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Article

1 - ÉCHELLE INTERNATIONALE DE TEMPÉRATURE DE 1990 (EIT-90)

  • 1.1 - Sonde à résistance de platine longue tige
  • 1.2 - Points fixes de définition de l’EIT-90
  • 1.3 - Fonctions d’interpolation

2 - RÉALISATION PRATIQUE DES POINTS FIXES

  • 2.1 - Point triple de l’eau (0,01 °C)
  • 2.2 - Point de congélation de l’étain (231,928 °C)
  • 2.3 - Point triple de l’argon (− 189,344 2 °C)

3 - INCERTITUDES AFFECTANT LA RÉALISATION DES POINTS FIXES

  • 3.1 - Pression hydrostatique
  • 3.2 - Pression résiduelle
  • 3.3 - Impuretés
  • 3.4 - Composition isotopique
  • 3.5 - Imparfaite réalisation pratique de l’interface solide-liquide
  • 3.6 - Incertitudes spécifiques au point triple de l’eau

4 - PHÉNOMÈNES PHYSIQUES AFFECTANT LA SONDE À RÉSISTANCE DE PLATINE

  • 4.1 - Modification des caractéristiques géométriques de l’élément sensible
  • 4.2 - Impuretés
  • 4.3 - Défauts du réseau cristallin et déformations liées aux tensions
  • 4.4 - Oxydation
  • 4.5 - Autoéchauffement
  • 4.6 - Défaut d’isolement
  • 4.7 - Flux thermiques parasites

5 - NON-UNICITÉ

  • 5.1 - Non-unicité liée aux recoupements entre les différentes fonctions d’interpolation
  • 5.2 - Non-unicité liée au comportement propre à chaque thermomètre

6 - CHAÎNE DE MESURE

  • 6.1 - Pont de mesure
  • 6.2 - Résistance étalon
  • 6.3 - Connexions

7 - INCERTITUDE D’ÉTALONNAGE AUX POINTS FIXES

  • 7.1 - Exemples de calcul d’incertitude : modélisation de la mesure
  • 7.2 - Exemple de calcul de l’incertitude d’étalonnage au point de congélation du zinc

8 - CONCLUSION

9 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : R2512 v2

Incertitude d’étalonnage aux points fixes
Incertitudes affectant l’étalonnage d’une sonde à résistance de platine longue tige selon l’EIT-90

Auteur(s) : Éliane RENAOT

Date de publication : 10 mars 2016

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RÉSUMÉ

L’objectif  de cet article est de fournir aux utilisateurs de l'échelle de température internationale de 1990, EIT-90, des conseils relatifs à l’évaluation de l'incertitude affectant l’étalonnage et l’utilisation d’un thermomètre à résistance de platine étalon.

Ce document se limite aux  sous-domaines de température compris entre le point triple de l’argon (-189,344 2 °C) et le point de congélation de l’argent (961,78 °C).

Tous les  paramètres d’influence connus à ce jour affectant soit la réalisation des points fixes de température, soit le thermomètre à résistance de platine étalon, soit la chaîne de mesure de la résistance électrique sont détaillés. Une modélisation du résultat de mesure est développée et un exemple de bilan d’incertitude est proposé à la fin de l’article.

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ABSTRACT

Uncertainties in calibration of long stem platinum resistance thermometer according to the ITS-90.

The purpose of this article is to provide users of the International Temperature Scale of 1990, ITS-90, with guidance for assessing the uncertainty in calibrations and temperature measurement employing standard platinum resistance thermometer.  

This document is limited to the temperature subrange between the triple point of argon (-189,344 2 °C) to the freezing point of silver (961,78 °C).

All the presently known influence effects affecting the fixed points, the standard platinum resistance thermometer, and the resistance measurement are detailed. A modelling of the measurement is developed and an example of an uncertainty budget is proposed at the end of the article.

Auteur(s)

  • Éliane RENAOT : Ingénieur - Ex-responsable « amont » du département « température moyenne » au laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM - Ex-membre de la commission Métrologie de l’AFNOR - Évaluateur technique responsable d’évaluation au COFRAC

INTRODUCTION

La température thermodynamique est une mesure macroscopique du degré d’agitation des particules d’un système. Plus la température est élevée, plus l’agitation microscopique des particules est intense. Elle est définie à partir des premier et second principes de la thermodynamique. Elle possède une définition universelle et coïncide avec la température absolue mesurée avec des thermomètres à gaz parfait (à lire dans la présente base documentaire « L'échelle internationale de température : EIT-90 » [R 2 510] ).

L'unité de la température thermodynamique, grandeur physique fondamentale, est le kelvin, symbole K. Le kelvin est l'une des sept unités de base du système international d'unités (SI).

Les industriels cherchent généralement à reproduire une température plutôt qu’à connaître réellement la température thermodynamique intervenant dans leurs procédures de fabrication. Ces considérations ont conduit à mettre en place dès 1927 une échelle pratique de température reposant sur des phénomènes physiques répétables et aisément identifiables. Cette échelle a été revue en 1948, 1968, 1976 et 1990 afin que les mesures effectuées dans cette échelle soient de plus en plus en étroit accord avec les valeurs des températures thermodynamiques.

