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La fiabilité des réseaux électriques à haute tension et leur capacité à supporter des courants issus de sources d’énergies renouvelables dépendent essentiellement de la capacité à réaliser des essais pertinents sur les composants constituant ces réseaux de transport de l’énergie électrique. L’un de ces essais consiste à soumettre les composants à tester à des signaux de tension de forme d’onde composite et combinée. Mais la traçabilité des mesures de ces signaux déformés de haute tension est mal établie, ce qui pourrait entraîner des résultats d’essais incorrects.

Les signaux de tension à mesurer sont des tensions combinées et composites, où les ondes de choc de foudre 1,2 µs / 50 μs ou de manœuvre 250 µs / 2500 μs sont superposées aux hautes tensions alternatives ou continues.

Une tension combinée apparaît entre deux bornes d’un composant à trois bornes lorsque l’alimentation du composant est assurée par deux tensions différentes générées par deux sources de tension distinctes et appliquées sur deux bornes du composant à tester. Par exemple, une tension combinée est appliquée dans les essais d’isolation entre deux phases de matériels alimentés en triphasé, ou dans les essais d’isolation de matériels de commutation, de systèmes haute tension isolés avec du gaz (GIS), de lignes électriques à courant continu haute tension, des sectionneurs, des disjoncteurs, etc. En raison du couplage des deux sources d’alimentation, les formes et les amplitudes des deux tensions diffèrent de celles générées par les sources utilisées séparément. Une mesure de la tension combinée avec une méthode habituelle est difficile car il n’y a pas de potentiel de terre impliqué. Dans ce cas il est possible de calculer la tension combinée à partir de la mesure des deux composantes de tension. Mais dans certains essais, les phénomènes induits par l’onde combinée sur les systèmes à tester, ceux isolés au gaz notamment, peuvent créer une tension de claquage réduite dont les limites autorisées doivent être spécifiées dans la norme d’essai.

La tension composite est, quant à elle, la superposition de deux tensions d’essai différentes générées par la connexion de deux sources de tensions distinctes et appliquées sur une même borne du dispositif à tester. Chaque connexion des sources de tension dans le circuit d’essai dépend de l’élément qui couple une tension et bloque l’autre. Il peut également y avoir une interaction directe entre les sources connectées ensemble. Cela signifie que, en fonction de la nature du couplage et du blocage, les contraintes exercées sur le dispositif à tester et sur les sources peuvent varier. Les essais en tension composée sont typiquement adaptés pour les câbles haute tension alternative (HVAC) ou des câbles haute tension continue (HVDC). Les essais en tension composite avec des ondes de choc de foudre superposées aux hautes tensions continues sont aisés à réaliser tandis que les essais où les ondes de manœuvre sont superposées aux hautes tensions alternatives sont mal définis dans la norme actuelle, notamment concernant les paramètres temporels du signal de tension à appliquer.

En raison d’un manque de traçabilité des mesures de haute tension électrique (continue ou alternative) en présence de signaux perturbateurs (chocs de foudre ou ondes de manœuvre), des laboratoires nationaux de métrologie européens et des industriels de l’énergie électrique se sont regroupés pour élaborer ce projet européen (JRP HV-com²) afin de contribuer à faire évoluer la normalisation des essais en haute tension. Il s’agit principalement des normes (IEC 60060 et IEC 61083-1&2) élaborées par le comité technique TC42 de l’IEC (Commission électrotechnique internationale). L’objectif est de développer une infrastructure métrologique spécifique adaptée à la mesure des hautes tensions composites et combinées. Cela passe par le développement de systèmes de mesure traçables, de services d’étalonnage adaptés à des formes d’onde composites et combinées, et par l’étude de l’influence des tensions impulsionnelles sur la mesure des hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC).

Le programme d’actions de ce JRP HV-com² a été réparti entre les 12 partenaires européens et il est coordonné par le PTB (Allemagne). Le projet est structuré en 3 lots de travail technique et 2 lots de management (WP4) et de diffusion des connaissances (WP5) :

Pour en savoir plus sur le JRP HV-com², sa structure, ses partenaires, ses objectifs et ses résultats : https://www.ptb.de/empir2020/hv-com2.

Le LNE participe à tous les lots de travaux et coordonne le WP1 dont la finalité est de déterminer de manière fiable la mesure des hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC) lorsqu’il existe des impulsions de tension additionnelles et de déterminer les effets néfastes de ces impulsions sur les mesures et les composants à tester. Les travaux portent aussi bien sur les procédures d’évaluation et de mesure que sur l’instrumentation de mesure, afin de proposer in fine une évolution des normes d’essais des systèmes « haute tension » qui tiennent compte des formes complexes des signaux réels auxquels ils peuvent être soumis.

Il s’agit notamment pour le LNE de réaliser l’infrastructure métrologique pour l’étalonnage des instruments d’acquisition utilisés pour les mesures de tensions combinées et composites jusqu’à 1 kV, et en particulier de concevoir un calibrateur pour l’étalonnage des numériseurs utilisés pour mesurer les impulsions de tension.

L'approche choisie par le LNE est fondée sur l'utilisation d'amplificateurs de haute tension fonctionnant à haute vitesse. Lorsqu'ils sont connectés à un convertisseur numérique-analogique à haute vitesse, il est possible de générer n'importe quelle forme d'onde (signaux programmés) adaptée à la génération de tensions combinée ou composite. Le LNE a conçu et réalisé un calibrateur fonctionnant sur ce principe. Cet équipement fonctionne comme un amplificateur linéaire de haute tension capable de convertir des signaux de forme quelconque de basse tension en signaux de tensions plus élevées jusqu’à 900 V crête sur une durée de montée supérieure à 1 µs, avec une large bande passante et un gain de 150. Les résultats de test de performance du calibrateur basse tension sont prometteurs et sa traçabilité au SI est en cours d’étude.

Par ailleurs quatre amplificateurs aux caractéristiques différentes, trois de commerce et celui fabriqué par le LNE, ont été testés et étudiés. Les résultats comparés montrent que cette méthode peut atteindre des performances métrologiques élevées, au moins équivalentes à celles des calibrateurs traditionnels, qui nécessitent généralement un bloc électrique séparé pour toute forme d'onde supplémentaire. L'avantage de l'utilisation d'un amplificateur haute tension est sa flexibilité pour générer, en un seul bloc, toute forme d'onde avec un temps de montée supérieur à une microseconde. Cette nouvelle méthode, relativement moins couteuse que les calibrateurs traditionnels, révèle un intérêt certain dans ce domaine de mesure des hautes tensions électriques.

SAADEDDINE H., AGAZAR M. et MEISNER J., “Reference calibrator for combined and composite high voltage impulse tests”, ISH 2021 (International Symposium on High Voltage Engineering), Xi’an, China, 21-25 Nov. 2021.

AGAZAR M. et SAADEDDINE H., “The usage of voltage amplifiers for reference impulse voltage calibrators up to 1 kV”, Measurement Science and Technologies (MST journal), à paraître.

