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Métrologie

La métrologie est la science de la mesureau sens le plus large.
La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation.
Par exemple, la mesure des dimensions d'un objet va donner les valeurs chiffrées de sa longueur, sa largeur…
Le terme désigne également l'ensemble des technologies de mesure utilisées dans l'industrie.

Instrument de mesure

En physique et en sciences de l’ingénieur, mesurer consiste à comparer une grandeur physique qui caractérise un objet (ou un événement) avec celle de même nature choisie comme unité de mesure.
La valeur numérique de la grandeur mesurée est le nombre qui fixe la relation entre la grandeur mesurée et l’unité de mesure choisie. Le dispositif qui permet de réaliser la mesure est un instrument de mesure (ou appareil de mesure).
L'instrument de mesure se distingue du simple capteur par le fait qu'il est autonome et dispose de son propre organe d'affichage ou de stockage des données. Par opposition, le capteur peut n'être que l'interface entre un processus physique et une information manipulable.
Les physiciens utilisent une grande variété d’instruments de mesure qui vont d’instruments aussi simples que la règle graduée ou le chronomètre au microscope électronique ou à l’accélérateur de particules.

Thermomètre
 
Thermomètre pour l'usage professionnel
Les thermomètres pour l’usage professionnel sont de très grande précision. Ils ont une très grande étendue de mesure et une grande rapidité d’acquisition. Ils peuvent afficher deux températures avec un calcul de delta T. Les thermomètres pour l’usage professionnel peuvent être utilisés avec un étui de protection contre les chocs, la poussière et l’humidité. Ils sont utilisés avec différentes sondes en fonction de l’utilisation :

  • Sonde d’ambiance
  • Sonde pince pour une mesure sur un conduit, plaques, etc.
  • Sonde pour air/gaz/liquide
  • Sonde de contact
  • Sonde thermocouple
  • Sondes d'immersion/pénétration
  • Sondes de mesure pour température de surface
  • Etc.

En fonction des besoins les sondes sont équipées de différents capteurs. Le type de mesure définira le type de sonde. Le choix de la sonde adéquate dépend de différents critères:

  • l'étendue de mesure
  • la précision
  • le temps de réponse
  • la robustesse
  • sa forme

Les types de capteurs

  • thermocouple
  • capteur à résistance platine(Pt100)
  • thermistance (CTN)

Les thermomètres pour l’usage professionnel existent aussi en infrarouge pour des mesures sans contact où a distance
On les utilise pour la mesure de température de:

  • climatisation
  • liquide
  • tuyaux
  • air ambiant
  • pièce chauffée
  • four
  • étuve
  • les poudres
  • etc.
Thermomètres pour l'agro-alimentaire

Il existe différents types de thermomètres. Les thermomètres utilisés lors de procès-verbaux en contrôles sanitaires, doivent être conformes à l'arrêté de juillet 1997. Ces thermomètres disposent de sondes comportant des capteurs à variation de résistance (CTN = résistance à coefficient de température négative), ou Pt100 résistance de 100 Ohm à 0 °C. Cette dernière garantit par le biais de normes, des incertitudes plus étroites et donc une meilleure précision de mesure.
Les étendues de mesure de ce type de matériel (généralement entre -200 et +600 °C pour les Pt100 et -50 à +150 °C pour les CTN) permettent de couvrir l'ensemble des applications traditionnelles en agro-alimentaire.
Les mesures exactes se font impérativement à cœur, elles sont donc intrusives et destructrices.
Il existe également des moyens de contrôle comme des thermomètres fonctionnant par réception de rayonnement infrarouge, permettant de contrôler très rapidement une homogénéité de température. La précision d'un tel thermomètre étant limitée, son utilisation nécessite dès lors une formation et une prise de conscience de l'interprétation des résultats. L'infrarouge mesure la température du film ou de l'emballage et non du cœur du produit.

Différents types de thermocouples

Il existe différents types de thermocouples, correspondant chacun à une gamme de température ou à une plus ou moins grande précision. Leurs propriétés peuvent également dépendre du type d'isolation (gaine) utilisée pour les fils métalliques. La liste suivante donne la définition des thermocouples suivant les normes internationales[1],[2]. Il est possible de reconnaitre le type d'un thermocouple à l'aide de la couleur de la gaine des fils métalliques permettant la connexion.

