La traçabilité des mesures en basses pressions absolues est réalisée dans les laboratoires nationaux de métrologie par la méthode dite de l’expansion continue. Cette méthode nécessite la mesure et la génération d’un flux gazeux entre 4 × 10^-12 mol·s^-1 et 4 × 10^-7 mol·s^-1. Afin d’améliorer ses incertitudes de mesure dans le domaine des pressions absolues inférieures à 10^-3 Pa, le Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) a développé dans un premier temps une référence primaire pour la mesure de flux gazeux dans la gamme précitée avec une incertitude élargie inférieure à 1%. Par extension, le fluxmètre gazeux permet également l’étalonnage des fuites de gaz, activité traditionnelle du département pression-vide du LNE, pour les fuites référencées au vide entre 4 × 10^-12 mol·s^-1 et 4 × 10^-7 mol·s^-1 (1 × 10^-8 Pa·m³·s^-1 à 1 × 10^-3 Pa·m³·s^-1) et les fuites de gaz frigorigènes au fréon R-134a, référencées à la pression atmosphérique, entre 3 × 10^-9 mol·s^-1 et 2 × 10^-8 mol·s^-1 (10 g par an à 60 g par an). Les résultats d’étalonnage d’une fuite capillaire sont présentés et comparés aux résultats obtenus par la méthode de remontée de pression, habituellement utilisée pour ce type d’instrument. Un bilan d’incertitude exhaustif sur le flux gazeux mesuré est établi et appliqué à l’utilisation du fluxmètre gazeux dans le cadre de l’expansion continue.

Dans le cadre du projet de recherche portant sur l’analyse de l’activité de surface appliquée aux besoins de la métrologie de caractérisation de surface à l’échelle nanométrique et de la recherche technologique, de nombreuses améliorations et adaptations ont été entreprises sur les dispositifs d’analyse de surface du laboratoire. Cet article se propose de présenter un état des lieux de ces dispositifs en décrivant les principales améliorations apportées au cours de ces quatre dernières années et les résultats expérimentaux qui en découlent.

Le kilogramme est encore défini à partir d’un objet matériel, le prototype international du kilogramme sanctionné par la 1re CGPM en 1889. Il présente trois inconvénients majeurs : disponible en un seul lieu, non pérenne en termes de masse physique et non universel puisque basé sur un artefact. La définition de l’unité de masse pourrait être changée au plus tôt en 2011 et serait alors basée sur une valeur fixée exactement d’une constante fondamentale de la nature. Ainsi, la possibilité de redéfinir le kilogramme en fonction d’une réelle invariance naturelle est en discussion depuis environ 30 ans. Dans ce contexte, la métrologie française a entrepris depuis 2002 la réalisation d’une expérience de balance du watt dont l’objectif est de raccorder le kilogramme à la constante de Planck. L’adoption d’une nouvelle définition du kilogramme basée sur une constante physique fondamentale ou atomique devra prendre en compte sa dissémination en évitant tout bouleversement dans la pratique des laboratoires accrédités et de la plupart des utilisateurs. Mais elle aura inévitablement des conséquences sur les étalons de transfert utilisés par les laboratoires nationaux de métrologie.

La conception d’une expérience de balance du watt fait appel à des compétences pluridisciplinaires et nécessite de nombreuses études sur chaque élément qui la constitue. Un exemple d’une telle étude est présenté dans cet article. Afin de concentrer, en un point unique, les points d’application de deux forces à comparer (un poids et une force électromagnétique équilibrant ce poids), un système à liaisons élastiques monobloc à lames flexibles a été réalisé en alliage de cuivre-béryllium. Il permet l’articulation des suspensions de la masse et de la bobine engendrant la force électromagnétique selon quatre axes coplanaires qui se coupent en un seul point (centre virtuel de rotation). Les caractéristiques statiques d’élasticité des lames en termes de raideur et de limite d’élasticité ont été étudiées. De plus, l’étude du comportement dynamique sous vide de ce dispositif a été effectuée en termes de fréquence de résonance, d’amortissement dû aux frictions internes et de couplage entre les deux systèmes d’articulation.

La vitesse d’air est une grandeur souvent utilisée pour définir des spécifications des processus industriels ou du confort thermique. Dans ces applications, la vitesse d’air est généralement inférieure à 1 m·s^-1, la température peut être différente de la température ambiante et la direction de l’écoulement peut être quelconque. Pour atteindre des incertitudes de mesure les plus faibles possibles, une incertitude d’étalonnage minimale ainsi qu’un étalonnage dans des conditions les plus proches possibles des conditions d’utilisations sont nécessaires. Pour répondre à ces besoins, le CETIAT a construit un nouveau banc d’étalonnage d’anémomètres. Son évaluation en termes de stabilité, d’homogénéité en humidité, champs de température et vitesse est présentée ainsi que la meilleure incertitude élargie associée.