AGAZAR M. et SAADEDDINE H., “Studying the use of voltage amplifiers to generate microsecond rise-time impulses up to 900 V”, 20^e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

SAADEDDINE H. et AGAZAR M., “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shapes”, 20^e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

MEISNER J., GOCKENBACH E., SAADEDDINE H. et al., “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shapes”, VDE High Voltage Technology 2020, ETG-Symposium, online 9-11 Nov. 2020.

Les partenaires du LNE dans ce projet européen (JRP) sont :

• PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), Allemagne
• FFII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
• INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
• RISE (Research Institute of Sweden), Suède
• TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
• VTT MIKES (Technical Research Centre of Finland), Finlande
• AME (Accessori Macchine Elettriche), Italie
• TAU (Tampereen korkeakoulusäätiö), Finlande
• TUD (Technische Universität Dresden), Allemagne
• TUG (Technische Universitaet Graz), Autriche
• Haefely, Suisse

• augmentation de la qualité de fabrication d’éléments de réseau électrique haute tension
• amélioration de la pertinence des essais de dispositifs à haute tension
• amélioration de la qualité des normes d’essais haute tension
• nouvelles références et possibilités d’étalonnage pour les mesures de signaux déformés de haute tension.

Les travaux menés par la métrologie française portent principalement sur les mesures de débit pour tester les compteurs d’hydrogène utilisés pour mesurer la masse d’hydrogène distribuée par les stations de remplissage d’hydrogène dans des véhicules à pile à combustible allant du véhicule de petite taille (c’est-à-dire un chariot élévateur à fourche) au camion. La traçabilité des mesures doit être assurée soit par le développement de nouveaux étalons primaires ou au moyen d’étalons de transfert traçables aux étalons primaires développés dans le cadre d’un précédent projet européen (16ENG01, https://www.metrohyve.eu/) auquel le RNMF a participé. Les travaux en cours portent sur la mise en œuvre d'une méthode de vérification sur le terrain des installations de remplissage d'hydrogène avec des compteurs de référence étalonnés.

• Mise en œuvre de la traçabilité pour facturer correctement les clients lors du ravitaillement en hydrogène pour les véhicules lourds.
• Déploiement de laboratoires européens pour évaluer la qualité de l'hydrogène, et mise en œuvre d'analyseurs de pureté de l'hydrogène en ligne pour réduire le besoin de sous-traiter des analyses régulières de la pureté de l'hydrogène.

• BEV (Autrice)
• JV (Norvège)
• LNE-LADG (France)
• METAS (Suisse)
• MIKES (Finlande)
• NEL (Royaume Uni)
• NPL (Royaume Uni)
• RISE (Suisse)

Le démantèlement des installations nucléaires ainsi que la gestion des déchets radioactifs produits lors de cette étape sont des préoccupations majeures sans doute destinées à se renforcer avec le vieillissement du parc européen. Améliorer la qualification des dispositifs d’évaluation de la contamination permettrait d’analyser de façon plus précise et d’orienter idéalement plus rapidement les déchets produits vers la filière adéquate pour contribuer à la maîtrise des coûts induits. Dans le cadre de ce projet, on se focalisera sur les cas répandus où l’activité est présente sur ou dans des surfaces, planes ou incurvées, ainsi que dans des conduites. L'objectif est de réaliser des sources étalons de grande surface (> 100 cm² in fine), uniformes, traçables, planes ou cylindriques, voire déformables, avec une absorption limitée des rayonnements (cas des émetteurs bêta purs ou alpha). La plus-value associée à la traçabilité de ces sources réside dans la maîtrise du niveau d’activité déposée, quel que soit le radionucléide considéré.

Certaines stratégies abordées pour réaliser des sources de rayonnement peu atténuées pourront être appliquées à l’amélioration des sources de qualité métrologique répondant aux besoins du laboratoire, dans le domaine de la spectrométrie d’absorption totale et de la scintillation liquide secondaire.

Le LNE-LNHB a démontré la possibilité de quantifier des actinides émetteurs alpha sans interférence grâce à l’excellente résolution de ses détecteurs cryogéniques. Cependant, la résolution obtenue est actuellement limitée par la phase de préparation de l’échantillon à mesurer. Cette étude propose de mettre à profit l’électrochimie et la fonctionnalisation pour résoudre cette difficulté.

Pour mieux maîtriser les mesures relatives par scintillation liquide, cette étude se propose d’aborder la problématique de la formulation de liquides ou gels scintillants pour améliorer notamment leur pérennité et les adapter à la mesure de solutions hétérogènes (radiopharmaceutiques ou matières en suspension).

• Les sources surfaciques développées pour répondre aux besoins de l’Assainissement et Démantèlement (A&D) pourront intéresser les industriels responsables de chantiers d’A&D, pour vérifier l’étalonnage de leurs systèmes de cartographie de la radioactivité mais aussi et surtout les fabricants de détecteurs, notamment de contaminamètres de surface afin d’en caractériser les performances.
• Selon les résultats obtenus sur le développement des sources déformables et/ou cylindriques, ce concept pourrait faire l’objet d’une norme spécifique comme la norme ISO 8769 pour les sources rigides.

Ce projet s’intègre dans le programme FOCUSDEM, programme incitatif initié en 2019 par le Haut-Commissaire du CEA dont l’objectif principal est l’émergence d’innovations de rupture dans le domaine de l’A&D à horizon de dix ans.

• Laboratoire d’Analyses en Soutien aux Exploitants, CEA/LASE

L’objectif de ce projet est d’apporter une contribution métrologique dans l’étude des éclairages extérieurs nocturnes en développant un système de mesure aéroporté délivrant des informations quantitatives sur la luminance et la colorimétrie.

Les effets négatifs de l’utilisation de la lumière artificielle en période nocturne sont démontrés depuis plusieurs années (santé humaine, biodiversité, consommation énergétique…) et ont amené à parler de nuisance / pollution lumineuse. La limitation de ce phénomène est devenue un enjeu important pour les politiques publiques liées à la transition énergétique. En France, différents décrets et lois se sont succédés pendant ces dix dernières années, créant un cadre réglementaire dense autour de l’utilisation de la lumière artificielle. Pour respecter ce cadre (puissance, direction d’éclairage, temporalité…) et préciser les impacts sur la biodiversité, les collectivités territoriales et la communauté scientifique (écologues et naturalistes…) ont exprimé le besoin d’acquérir de l’information pertinente sur l’intégralité des éclairages extérieurs, situés aussi bien dans l’espace public que dans le privé. Du point de vu métrologique, il s’agit notamment d’étudier les éclairages sous l’angle de la luminance et de la colorimétrie tout en adoptant un point d’observation permettant d’être homogène sur tout un parc d’éclairage, ce qui oriente vers des acquisitions aériennes.

