Les thermostats sont largement utilisés dans diverses applications industrielles pour contrôler des fonctions spécifiques. Comme tout instrument de mesure, un thermostat doit être étalonné régulièrement pour s’assurer qu’il reste conforme à ses spécifications et stable. En effet, l’absence d’étalonnage ou la réalisation d’étalonnage en suivant une procédure non-adaptée peut avoir de sérieuses conséquences. Cependant, l’étalonnage d’un thermostat est différent de celui d’une sonde résistive ou encore de celui d’un transmetteur, c’est pourquoi ce post de blog se concentre sur la manière d’étalonner correctement un thermostat. Après cette courte introduction, entrons dans le vif du sujet !
Table des matières
- Comment fonctionne un thermostat ?
- Quel est le principe de base pour étalonner un thermostat ?
- Connaissez-vous la terminologie essentielle ?
- Votre thermostat est-il séparé ou attaché ?
- Comment étalonner un thermostat ?
- Quelles sont les principales étapes d’étalonnage d’un thermostat ?
- Comment documenter l’étalonnage, la traçabilité métrologique et l’incertitude d’étalonnage ?
- Vous voulez en savoir plus sur le sujet ?
- Quelle solution propose Beamex pour l’étalonnage de thermostat ?
Comment fonctionne un thermostat ?
Pour faire court, un thermostat est un instrument qui mesure une température et qui répond à une fonction (un commutateur s’ouvre ou se ferme) à une température donnée.
L’un des thermostats les plus courants est celui présent dans les radiateurs électriques. Vous pouvez donc programmer le thermostat à une température donnée et, si la pièce est plus froide que la température programmée, le thermostat allume le radiateur alors que si la température de la pièce est supérieure à celle requise, le thermostat éteint le chauffage.
Dans les faits, il y a une légère différence entre le point de consigne et le point de réarmement pour qu’il n’y ait pas d’oscillations quand la température atteint le point de consigne. Cette différence s’appelle hystérésis ou bande morte. Si on reprend l’exemple du radiateur ci-dessus, cela signifie que, quand le thermostat est programmé à 20 °C (68 °F), le radiateur peut commencer à chauffer quand la température est inférieure à 19 °C (66 °F) et arrête de chauffer quand la température atteint 21 °C (70 °F), présentant ainsi une bande morte de 2 °C (4 °F).
Naturellement, dans l’industrie, les applications utilisant des thermostats sont nombreuses et variées.
Quel est le principe de base pour étalonner un thermostat ?
Nous étudierons plus en détail l’étalonnage des thermostats plus loin dans cet article, mais commençons par résumer brièvement le principe de base à avoir en tête quand vous étalonnez un thermostat :
Pour étalonner un thermostat, vous devez effectuer une montée en température lente à l’entrée du thermostat (l’élément sensible à la température) tout en mesurant simultanément la sortie du thermostat pour relever à quelle température il change d’état. Puis, vous devez diminuer la température pour trouver le point de réarmement auquel le thermostat revient à son état d’origine.
Il faut que vous releviez la température d’entrée au moment exact où la sortie change d’état.
La sortie du thermostat ne présente habituellement que deux états, à savoir « ouvert » ou « fermé ».
Connaissez-vous la terminologie essentielle ?
Quand on parle de thermostat, on emploie très souvent les termes de normalement ouvert (NO) ou normalement fermé (NF). Cela indique si les contacts du thermostat sont par défauts ouverts ou fermés. Habituellement, les thermostats sont dans leur position par défaut à la température ambiante.
Les points de fonctionnement peuvent aussi être appelés « point de consigne » et « point de réarmement » ou points « On » et « Off ».
La différence de température entre les points de fonctionnement s’appelle la bande morte. Il doit y avoir une différence entre les points d’ouverture et de fermeture pour empêcher le thermostat d’osciller entre son état ouvert et fermé si les deux sont à exactement la même température. Pour les applications qui nécessitent une très petite bande morte, une logique supplémentaire est prévue pour empêcher le thermostat d’osciller.
Les sorties du thermostat peuvent être mécaniques (ouvertes/fermées), électroniques ou numériques.
Parfois, il se peut que vous entendiez parler de « contact sec » (dry switch) ou de « relais » (wet switch). Un contact sec signifie que la sortie est soit ouverte, soit fermée, alors qu’un relais signifie que les deux états du thermostat sont deux niveaux différents de tension.
Certains thermostats ont leurs contacts à la tension du secteur quand ils sont ouverts. Cela peut s’avérer un risque de sécurité tant pour les personnes que pour l’équipement de test, veillez donc à toujours prendre ce paramètre en considération quand vous étalonnez un thermostat.
