Les systèmes de mesure thermique

1. LES BILAMES

1.1 LAMES

La bilame est formée de deux métaux colaminés. L’un a un fort coefficient de dilatation, l’autre un plus faible ou nul. Lorsque cette bilame est chauffée, elle se cintre proportionnellement à la température. Les lames sont le plus souvent plates et fixées à une extrémité. Mais elles peuvent être enroulées en forme de spirale, bien que cette disposition serve le plus souvent à la construction de thermomètres.

1.2  DISQUES ET FORMES DERIVEES

Dans de très nombreuses applications, on a cherché à obtenir du bimétal un fonctionnement avec un changement brusque de forme à une température donnée. Pour cela un disque bimétallique a été embouti et formé en cône. Les changements de température provoquent une accumulation d’énergie dans celui-ci qui, à un moment déterminé passe de la forme concave à  la forme convexe. Par une sélection très rigoureuse de la composition, de l’épaisseur, des profondeurs d’emboutissage et des traitements thermiques, on arrive à obtenir des températures de retournement précises, stables et répétitives.

De la forme originelle ronde, ont été développées des formes rectangulaires, losanges, etc. La principale difficulté est d’obtenir un retournement à une température précise.

Mais ce sont des disques qui sont à la base de la plupart des limiteurs de températures actuels.

2. LA DILATATION BIMÉTALLIQUE

Par dilatation bimétallique, on entend la dilatation différentielle de deux métaux différents, non colaminés. La dilatation des métaux développe des forces très importantes. Par exemple, elle suffit à faire se cintrer des rails de chemin de fer lorsque les joints de dilatation sont mal réalisés.

Dans de très nombreuses applications, on a cherché à obtenir du bimétal un fonctionnement avec un changement brusque de forme à une température donnée. Pour cela un disque bimétallique a été embouti et formé en cône. Les changements de température provoquent une accumulation d’énergie dans celui-ci qui, à un moment déterminé passe de la forme concave à  la forme convexe. Par une sélection très rigoureuse de la composition, de l’épaisseur, des profondeurs d’emboutissage et des traitements thermiques, on arrive à obtenir des températures de retournement précises, stables et répétitives.

De la forme originelle ronde, ont été développées des formes rectangulaires, losanges, etc. La principale difficulté est d’obtenir un retournement à une température précise.

Mais ce sont des disques qui sont à la base de la plupart des limiteurs de températures actuels.

2.1  CARTOUCHES

Le type cartouche est constitué d’une enveloppe externe dilatable, en général de l’inox, et de deux lames internes non dilatables, en général de l’Invar.

On mesure l’allongement de l’enveloppe enfonction de la température. Pour une longueur d’environ 100 mm, cette dilatation est de 0.0020mm par °C.

2.2    LAMES PARALLÈLES

De principe similaire aux thermostats cartouches, ils sont composés d’une lame dilatable en alliage cuivreux sur laquelle est soudée à chacune de ses extrémités une lame bombée en invar. La dilatation de la lame en alliage cuivreux va provoquer le rapprochement des deux lames.

2.3  CANNES

Les cannes sont formées d’une enveloppe externe dilatable, inox ou cuivre ou laiton, et d’une tige interne en Invar. Les dilatations sont du même ordre que les cartouches. Ce principe est à la base de la plupart des thermostats de chauffe eau actuels. C’est un système très simple, très fiable, dont les temps de réaction sont très rapides, puisque c’est l’enveloppe elle-même qui mesure la température.

Par l’utilisation de métaux dilatables à la place de l’Invar, il est possible d’obtenir des appareils avec anticipation, système très proche de l’action proportionnelle des systèmes électroniques.

En utilisant le même métal pour l’enveloppe extérieure et la tige interne, on obtient des systèmes thermovélocimétriques, c’est-à-dire ne réagissant qu’à des variations de température et non pas à une température : c’est l’utilisation des détecteurs d’incendie. Dans des températures très élevées, l’invar peut être remplacé par du quartz ou de l’alumine.

3. LA DILATATION DE LIQUIDE

Par dilatation bimétallique, on entend la dilatation différentielle de deux métaux différents, non colaminés. La dilatation des métaux développe des forces très importantes. Par exemple, elle suffit à faire se cintrer des rails de chemin de fer lorsque les joints de dilatation sont mal réalisés.