Pour l’heure, les mesures de luminance et de température de couleur n’existent pas en imagerie aérienne. En revanche, le LNE-LCM, qui a déjà réalisé des cartographies à partir d’images aériennes nocturnes et visibles, possède une bonne expérience sur l’instrumentation aéroportée (voir figure 1). D’autre part, un premier panorama technologique nous assure qu’il existe des matériels, caméras scientifiques et filtres optiques adaptés, possédant les caractéristiques suffisantes pour construire un système de mesure utilisable à bord d’un aéronef. L’objectif principal du projet sera donc de réaliser un système d’imagerie aérienne traçable pour mesurer la luminance lumineuse et la température de couleur. Au-delà de l’aspect système et de sa capacité à mesurer toute la gamme de luminances, les difficultés à résoudre concernent aussi la connaissance des propriétés optiques de l’atmosphère. Dans un premier temps, elles seront évaluées à l’aide de références au sol à construire et, dans un second temps, elles feront l’objet de collaborations afin de les modéliser plus finement.

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Le système de mesure développé dans le cadre du projet, sera traçable au SI et ouvrira de nouvelles possibilités de mesures pour les collectivités territoriales afin de répondre à leurs besoins. Ces besoins concernent principalement la caractérisation des sources lumineuses d’un parc donné (température de couleur, répartition géographie,etc…) et d’identifier les éventuels éclairages dirigés vers le ciel.

Ce système sera également un nouvel outil pour les futurs projets scientifiques d’étude des effets de la pollution lumineuse sur la santé humaine, la faune et la consommation énergétique.

Les connaissances et l’expérience acquises seront partagées au sein du comité technique de la Commission internationale de l'éclairage (CIE) relatif aux nuisances lumineuses.

Le LNE est déjà en contact avec différentes collectivités territoriales qui ont manifesté un intérêt certain pour de tels sujets.

Afin d'établir un espace européen unique de chemin de fer, la Commission européenne a réglementé, en 2014, la mesure et la facturation de l'énergie électrique à travers deux spécifications techniques d'interopérabilité : celle relative au sous-système d’énergie et l'autre sur le matériel roulant. En 2019, les États membres doivent avoir mis en place un système de collecte de données pour une facturation sur la base du comptage d'énergie. Comme pour les réseaux de distribution et de transmission de l’énergie électrique en général, des systèmes de mesure caractérisés sont les outils essentiels pour la gestion « intelligente » de l'énergie consommée sur le réseau ferré.

Sachant que tous les trains roulant sur le réseau ferroviaire européen doivent payer l'énergie électrique sur la base de la consommation réelle, ce projet européen a été financé dans le cadre du programme EMPIR d’EURAMET pour développer les moyens et les méthodes de mesure traçable de l'énergie consommée. Sachant que les mesures seront réalisées dans des conditions difficiles tant du point de vue de la mise en œuvre (à bord des trains) que de la nature même des signaux électriques, par essence très perturbés.

Le projet européen a débuté en septembre 2017 pour se terminer début 2021. Le programme de travail avait été réparti entre les 16 partenaires et était coordonné par l’INRIM (Italie). Le projet a été structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management du projet et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Étalonnage de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tensions AC et DC ;
• WP2 -   Méthode de mesure harmonisée et synchronisée de la puissance et de l’énergie et d’évaluation de la qualité de l’énergie ;
• WP3 -   Outils de mesure et de simulation visant à soutenir la distribution de sous-stations réversibles (RSS) ;
• WP4 -   Procédures de mesure et scénarios modélisés pour quantifier le gain apporté par les stratégies de gestion de l'éco-conduite.

Pour obtenir plus d'informations sur le JRP MyRailS : site internet du JRP-MyRailS

Le laboratoire « Électricité basse fréquence » du LNE a été impliqué principalement dans le WP1 et le WP2 pour exécuter les actions suivantes :

• Développement d’un système de référence pour l’étalonnage en laboratoire de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tension alternative (AC) ;
• Étalonnage d’un EMF à bord des trains ;
• Constitution d’une base de données de formes d’ondes de test et de systèmes de mesures de puissance et d’énergie embarqués à bord des trains ;
• Implémentation d’une architecture de zone étendue pour la surveillance de la propagation de la puissance et de l’énergie.

La première action a été menée en tant que responsable et acteur majeur tandis que les trois dernières actions ont été une collaboration indirecte, par la mise en œuvre du système développé lors de la première action.

Au cours de ce JRP, le LNE a donc conçu et réalisé un banc d’étalonnage des systèmes de mesure d’énergie (EMS) utilisés à bord de trains et alimentés en courant alternatif. Plus précisément, ce système de référence, déplaçable dans les motrices des trains, comprend :

• une source fictive construite à partir d’un potentiel de 25 kV à 50 Hz et d’un courant sinusoïdal ou déformé pouvant atteindre 500 A en valeur efficace avec un contenu harmonique allant jusqu’à 5 kHz (1% de la composante fondamental) ;
• un système de mesure de référence constitué des capteurs étalon de tension ou de courant et des numériseurs de précision ;
• un logiciel de pilotage et de synchronisation des instruments d’acquisition, de traitement de données et de calcul des grandeurs électriques d’intérêt.

Le fonctionnement du banc d’étalonnage est conçu pour répondre à la norme NF EN 50463-2 qui fixe les exigences applicables à la fonction de mesure d’énergie d’un système EMS à utiliser à bord des trains.

En 2020, un système industriel de mesure d’énergie a pu être étalonné avec le banc réalisé.

Le LNE a contribué à la rédaction de la procédure d’étalonnage des systèmes de mesure de l'énergie utilisés dans les trains à courant alternatif, en collaboration avec le laboratoire espagnol LCOE qui a travaillé sur la génération des hautes tensions AC avec des harmoniques allant jusqu’à 5 kHz.

En 2021, l’étalonnage d’un système embarqué à bord d’une motrice (en collaboration avec le laboratoire LCOE) est testé. Les travaux réalisés au cours du JRP ont été présentés lors d’un séminaire de conclusion du projet fin janvier 2021. Le LNE a pu présenter ses résultats et des vues filmées du banc d’étalonnage réalisé au laboratoire.

Présentation du banc d'étalonnage réalisé au LNE :

• Industrie : Ce projet apportera de la fiabilité et de la précision dans la facturation de l’énergie consommée à bord des trains par le développement de références de mesure et de banc d’étalonnage spécifiquement adaptés aux mesures de l’énergie véhiculées par des signaux électriques très perturbés que sont les signaux d’alimentation des systèmes ferroviaires. De plus, le développement de bancs de test de CEM avec ces signaux spécifiques permettra d’augmenter la performance des systèmes embarqués. La possibilité de caractériser et de surveiller la qualité de l’énergie délivrée en temps réel permettra aux fabricants de sous-stations d’améliorer leurs systèmes d'alimentation ferroviaire en courant continu.
• Métrologie et communauté scientifique : Les résultats du projet permettront de disposer de nouvelles méthodes et moyens d'étalonnage adaptés aux transducteurs électroniques compacts à courant alternatif et continu utilisés dans des conditions ferroviaires difficiles. En plus de la fiabilité des instruments de mesure apportée par les étalonnages, un guide des conditions de conduite en situation d’économie d’énergie (éco-conduite) énergie complète l’impact du projet pour les utilisateurs finaux des systèmes ferroviaires.
• Réglementation/Normalisation : À l’issue de ce projet, le règlement (UE) n° 130/2014 de la Commission européenne concernant une spécification technique d'interopérabilité relative aux sous-systèmes "matériel roulant" - locomotives et matériel roulant voyageurs - du système ferroviaire pourra être mis en œuvre. Le consortium apportera ses connaissances techniques aux comités techniques de CEI/CENELEC spécialisés dans les mesures d'énergie à bord (TC9X, TC38 et TC85) ainsi qu’aux organisations de métrologie légale OIML (TC12) et WELMEC (WG11).
• Économie/Société/environnement : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet contribueront à la création d'un réseau ferroviaire moderne, compétitif et intégré. Cela est une priorité de l'UE, de développer un système de transport durable et un marché libre et compétitif. La maîtrise de l’énergie consommée et l’amélioration des systèmes électriques à bord des trains, à l’échelle paneuropéenne, permettra de réduire significativement la consommation d'énergie et, par conséquent, les émissions de dioxyde de carbone.

