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Enceintes thermostatiques et climatiques

Formation professionnelle – MEB03

Page 1 Rédigé par F Reynes

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0-0- Paramètres techniques à caractériser … ou pas.

Les paramètres techniques présentés ci-dessous sont ceux définis dans les normes NF X 15-140 et CEI 60068-3.

0-1- Caractéristique technique de l’enceinte & Programme de caractérisation

0-1-1. Définir le Volume intérieur et l’Espace de travail

Volume intérieur [ NF X 15-140 ]

«volume limité par les parois intérieures, c’est-à-dire les dimensions intérieures de hauteur, de largeur et de profondeur de

l’enceinte »

Espace de travail [ NF X 15-140 ]

«partie du volume intérieur de l’enceinte dans laquelle les conditions d’environnement spécifiées sont maintenues dans les

erreurs maximales tolérées »

En absence d’information du constructeur de l’enceinte ou d’une précédente caractérisation, on considère que l’espace de

travail se situe à 10% de chacune des dimensions intérieurs (Largeur, Hauteur, Profondeur) ; et à 50 mm minimum des parois

chauffantes (voir § spécimens dissipant)

Mais comme la caractérisation d’espace de travail dans une enceinte a pour objectif de définir des « zones de conformité » aux

EMT, celui-ci peut être fixé librement.

Ex : Enceinte d’essai avec 1 espace de travail Enceinte de stockage avec 3 espaces de travail

Quel est l’intérêt de dépenser autant d’énergie, si les spécimens (produits) stockés ou testés sont positionnés de façon

anarchique.

Pensez à matérialiser les zones d’espace de travail conforme aux EMT pour éviter les « incidents » d’utilisation.





Une fois le l’espace de travail définie, comment placer les capteurs pour la caractérisation de l’enceinte ?

Volume ≤ 2 m3

La caractérisation est effectuée avec (au moins) 9 capteurs répartis à chacune des extrémités du volume de travail

ainsi qu’au centre selon une répartition cubique centrée

2 m3

≤ Volume ≤ 20 m3

Pour les volumes supérieurs à 2 m3,

vont se rajouter au 9 capteurs précédents, 6 capteurs au centre des surfaces du

volume de travail.

Volume ≤ 2 m

3 2 m

3 ≤ Volume ≤ 20 m

3

Quelle différence pour la position des capteurs entre NF X 15-140 et CEI 60068-3-11 ?

La norme CEI ne prend pas en compte le capteur central.

Et si il y a des «trucs » dans l’enceinte ? Le cas des « spécimens dissipants»

En présence ou absence de « spécimen » (objets, étagères, produits stockés, éléments à tester, trucs …), les caractéristiques de

l’enceinte seront différentes.

Les perturbations liées à un spécimen peuvent être multiples :

- Circulation d’air dans l’enceinte

- Absorption ou émission de température ou de vapeur d’eau

- Rayonnement thermique (qui s’applique aussi au paroi de l’enceinte)

La position des capteurs devra prendre en compte la présence des spécimens et les perturbations engendrées.

Un spécimen est considéré comme « dissipant », lorsqu’il y a plus de 5 °C d’écart entre la température du spécimen et la

température de consigne.

Les normes préconisent de placer les capteurs à plus de 50 mm d’un « spécimen non dissipant », mais reste flou pour les

« spécimens dissipants ».

Comment placer les capteurs pour la caractérisation de l’enceinte, tout en prenant en compte les spécimens ?

Essayez de respecter le positionnement précèdent et quelques règles.

Pour les capteurs proches des parois :

- Pas de capteur à moins de 50 mm des parois ou 10 % des dimensions de l’enceinte

- Pas de capteur à moins de 50 mm d’un spécimen

Pour le capteur central :

- Pas de capteur à moins de 50 mm d’un spécimen

- Si on ne peut pas le placer au centre du volume, le déplacer à l’arrivée du flux d’air





Le 5S peut être un bon outil qualité à mettre en place pour définir les zones d’espace de travail, les positions des spécimens …





1-1-2. Mettre en fonctionnement l’enceinte & effectuer les mesures

Tant que les paramètres d’environnement ne sont pas stabilisés, l’enceinte est dans un état de « régime transitoire ».

Une fois stabilisés, l’enceinte est dans un état de « régime établi »

Comment déterminer les états de régime transitoire ou établi ?

� Visuellement par examen du graphique représentant les mesures du paramètre d’environnement dans le temps.

� Statistiquement par analyse des résultats de mesure

Ou les deux …

En estimant par lecture graphique le début du régime établi, et en le confirmant par le calcul de la méthode statistique.

Quelles sont les tests qui composent la méthode statistique ?

