Comment fonctionnent les thermomètres bimétalliques

Comment fonctionnent les thermomètres bimétalliques

Thermomètres bimétalliques

Figure 1 : Thermomètres bimétalliques

Un thermomètre bimétallique est un dispositif de mesure de la température. Il convertit la température du support en déplacement mécanique à l'aide d'une bande bimétallique. Le bilame est constitué de deux métaux différents ayant des coefficients de dilatation thermique différents. Les thermomètres bimétalliques sont utilisés dans les appareils résidentiels tels que les climatiseurs, les fours, et les appareils industriels tels que les chauffages, les fils chauds, les raffineries, etc. Ils constituent un moyen simple, durable et rentable de mesurer la température.

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Table des matières

Construction et conception

Un thermomètre bimétallique fonctionne en utilisant deux propriétés fondamentales du métal :

  1. La propriété de dilatation thermique du métal
  2. Le coefficient de dilatation thermique des différents métaux est différent pour une même température.

Le composant principal du thermomètre bimétallique est la bande bimétallique. Le bilame est constitué de deux bandes minces de métaux différents, ayant chacun des coefficients de dilatation thermique différents. La dilatation thermique est la propriété d'un métal de changer de forme ou de volume avec un changement de température. Les bandes de métal sont reliées sur leur longueur par fusion ou par rivetage. Les bandes sont fixées à une extrémité et libres de se déplacer à l'autre extrémité.

Les deux métaux généralement utilisés sont l'acier et le cuivre, mais l'acier et le laiton peuvent également être utilisés. Comme leur dilatation thermique est différente, la longueur de ces métaux change à des vitesses différentes pour une même température. Grâce à cette propriété, lorsque la température change, la bande métallique se dilate d'un côté et pas de l'autre, ce qui crée un effet de flexion. Ceci est illustré par la figure 2.

Lorsque la température augmente, la bande tourne dans la direction du métal au coefficient de température le plus faible. Lorsque la température diminue, la bande se plie dans la direction du métal ayant un coefficient de température plus élevé. La déviation de la bande indique la variation de température. Ce mouvement de flexion est relié au cadran du thermomètre, qui indique la température du support. L'étalonnage est une étape importante pour garantir une lecture correcte de la température.

Bande bimétallique

Figure 2 : Bande bimétallique : extrémité fixe (A), extrémité libre (B), déviation (C), bande bimétallique (D)

Avantages et inconvénients des thermomètres bimétalliques

Les avantages des thermomètres bimétalliques sont les suivants :

  1. Conception simple et robuste
  2. Moins cher que les autres thermomètres
  3. Ils sont entièrement mécaniques et ne nécessitent aucune source d'énergie pour fonctionner.
  4. Installation et entretien faciles
  5. Réponse quasi linéaire au changement de température
  6. Adapté à de larges plages de températures

Les thermomètres bimétalliques présentent certains inconvénients :

  1. Il n'est pas conseillé de les utiliser pour des températures très élevées.
  2. Ils peuvent nécessiter un calibrage fréquent.
  3. Peut ne pas donner une lecture précise pour les basses températures.
  4. Le calibrage est perturbé en cas de manipulation brutale

Types de thermomètres bimétalliques

Il existe deux types de thermomètres bimétalliques, le thermomètre bimétallique à hélice et le thermomètre bimétallique à spirale. Les bandes en hélice et en spirale sont utilisées pour maintenir la taille du thermomètre dans une limite gérable.

Thermomètre bimétallique à bande Helix

Comme son nom l'indique, une bande bimétallique en forme d'hélice est utilisée pour mesurer la température dans ce type de thermomètre. L'aiguille est reliée par l'arbre à l'extrémité libre de la bande. La bande est enroulée en hélice à l'intérieur de la tige, comme illustré à la figure 3. Lorsque la température augmente, la bande hélicoïdale détecte le changement de température. La bande de métal dont le coefficient de dilatation thermique est plus élevé se dilate et s'enroule le long de la tige, faisant ainsi tourner l'arbre. Cette rotation entraîne le déplacement de l'aiguille sur le cadran qui indique la température du support. Lorsque la température diminue, le métal ayant un coefficient de dilatation thermique plus faible se rétracte et fait tourner l'arbre. L'aiguille lit alors la température la plus basse du cadran.

Ils sont surtout utilisés pour des applications industrielles, car ils peuvent être placés à l'intérieur d'un puits thermométrique qui permet de fonctionner dans des environnements à haute température et pression.