Istrate D., “Laboratory calibration of EMF working under AC supply – LNE contribution since month 18”, 3rd annual JRP MyRailS meeting, December 2020, Madrid, Spain.

Istrate D., Soccalingame S., Fortune D., Rovira J., Garnacho F., Sira M., “Laboratory calibration of energy measurement systems (EMS) under AC distorted waveforms”, MDPI Sensors, Special Issue Advanced Transducers and  Systems for Voltage and Current Measurement, Nov. 2020, 20, 6301, DOI: 10.3390/s20216301.

Garnacho F., Rovira J., Khamlichi A., Simón P., García T., Istrate D., “Calibration set-up for energy measuring systems installed in AC railway systems”, I2MTC 2020, IEEE International Instrumentation & Measurement Technology Conference, 25-28 May 2020, Valamar Lacroma, Dubrovnik, Croatia.

Giordano D., Clarkson P., Garnacho F., van den Brom H.E., Donadio L., Fernandez-Cardador A., Filippini N., Gallo D., Istrate D., De Santiago Laporte A., Mariscotti A., Mester C., Navarro N., Porzio M., Roscoe A., Šíra M., “Accurate Measurements of Energy, Efficiency and Power Quality in the Electric Railway system”, CPEM 2018, 8-13 July 2018, Paris, France. DOI: 10.1109/CPEM.2018.8500811.

Le projet européen (JRP) est coordonné par l’INRIM (Italie) et réunit 16 partenaires :

• INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
• CMI (Cesky Metrologicky Institut), République tchèque
• FII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
• LNE, France
• NPL, Royaume-Uni
• VSL, Pays-Bas
• Universidad Pontificia Comillas, Espagne
• HRI (Hitachi Rail), Italie
• Metro de Madrid, Espagne
• RFI (Rete Ferroviaria Italiana), Italie
• Railenium, France
• University of Strathclyde, Royaume-Uni
• Università degli studi della Campania Luigi Vanvitelli, Italie
• Trenitalia, Italie
• ASTM (Analysis, Simulation, Test and Measurement), Suisse
• METAS, Suisse

Les transformateurs (courant et tension) sont des éléments de base pour les mesures de la qualité de l’énergie sur les réseaux électriques. Ces instruments de mesure sont bien normalisés pour la fréquence fondamentale mais il n’existe pas de paramètres définis pour les fréquences supérieures, comme les composantes harmoniques de courant et de tension. Ce projet vise alors à répondre aux besoins spécifiques exprimés par le comité de normalisation CEI-TC38 « Transformateurs d’instruments », en définissant les paramètres spécifiques à mesurer pour évaluer leur performance à ces fréquences, c’est-à-dire pour des signaux distordus avec un contenu fréquentiel allant jusqu’à 9 kHz.

Le premier objectif de ce projet est alors de fournir des systèmes de mesure adaptés aux conditions réelles de fonctionnement, des procédures d’évaluation de leurs performances et des ordres de grandeurs d’incertitude de mesure de ces paramètres.

Face à ces nouvelles exigences, les laboratoires nationaux de métrologie doivent d’abord adapter leurs systèmes de référence pour effectuer des mesures exactes et traçables au Système international d’unités sur une bande de fréquences allant de la fréquence fondamentale et jusqu’à 9 kHz.

Le LNE va, dans le cadre de cette étude, adapter son système de mesure à échantillonnage qui est actuellement apte à prendre en compte des signaux à une fréquence fondamentale de 1 kHz. Tout d’abord, il est nécessaire de développer un nouvel algorithme pour la mesure des signaux distordus en utilisant la technique de la transformation de Fourier rapide, puis de caractériser un diviseur capacitif de référence adapter aux tensions allant jusqu’à 30 kV. Pour le besoin de l’étude, le LNE va concevoir un système de génération de signaux distordus en utilisant un amplificateur de puissance associé à un transformateur élévateur.

Le second objectif du projet est de fournir au comité de normalisation CEI-TC38 des procédures techniques pour évaluer la performance des transformateurs de mesure en présence de plusieurs facteurs d’influence (température, charge, vibration, phase, champ magnétique, etc.). Pour contribuer à l’atteinte de ces objectifs, le LNE va étudier l’influence combinée de la température et de la vibration sur l’étalonnage d’un transformateur de tension et en présence de signaux distordus. Le LNE effectuera des mesures suivant la procédure choisie et en faisant varier à la fois la température et les vibrations. Le but étant de fournir des indicateurs de performance, des procédures techniques et des incertitudes pour l’étalonnage d’un transformateur en présence de ces deux facteurs d’influence et en présence de signaux distordus.

À l’issue des mesures effectuées par tous les partenaires, le LNE effectuera la synthèse des résultats afin de proposer un guide de bonnes pratiques pour l’évaluation des performances des transformateurs en présence de plusieurs facteurs d’influence.

Le projet a débuté en août 2020 pour une durée de 3 années. Le programme de travail est réparti entre 11 partenaires et est coordonné par l’INRIM (Italie). Le projet est structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Incertitudes limites des transformateurs de tension et de courant ;
• WP2 -   Méthodes de mesure et systèmes de référence pour les indices de qualité de l’énergie ;
• WP3 -   Performance des transformateurs dans différentes conditions de mesure.

Le LNE participe aux lots WP2 et WP3 pour :

• mettre en place un système de mesure du rapport et du déphasage des signaux issus de deux transformateurs (étalon et inconnu) ; il sera utilisé pour caractériser les systèmes des partenaires ;
• rédiger un guide de bonnes pratiques pour l’étalonnage des transformateurs en présence de signaux distordus dans le milieu industriel ;
• étudier l’influence combinée (température et vibration) dans l’étalonnage d’un transformateur de tension et de la présence de signaux distordus : adaptation de son système de génération et de son système de référence suivant la nature de signaux distordus sélectionnés, mesures expérimentales suivant la procédure choisie en variant à la fois la température et les vibrations. Le but est de fournir des paramètres de performance, des procédures techniques et des incertitudes pour l’étalonnage d’un transformateur en présence de ces deux facteurs et en présence de signaux distordus qui feront l’objet d’un guide de bonnes pratiques pour l’évaluation des performances des transformateurs en présence de plusieurs facteurs influents.