Le régime de fonctionnement de l’enceinte est considéré comme stabilisé (« régime établi ») lorsque la dispersion et la moyenne

du paramètre d’environnement ne varie plus significativement dans le temps.

Pour cela, on va comparer deux séries de mesures consécutives et utiliser deux tests statistiques pour vérifier la stabilité de la

dispersion (Test de Fisher Senecor) et de la moyenne des mesures (Test de student).





Comment faire les tests statistiques ? et leurs justifications scientifiques ?

Un enregistrement des mesures est effectué avec une fréquence minimum d’échantillonnage de 1 mesure par minute.

Les tests statistiques seront effectués sur un minimum de 30 mesures successives ( nmini = 30 ) . Ces mesures constituent un

échantillon qui est utilisé pour calculer un estimateur de la moyenne �̅� et de la variance ��.

Le théorème centrale limite nous indique que la distribution de l’échantillon tend à suivre la loi normale

lorsque la taille est grande ( n > 30 )

Estimateur de la moyenne : Estimateur de la variance :

Les tests utilisés sont définies pour un niveau de confiance de 95%.

On compare les estimateurs de la variance de deux séries de n mesures consécutives, �� et �� , à une constante de Fisher �(,)

� max � �� ,�� ≤ �(,)��é��!!�é"��

Le test de Fisher, ou test F, permet de tester l’égalité des variances de deux échantillons A & B, distribués

selon des lois de student (normales). Pour cela, il utilise le rapport de leurs estimateurs :

�#$ ≥ #& ,� = #$²#&² Si les variances sont égales, le rapport F ne doit pas dépasser la valeur théorique �(),*)définie dans la table de Fisher-Snedecor ( α = 0.025 en annexe 1)

Exemple de la norme NF X 15-140 : pour n = 30, on trouve �(+,,+,)= 2.07

Autre exemple : pour n = 50, on trouve �(-,,-,)= 1.75

�̅� =1�/�0��

01�

�� = 1� − 1/(�0 − �̅�)²��

01�

1er

test statistique : Test de Fisher Senecor





On compare les estimateurs de moyenne de deux séries de n mesures consécutives, �34 et �3��55555 , à une constante de student tn et en prenant en compte des estimateurs de variance , �� et �� :

#|�34 − �3��55555| ≤ ��7�8�� + �� !�:��é�é��!!�é"�� ;�!!��7� ≅ 2>�� > 30��>��é��!!��>>��!��|�34 − �3��55555| ≤ 28�� + ��

Le test de student, ou test T, permet de comparer deux échantillons A & B, pas obligatoirement de même

taille, distribués selon des lois de student (normales), par l’égalité des moyennes correspondantes. Pour

cela, il utilise la différence de leurs estimateurs, réduite en la divisant par un écart-type global, qui doit

rester inférieur au �()�*7�) de student : |�̅$ − �̅&|8B�$��$ + �&

��&C≤ �()�*7�)

Pour retrouver la formule du test pour le régime établi, il suffit de poser : �$555 = �34 et �&555 = �3��55555 #² = �� + �� & = �$ = �

Exemple de la norme NF X 15-140 : pour n = 30, t58 = 2.0017

Autre exemple : pour n = 50, on trouve t98 = 1.9844

Si ces deux tests sont conformes, le régime peut être considéré comme établi

2ème test statistique : Test de Student





1-1-3. Caractériser l’enceinte en régime établi

& Paramètres de caractérisation

La caractérisation sera effectuée à partir d’un enregistrement de mesures avec une fréquence minimum d’échantillonnage de 1

mesure par minute et sur une durée minimum de 30 minutes

Les paramètres généraux :

La valeur moyenne individuelle Vmj par capteur est la moyenne arithmétique des n mesures (i) des N

capteurs (j)

DEF = GH/DFIH

I1G

La valeur moyenne Vm du paramètre d’environnement est la moyenne arithmétique de toutes les mesures

= la moyenne arithmétique des valeurs moyennes individuelles Vmj

DE = GJ/DEFJF1G

1-1-4. Caractériser les erreurs sur les Instruments de mesure

Valeur de consigne [ NF X 15-140 ] Ce que l’on veux …

« Valeur entée sur le régulateur pour obtenir la condition désirée ou spécifiée. »

Ecart de consigne [ NF X 15-140 ]

« Différence entre la valeur de consigne » VCO « et la valeur moyenne de chaque paramètre

d’environnement mesuré dans l’espace de travail » Vm

δVCO = VCO - Vm

Indicateur d’environnement [ NF X 15-140 ] Ce que l’on pense avoir …

« équipement associé au système de régulation affichant les paramètres internes de l’enceinte »

Erreur d’indication [ NF X 15-140 ]

