Pour fonctionner, le circuit doit être étanche.
En ouvrant le bouchon de radiateur tu empêche le circuit de se mettre sous pression, donc ton test n'est pas correcte.
Laisse le bouchon de radiateur fermé, et vérifie dans le vase d'expansion, avec le tuyau dans l'eau, si tu as la présence de petites bulles d'air.
Au passage, remplace le calorstat (de toute manière, tu le changeras que ce soit un joint de culasse ou pas, donc autant le faire directement pour faire l'essai)
Quant a la sonde de température, tu peux la vérifier avec une casserole d'eau chaude, un multimètre, et un thermomètre (la procédure dans le manuel d'atelier est explicite a ce sujet)
PS: Moi je pense a une durite seche qui a peté, en fermant le bouchon de radiateur, et en remettant un calorstat, tu pourra vérifier sa tenue en pression.