Thermocouples à base de métaux usuels Type E
  • Composition : Chromel (alliage nickel+chrome (10%)) / Constantan (alliage nickel+cuivre (45%))
  • Ce thermocouple est intéressant pour la mesure de températures basses. Il a également l'avantage de ne pas avoir de réponse magnétique.
  • Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Violet / Blanc
  • Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / Orange
Type J
  • Composition : Fer / Constantan (alliage nickel+cuivre)
  • Fonctionne bien dans le vide et dans une plage de température de 0 à 750 °C, mais n'est pas recommandé pour les basses températures, à cause de problèmes d'oxydation du fer et de l'azote
  • Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Noir / Blanc
  • Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / Noir
Type K
  • Composition : Chromel (alliage nickel + chrome) / Alumel (alliage nickel + aluminium (5%) + silicium)
  • thermocouple standard. Il permet une mesure dans une gamme de température large : -250 °C à 1 372 °C. Il est également bon marché, mais ne permet pas une mesure à o°C.
  • Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Vert / Blanc
  • Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / Violet
Type N
  • Composition : Nicrosil (alliage nickel + chrome (14%) + silicium (1,5%)) / Nisil (alliage nickel + silicium (4.5% + magnésium (0.1%))
  • sa bonne stabilité et sa bonne résistance aux températures élevées (-270 à 1 300 °C) et à l'oxydation rendent ce thermocouple intéressant pour les mesures à hautes températures et dans le vide.
  • Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Rose / Blanc
  • Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : -
Type T
  • Composition : Cuivre / Constantan (alliage cuivre + nickel)
  • Ce thermocouple est particulièrement adapté pour une utilisation à basse température (-200 à 350 °C) comme pour des applications cryogéniques.
  • Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Brun / Blanc
  • Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / Bleu
Thermo-hygromètre

Un Thermo-hygromètre désigne un matériel électronique mesurant à la fois la température (généralement en °C) et l'humidité relative (en % du seuil de saturation).

Capacités

La mesure se fait au moyen de sondes adaptées, éventuellement à distance.
L'appareil affiche généralement les valeurs instantanées, des valeurs Min/Max. Il dispose généralement d'une mémoire, de la possibilité de programmer le pas de temps des mesures, de systèmes d'alerte (point de rosée, dépassement d'un seuil programmable).
Un logiciel associé permet généralement d'afficher les courbes sur un écran ou de les imprimer sur papier.
Les appareils de dernière génération mesurent à distance ces deux paramètres sur une surface délimitée par un carré ou un point matérialisé par un rayon laser émis par l'appareil tenu à la main.

Utilisation

Ces appareils ont un large champ d'application allant de mesures industrielles classiques, à des contrôles agro-alimentaire, en passant par la mesure de la teneur en humidité du bois ou d'autres matériaux (via des pointes électrodes).
Ils peuvent aussi être utilisés pour la mesure du confort intérieur (une des cibles de la HQE), le risque sanitaire (conditions d'apparition de moisissures ou autres pathogènes), le risque de verglas ou de condensation indésirable (point de rosée/givre), pour la mesure des conditions environnementales d'espèces animales ou végétales sensibles, etc.

La mesure de composantes de l'Environnement

Il s'agit d'une utilisation plus récente et encore rare de ce matériel.
Toutes les espèces ont un optimum thermo-hygrométrique qui peut être perturbé par une déshydratation anormale de l'air, ou au contraire une hygrométrie relative anormalement élevée, et la teneur en eau de l'air à une certaine pression atmosphérique est liée à sa température (plus l'air est chaud, plus il peut contenir d'eau avant que celle-ci n'atteigne son point de condensation).
L'une des cibles de l'architecture HQE est ainsi consacrée au confort intérieur, lié à la qualité notamment thermohygrométrique de l'air. Un des moyens de l'améliorer est l'utilisation conjointe de matériaux respirant qui tamponnent l'excès d'humidité et de plantes vertes, qui par leur évapotranspiration réhumidifient l'air.
Toujours dans le champ de l'environnement, les corridors biologiques sont, pour certaines espèces, déterminés par d'invisibles continuums thermo-hygrométriques, qu'il convient de pouvoir détecter ou étudier pour les protéger ou restaurer.
Les chauves-souris pour hiberner ou pour leurs gîtes d'été, des poussins ou des nourrissons en couveuse nécessitent des conditions thermo-hygrométriques particulières qu'un thermo-hygromètre peut mesurer.