« différence entre la valeur moyenne de l’indicateur d’environnement » VIN « et la valeur moyenne de

chaque paramètre d’environnement mesuré dans l’espace de travail » Vm

δVIN = VIN - Vm

Indicateur Témoin d’environnement [ NF X 15-140 ] Ce que l’on pense avoir … de façon indépendante

« chaine de mesure indépendante du système de régulation » affichant les paramètres internes de l’enceinte

Erreur d’indication du témoin

Reste une erreur d’indication et est déterminé de la même façon :

δVIN TE = VIN TE - Vm





1-1-5. Caractériser l’espace de travail en régime établi

Homogénéité [ NF X 15-140 ] Ce qui varie spatialement …

« Différence maximale, obtenue en régime établi, entre les moyennes des mesures, augmentées de leur incertitude élargie, dans

l’espace de travail »

Une des particularités de la norme NF X 15-140 par rapport à la norme CEI 60068-3-11 est la prise en compte des incertitudes de

mesure dans le paramètre d’homogénéité. C’est pourquoi, les formules seront présentées avec et sans majoration par

l’incertitude de mesure.

Homogénéité sans majoration par l’Incertitudes de mesure :

Homogénéité avec majoration par l’incertitude de mesure :

Remarque : Dans le cas d’échantillon de faible masse ou à faible inertie thermique, il est intéressant de caractériser la différence

maximale entre les valeurs mesurées sur un cycle (la totalité de l’enregistrement ou un temps préalablement définie).

KL = maxM NLOMP − minM NLOMP

KL = maxM NLOM +SOMP − minM NLOM −SOMP

KT$U L = max�M NL�M +S�MP − min�M NL�M −S�MP





Stabilité [ NF X 15-140 ] Ce qui varie localement …

«Valeur qui caractérise, en un point de l’espace de travail et en régime établi, les variations d’un paramètre d’environnement

dans le temps »

Localement : Stabilité du point #LM = max�NL�MP − min�NL�MP

Globalement : Stabilité Maximale #OVW L = maxM #LM

Pourquoi ne pas prendre en compte les incertitudes de mesure dans le paramètre de stabilité ? Ce choix a été justifié

techniquement dans les normes par le fait que l’incertitude de mesure du capteur n’évolue pas lors de l’enregistrement ; et que

celle-ci s’annule donc lors de l’estimation de la stabilité.

Caractérisation en température : Effet du rayonnement des parois Un paramètre complémentaire

Les effets du rayonnement des parois ( δθp ) est déterminé à partir de la température moyenne de rayonnement ( θr ) et la température moyenne mesurée dans l’espace de travail ( θm ).

δθp = θm - θr

θr est caractérisée au moyen d’un thermomètre équipé d’un globe noir. Le capteur ( Exactitude ± 0.5°C )est placé au centre d’une sphère métallique

(cuivre ou aluminium) creuse de diamètre 150mm,

et peinte en noir mat (émissivité 0.95).

La limitation de ce type de mesure vient principalement du temps de stabilisation nécessaire : au moins 30 minutes

La sphère, placée dans la zone de travail, est soumise aux échanges par convexion et rayonnement des parois.

La température du globe ( θg ) dépend donc du rayonnement, de la température, de la vitesse de l’air et du diamètre du globe.

XY = Z(X[ + 273)] + 2.5 × 10a × LV,.b × (X[ − XV)c − 273 Avec

θr : température moyenne de rayonnement θg : température du globe Va : vitesse absolue de l’air

La mesure de la vitesse absolue de l’air (Va) doit être indépendante de la direction du courant d’air. Pour cela, on préconise

de mesurer les vitesses de l’air selon trois axes perpendiculaires (x, y et z )

La vitesse absolue est calculée par sommation vectorielle :

LV = ZLW� +Ld� +Le�





Effet du niveau d’apport d’air neuf : la vitesse de circulation d’air Un paramètre complémentaire

Le niveau d’apport d’air neuf peut être caractérisé au moyen de la vitesse d’air.

Les mesures de la vitesse de l’air sont effectuées en chaque point de l’espace de travail sur une durée minimum de 10 minute

et pour un minimum de n=10 mesures successives.

Les mesures sont généralement effectuées au moyen

d’un capteur anémométrique à élément chaud (fil ou boule)

qui permet des mesures omnidirectionnelles de l’ordre de 0.01 à 5 m/s.

qui doit être installé « en prenant soin que le dispositif de maintien

en position ne perturbe pas la circulation d’air. »

La vitesse de l’air en un point j ( Vj ) est déterminée à partir de la moyenne des n mesures.

On y associé généralement les valeurs maximum ( Vj Max ) et minimum ( Vj Min )des n mesures.

Dans la pratique, le cout des capteurs impose l’utilisation d’un équipement unique qui ne permet pas d’effectuer

simultanément les mesures sur tous les points de l’espace de travail.