Thermomètre bimétallique à bande Helix

Figure 3 : Thermomètre bimétallique à hélice : hélice bimétallique (A), bulbe (B), aiguille (C), échelle de température (D)

Thermomètre bimétallique à bande spiralée

Une bande en forme de spirale est utilisée pour mesurer la température dans un thermomètre bimétallique à bande spiralée, comme le montre la figure 4. Lorsque la température augmente, les deux bandes de métal se dilatent différemment. Cela crée un effet de flexion et la bande s'enroule de telle sorte que le métal ayant un coefficient thermique plus élevé forme le côté extérieur de l'arc. Lorsque la température diminue, le métal ayant un coefficient thermique plus faible forme la couche interne de l'arc. L'aiguille et le cadran fixés à la spirale lisent cette déformation qui indique la température du milieu.

Ils sont surtout utilisés pour les thermostats ou pour mesurer la température ambiante, car ils sont sensibles aux faibles variations de température.

Thermomètre bimétallique à bande spiralée

Figure 4 : Thermomètre bimétallique à bande spiralée : bande bimétallique (A), extrémité fixe (B)

Critères de sélection

Les critères de sélection suivants doivent être pris en compte lors du choix du thermomètre bimétallique pour votre application :

  1. Plage de température de 1 à 80°C. Le thermomètre bimétallique doit se situer entre les températures limites supérieure et inférieure. En raison des températures extrêmes, les métaux peuvent atteindre leurs limites de dilatation et ne pas rebondir, entraînant un endommagement permanent du thermomètre.
  2. Tige: La longueur et le diamètre de la tige du thermomètre bimétallique à tige doivent être déterminés en fonction de l'application. Cela peut nécessiter de déterminer la longueur d'immersion ou la profondeur du réservoir où le thermomètre sera utilisé.
  3. Thermowells: Un doigt de gant est un raccord à tube cylindrique qui protège les capteurs de température installés dans les applications industrielles. Il agit comme une barrière pour protéger le thermomètre coûteux de tout dommage potentiel causé par le fluide de traitement. Les puits thermométriques doivent être utilisés lorsque la tige peut être exposée à des températures extrêmes, à la pression, à une vitesse élevée ou à un fluide de nature corrosive. Avec un puits thermométrique installé, les thermomètres peuvent être facilement retirés et remplacés sans arrêter le processus. Comme le puits thermométrique protège le thermomètre, celui-ci dure plus longtemps, ce qui réduit les coûts de maintenance et de remplacement.
  4. Type de thermomètre: Le thermomètre bimétallique peut comporter une bande hélicoïdale ou une bande en spirale. Le thermomètre à bande hélicoïdale est préféré pour les applications industrielles telles que les raffineries, les brûleurs à huile, etc. Les bilames sont enroulés de manière hélicoïdale à l'intérieur de la tige et peuvent être soutenus par des fourreaux pour travailler à des températures et des pressions extrêmes. Les thermomètres à bande spiralée sont utilisés dans les thermostats pour leur sensibilité aux variations de basse température.

Étalonnage du thermomètre bimétallique

La méthode la plus précise pour étalonner le thermomètre bimétallique est la méthode du point de congélation. Pour étalonner un thermomètre bimétallique à l'aide de cette méthode, remplissez complètement un verre de glace, ajoutez de l'eau froide et laissez reposer pendant 4 à 5 minutes. Puis, insérez la tige du thermomètre dans l'eau glacée. Assurez-vous que la tige ne touche pas le fond ou les parois du verre. Laissez-le reposer jusqu'à ce que le cadran ne bouge plus. Si le thermomètre est précis, il doit mesurer 0°C ou 32°F. Si ce n'est pas le cas, tournez l'écrou situé sous le cadran pour qu'il indique 0°C. Vérifiez à intervalles réguliers pour assurer l'exactitude. Un processus d'étalonnage hebdomadaire ou mensuel des thermomètres doit être mis en place en fonction des exigences de votre application.

Applications

Les thermomètres bimétalliques sont utilisés à des fins résidentielles et commerciales. Ils sont couramment utilisés dans :

  1. Climatiseurs
  2. Thermostats
  3. Dispositifs de contrôle
  4. Chauffage
  5. Fours
  6. Hotwires
  7. Raffineries
  8. Brûleurs à mazout

FAQ

Est-ce que tout le tube doit être immergé dans le milieu, ou est-ce que l'extrémité suffit ?

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Le tube entier doit être immergé dans le milieu. Le tube contient une enveloppe bimétallique qui se déforme sous l'effet de la température. Pour une mesure précise, il doit être en contact total avec le support.

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