pression (suite)

La mesure, avec une précision comparable, de la dénivellation z₁ – z₂ n’est pas aisée : la surface supérieure du mercure est enfermée dans une chambre à vide, et la surface inférieure est elle aussi inaccessible, sauf si l’on mesure la pression atmosphérique. C’est pourquoi un manobaromètre étalon comporte des dispositifs pour localiser ces surfaces et transférer leur niveau sur un autre dispositif permettant la mesure de la distance verticale qui les sépare. Dans tous les cas, le niveau d’une surface de mercure est celui d’une région écartée des bords d’au moins 15 mm, afin que les déformations capillaires soient négligeables. Avec des chambres de diamètre au moins égal à 40 mm, on dispose, au centre, d’une aire suffisante pour permettre une localisation optique ou électrostatique. Ce dernier procédé est utilisé avec succès dans le manomètre à mercure associé au thermomètre à gaz du National Bureau of Standards (États-Unis d’Amérique). Son exactitude est de 2 × 10^–6 au voisinage de la pression atmosphérique normale.

Le procédé de localisation optique le plus ancien utilise le milieu entre un repère et son image par réflexion sur le mercure pour définir la surface du mercure. Les cotes des deux surfaces sont reportées sur une règle divisée verticale au moyen des deux lunettes d’un cathétomètre. Les lunettes sont employées dans des conditions défavorables : leurs objectifs ne sont éclairés que sur la moitié supérieure ; il semble illusoire d’espérer sur la dénivellation une exactitude meilleure que 10 μm.

Dans un manomètre récemment construit au National Physical Laboratory (Royaume-Uni), la localisation est effectuée au moyen de faisceaux presque verticaux (fig. 2). L’image d’une grille projetée au voisinage d’une surface est reçue par une lunette après réflexion sur le mercure. Un changement de niveau produit un petit décalage latéral de l’image finale de la grille, que l’on décèle grâce à une autre grille et à une cellule photoélectrique. La précision de la localisation a pu être poussée jusqu’à 1 μm.

Les mesures de longueur par interférences ont une sensibilité surabondante en manométrie (0,01 μm) ; elles exigent une stabilité excellente des surfaces optiques. Mais, si l’on se contente d’utiliser les interférences comme un palpeur optique en constatant l’apparition de franges en lumière blanche, les tolérances sur la stabilité deviennent moins sévères et l’on peut comparer à mieux que 1 μm près l’égalité de deux trajets optiques, condition d’existence de ces franges.

Plusieurs appareils utilisant ce principe ont été construits, notamment au Central Inspection Institute of Weights and Measures (Tōkyō) et au Bureau international des poids et mesures (Sèvres).

Dans ce dernier appareil (fig. 3), les deux surfaces de mercure utiles constituent les miroirs terminaux d’un interféromètre de Michelson dans lequel l’égalité des chemins optiques peut être obtenue pour toute position de ces surfaces par déplacement d’un chariot portant deux réflecteurs en forme de trièdres. Compte tenu du fait que ce déplacement allonge un faisceau et raccourcit l’autre et du double aller et retour de la lumière sur les trièdres, un changement de dénivellation h est compensé par un déplacement du chariot égal à h/4. Ce déplacement est mesuré par observation d’une règle divisée solidaire du chariot, au moyen d’un microscope fixe. Le repérage de la frange blanche est facilité par une modulation de la longueur optique de l’un des faisceaux (réalisée en faisant osciller la lame compensatrice) et par l’utilisation, comme récepteur, d’un photomultiplicateur. Le « zéro » de l’appareil est réalisé en faisant le vide simultanément dans les deux chambres. Remarquons enfin qu’avec un appareil de ce type la pression mesurée doit tenir compte d’une correction supplémentaire, assez facilement calculable, due à l’indice de réfraction des milieux traversés par les faisceaux lumineux.

Manomètres

Les principes exposés ci-dessus sont utilisés dans les manomètres courants à liquide : manomètres à air libre (dans lequel une branche est en communication avec l’atmosphère), à air comprimé (une chambre est fermée et contient de l’air), différentiel, à tube incliné (sensibilité accrue). L’accroissement de sensibilité peut encore être obtenu en utilisant des liquides de faible masse volumique (huile) ou au moyen de deux liquides non miscibles dont on observe la surface de séparation. Des dispositifs de lecture continue à distance ont été imaginés, par exemple en utilisant la variation de résistance d’un fil électrique chauffant plongeant dans l’huile du manomètre.

D’autres phénomènes sont utilisés pour les mesures de pression : déformation de soufflets ou tubes métalliques (manomètre de Bourdon), phénomènes piézo-électriques.

Les balances de pression réalisent une mesure directe au moyen de forces (poids ou ressorts) appliquées à un piston dont l’aire est connue.

Enfin, la mesure des hautes pressions fait appel aux variations de résistance électrique de fils de manganine ou d’alliages or-chrome ou aux propriétés de certains semi-conducteurs.

Baromètres pression atmosphérique

Les baromètres à mercure reposent sur le principe du baromètre de Torricelli : tube rempli de mercure et retourné sur une cuve à mercure. Le baromètre de Fortin (fig. 4) comporte une cuve à fond déformable au moyen d’une vis. On peut amener ainsi la surface libre inférieure au voisinage immédiat d’un repère fixe qui coïncide avec l’origine des divisions de l’échelle de mesure. Lorsque l’appareil est au repos, le niveau du mercure est abaissé, ce qui évite que le mercure ne souille les régions du tube où ont lieu généralement les observations. Dans le baromètre de Kew, les graduations de l’échelle tiennent compte du rapport des sections du tube et du réservoir ; dans celui de Newman, le zéro de l’échelle peut être ajusté au niveau du réservoir.

L’utilisation des baromètres à mercure exige le calcul de corrections pour la dilatation de l’échelle, la masse volumique du mercure et la valeur locale de l’accélération due à la pesanteur.