Association Les Amis de la Mesure
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Introduction Partie I Partie II Partie III Partie IV Bonus Annexes

Un mémoire en troisième année de l'école supérieure de métrologie

Isabelle FREBOURG
Ingénieur de l'industrie et des mines

Parmi les meilleurs souvenirs que je garde de mon passage à l'école supérieure de métrologie (1981 à 1984), figurent en bonne place ceux afférents aux travaux de recherche en métrologie primaire auxquels j'ai participé, en vue de l'élaboration de mon mémoire de troisième année.

Ainsi, pendant plus de six mois, j'ai partagé le quotidien de l'équipe de chercheurs du laboratoire de métrologie des basses températures (c'est-à-dire inférieures à 0 °C), à l'institut national de métrologie (INM).

L'objectif de mes recherches ? L'application d'une méthode de mesure calorimétrique (jusque là employée en cryogénie) à l'étude du point triple du gallium (29,77205 °C) en tant que point fixe de température.

L'intérêt' Obtenir le point triple du gallium dans une cellule de dimension suffisamment petite (quelques centimètres de long) pour pouvoir être introduite dans un calorimètre en association avec d'autres cellules représentant d'autres étalons de température (en fait, cellule multicompartiments) afin de réaliser facilement l'étalonnage d'un thermomètre par rapport à plusieurs points fixes de température. Cette perspective offre une plus grande garantie de stabilité du thermomètre et d'exactitude de son étalonnage. L'objectif envisagé était aussi, à terme, de pouvoir remplacer la comparaison au point d'ébullition et au point triple de l'eau par la comparaison au point triple du gallium. En effet, ce dernier présente deux avantages:

  • un point triple est plus précis qu'un point d'ébullition;
  • le gallium peut être porté aux températures de référence du domaine des températures moyennes (c'est-à-dire températures comprises entre 0 °C et 630,74 °C), sans risquer de faire éclater la cellule qui le contient (risque que présente l'eau du fait de sa forte tension de vapeur).

Il est à noter que jusque là le point triple du gallium était réalisé par le laboratoire des températures moyennes, dans une cellule en verre d'une vingtaine de centimètres de long, dotée d'un puits thermométrique central et plongée dans un bain d'huile chauffé à 31 ou 32 °C lui apportant ainsi constamment un flux de chaleur. Avec un calorimètre, on chauffe par étapes successives en laissant le milieu chauffé s'équilibrer en température avant la chauffe suivante. Ceci permet au thermomètre qui indique la température du milieu, de prendre la température la plus proche possible de celle du corps dont on attend le changement d'état, tout en n'étant soumis qu'à des apports de chaleur parasites limités.

Ceci étant précisé, il me paraît important d'ajouter que :

  • on accédait à la température du thermomètre par la mesure de sa résistance électrique (thermomètre à résistance de platine par exemple);
  • on repérait le changement d'état en observant qu'en dépit des apports successifs de chaleur, la température d'équilibre du milieu cessait d'augmenter pour rester constante. L'énergie fournie était alors consommée par le changement d'état physique du corps pur;
  • dès lors que le corps pur utilisé se chargeait d'impuretés, on perdait la reproductibilité de la température de changement d'état et donc l'étalon potentiel.

Mes recherches ont donc principalement porté sur la détermination des caractéristiques physiques (matière, dimension') à retenir pour l'enveloppe (cellule) devant contenir le gallium afin d'éviter sa dégradation par les impuretés tout en offrant le meilleur échange thermique possible avec le thermomètre à résistance qui devait pouvoir être installé à proximité, dans l'espace pourtant réduit offert par le calorimètre.

Bien que non définitifs, les résultats obtenus ont néanmoins permis de progresser dans la démarche:

  • nécessité d'abandonner le cuivre pour la fabrication de la cellule de gallium (source d'impuretés altérant la valeur et la reproductibilité du point triple);
  • nouveaux matériaux (carbone ou céramique) et nouvelle forme (permettant au gallium d'entourer complètement le puits du thermomètre associé) à tester pour la cellule de gallium;
  • perspectives d'amélioration du calorimètre (agrandissement de ses dimensions et optimisation de la chauffe de l'écran intérieur);
  • réduction des écarts par rapport à la température du point triple du gallium à flux constant et des incertitudes y afférentes.

Cette expérience a été passionnante à divers titres. Tout d'abord parce qu'en faisant de la métrologie primaire (il s'agit des sources de la métrologie en France), on se sent investie d'une forte responsabilité requérant beaucoup de rigueur et de persévérance. Aussi, parce que la recherche est une grande aventure qui fait appel à de nombreuses ressources: une grande polyvalence tant manuelle (tournage, soudage, réalisation de circuits imprimés...) qu'intellectuelle (connaissances des caractéristiques physico-chimiques du gallium, de la thermodynamique, de la thermique...). Enfin, parce que le monde de la recherche m'est apparu éminemment disponible pour m'aider à constituer cette ressource qui m'a été indispensable pour avancer. Je conclurai donc en réitérant mes plus vifs remerciements à tous ceux qui m'ont généreusement accompagnée et soutenue dans ces travaux.