• Industrie : Ce projet apportera un soutien aux fabricants de transformateurs ainsi qu’aux opérateurs d’énergie électrique en permettant de se référer à méthodes reconnues (qui auront obtenues un consensus) pour l’évaluation des performances des instruments utilisés pour les mesures de qualité de l’énergie électrique. De plus les autorités de contrôle pourront de référer à des mesures fiables et traçables de l’efficacité de ces instruments, dans l’intérêt des consommateurs et d’une concurrence loyale.
• Métrologie et communauté scientifique : Le projet permettra à cette communauté de bénéficier de nouvelles possibilités de mesure et de test de la plupart des transformateurs (courant/tension, inductif/faible puissance, sortie analogique/numérique) dans les conditions de mesure de la qualité de l’énergie. Cela impliquera la mise aux point de nouvelles références de mesure et fournira des données d’entrée pour le contrôle « intelligent » des réseaux électriques instrumentés (smart grids).
• Normalisation : Ce projet aura un impact majeur sur les travaux de normalisation du CEN-CENELEC ou de la CEI. Les normes visées sont celles traitées par le comité technique CEI-TC38. Ce JRP créera des liens continus entre les partenaires du JRP et les membres des comités de normalisation, favorisant les échanges et les retombées pertinentes pour les utilisateurs.
• Économie/Société/environnement : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet apporteront plus de fiabilité dans la qualité de l’énergie électrique distribuée, au bénéfice de toute la société, puisqu’elle a un impact direct sur le fonctionnement des appareils électriques. De plus, la connaissance de la qualité de l’énergie avec les incertitudes de mesure plus faibles, conduira de fait à une meilleure connaissance de la qualité de l’énergie et permettra d’intervenir plus facilement et rapidement pour corriger d’éventuelles défaillances et sera d’une grande aide à la prévention de coupure générale d’alimentation. De plus, des incertitudes de mesure donnent plus de fiabilité aux expertises judiciaires effectuées pour évaluer des responsabilités en cas de dysfonctionnement d’installations ou d’appareils électriques.

Le projet européen (JRP) est coordonné par l’INRIM (Italie) et réunit 11 partenaires :

• INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
• CMI (Cesky Metrologicky Institut), République tchèque
• LNE, France
• PTB (Technische Universitaet Braunschweig), Allemagne
• TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
• VSL, Pays-Bas
• RSE (Ricerca sul Sistema Energetico), Italie
• SUN (Università degli studi della Campania Luigi Vanvitelli), Italie
• TUD (Technische Universität Dresden), Allemagne
• UNIBO (Alma mater studiorum Università di Bologna), Italie
• SASO-NMCC (Saudi Standards, Metrology and Quality Organization), Arabie Saoudite

L’organisme de normalisation CEI, et particulièrement le comité technique TC38 “Instrument transformers”, est le bénéficiaire principal de ce JRP.

La demande croissante en énergie électrique ainsi que l’intégration croissante d’énergie d’origine renouvelable sur le réseau ont conduit à transmettre l’électricité en Europe sous la forme de haute tension à des niveaux plus élevés encore, afin de maintenir ou d’améliorer l’efficacité du réseau de transmission électrique. Par conséquent, les tests et la surveillance de la haute tension, au-delà des niveaux de tension couverts actuellement par les infrastructures de métrologie, sont nécessaires pour garantir la disponibilité et la qualité de l'approvisionnement.

Actuellement, il n’y a pas de possibilités de mesures traçables au SI pour les tensions continues au-delà de 1000 kV. Ce projet vise donc à étendre les capacités d’étalonnage des laboratoires nationaux de métrologie par la création d’une infrastructure de métrologie dans quatre domaines critiques : mesures fiables et traçables des impulsions de foudre au-dessus de 2 500 kV, traçabilité étendue des mesures en régime continu de courant de l'ultra-haute tension (CCHT) jusqu'au moins 1 600 kV, amélioration de la traçabilité du courant alternatif à haute tension (CCHT) par la détermination de la linéarité des condensateurs HT jusqu'à 800 kV, développement de techniques de mesure des décharges partielles pour les essais d'équipements soumis à une haute tension continue (CCHT).

Le projet a débuté en juin 2020 pour une durée de 3 années. Le programme de travail est réparti entre 11 partenaires, dont 7 laboratoires d’EURAMET et 4 laboratoires ou sociétés externes. Le projet est structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Tests et étalonnages en très haute tension continue UHV-DC ;
• WP2 -   Étalonnages en chocs de foudre pour les essais d’équipements en UHV ;
• WP3 -   Détermination de la linéarité en tension des transformateurs et diviseurs ;
• WP4 -   Développement de méthode pour le contrôle des réseaux HV continue notamment par la détection et la localisation des décharges partielles ;

Le LNE participe aux lots :

• WP1, pour développer un diviseur de tension continue (HVDC) de 2 MV composé de cinq modules de 400 kV, en collaboration avec les partenaires européens. Chacun des diviseurs seront caractérisés indépendamment avant d’être assemblés puis caractérisés pour atteindre la tension de 2 000 kV avec des incertitudes de 200 µV/V ;
• WP2, pour caractériser, avec l’aide des partenaires, les impulsions de tension de choc de foudre (simulateurs et mesures) afin d’étudier les oscillations des signaux présentes et éventuellement d’en corriger leurs effets ; des données de mesure pourront être fournies au comité de normalisation TC42 ;
• WP3, pour la conception d’un condensateur HT de 800 kV avec les meilleures linéarités en tension (objectif de 10 μV/V), en collaboration avec un industriel français (Vettiner).

Ce JRP complète les travaux du LNE déjà entrepris en métrologie électrique des hautes tensions, étendre et améliorer les étalonnages à très haute tension continue et alternative et les mesures d'impulsions très courtes de tension, notamment dans le cadre des projets « Traçabilité des hautes tensions impulsionnelles » ou « Impulsions nanosecondes de tension jusqu’à 500 kV ». 

