Thermomètre à lame bimétallique : son fonctionnement et ses applications
Qu'est-ce qu'un thermomètre à ruban bimétallique?
Un thermomètre à ruban bimétallique est un dispositif qui utilise le principe de différentes dilatations thermiques des solides pour mesurer la température. Il se compose de deux bandes métalliques (par exemple, acier et laiton) avec des coefficients de dilatation thermique différents, qui sont solidement assemblées le long de leur longueur. Lorsque le ruban bimétallique est chauffé ou refroidi, il se courbe ou se tord en raison de l'expansion ou de la contraction inégale des deux métaux. La quantité de courbure ou de torsion est proportionnelle au changement de température et peut être indiquée par un curseur sur une échelle calibrée.
Les thermomètres à ruban bimétallique sont largement utilisés dans diverses industries et applications en raison de leur simplicité, robustesse et faible coût. Ils peuvent mesurer des températures allant de moins de -100 °C à plus de 500 °C, selon les matériaux et la conception du ruban bimétallique. Ce sont également des dispositifs entièrement mécaniques qui ne nécessitent aucune source d'alimentation ni circuit électrique.
Comment fonctionne un thermomètre à ruban bimétallique?
La structure et le principe de base d'un thermomètre à ruban bimétallique sont illustrés dans la figure ci-dessous. Le ruban bimétallique se compose de deux bandes métalliques avec des coefficients de dilatation thermique différents, comme l'acier et le laiton. La bande d'acier a un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du laiton, ce qui signifie qu'elle s'étend ou se contracte moins que le laiton pour la même variation de température.
Figure: Structure et principe d'un ruban bimétallique
Lorsque le ruban bimétallique est chauffé, la bande de laiton s'étend plus que la bande d'acier, provoquant le courbement du ruban bimétallique avec la bande de laiton sur l'extérieur de la courbe. Inversement, lorsque le ruban bimétallique est refroidi, la bande de laiton se contracte plus que la bande d'acier, provoquant le courbement du ruban bimétallique avec la bande de laiton sur l'intérieur de la courbe.
Le courbement ou la torsion du ruban bimétallique peut être utilisé pour déplacer un curseur attaché à l'une des extrémités du ruban, qui indique la température sur une échelle calibrée. Alternativement, le courbement ou la torsion du ruban bimétallique peut être utilisé pour ouvrir ou fermer un contact électrique, ce qui peut déclencher un système de contrôle de température ou un dispositif de sécurité.
Types de thermomètres à ruban bimétallique
Il existe principalement deux types de thermomètres à ruban bimétallique disponibles sur le marché : le type spiral et le type hélicoïdal. Les deux types utilisent un ruban bimétallique enroulé pour augmenter la sensibilité et la compacité du dispositif.
Thermomètre bimétallique de type spiral
Un thermomètre bimétallique de type spiral utilise un ruban bimétallique enroulé en une spirale plate. L'extrémité intérieure de la spirale est fixée au boîtier, tandis que l'extrémité extérieure de la spirale est connectée à un curseur. Comme indiqué dans la figure ci-dessous, lorsque la température augmente ou diminue, la spirale se tord davantage ou moins, provoquant le déplacement du curseur le long d'une échelle circulaire.
Figure: Thermomètre bimétallique (type spiral)
Un thermomètre bimétallique de type spiral est simple et peu coûteux à fabriquer et à utiliser. Cependant, il a certaines limites, telles que :
Le cadran et le capteur ne sont pas séparés l'un de l'autre, ce qui signifie que l'ensemble du dispositif doit être exposé au milieu dont on veut mesurer la température.
La précision et la résolution du dispositif dépendent de la qualité et de l'uniformité du ruban bimétallique et de son assemblage.
Le dispositif peut être affecté par des chocs mécaniques ou des vibrations qui peuvent causer des erreurs ou des dommages.