Le plus petit étalon de masse commercialisé jusque là était d’un milligramme. Or l’émergence de nouveaux besoins a conduit le Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM à développer plusieurs séries de nouveaux étalons de valeurs nominales inférieures au milligramme, descendant jusqu’à une valeur de 100 µg. Après la qualification de ces nouveaux étalons et après une première exploitation de ceux-ci pour mieux caractériser les comparateurs de meilleur niveau métrologique, une étude de stabilité a été entreprise. Cette étude a été conduite sur deux ans à partir de cinq étalonnages successifs. Malgré la fragilité évidente des étalons, l’étude démontre que les précautions d’utilisation et de stockage retenues sont pertinentes car il n’est pas observé de dérive significative. Enfin pour valoriser ce développement, le laboratoire a obtenu une extension de son accréditation pour les étalonnages de masses permettant ainsi d’étendre la limite basse de la portée d’accréditation de 1 mg à 100 µg.

Le raccordement des mesures d’accélération de l’industrie aux étalons nationaux est assuré en France par le LNE. Cette traçabilité aux étalons nationaux est nécessaire pour les industriels ayant des processus où la connaissance des paramètres liés à l’accélération est primordiale en termes de qualité et de sécurité, comme les domaines de l’armement, du nucléaire, de l’aérospatiale ou de l’automobile. Ainsi, les étalonnages des accéléromètres de référence des industriels et autres laboratoires sont réalisés sur le site de Trappes du LNE depuis 2006 par méthode absolue mettant en oeuvre un interféromètre laser de Michelson selon la norme ISO 16063. Cependant, le banc utilisé, présenté dans l’article « Transfert du banc de référence en accélérométrie du CEA/Cesta au LNE» (RFMn° 10, 2007), est de conception ancienne et un programme de rénovation a été défini et engagé au moment du transfert. Cet article présente la remise à niveau de ce banc et les améliorations apportées. Les caractéristiques des éléments constitutifs du banc sont exposées. Il s’agit de l’interféromètre laser, de l’excitateur et du système d’acquisition et d’analyse. Pour couvrir les besoins de raccordements primaires pour les fréquences de vibrations inférieures à 10 Hz, un excitateur spécifique pour les basses fréquences a été approvisionné. La qualification métrologique du banc a été prononcée à partir de la cohérence entre les résultats d’étalonnage d accéléromètres obtenus à l’aide du banc dans sa configuration finale et ceux obtenus avec le banc d’origine ainsi qu’à partir des comparaisons interlaboratoires.

Le kilogramme reste encore aujourd’hui la seule des sept unités de base du Système  international (SI) définie par un étalon matériel appelé le prototype international du kilogramme. Ce prototype est un cylindre constitué d’un alliage de platine iridié (90%Pt-10%Ir) faisant par définition 1 kg exactement. Ce prototype ainsi que tout autre étalon de masse sont exposés à de nombreuses sources de contamination faisant évoluer leur masse malgré les précautions mises en oeuvre. Cette définition pose donc le problème de la pérennité et de l’universalité de l’unité de masse. C’est pourquoi de nouvelles pistes de recherche essayent de relier l’unité de masse à une constante physique fondamentale. Ces expériences pourraient conduire à une nouvelle définition. Ainsi, depuis 2000, le projet français « Balance du watt » a été lancé afin de relier l’unité de masse à la constante de Planck. Parmi les options retenues pour réaliser le dispositif expérimental, le choix du matériau de la masse de transfert est particulièrement important puisque celle-ci sera très proche d’un circuit magnétique délivrant une induction de 1 T. Par conséquent, ce matériau doit non seulement avoir une susceptibilité magnétique volumique la plus faible possible (de l’ordre de 10^-5) mais aussi présenter toutes les propriétés indispensables aux matériaux de la métrologie des masses (bonne dureté, forte masse volumique, alliage homogène...). Certains alliages comme l’or-platine ou des matériaux comme l’iridium pourraient satisfaire ces critères. Afin de comparer les « performances » de ce nouveau matériau, le platine iridié a été choisi comme alliage de référence. Pour comprendre les mécanismes d’évolution de la masse en tenant compte de l’état de surface, du nettoyage et des conditions de conservation de ces étalons, il est indispensable de caractériser l’état de surface par des méthodes rugosimétriques, d’évaluer la stabilité par des méthodes de comparaisons de masse, et de caractériser les contaminants de surface par des méthodes spectrométriques. Dans le cadre de ces travaux de recherche, nous avons utilisé des techniques déjà présentes au sein de l’Institut National de Métrologie comme la technique de l’effet mirage pour l’étude de l’adsorption de solvants de nettoyage, un rugosimètre optique pour caractériser l’état de surface et le polissage, un comparateur de masse de 100 g pour étudier la stabilité après nettoyage mais aussi un nouveau dispositif de spectrométrie de masse de thermodésorption pour l’étude des molécules physisorbées.

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