Vous trouverez plus d’informations sur la terminologie dans l’article de blog ci-dessous : Comment étalonner un pressostat ?
Votre thermostat est-il séparé ou attaché ?
Un thermostat doit mesurer la température, il doit donc posséder un élément sensible à la température, en d’autres termes une sonde de température.
Dans certains cas, la sonde de température est un instrument distinct et peut-être détachée du thermostat, alors que dans d’autres cas la sonde est fixée au thermostat et ne peut pas en être séparée.
Ces deux différents scénarios nécessitent des méthodes d’étalonnage du thermostat très différentes.
En effet, comme expliqué plus haut, vous devez fournir une température qui varie lentement à l’entrée du thermostat. Cependant, la méthode pour y arriver va grandement varier si le thermostat a une sonde de température fixe ou si cette dernière est amovible.
Intéressons-nous maintenant à ces deux différents scénarios.
No 1 - thermostat à sonde de température séparée/amovible
Il existe des modèles où vous pouvez détacher la sonde de température de son thermostat. Dans ce cas, la sonde sera souvent un modèle standard, comme une sonde Pt100 (ou un thermocouple). Si c’est le cas, vous pouvez étalonner le thermostat sans sa sonde de température en utilisant un simulateur ou un calibrateur pour simuler le signal provenant d’une sonde Pt100, générant ainsi une montée en température lente (ou une série de très petits paliers) en entrée du thermostat.
Bien évidemment, vous devrez aussi étalonner la sonde de température. Mais celle-ci pourra être étalonnée en utilisant un étalonnage standard de sonde de température à des points de consigne de température fixes, sans avoir besoin de faire varier la température, ce qui rend l’étalonnage de la sonde beaucoup plus simple (et entraîne moins d’incertitude).
Pour les applications qui ont besoin d’être précises, le thermostat peut parfois compenser l’erreur d’une sonde résistive en utilisant des coefficients de correction comme l’ITS-90 ou Callendar van Dusen. Par conséquent, quand vous allez simuler votre sonde de température, votre calibrateur devra être capable de prendre cela en compte.
L’un de nos précédents posts vous en apprendra plus sur l’étalonnage des sondes de température : Comment étalonner une sonde de température ?
Vous pouvez aussi étalonner la sonde et le thermostat ensemble dans la même boucle, dans ce cas vous n’aurez pas à les étalonner séparément. Cependant, si vous ne possédez pas un système capable de générer une montée en température lente et contrôlée, ce sera plus facile de les étalonner séparément.
Si la sonde de température amovible n’est pas un type de sonde standard (ni une sonde résistive ni un thermocouple), alors vous ne pouvez pas vraiment étalonner la sonde et le thermostat séparément, car vous ne pouvez ni mesurer ni simuler le signal d’une sonde non standard. Dans ce cas, vous devez les étalonner comme un seul instrument quand ils sont connectés.
No 2 - thermostat à sonde de température fixe/intégrée
Si votre sonde de température est fixée à votre thermostat et n’est pas amovible, vous devez alors l’étalonner comme un seul instrument. Dans ce cas, vous devrez générer une montée en température avec une source de température dans laquelle vous insérerez votre sonde de température.
Comment étalonner un thermostat ?
Avant l’étalonnage
Comme c’est le cas avec n’importe quel étalonnage d’un instrument de process, avant de commencer, isolez l’instrument de mesure du process, mettez-vous en contact avec la salle de contrôle et assurez-vous que l’étalonnage ne déclenchera pas d’alarme et n’entraînera pas de conséquences indésirables.
Puis, vérifiez visuellement le thermostat pour vous assurer qu’il n’est pas endommagé et que toutes ses connexions ont l’air en bon état.
Si la sonde est sale, nettoyez-la avant de l’insérer dans le four d’étalonnage.
Générez une montée en température lente en entrée
Si vous étalonnez en même temps un thermostat et sa sonde de température, vous devez générer une montée en température suffisamment lente au niveau de la source de température dans laquelle vous allez installer la sonde de température du thermostat.
Cela signifie que vous devez avoir une source de température capable de générer une montée en température contrôlée à vitesse constante et suffisamment lente pour les besoins de l’application.
Dans les faits, vous pouvez atteindre rapidement une température de consigne proche de la plage à étalonner, puis laisser la température se stabiliser. Effectuez ensuite une montée en température lente sur la plage d’étalonnage. Une fois l’étalonnage terminé, vous pouvez rapidement redescendre à la température ambiante.