Pour obtenir plus d'informations sur le projet JRP EMPIR FutureEnergy: https://www.ptb.de/empir2020/futureenergy/home/

• Industrie : Ce projet a eu le soutien de 15 industriels, allant du fournisseur d’énergie au laboratoire d’étalonnage en passant par les fabricants d’instruments de mesure ou de composants adaptés à la haute tension. Ils attendent un soutien de la métrologie pour le développement industriel de composants associés à la transmission de l’énergie électrique aussi bien sur des réseaux à courant continu qu’alternatif. Cela sera apporté par des possibilités de mesure et de caractérisation traçables au SI pour tester les performances des composants fabriqués, tels que des réacteurs, transformateurs, isolateurs, câbles, ou pour assurer le suivi de la qualité des signaux véhiculés ainsi qu’éventuellement en corriger les déformations.
• Métrologie et communauté scientifique : Le projet permettra à cette communauté de bénéficier de nouvelles possibilités de mesure et de test des composants électriques pour les très hautes tensions. ;
• Normalisation : Ce projet aura un impact majeur sur les travaux de normalisation de différents comités du CEN-CENELEC ou de groupes de travail de la CEI. Les normes visées sont celles traitées par les comités CEI-60060, CEI-60270 et CEI-61869, ainsi que les normes élaborées par les comités techniques CEI-TC38 et TC-42. D'autres organismes de normalisation et de pré-normalisation pourront en bénéficier : le TC-115, le TC-122, le TC-22F, et le CIGRE SC-D1 et les groupes de travail D1.63 et D1.66. Par exemple, en matière de décharge partielle en courant continu, traité par le groupe du CIGRE D1.63, les données issues du projet pourront faire évoluer la norme CEI-60270 ou même conduire à une nouvelle norme ; de même la norme CEI 60060-2 sur mesures de paramètres de temps des impulsions pourrait évoluer avec la prise en compte des impulsions de type chocs de foudre.
• Économie/Société/environnement : Les progrès apportés par ce projet permettront d’améliorer la stabilité et l'exploitation du réseau, afin de garantir un approvisionnement énergétique durable et abordable en Europe. Les lignes de transmission électrique (entre les zones de production et les différents réseaux de distribution électrique) pourront être plus performantes du point de vue des pertes d'énergie sur de longues distances, par l’augmentation des valeurs de tension de transmission, ce qui conduit à terme à une réduction du coût de l’énergie électrique et une réduction de l'impact environnemental de l’infrastructure électrique. L'objectif premier de ce projet est bien de contribuer à la réduction des pertes sur le réseau européen et de préparer un futur réseau de transmission à très haute tension, stable. Cela a un impact direct sur la compétitivité de l'industrie européenne de l'électricité sur le marché international, entraînant des emplois supplémentaires, par la fourniture d’équipements de haute qualité et de grande fiabilité.

Le projet européen (JRP) est coordonné par le RISE (Suède) et réunit 11 partenaires :

• RISE (Research Institutes of Sweden), Suède
• FFII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
• LNE, France
• PTB (Technische Universitaet Braunschweig), Allemagne
• TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
• CMI, République tchèque
• VSL, Pays-Bas
• VTT (Teknologian tutkimuskeskus), Finlande
• TAU (Tampereen korkeakoulusäätiö), Finlande
• TU Delft (Technische Universiteit Delft), Pays-Bas
• UPM (Universidad Poltécnica de Madrid), Espagne
• Société APPAREILS VETTIVER, France

Ce projet (MetroSMM) porte sur les techniques de mesure par microscopie en champ proche adaptée aux mesures locales de grandeurs électriques à l’échelle nanométrique, communément appelé microscopie à sonde locale électrique (eSPM). En particulier, le microscope à sonde locale micro-onde (SMM - Scanning Microwave Microscope) permet la mesure d’impédance complexe à haute fréquence. Le SMM est un microscope à force atomique (AFM) associé à un analyseur de réseau vectoriel (VNA - Vector Network Analyser). Globalement, elle consiste en un balayage d’une pointe conductrice sur la surface d’un échantillon permettant d’appliquer un signal électrique micro-onde (jusqu’à 20 GHz) entre la pointe et la surface. À l’issue du balayage, deux informations sont obtenues simultanément : la topographie et une cartographie de propriétés électriques diverses telles que l’impédance, la capacité (de l’ordre de l’attofarad), la conductance et la permittivité du matériau testé. L’avantage de l’utilisation d’un signal de très haute fréquence est la possibilité d’explorer le matériau plus en profondeur et de détecter des défauts de structure par exemple.

Le projet a pour objectif le développement d’outils métrologiques pour les microscopes à sonde locale micro-onde SMM couramment utilisés pour les mesures locales d’impédance aux petites échelles. Le SMM permet de connaître les comportements des matériaux entre 0,5 GHz et 20 GHz et d’en déduire une cartographie d’impédance complexe. Le SMM est un des instruments de la plateforme NAEL du LNE consacrée à la caractérisation métrologique à l’échelle nanométrique de propriétés électriques des matériaux. Les outils développés dans ce projet seront technologiques (fabrication de pointes blindées, fabrication de structures de référence, mise en œuvre d’un système interférométrique) et méthodologiques (mise au point de méthodes d’étalonnage, étude des modèles de mesure avec analyse des paramètres d’influence et des incertitudes de mesure). Le projet vise à réduire les incertitudes de mesure locale de capacité à quelques centièmes, dans des conditions optimales, pour des valeurs d’une centaine d’attofarads à une dizaine de femtofarads.

La méthode de mesure d’une capacité à l’aide d’un SMM est en cours d’étude afin d’analyser et quantifier les paramètres qui influencent les résultats de mesure : position de la pointe, présence d’humidité, type de pointes de mesure... Des nanostructures sont fabriquées spécifiquement par des partenaires et caractérisées dans le cadre de ce projet pour devenir des références de capacité. De nombreuses mesures sont effectuées pour mettre en évidence les difficultés de mesure et évaluer les incertitudes de mesure liées aux méthodes, instruments et références de mesure.

• Membres du Club Nanométrologie, notamment les fabricants et utilisateurs d’instruments de mesure de SMM
• Partenaires du projet Européen Euramet/ EMPIR Advent
• Partenaires du projet Européen Euramet/ EMPIR NanoWires
• Instituts nationaux de métrologie européens : METAS, PTB, CMI, NPL, VSL, DFM, GUM, INRIM, Aalto, BAM...
• CEA/Leti
• IEMN de Lille
• CNRS/C2N, CNRS/INL, CNRS/LAAS, CNRS/GeePs, LPICM...
• Société CSI

Morán-Meza J., Delvallée A., Allal D. and Piquemal F., “A substitution method for capacitance calibration using scanning microwave microscopy”, NanoScale2019, 12th Seminar on Quantitative Microscopy (QM) & 8th Seminar on nanoscale Calibration Standards and Methods, 15-16 Oct. 2019, Braunschweig, Germany, Meas. Sci. Technol., 2020, 31, 074009, DOI : 10.1088/1361-6501/ab82c1.

Morán-Meza J., Delvallée A., Allal D., Piquemal F., Mesures de capacités par microscopie micro-onde à champ proche (SMM), 22^e Forum des microscopies à sondes locales, 19-22 mars 2019, Carry-le-Rouet.

PIQUEMAL F., JECKELMANN B., CALLEGARO L., HÄLLSTRÖM J., JANSSEN T.J.B.M., MELCHER J., RIETVELD G., SIEGNER U., WRIGHT P. and ZEIER M., “Metrology in Electricity and Magnetism: EURAMET activities today and tomorrow”, Metrologia, 2017, 54, R1–R24, 10.1088/1681-7575/aa7cae.

GAUTIER B., CHRÉTIEN P., AGUIR K., HOUZÉ F., SCHNEEGANS O., HOFFMANN J., CHEVALIER N., BOROWIK L., DERESMES D., GOURNAY P., MAILLOT P. et PIQUEMAL F., « Techniques de mesure de grandeurs électriques adaptées aux nano-circuits », Tech. de l’Ingénieur, déc. 2016, R1084 v1.