Les liquides sont incompressibles et se dilatent comme les solides. Les forces de dilatation sont très importantes et permettent des mécanismes développant une puissance importante.

Les dilatations de liquide sont utilisées dans des trains thermostatiques, ensembles fermés composés d’un bulbe, d’un capillaire, d’un soufflet ou diaphragme.

La dilatation du liquide dans le bulbe est transmise par le capillaire au diaphragme qui se gonfle et produit un mouvement. Les courses habituelles mesurées au niveau des diaphragmes sont comprises entre 0.4 et 0.8mm pour la totalité de la plage de mesure. Les volumes des bulbes sont calculés pour obtenir un déplacement spécifique pour une plage donnée. La congélation du liquide donne la limite inférieure d’utilisation, son ébullition la limite supérieure. Ces deux phénomènes provoquent en général la destruction du train thermostatique.

La bonne conductibilité thermique des liquides employés permet un temps de réponse court.

3.1 LES MÉTAUX LIQUIDES

Le mercure a été le premier liquide utilisé dans les thermostats.

Sa première utilisation était le classique thermomètre à mercure. Sa dilatation est quasi linéaire depuis l’ambiance jusqu’à 500°C. C’est un excellent conducteur de la chaleur. C’était donc le liquide idéal pour des thermostats. Cependant sa toxicité l’a fait quasiment disparaître au cours des dernières années.

3.2  LES MÉTALLOÏDES LIQUIDES

Les métalloïdes sont des corps situés à la limite entre les métaux et les autres corps. Les seuls utilisés dans notre domaine sont le sodium et le potassium, et en particulier un mélange eutectique des deux, le NaK, qui a la particularité d’être liquide dans une large gamme de température, de l’ambiance jusqu’à plus de 900°C. C’est aussi un excellent conducteur de la température.

Ces deux caractéristiques lui ont valu d’être sélectionné comme liquide refroidisseur des centrales nucléaires rapides.

Pour la mesure de température, il possède aussi l’avantage d’avoir une dilatation linéaire.

D’usage assez récent dans le contrôle de la température, il permet de réaliser des appareils supportant des hautes températures.

Cependant, il doit obligatoirement être enfermé dans des systèmes clos, sans contact avec l’air ou l’eau, car il est particulièrement réactif : inflammable ou explosif au contact de ceux-ci.

Il est aussi corrosif, et nécessite des enveloppes en inox particulier.

3.3  HUILES

De nombreuses huiles sont utilisées. Elles sont toujours un compromis entre un fort coefficient de dilatation, qui permet des petits bulbes, une température d’ébullition la plus haute possible, une
température de congélation la plus basse possible, une bonne linéarité de la dilatation dans la plage, une non toxicité, une bonne conductibilité thermique.

Parmi les plus courantes, il faut citer le Xylol, les huiles d’hydrocarbure utilisées dans les échangeurs thermiques,  et les huiles silicones.

Il est maintenant possible de couvrir avec ces systèmes, des plages de -40°C jusqu’à 400°C.

3.4 LA DÉRIVE THERMIQUE

(Facteur de correction thermique) des thermostats à bulbe et capillaire à remplissage liquide

Les thermostats à bulbe et capillaire comportent un ensemble clos nommé “train thermostatique”.

Ce train thermostatique, en cuivre ou en acier inoxydable, est composé de 3 parties soudées ensemble :

  1. Le bulbe (A), qui est le réservoir où se situe la plus grande partie du liquide, et dont la dilatation en fonction de la température va être utilisée pour mesurer celle-ci. Il est fermé à son extrémité libre par soudure après le remplissage du train thermostatique
  2. le capillaire (B), dont le diamètre extérieur varie selon les constructeurs et types de thermostat, entre 1 mm et 3 mm, qui sert à transmettre à distance l’élévation de volume du liquide contenu dans le bulbe
  3. Un soufflet (C), composé de deux coupelles souples soudées, d’un diamètre de 19 à 25 mm (quelquefois jusqu’à 32 mm sur des modèles industriels, qui va transformer l’élévation de volume du bulbe en déplacement mécanique (e)

Ces trois parties sont remplies sous vide d’un liquide. La dilatation du liquide, proportionnelle à la température, provoque le déplacement “e”, ce qui permet d’actionner un système de contact électrique.

