposer ceux-ci à des températures trop importantes, et en particulier de ne jamais dépasser la température maximale autorisée sur le boîtier. Les capillaires et en particulier les jonctions capillaire/bulbe sont des organes fragiles, et il faut veiller à ne pas les cintrer avec un rayon inférieur à 5 mm ou près du bulbe. La rupture du capillaire à la suite d’un pliage trop vif annule toute garantie sur ce matériel. Les surchauffes sur les bulbes ou les capillaires provoquent l’ébullition du liquide à l’intérieur et la destruction définitive du thermostat. Toute coupure ou perçage du capillaire provoque l’arrêt du fonctionnement du mécanisme, et le thermostat ne coupe plus lorsque la température monte ; Si ce paramètre est primordial dans votre application, veillez à utiliser des thermostats à sécurité positive.

6. LES PROTECTEURS DE BOBINAGE

Les protecteurs de bobinages doivent être installés de manière à mesurer au plus vite l’élévation de température du bobinage. Ils ne doivent pas être déformés lors de leur insertion. S’ils sont incorporés avant des opérations de vernissage ou d’imprégnation, vérifiez que ces appareils supportent ces opérations. Notre bureau d’études est à votre disposition pour vous conseiller.

Attention aux températures d’étalonnage : les protecteurs thermiques sont étalonnés à courant nul. ils sont sensibles au courant. Dans votre application, en fonction du courant nominal de votre appareil, leur température réelle de déclenchement sera décalée vers le bas. Utilisez les courbes de dérive thermique pour bien définir les températures. Beaucoup de protecteurs thermiques ont des boîtiers métalliques sous tension. Veillez à les installer sans qu’ils puissent être en contact avec des pièces accessibles. Il existe aussi, pour ces appareils, des gaines isolantes correspondant aux classes d’isolation 1 et 2.

7. LES FUSIBLES THERMIQUES

Les fusibles thermiques sont les composants les plus sensibles aux mauvaises installations.

Leurs fils sont conducteurs de la chaleur : toute opération de soudure sur ceux-ci peut amener le déclenchement du fusible par conductibilité thermique des fils.

En règle générale, aucune soudure à l’étain ne peut se faire à moins de 15mm du boîtier. La durée de la soudure ne doit pas dépasser 3 secondes. Les fils sont aussi sensibles à la traction et à la torsion. Veillez à ne pas y appliquer d’efforts importants (1,3N maxi).

Courber les fils en utilisant de préférence une machine à plier les fils de composants. Ne pas plier à moins de 5mm du corps. Ne pas écraser le corps.

Sensibilité à la température : les fusibles thermiques ne doivent pas rester exposés en permanence à des températures trop proches de leur température de coupure. Un écart minimum est recommandé, vérifiez le dans les fiches techniques. Ils sont aussi sensibles au courant, et peuvent déclencher par effet Joule si celui-ci est trop important.

8. LES THERMOSTATS À BULBE ET CAPILLAIRE À TENSION DE VAPEUR

Ces thermostats sont particulièrement sensibles à la position du capillaire ou du bulbe par rapport au boîtier du thermostat. Veiller à respecter cette position indiquée sur les fiches techniques de chaque appareil.

9. APPAREILS ANTIDÉFLAGRANTS

Les appareils antidéflagrants demandent des soins particuliers lors de leur montage. Une notice de montage particulière est fournie avec chaque appareil.
  • Boîtiers antidéflagrants : ces boîtiers sont conçus pour résister à une explosion intervenant à l’intérieur du boîtier. Il importe donc de soigner particulièrement le serrage des vis du couvercle (ces vis ne doivent pas être remplacées par d’autres), de veiller à la propreté des portées de joint, de ne pas percer de trous dans les boîtiers, de ne pas remplacer les presse étoupes d’origine par d’autres, de serrer correctement les presse étoupes, en veillant à ce que leur garniture soit adaptée au diamètre du câble utilisé.
  • Microrupteurs antidéflagrants : dans les thermostats utilisant ce système, seule la partie électrique du mécanisme est dans un boîtier antidéflagrant. Le boîtier extérieur du thermostat n’assure pas de protection antidéflagrante, mais seulement une protection Les raccordements électriques se font sur le câble sortant de l’appareil, hors zone dangereuse ou dans un boîtier de raccordement approprié.