Effet du niveau d’apport d’air neuf : Nombre de renouvellement d’air Un paramètre complémentaire

Dans le cas des enceintes thermostatique à ventilation naturelle, une autre approche de la caractérisation du niveau d’apport

d’air neuf peut être celle de la norme ASTM D 5374. Cette norme définit une méthode qui permet de déterminer le taux de

ventilation, qui est défini comme le nombre de volume d’air de la chambre d’essai changé par heure.

Le calcul du taux de ventilation est effectué en comparant la consommation moyenne d’énergie électrique sans

aucune ventilation P1 et en fonctionnement normale P2 :

f = 3.59 × (h� − h�)Li∆k Avec

N : nombre de changements d'air par heure,

P1 : consommation d'énergie moyenne, sans ventilation

(obtenu en divisant la consommation d'énergie déterminée

à partir de compteurs de watt-heure (exactitude ± 0.1 Wh ) par le

temps de l'essai en heures )

P2 : consommation d'énergie moyenne en fonctionnement normal (avec la ventilation)

V : volume total d'air circulant en m3 (volume de la chambre d’essai et non celui du volume de travail)

ρ : densité de l'air ( 1.205 kg/m à 1013 mbar et 20°C ) ∆T : différence de température entre la valeur moyenne mesurée dans l’enceinte et la température ambiante

1-1-6. Caractériser l’espace de travail en régime transitoire

Les normes donnent un certain nombre d’informations sur les paramètres à étudier, mais reste très vague sur les modèles

mathématiques à utiliser pour caractériser ceux-ci.

Ce qui donne lieu à interprétation :

La problématique vient principalement du choix de la référence du régime transitoire :

Est-ce que l’on doit considérer que le régime transitoire doit être caractérisé dans son ensemble ?

Ou partiellement, en considérant qu’une fois atteint l’intervalle de conformité (défini par les EMT), le régime établi n’est

pas atteint mais que le régime transitoire ne peut plus être caractérisé ?





A - Dans le cas d’un échelon de variation

Lors de la mise en fonctionnement de l’enceinte, ou lors d’un changement de consigne, il est important de caractériser cette

période de régime transitoire au moyen des paramètres ci-dessous.

La présence de spécimen ayant un fort impact sur ceux-ci, il est conseillé d’effectuer les caractérisations en présence et en

absence de spécimens.

Temps de montée

Non défini dans les normes, c’est le temps nécessaire pour atteindre la valeur de consigne Vco et prenant en compte les

Erreurs Maximales Tolérés EMT.

Cas AVEC dépassement temporaire de consigne Cas SANS dépassement temporaire de consigne

Dépassement transitoire de la consigne [ NF X 15-140 ] l’ Overshoot …

Non défini dans les normes, c’est l’écart maximal à la limite la plus proche après que le paramètre d’environnement ait

atteint la valeur de consigne définie Vco

Vitesse de variation moyenne [ NF X 15-140 ]

Cette vitesse de variation entre deux paliers de paramètre d’environnement (définis par les valeurs de consigne Vco )

est déterminée, par convention, entre 10% et 90% de l’échelon pris en compte.

La vitesse de variation moyenne υmj est calculée par capteur selon la formule suivante : lOM = mLM�,% − LMo,%mm�M�,% − �Mo,%m





B - Dans le cas d’une perturbation volontaire

Temps de récupération [ NF X 15-140 ]

«L’enceinte étant en régime établi, le temps de récupération est la durée nécessaire pour que l’environnement retrouve le régime

établi après une perturbation.»

La perturbation doit être une action maitrisée qui correspond à une situation réelle d’utilisation de l’enceinte

- Ouverture de porte en définissant le temps d’ouverture (généralement 1 minute, 5 minutes si l’utilisation le justifie) et

le type d’ouverture (partielle, totale … toujours en fonction de l’utilisation)

- Coupure d’alimentation avec les mêmes contraintes

- Ajout d’un spécimen ayant un apport thermique important ….

Même si le début du temps de récupération est fixé à la fin de la perturbation volontaire, comment fixer la fin du temps de

récupération ?

- Si on se base sur la norme NF X 15-140, il faut retrouver le régime établi. Et donc fixer la fin du temps de récupération

par méthode graphique

Temps de récupération du régime établi (par méthode graphique)

- Si on considère le critère de conformité comme prioritaire, la fin du temps de récupération est définie lorsque

l’environnement atteint la limite de la zone de conformité.

Temps de récupération de la limite de la zone de conformité





- Un autre approche est de fixer la fin du temps de récupération lorsque l’environnement atteint la Valeur de Consigne

Temps de récupération de la valeur de consigne

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