Une montée en température de ce type est le plus souvent générée grâce à un four d’étalonnage. Cependant, tous les fours d’étalonnage ne sont pas capables de générer une montée en température suffisamment lente. Vous devez aussi être en mesure de générer la température de manière très précise, tout en étant capable de mesurer le signal de sortie du thermostat. De plus, votre système d’étalonnage devra être capable de capturer automatiquement la température d’entrée au moment exact où la sortie du thermostat changera d’état.
Malheureusement, tous les systèmes d’étalonnage de température ne sont pas capables de remplir toutes ces fonctions. Il va sans dire que le calibrateur de température Beamex MC6-T peut réaliser toutes ces opérations de manière entièrement automatique. Et ce n’est pas tout, il recèle plein d’autres caractéristiques, je vous invite donc fortement à vous renseigner sur ses nombreuses fonctionnalités !
Utilisez une sonde de température de référence externe - n’utilisez pas une sonde interne !
Tous les fours d’étalonnage possèdent une sonde de référence interne, mais, et j’insiste, ne l’utilisez pas quand vous étalonnez un thermostat !
La sonde de référence interne est en effet située dans la partie inférieure du four d’étalonnage, que ce dernier soit chauffé et/ou refroidi. La sonde de référence interne est aussi habituellement proche des éléments de chauffage/refroidissement et réagit rapidement aux changements de température.
La température va ainsi se transférer depuis le four d’étalonnage au manchon, et du manchon à la sonde de température à étalonner. Cela signifie qu’il y a toujours un délai significatif (un décalage ou « lag » en anglais) entre la sonde de référence interne et la sonde à étalonner placée dans un des perçages du manchon.
Lors d’un étalonnage de sonde classique, réalisé à des points de température fixe, ce décalage n’est pas vraiment critique, car vous devez toujours attendre que les températures se stabilisent. Cependant, dans le cas de l’étalonnage d’un thermostat, ce décalage à un énorme impact et va entraîner une erreur significative dans le résultat de l’étalonnage !
Par conséquent, au lieu d’utiliser la sonde de référence interne, utilisez toujours une sonde de référence externe installée dans le manchon aux côtés de la sonde du thermostat à étalonner. La sonde de référence externe que vous utiliserez devra aussi avoir des caractéristiques similaires à la sonde du thermostat afin qu’elles aient le même comportement et qu’elles présentent le même décalage.
Au minimum, assurez-vous que les dimensions de la sonde de référence et de la sonde du thermostat soient aussi proches que possible (c’est-à-dire même longueur et même diamètre). S’assurer que les sondes aient la même longueur revient à vérifier qu’elles plongent aussi profondément l’une que l’autre dans le manchon, à savoir qu’elles se situent à la même profondeur d’immersion. En effet, des profondeurs d’immersion différentes vont entraîner une erreur et une incertitude dans l’étalonnage.
Naturellement, la sonde de température de référence doit elle aussi être mesurée avec un équipement de mesure précis.
Mesurez la sortie du thermostat
Une fois que vous avez géré la montée en température en entrée, il faut aussi mesurer les bornes de sortie du thermostat et leur état.
Dans le cas d’un thermostat traditionnel ouvert/fermé, il vous suffit d’avoir un appareil qui peut mesurer si les contacts du thermostat sont ouverts ou fermés.
S’il s’agit d’un thermostat plus moderne avec une sortie électrique, vous devez être capable de la mesurer. En fonction des cas, vous devrez soit mesurer un signal en milliampères, soit une tension en volts.
Dans les deux cas, la sortie du thermostat ayant deux états, votre appareil de mesure doit être capable de mesurer et de reconnaître les deux.
Relevez les points de fonctionnement
Dans le cas d’un étalonnage manuel, vous devez démarrer la montée en température et surveiller la sortie du thermostat. Quand le thermostat change de statut, relevez la température d’entrée, en d’autres termes relevez la température de la sonde de température de référence. Il s’agit du point de fonctionnement du thermostat. Attention, vous voudrez sûrement étalonner les deux points de fonctionnement (comme précisé précédemment, le point de consigne et le point de réarmement) en augmentant et diminuant successivement la température pour voir la différence entre les deux appelée hystérésis (ou bande morte).
Si vous ne voulez pas réaliser cette opération manuellement, vous aurez besoin d’un système qui peut réaliser toutes ces opérations automatiquement, en d’autres termes qui soit capable de :
- Générer une variation de température en montée ou en descente à la vitesse requise, dans la plage de température requise pour le thermostat en question ;
- Mesurer l’état de sortie du thermostat (ouvert/fermé, on/off) ;
- Mesurer la sonde de température de référence insérée dans la source de température ;
- Capturer la température au moment exact où le thermostat change d’état.
Le Beamex MC6-T peut faire tout cela et bien plus encore.