Thermomètre bimétallique de type hélicoïdal
Un thermomètre bimétallique de type hélicoïdal utilise un ruban bimétallique enroulé en une spirale hélicoïdale, similaire à un ressort. L'extrémité inférieure de la spirale est fixée à un arbre, tandis que l'extrémité supérieure de la spirale est libre de se déplacer. Comme indiqué dans la figure ci-dessous, lorsque la température augmente ou diminue, la spirale s'étend ou se contracte axialement, provoquant la rotation de l'arbre. La rotation de l'arbre peut être transmise à un curseur via un système de pignon et de levier, qui indique la température sur une échelle linéaire.
Figure: Thermomètre bimétallique (type hélicoïdal)
Un thermomètre bimétallique de type hélicoïdal présente certains avantages par rapport au type spiral, tels que :
Le cadran et le capteur peuvent être séparés l'un de l'autre en utilisant un tube capillaire flexible, ce qui permet au dispositif de mesurer la température dans des endroits éloignés ou inaccessibles.
La précision et la résolution du dispositif sont supérieures au type spiral en raison du déplacement plus important et du levier de la spirale hélicoïdale.
Le dispositif est moins sensible aux chocs mécaniques ou aux vibrations qui peuvent affecter le type spiral.
Applications des thermomètres à ruban bimétallique
Les thermomètres à ruban bimétallique ont une large gamme d'applications dans divers domaines et industries, tels que :
Dispositifs de contrôle de température : Les thermomètres à ruban bimétallique peuvent être utilisés pour activer ou désactiver un système de refroidissement ou de chauffage lorsque la température atteint une valeur prédéfinie. Par exemple, un ruban bimétallique peut être utilisé pour éteindre une bouilloire électrique lorsque l'eau bout ou pour allumer un ventilateur lorsque la température de la pièce est trop élevée.
Climatisation et réfrigération : Les thermomètres à ruban bimétallique peuvent être utilisés pour mesurer et réguler la température dans les conduits d'air, les réfrigérateurs, les congélateurs et autres dispositifs de refroidissement ou de chauffage. Par exemple, un thermomètre bimétallique de type spiral peut être utilisé dans un thermostat de climatisation pour ajuster le flux d'air en fonction de la température souhaitée.
Processus industriels : Les thermomètres à ruban bimétallique peuvent être utilisés pour surveiller et contrôler la température dans divers processus industriels, tels que le raffinage du pétrole, la vulcanisation des pneus, le brasage à chaud, le chauffage par fil chaud, etc. Par exemple, un thermomètre bimétallique de type hélicoïdal peut être utilisé dans un brûleur à mazout pour réguler l'approvisionnement en carburant en fonction de la température de la flamme.
Mesure et indication de la température : Les thermomètres à ruban bimétallique peuvent être utilisés pour mesurer et afficher la température de divers milieux, tels que les liquides, les gaz, les solides et les surfaces. Par exemple, un thermomètre à ruban bimétallique peut être utilisé pour mesurer la température de l'eau dans un tuyau de chauffage ou la température de surface d'un moteur.
Les thermomètres à ruban bimétallique sont adaptés à ces applications car ils sont :
Simples et économiques : Les thermomètres à ruban bimétallique ont une structure et un design simples qui sont faciles à fabriquer et à utiliser. Ils n'ont pas besoin de source d'alimentation ni de circuit électrique, ce qui réduit le coût et l'entretien du dispositif.
Robustes et durables : Les thermomètres à ruban bimétallique sont fabriqués à partir de matériaux métalliques résistants à la corrosion, à l'usure et aux chocs. Ils peuvent supporter des températures et des pressions élevées sans perdre leur précision ou leur fonctionnalité.
Mécaniques et analogiques : Les thermomètres à ruban bimétallique sont des dispositifs mécaniques qui produisent une sortie analogique directement proportionnelle au changement de température. Ils n'ont pas besoin de calibration ou d'ajustement, et ils ne sont pas affectés par les interférences électromagnétiques ou le bruit.