• Progrès dans les développements de nouveaux matériaux et de nouvelles structures microélectroniques par la capacité à maîtriser leurs caractéristiques thermiques et électriques aux échelles nanométriques, en phase de synthèse et d’intégration dans des systèmes complexes ;
• Développements attendus de nouvelles applications sur la base de nouveaux matériaux comme le graphène 2D, par une meilleure connaissance de leurs propriétés mesurées à l’échelle locale et in situ ;
• Ouverture d’un champ nouveau pour la métrologie électrique en créant les outils métrologiques spécifiques, méthodes de mesure, étalons, moyens d’étalonnage et de caractérisation, assurant la traçabilité aux SI des mesures électriques réalisées à ces échelles micro- et nanométriques.

• Projet européen Euramet/EMPIR-2016 Advent, “Metrology for advanced energy-saving technology in next-generation electronics applications”. http://projects.lne.eu/jrp-advent/
• « Graphen Flagship », Future and Emerging Technology (FET) Flagship du Programme européen de recherche financé par la Commission Européenne. https://graphene-flagship.eu/project/Pages/default.aspx
• Un nouveau projet européen connexe à cette thématique a été accepté fin 2020. Il s’agit d’un JRP du programme EMPIR-2020 d’Euramet. Ce JRP Elena « Electrical nanoscale metrology in industry » sera coordonné par le LNE.
• Projet européen Euramet/EMPIR-2019 NanoWires, “High throughput metrology for nanowire energy harvesting devices”. https://www.ptb.de/empir2020/nanowires/

La collecte d'énergie à partir de sources renouvelables (solaire, chaleur et mouvement) est une solution de premier plan pour créer de petites quantités d'énergie électrique dans des zones difficiles d'accès, et les dispositifs de récupération d'énergie apparaissent comme essentiels dans la problématique mondiale d’une meilleure gestion de l’énergie.

Les systèmes de récupération d'énergie à base de nanofils (NW) sont déjà très performants mais, en raison de la dimension nanométrique (nm) des fils et de la grande taille (mètre carré) des dispositifs, ils restent difficiles à tester et à caractériser. Les propriétés globales des dispositifs sont mesurables mais il reste impossible de faire un lien entre les caractéristiques et performances de chaque nanofils et celles du dispositif dans son ensemble. Ce projet vise donc à développer une métrologie fiable et rapide pour qualifier et contrôler les systèmes de récupération d'énergie constitués de nanofils (semiconducteurs).

Le projet a débuté en septembre 2020 pour une durée de 3 années. Le programme de travail est réparti entre 17 partenaires, dont 7 laboratoires d’EURAMET et 10 laboratoires externes. Le projet est structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management et de diffusion des connaissances :

WP1 - Caractérisation nanodimensionnelle des nanofils (NW),
WP2 - Caractérisation nanoélectrique de cellules solaires à base de nanofils,
WP3 - Méthodes de mesure nanomécanique,
WP4 - Imagerie thermique des surfaces de dispositifs à base de nanofils,
WP5 - Création d’impact,
WP6 - Management et coordination.

Le LNE participe à tous les lots de travail technique et coordonne le lot relatif à la caractérisation traçable au SI des propriétés électriques des nanofils (semi-conducteurs) constitutifs de cellules solaires. Trois équipes du LNE sont engagées dans ce projet : métrologie électrique, métrologie nano-dimensionnelle et métrologie des propriétés thermiques des matériaux.

Concernant la métrologie électrique, ce JRP complète les travaux du LNE entrepris en métrologie électrique à l'échelle nanométrique menés notamment dans le cadre du projet MetroSMM. 

Pour obtenir plus d'informations sur le projet "JRP NanoWires" : site internet du JRP https://www.ptb.de/empir2020/nanowires/

• Industrialisation : Possibilité de mesurer rapidement et simultanément plusieurs caractéristiques des dispositifs fabriqués (dimensions géométriques, propriétés électriques, thermiques et mécaniques des nanomatériaux) donnant accès au contrôle qualité de la performance des dispositifs de récupération d’énergie ; La métrologie à haut débit appliquée au contrôle de la qualité des dispositifs innovants de collecte et de stockage de l'énergie améliorera considérablement la compétitivité des industries manufacturières européennes des semi-conducteurs et de l'énergie.
• Connaissances scientifiques : Accès aux principales spécifications géométriques des NW ayant des rapports de proportion géométrique élevés, contribuant à l'évolution des nanomatériaux et de la nanométrologie ;
• Normalisation : Transfert des résultats métrologiques sur les cellules solaires à ondes naturelles vers les comités de normalisation (comité technique 113 de la CEI "Nanotechnologie pour les produits et systèmes électrotechniques" et comité technique 82 de la CEI "Systèmes d'énergie solaire photovoltaïque") pour favoriser la création de nouvelles normes ; possibilité de créer de nouvelles normes de mesure par la diffusion de guides de bonnes pratiques aux comités techniques CEI TC 47 « Dispositifs à semi-conducteurs », au comité technique ISO TC 164 « Essais mécaniques des métaux » et au comité technique allemand VDI/VDE-GMA 3.41 « Technologie de mesure des surfaces dans le domaine des micro et nanomètres » ;
• Société/environnement : Possibilité d’effectuer des contrôles de la qualité des dispositifs nouvellement développés pour la collecte ou le stockage d'énergie et, par conséquent, promotion et accélération du développement de ces nouvelles nanotechnologies pour l'industrie des énergies renouvelables ; participation à l’implication de l'Europe pour limiter le changement climatique induit par les activités humaines.

Le projet européen (JRP) est coordonné par le PTB (Allemagne) et réunit 17 partenaires dont 6 français :

• PTB et Technische Universitaet Braunschweig (TUBS), Allemagne
• CMI, République tchèque
• DFM, Danemark
• GUM et Politechnika Wrocławska (PWR), Pologne
• INRIM, Italie
• LNE, CNRS-UPS/C2N et GEEPS, INL/ECL, LPICM et Concept Scientifique Instruments (CSI), France
• VSL, Pays-Bas
• Aalto, Finlande
• Electrosciences Limited (ELECTRO), Royaume-Uni
• GETec Microscopy (GET), Autriche
• College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin (TCD), Irlande
• Universidad Autonoma de Barcelona (UAB), Espagne

L’objectif initial de ce projet était la mesure directe de la constante phénoménologique de von Klitzing R_K en unités SI par application du théorème de Lampard. Avant 2017, cette détermination permettait de valider l’égalité théorique de R_K et du rapport h /e² (h étant la constante de Planck et e la charge de l’électron) déduit jusqu’alors de la mesure de la constante de structure fine α par d’autres méthodes expérimentales issues de la physique atomique et des calculs d’électrodynamique quantique (avec h /e² = μ₀·c /2α où μ₀ est la perméabilité du vide et c la vitesse de la lumière). La détermination de α pouvant être effectuée avec une incertitude bien inférieure à celle avec laquelle est effectuée celle de R_K, l’incertitude avec laquelle est vérifiée l’égalité R_K = h /e² correspond principalement à l’incertitude sur la détermination de R_K. Celle-ci devait donc être réalisée avec la meilleure exactitude possible. C’est pourquoi l’incertitude visée pour l’étalon calculable de capacité est de l’ordre de 1×10^-8.