Quelles sont les principales étapes d’étalonnage d’un thermostat ?
Terminons par un court résumé des étapes nécessaires à l’étalonnage d’un thermostat :
- Préparation avant l’étalonnage (déconnexion du process, isolation par mesure de sécurité, vérification visuelle, nettoyage).
- Insertion de la sonde de température du thermostat ainsi que d’une sonde de référence dans la source de température.
- Connexion de la sortie du thermostat à un appareil de mesure capable de mesurer l’état ouvert/fermé du thermostat.
- Montée en température rapide jusqu’à s’approcher de la plage de fonctionnement du thermostat puis attente de stabilisation de la température.
- Montée en température très lente dans la plage de fonctionnement nominal du thermostat.
- Quand la sortie du thermostat change d’état (valeur de consigne), relevé de la température dans la source de température.
- Diminution lente de la température dans l’autre sens jusqu’à ce que le thermostat retourne à son état initial (point de réarmement). Relevé de cette nouvelle température.
- Répétition des étapes 5 à 7 autant de fois que nécessaire pour obtenir la répétabilité du thermostat. Dans la plupart des cas, on fera trois (3) répétitions.
- Variation rapide de la température pour un retour à la température ambiante.
- Documentation des résultats de l’étalonnage.
- Si l’étalonnage est non conforme et que le thermostat n’est pas conforme aux exigences d’exactitude : réalisation des ajustements nécessaires, réparation ou remplacement du thermostat.
- Répétition de l’intégralité de la procédure d’étalonnage si des ajustements ont été réalisés.
- Reconnexion du thermostat dans son process.
Le graphique ci-dessus illustre un exemple de cycle de température durant l’étalonnage d’un thermostat. Au démarrage, vous pouvez rapidement atteindre un point proche de la plage d’étalonnage. Laissez alors la température se stabiliser complètement puis commencez lentement une montée puis une descente en température sur l’étendue de plage de l’étalonnage pour capturer les points de consigne et de réarmement. Dans cet exemple, l’étalonnage a été répété trois fois de suite pour mesurer la répétabilité du thermostat. Après l’étalonnage, vous pouvez rapidement diminuer la température pour retourner à la température ambiante.
Comment documenter l’étalonnage, la traçabilité métrologique et l’incertitude d’étalonnage ?
Procédons maintenant à quelques rappels essentiels concernant l’étalonnage des thermostats, voire l’étalonnage de manière générale en fait.
Documentation : l’étalonnage doit toujours être documenté, habituellement au moyen d’un certificat d’étalonnage ou constat de vérification.
Traçabilité métrologique : l’équipement d’étalonnage doit posséder une traçabilité métrologique conforme aux normes applicables.
Incertitude d’étalonnage : l’incertitude d’étalonnage est une partie cruciale de toute procédure d’étalonnage. Gardez toujours à l’esprit le « niveau de qualité » de votre procédure d’étalonnage et de votre équipement d’étalonnage et assurez-vous que l’équipement et la procédure ont une incertitude suffisamment faible pour l’étalonnage que vous souhaitez réaliser.
Pour plus d’informations sur l’incertitude d’étalonnage, référez-vous au post de blog correspondant : L’incertitude d’étalonnage pour les non mathématiciens
Vous voulez en savoir plus sur le sujet ?
Si cet article vous a intéressé, vous pourriez apprécier les suivants :
- La métrologie pour les étalons - la Température [eBook]
- Comment étalonner une sonde de température ?
- Comment étalonner un pressostat ?
Quelle solution propose Beamex pour l’étalonnage de thermostat ?
Beamex propose un système entièrement automatisé pour l’étalonnage des thermostats. Le cœur de notre solution est le calibrateur de température Beamex MC6-T. Le MC6-T est un calibrateur de température polyvalent intégrant un calibrateur de process multifonctions ainsi qu’un communicateur de bus de terrain.
Grâce au MC6-T, vous pouvez créer la montée en température requise, mesurer la sortie du thermostat, mesurer la sonde de température de référence et capturer les points de fonctionnement. Et tout ça, entièrement en automatique. Les résultats d’étalonnage sont stockés dans le MC6-T, à partir duquel vous pouvez les télécharger vers les logiciels de métrologie industrielle Beamex CMX ou LOGiCAL afin de les archiver dans des bases de données et de générer des certificats d’étalonnage et/ou constats de vérification. Ainsi, l’intégralité du processus d’étalonnage est entièrement automatique et dématérialisée.
N’hésitez pas à nous contacter pour en savoir plus sur le MC6-T où pour réserver une démonstration gratuite physique ou virtuelle.
Orginal post: How to calibrate a temperature switch
Published on: Dec 2020
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