Plutôt que de mesure de la température thermodynamique, on parlera donc de « repérage de la température dans l’échelle ». L'échelle actuellement en vigueur est l'échelle internationale de température de 1990 (EIT-90). Elle repose sur :

  • une série de points de définition basés sur des transitions de phase de corps purs ;

  • des instruments spécifiés auxquels sont associées des formules d'interpolation ou d'extrapolation paramétrées.

Pour répondre aux besoins de l’industrie, les laboratoires d’étalonnage utilisent généralement des techniques simplifiées qui permettent d’approcher l’échelle internationale de température. Néanmoins ces laboratoires sont amenés à s’intéresser à l’EIT-90 pour différentes raisons. Les laboratoires qui souhaitent proposer à leurs clients de faibles incertitudes d’étalonnage cherchent à limiter l’impact de l’incertitude de raccordement de leur étalon. Si les caractéristiques métrologiques de l’étalon le permettent (qualité des éléments employés pour sa construction, technologie du montage, pureté du fils de platine constituant l’élément sensible…), la méthode d’étalonnage la plus appropriée repose sur l’utilisation des points fixes et des fonctions d’interpolation définis dans le texte de l’EIT-90.

De nombreux laboratoires utilisent également un point triple de l’eau (0,01 °C) ou un point fixe au gallium (29,764 6 °C) pour réaliser le suivi de la dérive de leur étalon entre deux raccordements.

Enfin, certains laboratoires désirent pratiquer, sur des gammes limitées de température, des étalonnages selon l’EIT-90.

Cet article a pour but de fournir aux utilisateurs de l’échelle internationale de température de 1990 (EIT-90) un guide leur permettant de mieux appréhender les paramètres physiques qui conduisent aux incertitudes affectant l’étalonnage d’une sonde à résistance de platine longue tige selon l’EIT-90.

L’impact de certains paramètres d’influence fait encore à ce jour l’objet de recherche au niveau international. Cet article est donc une synthèse des connaissances actuelles.

Les calculs d’incertitude présentés au sein de cet article respectent les règles du Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure (GUM : Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement. JCGM 100 :2008).

Nous nous limiterons dans cet article aux domaines de l’EIT-90 couverts par la sonde à résistance de platine longue tige qui s’étendent de − 189,344 2 °C (83,805 8 K) à 961,78 °C (1234,93 K).

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KEYWORDS

uncertainty   |   Fixed point   |   Standard platinum resistance thermometer   |   temperature   |   Calibration

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-r2512


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7. Incertitude d’étalonnage aux points fixes

7.1 Exemples de calcul d’incertitude : modélisation de la mesure

Les résultats de l’étalonnage de la sonde étalon selon l’EIT-90 seront présentés sous forme de tableau faisant correspondre à la température de chaque point fixe (T 90) une résistance réduite W  (T 90) et une incertitude associée exprimée en température.

Pour calculer cette incertitude, il faut développer le modèle mathématique du mesurage qui permettra d’introduire tous les paramètres d’influence identifiés.

Considérons la détermination du W(PF) présenté par la sonde étalon dans un point fixe donné. La mesure effectuée au point triple de l’eau peut être modélisée par l’expression suivante :

avec :

RS
 : 
valeur de la résistance étalon,
X  (0,01 °C)
 : 
rapport lu sur le pont de mesure comparateur de résistance,
 : 
terme qui modélise l’impact du paramètre d’influence / sur la mesure effectuée au point triple de l’eau.

La mesure dans le point fixe considéré s’exprime par :

avec :

Rs
 : 
valeur de la résistance étalon au moment de la mesure,
X(PF)
 : 
rapport lu sur le pont de mesure comparateur de résistance,

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BONNIER (G.) -   Point triple de l’argon (83,798 K) référence de transfert.  -  Bulletin du BNM, volume 22, 14-18, Paris (1975).

  • (2) - HERMIER (Y.) -   Conception et réalisation de calorimètres pour les points fixes de température de l’argon et du mercure.  -  Revue française de métrologie, volume 20, 33-38 (2009).

  • (3) - RENAOT (E.), FAILLEAU (G.), HERMIER (Y.) -   Développement d’une nouvelle génération de points fixes de température entre 83 K et 950 K.  -  Revue française de métrologie n° 28, volume 2011-4 (2011).

  • (4) - ALLAN (M.) -   The effect of pressure on the water triple point temperature.  -  Temperature its Measurement and Control in Science and Industry volume 5, Ed J F Schooley, AIP, New York, 285-290 (1982).

  • (5) - FELLMUTH (B.), HILL (K.), BLOEMBERGEN (P.), DE GROOT (M.), HERMIER (Y.), MATVEYEV (M.), POKHODUN (A.), RIPPLE (D.), STEUR (P.) -   Methodologies for the estimation of uncertainties and the correction of fixed-point...

1 Sites Internet

BIPM :

http://www.bipm.org

  • GUM : Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement. JCGM 100 :2008. (GUM 1995 with minor corrections).

  • Vocabulaire international de métrologie – Concept fondamentaux et généraux et termes associés (VIM).

  • Evaluation of measurement data – An introduction to the “Guide to the expression of uncertainty in measurement” and related documents. JCGM 104 :2009.

  • ITS-90. Published in the Procès-verbaux du Comité international des poids et mesures, 78th meeting, 1989.

  • Supplementary Information for the International Scale of 1990 (1997).

  • Supplementary Information for the International Scale of 1990. Section 2.2 : Triple point of water (2013).

  • Technical Annex for the International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) (2013).

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