La révision du SI en 2018^[1] a conduit à la fixation de la valeur numérique de h et de e et en conséquence, celle de R_K = h /e². L’objectif du projet porte désormais uniquement sur la réalisation du farad à partir de l’étalon calculable de capacité de Thomson-Lampard. À l’issue de ce projet, cet étalon pourra être utilisé pour déterminer, non plus R_K, mais la constante de structure fine α et les constantes du vide (ε₀, µ₀ et Z₀) avec une incertitude voisine de 1×10^-8, au travers d’une comparaison d’étalonnages de capacité de 10 pF et 100 pF réalisés à partir de l’étalon de Lampard et à partir de l’effet Hall quantique.

De façon concrète, le travail engagé dans ce projet est la construction d’un nouvel étalon calculable de capacité de type Thompson-Lampard et l’amélioration de la chaîne de mesure de capacité associée.

Cet étalon repose sur le théorème d’électrostatique^[2] énoncé en 1956 par A. Thompson et D. Lampard. Il s’agit d’un nouveau montage pour répondre à ces défis ultimes en termes d’incertitude de mesure car le laboratoire national français a déjà conçu et mis en œuvre plusieurs versions dont la première remonte à 1960. Les principales caractéristiques de ce nouvel étalon sont les suivantes :

• Il est composé de 5 électrodes cylindriques positionnées verticalement ;
• Un écran mobile peut être déplacé au centre de la cavité formée par les 5 électrodes ;
• Une machine à mesurer la position des électrodes est intégrée à l’étalon ;
• Un ajustement sub-micrométrique a été conçu pour régler indépendamment la position de chaque électrode ;
• Le positionnement latéral de la garde mobile est garanti par la qualité de la cylindricité de l’entrefer, donc des électrodes ;
• L’ensemble (électrodes et instrumentation) est placé dans une enceinte pour créer les conditions de mesure sous vide.

Dans la configuration, où les électrodes sont parfaitement identiques et positionnées aux sommets d’un pentagone régulier, les capacités linéiques γ entre deux électrodes opposées sont égales. L’écran mobile permet de faire varier les valeurs des capacités croisées en fonction de sa position dans la cavité centrale. Finalement, une variation de capacité (∆C) est réalisée et l’écart de capacité mesuré est directement proportionnel au déplacement de l’écran (∆L) dans la cavité cylindrique centrale : ∆C = γ · ∆L.

Image

Les principaux défis de réalisation de cet étalon résident dans la fabrication mécanique des électrodes (dimensions et état de surface) et dans leur positionnement (parallélisme) à quelques dizaines de nanomètres près. Un dispositif optique de mesure interférométrique a été ajouté au système pour mesurer in situ le déplacement de l’écran mobile (∆L). Le centrage de la garde mobile constitue la principale composante d’incertitude. Elle doit être centrée dans les deux positions « entrée » et « sortie » à mieux que 50 nm sur la distance entre elle et chacune des 5 électrodes. Le déplacement choisi au LNE est tel que la variation de capacité générée soit de l’ordre de 0,5 pF.

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L’étalon calculable a été monté dans sa version définitive. Sa caractérisation métrologique se poursuit : linéarité, impédances de fuite, coefficient de fréquence, de tension. À l’issue de ces mesures, un étalonnage de capacité 10 pF et 100 pF pourra être réalisé avec incertitude de l’ordre de 1×10^-8.

Ces résultats seront comparés aux mêmes étalonnages réalisés à partir de l’effet Hall quantique et du pont de quadrature, afin de valider la cohérence des deux voies de réalisation du farad recommandées par le CCEM pour la mise en pratique des unités électriques du SI, et ce avec une exactitude relative de quelques 10^-8.

La réalisation primaire du farad à partir de l’étalon de Thompson-Lampard, au niveau de 1×10^-8 est à ce jour aussi compétitive que la réalisation à partir de l’étalon quantique de résistance fondé sur l’effet Hall quantique.

Références :

[1]  « Le Système international d’unités (SI) / The International System of Units (SI) », BIPM. 9^e édition, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0.

[2]  THOMPSON A.M. and LAMPARD D.G., “A new theorem in electrostatics with applications to calculable standards of capacitance”, Nature, 1956, 177, 888-890, DOI: 10.1038/177888a0.

• Détermination directe de R_K et vérification expérimentale de l’égalité théorique R_K = h/e2 ;
• Contribution du LNE à la révision du SI en 2018 ;
• Traçabilité des mesures de capacités (farad) indépendante des mesures de résistance (ohm).

• NMIA, Institut national de métrologie de l’Australie ;
• Partenaires du projet européen EMRP AIM QuTE.

THÉVENOT O., IMANALIEV A., DOUGDAG K. and PIQUEMAL F., “Progress report on the LNE Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM 2020, 24-28 August 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191720.

CALLEGARO L. et al., “The EMPIR Project GIQS: Graphene impedance quantum standard”, CPEM 2020, 24-28 August 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191743.

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era”, C.R. Physique, Académie des sciences, 2019, 20, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

THÉVENOT O., THUILLIER G. et PIQUEMAL F., “Mechanical improvements and investigations on the LNE new Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM-2018, juillet 2018, Paris, France, DOI : 10.1109/CPEM.2018.8501107.

THÉVENOT O., THUILLIER G., SINDJUI R., KHAN M.S., SÉRON O. and PIQUEMAL F., “Progress report on the determination of R_K at LNE”, CPEM-2016, 10-15 July 2016, Ottawa, Canada, DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540714.

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SINDJUI R., THEVENOT O., GOURNAY P., THUILLIER G., SERON O., KHAN S. et PIQUEMAL F., “Improvement of the measurement chain linking the farad to the ohm”, 17^e Congrès international de métrologie (CIM), Paris, France, 21-24 septembre 2015, DOI: 10.1051/metrology/20150012003.

SINDJUI R., GOURNAY P., THEVENOT O. et Thuillier G., “Fabrication of a standard two-stage autotransformer at LNE”, CPEM-2014, 24-29 août 2014, Rio de Janeiro, Brésil, DOI: 10.1109/CPEM.2014.6898513.

THUILLIER G., THEVENOT O. et GOURNAY P., “Progress on the LNE calculable capacitor”, CPEM-2014, 24-29 août 2014, Rio de Janeiro, Brésil, IEEE, DOI: 10.1109/CPEM.2014.6898468.

GOURNAY P., THÉVENOT O. et THUILLIER G., “Progress on the LNE Thompson-Lampard capacitor project”, CPEM-2012, 1–6 juillet 2012, Washington DC, États-Unis, DOI: 10.1109/CPEM.2012.6250948.

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Projet européen Euramet/EMRP-2012 AIM QuTE, Automated impedance metrology extending the quantum toolbox for electricity

Projet européen Euramet/EMPIR-2019 GIQS, Graphene impedance quantum standard