Anémomètre

Anémomètre - terme du XVIIIe siècle, composé du préfixe anémo- en grec ἀνεμος, anemos, « vent » et du suffixe -mètre, « mesure » - est un appareil permettant de mesurer la pression du vent.
 Les types d'anémomètres
- Anémomètre à coupelles (dit de Robinson)
-Anémomètres à hélice
- Anémomètre à ultrason
- Anémomètre à plaque
-Anémomètre à tube
-Anémomètre à tube de Pitot
-Anémomètre à fil chaud

Manomètre

Un manomètre est un instrument servant à mesurer une pression.
En plongée sous-marine, il est utilisé pour mesurer la pression d'air restant dans une bouteille, tant en immersion (manomètre immergeable) qu'en surface (manomètre de surface).

pH-mètre

Un pH-mètre est un appareil souvent électronique permettant la mesure du pH d'une solution aqueuse.
Le pH-mètre est généralement constitué d'un boîtier électronique permettant l'affichage de la valeur numérique du pH et d'une sonde de pH constituée d'une électrode de verre permettant la mesure et d'une électrode de référence. Son fonctionnement est basé sur le rapport qui existe entre la concentration en ions H3O + (définition du pH) et la différence de potentiel électrochimique qui s'établit dans le pH-mètre une fois plongé dans la solution étudiée.
Celui-ci est constitué de deux électrodes, l'une standard dont le potentiel est constant et connu (appelée électrode de référence), l'autre à potentiel variable (fonction du pH, appelée électrode de verre). Ces deux électrodes peuvent être combinées ou séparées.
Une fois l'appareil étalonné à l'aide de solutions tampon (souvent de pH 4, 7 et 10), on peut déterminer la valeur du pH par simple corrélation, la différence de potentiel évoluant proportionnellement à la valeur du pH selon cette formule:
\Delta E=a (pH_a-pH_b)+b\,

  • ΔE est la différence de potentiel entre les deux électrodes.
  • pHa est le pH de la solution à mesurer.
  • pHb est le pH de la solution de référence.
  • a et b dépendent de l'appareil, ils sont révélés lors de l'étalonnage du pH-mètre.
Conductimètre

Un conductimètre, ou conductivimètre, est un appareil permettant de mesurer une propriété de conductivité.
Il existe des conductivimètres spécifiques à certaines applications :

  • mesure de la conductivité électrique d'une solution. Cet appareil est composé d'un générateur basse fréquence (courant alternatif), d'un ampèremètre et d'un voltmètre. Cette technique a été développée par Friedrich Kohlrausch en 1874 (Loi de Kohlrausch)
  • mesure de la conductivité thermique.


La mesure de conductivité électrique peut aussi permettre de mesurer de l'humidité d'un matériau (plâtre, bois, cuir, etc.) ou de végétaux (meule de foin, grains, houblon, etc.). L'appareil spécifique est alors appelé hygromètre.


 

Station météorologique
Une station météorologique est ensemble de capteurs qui enregistrent et fournissent des mesures physiques des paramètres météorologiques liées aux variations du climat[1]. Les variables à mesurer sont la température, la pression, la vitesse et direction du vent, l'hygrométrie, le point de rosée, la pluviométrie, la hauteur et le type des nuages, le type et l'intensité des précipitations ainsi que la visibilité. Les stations peuvent comporter des capteurs pour toutes ou une partie seulement de ces informations. Les données qu'on en obtient peuvent être envoyées directement comme rapport météorologique, dans le cas d'une station automatique, ou faire partie des observations METAR émises par un observateur humain.