Cependant, la dilatation du liquide situé dans le capillaire (B) et dans le soufflet (C) n’est pas liée à la température mesurée par le bulbe (A), mais à la température ambiante dans laquelle ils se trouvent, et provoquent donc une dilation parasite du liquide et par conséquence un déplacement mécanique parasite.

La réalisation d’un train thermostatique va limiter au maximum ce déplacement, en limitant les volumes de liquide en C et B.

  • Sur le capillaire: en limitant son diamètre intérieur. Le diamètre minimum est un compromis entre les possibilités technologiques de réalisation des capillaires, les contraintes dues au cintrage du capillaire, et les pertes de charge hydrauliques admissibles en fonction de la viscosité du liquide utilisé, et des pressions développées par sa dilatation.
  • Sur le soufflet : Lors du remplissage du train thermostatique, les deux coupelles formant le soufflet sont pressées l’une contre l’autre, sans interstice, et de ce fait seule une quantité infime de liquide s’y Cependant ce volume de liquide dans le soufflet augmente au fur et à mesure que le liquide situé dans le bulbe A se dilate par élévation de température. Les valeurs de cette dérive  sont  donc  fonction  non  seulement  des  rapports  de  volume  initiaux,  mais  de  la  valeur  de  la  température. La contrepartie de la conception de ce soufflet comportant une quantité infime de liquide lors de son remplissage et de la fermeture du train thermostatique est qu’aucun déplacement mécanique n’est possible en dessous de cette température de remplissage. Dans les thermostats terminés, les réglages sont donc impossibles en dessous de cette température à laquelle le soufflet est vide, avec les deux coupelles jointives. Cette zone en dessous de la température de remplissage est nommée zone morte, et habituellement correspond à une zone non graduée sur la manette du thermostat.

La dérive parasite d’un thermostat à bulbe et capillaire va être donnée sur sa fiche technique et exprimée en °C/°C ou °K/°K.

Elle est fonction du rapport de volume entre le bulbe et le capillaire + le soufflet. Un bulbe de gros volume sera moins sensible à cette dérive, et un capillaire court la diminuera aussi.

Dans le cas de limiteurs de température à température fixe, des bulbes de petite dimension amèneront une forte sensibilité à la température ambiante sur la tête.

Valeurs comparatives de dérive thermique sur un train thermostatique de 19 mm, et déplacement « e » de 0.8 mm sur la plage de température (valeurs indicatives)
Plage de température Dérive avec capillaire de 250 mm (°K/°K) Dérive avec capillaire de 900 mm (°K/°K) Dérive avec capillaire de 1500 mm (°K/°K)
4-40°C 0.1 0.12 0.14
30-90°C 0.18 0.20 0.24
50-300°C 0.25 0.45 0.58

Cette dérive explique que les températures d’étalonnage des thermostats sont données pour une température ambiante de la tête de 23°C +/-2°C (atmosphère standard selon EN60068-1) et pour une longueur immergée de capillaire définie, en général 80 à 100 mm.

Exemples de dérive du point de consigne sur un thermostat avec capillaire 1,5m (En plus de la tolérance sur la valeur d’étalonnage)
 

Plage (°C)

Température de réglage (°C) Température de coupure si la tête du thermostat est à 0°C Température de coupure si la tête du thermostat est à 50°C
4-40 40 40+3,2 40-3,8
30-90 90 90+5,5 90-6,5
50-300 300 300+13,3 300-15,7

4. TENSION DE VAPEUR

 Ce système fait intervenir dans les trains thermostatiques, un mélange de liquide et de vapeur saturée de celui-ci, un peu comme dans une bouteille de butane, où coexistent le gaz et le liquide. Dans ce milieu fermé, toute augmentation de température se traduit par une augmentation de pression et des modifications importantes de volume.