Description
Chaque mesure est obtenue à l'aide d'un capteur[1]. Certains sont exposés aux éléments, comme l'anémomètre et la jauge pluviométrique, alors que d'autres sont groupés dans un abri pour mesurer les caractéristiques intrinsèques de la masse d'air (thermomètre, hygromètre, etc.). L'abri Stevenson est le plus souvent utilisé à cet usage. Ces instruments peuvent être manuels, et demander la prise de données régulière par un observateur, mais de plus en plus ils sont automatisés[2].
Les données d'une station météorologique seront envoyées par circuits de communications sous une forme codées. La plus connu est celle appelé METAR qui a été développée pour les services à l'aviation mais des usagers particuliers peuvent utiliser d'autres formats. Ces données sont utilisées pour la confection de cartes météorologiques actuelles et pour la prévision future des éléments météorologiques.
Certaines observations sont plus fiables quand elles proviennent d'un observateurs en chair et en os. Par exemple, la couverture nuageuses et le type de précipitations sont plus facilement observables par une être humain que déduits par un instrument électronique[3

Pyranomètre
 Un pyranomètre est un capteur de flux thermique utilisé pour la mesure de la quantité d'énergie solaire en lumière naturelle et est notamment utilisé en météorologie. Il permet la mesure de la puissance du rayonnement solaire total en watts par mètre carré. Il est sensible dans un domaine spectral de 300 à 2500 nanomètres[1] selon le filtre utilisé.
Le pyranomètre est utilisé, par exemple, lors de la mesure de rayonnement solaire en serre, évalué en comparaison de la valeur du rayonnement en extérieur pour estimer les pertes d'énergie directe lors de la traversée des toitures. L'unité du rayonnement est le watt par mètre carré (W/m2).

Luxmètre
Un luxmètre est un capteur permettant de mesurer simplement et rapidement l'éclairement réel, et non subjectif.
L'unité de mesure est le lux.

Principe de fonctionnement
Les luxmètres modernes fonctionnent selon le principe d'une cellule C.C.D ou cellule photovoltaïque ; un circuit intégré reçoit une certaine quantité de lumière (photons constituant le « signal » qui est une énergie de rayonnement) et la transforme en signal électrique (signal analogique). Ce signal est visualisé par le déplacement d'une aiguille, l'allumage d'une diode, l'affichage d'un chiffre...
Une photo-résistance associé à un ohmmètre jouerait le même rôle.
Un filtre de correction de spectre permet d'éviter que les différences de spectre ne faussent la mesure (la lumière jaune est par exemple plus efficace que la bleue pour produire un électron à partir de l'énergie d'un paquet de photons)
Les luxmètres peuvent avoir plusieurs échelles pour s'adapter aux faibles ou fortes luminosités (jusqu'à plusieurs dizaines de milliers de lux).
l'unité traditionnelle de mesure est le lux, qui correspondait à la lumière portée par une flamme de bougie à 1 mètre de distance.

Usages
Il a d'abord été utilisé par les photographes ou cinéastes, par les éclairagistes. Il est de plus en plus utilisé par les énergéticiens pour optimiser l'éclairage intérieur (20 à 60 % de l'électricité est consommée par l'éclairage) ou extérieur (qui gaspille souvent beaucoup d'énergie). On les utilise plus rarement aussi pour mesurer la luminosité du ciel en météorologie, pour mesurer la lumière reçue au sol en forêt ou dans une serre.
Depuis quelques années, il est utilisé par des écologues, astronomes ou architectes « HQE » (Haute qualité environnementale) pour établir des indices quantitatifs de pollution lumineuse ou de l'intrusion lumineuse afin de les réduire par des matériels et stratégies d'éclairage adaptées. Cette appareil est utilisé aussi par les ingénieurs biomédicaux dans le domaine médical au niveau de bloc opératoire pour mesurer la puissance d'éclairage des scialytiques. Il est aussi utilisé en industrie afin de déterminer si les travailleurs ont l'éclairage nécessaire pour effectuer leur travail.

Sonomètre
Un Sonometre est un appareil destiné à mesurer le niveau de pression acoustique qui est couramment utilisé dans les études de pollution sonore pour quantifier toutes sortes de bruit, mais surtout les bruits industriels et environnementaux, en particulier le bruit des avions. Cependant, le chiffre affiché par un sonomètre en décibels Sound Pressure Level (dB SPL) ne correspond pas nécessairement à la perception sonore de l'homme; pour cela une pondération est nécessaire. L'actuelle norme internationale définissant les préconisations pour les sonomètres est la norme IEC 61672:2003 qui impose l’incorporation d'un filtre de pondération fréquentielle A et décrit également d'autres pondérations fréquentielles la pondération C et Z (zéro) . Les anciennes pondérations fréquentielles B et Dsont maintenant obsolètes et ne sont plus décrites dans la norme. Le sonomètre classique est utilisé pour des mesures ponctuelles contrairement au Dosimètre de bruit ou Exposimètre qui est porté par un salarié pendant une durée prolongée, représentative de l'exposition sonore habituelle pour évaluer le niveau d'exposition quotidienne (Lexd).