Malheureusement les gaz sont compressibles, et s’il est possible d’obtenir des mouvements importants, la force disponible est faible. Les déplacements ne sont pas linéaires, et ces systèmes sont sensibles aux variations de la pression atmosphérique. Parmi les principaux produits de remplissage utilisés, on peut citer:

4.1 LES FRÉONS

Ils sont utilisés en raison de leur disponibilité, et des systèmes de remplissage sous vide existant déjà pour les circuits frigorifiques. Ils permettent aussi de travailler dans des températures basses.

4.2  LES BUTANES  ET LES PROPANES

Ils sont utilisés pour les mêmes raisons que ci-dessus, mais ont le désavantage d’être inflammables.

4.3 AUTRES: LES CHLORURES DE METHYLE (R40)

Ils sont utilisés dans les systèmes à capillaire et les membranes de thermostat d’ambiance.

5. LE CHANGEMENT D’ÉTAT

Dans les systèmes à changement d’état, on ne mesure plus linéairement un déplacement. On utilise un changement de volume apparaissant à des points caractéristiques propres à chaque corps utilisé: fusion, congélation, ébullition.

Par exemple, la congélation de l’eau à 0°C provoque une augmentation de volume, sa fusion à 0°C provoque une diminution de volume, mais aussi le passage de l’état solide à l’état liquide; son ébullition à 100°C provoque l’apparition d’un grand volume de vapeur.

Ces systèmes à changement d’état vont donc faire appel aux propriétés particulières d’un certain nombre de composés.

5.1 LES CIRES

La cire est un mélange complexe de nombreux composants sélectionnés pour obtenir des points de fusion/congélation différents selon la composition. A cette température prédéterminée il se produit un fort changement de volume. Les cires ont la caractéristique d’augmenter de volume lors de leur fusion.

Ce système, qui provoque un fort déplacement, est utilisé pour les thermostats automobiles, pour ouvrir le circuit de circulation d’eau. Il est aussi courant dans les thermostats de radiateurs de chauffage central., ainsi que dans des mini-vérins verrouillant les portes de fours , machines à laver et autres appareils électroménagers.

5.2  LES ALLIAGES FUSIBLES BASSE TEMPÉRATURE

Les alliages fusibles sont tous des descendants de ceux découverts par Darcey au début du XIXè siècle. A base d’étain, d’antimoine, de plomb, bismuth, et autres métaux, ils ont des températures de fusion comprises entre 25 et 200°C.

Leurs premières applications de série furent l’ouverture de purges de vapeur sur les corps de chaudières de locomotives.

La fusion de l’alliage à une température prédéterminée est utilisée pour libérer un système mécanique (sécurité incendie) ou ouvrir directement un circuit électrique (fusibles thermiques).

5.3  ÉBULLITION

L’ébullition d’un liquide provoque, dans un circuit fermé, une forte augmentation de pression. Cette augmentation de pression peut être due à une ébullition locale dans un train thermostatique ou dans un capillaire. Cela permet de réaliser des appareils sensibles sur de grandes longueurs. Il est aussi utilisé l’ébullition dans des ampoules de verre, ce qui les brise et libère un système mécanique ou électrique. L’application la plus connue est la commande des « sprinklers », systèmes d’extinction automatique courants dans les supermarchés et locaux recevant du public.

6. LES AUTRES SYSTÈMES

6.1 LE POINT DE CURIE

Le point de Curie est, dans un aimant, la température à laquelle celui-ci perd son aimantation. Cette température peut être modifiée en jouant sur la composition de l’alliage magnétique. Cette perte d’aimantation libère un système mécanique ou électrique. Cette application est limitée a quelques usages précis, tels que les cuiseurs à riz.

6.3 LA DILATATION DES GAZ

Ce système est surtout utilisé pour la réalisation de thermomètres, car les forces disponibles sont faibles et peuvent difficilement actionner un contact. La dilatation est linéaire et permet une échelle linéaire dans une large gamme de températures.

Les gaz utilisés sont principalement l’ hélium et l’argon.

Ces systèmes sont sensibles à la pression atmosphérique et demandent un système de compensation.

6.2 LA MÉMOIRE DE FORME

Certains alliages, soumis à une certaine température, reprennent la forme qu’ils avaient avant leur transformation mécanique.

Les traitements thermiques et la composition des alliages permettent de déterminer les températures.