 

Sonomètre intégrateur
Le sonomètre standard est plus communément appelé Sonomètre Intégrateur puisque le signal fluctuant du microphone est converti en courant par un circuit puis en Valeur efficace (RMS), et doit donc avoir un temps d'intégration constant, aujourd'hui désigné sous le terme de pondération temporelle. Trois de pondérations temporelles ont été normalisés, la pondération temporelle S (1s) initialement appelé Slow, F (125 ms ,initialement appelée Fast et I ( 35 ms) initialement appelée Impulse. Leurs noms ont été changés dans les années 1980 pour être les mêmes dans toutes les langues. La pondération temporelle I n'est plus dans la norme, car elle n’est pas véritablement en corrélation avec le caractère impulsif du bruit.
La sortie du circuit RMS est une tension linéaire transmise par l'intermédiaire d'un circuit logarithmique pour donner une lecture en décibels linéaires (dB). Le décibel correspond à 20 fois le logarithme décimal du rapport entre la Valeur efficace de la pression acoustique mesurée et la pression acoustique de référence. La Valeur efficace de la pression acoustique est obtenue avec une pondération fréquentielle standard, et une pondération temporelle standard. La pression acoustique de référence est fixée par accord international à 20 micropascals pour un bruit aérien. Il s'ensuit que le décibel est, dans un sens, une unité, il s'agit simplement d'un rapport sans dimension, en l'occurrence le rapport de deux pressions.
Un sonomètre, qui donnerait seulement un aperçu du niveau de bruit instantané, serait d'une utilité limitée pour évaluer les risques de lésions auditives, aussi il est généralement indispensable d’utiliser un sonomètre intégrateur. L’appareil pratique l’intégration des mesures - en d'autres termes il en fait la "somme" - pondérée en fonction de la fréquence du bruit - pour donner le niveau d’exposition sonore et l'unité employée est une au carré par unité de temps, souvent en Pa ² • s, mais le Pa ² • h est également utilisé. Cependant, parce que le son a été historiquement mesuré en décibels, l'exposition est le plus souvent exprimée en termes de niveau d'exposition sonore – Sound Exposure Level (SEL)- la conversion logarithmique du niveau d'exposition sonore en décibels.
Note : en acoustique tous les niveaux sont affichés en décibels.

Classes de sonomètres
Les Sonomètres sont divisés en deux catégories - que l'on appelait "types" dans les précédentes normes. Les deux classes ont la même conception et les mêmes objectifs, mais des niveaux de tolérance différents. Les instruments de classe 1 ont une plus large gamme de fréquences et une incertitude de mesure plus faible, qu’une unité de classe 2, moins coûteuse. Cela s'applique autant au sonomètre lui-même qu’au calibreur. La plupart des normes nationales autorisent l'utilisation d’un appareil au "moins de classe 2" et pour de nombreuses mesures, il n'y a guère d'intérêt pratique à se servir d'une unité de classe 1, qu’il vaudrait mieux utiliser pour contrôler l'application de la loi. La nouveauté de la norme IEC 61672 est la mention d’un minimum de 60 dB linéaire pour exiger la pondération fréquentielle Z, avec un resserrement de la limite de tolérance, ainsi que l'inclusion de l'incertitude de mesure dans le résultat des tests. Cela retire toute possibilité à un sonomètre conçu pour les anciennes normes 60651 et 60804 de pouvoir satisfaire aux exigences de la norme IEC 61672: 2003.

Wet Bulb Globe Temperature (WBGT),
L'indice de Température au thermomètre-globe mouillé, de son nom originel Wet Bulb Globe Temperature (WBGT), est un indice composite de température utilisé pour estimer les effets de la température, de l'humidité, et du rayonnement solaire sur l'homme[1]. L'indice WBGT a été élaboré par le United States Marine Corps à Parris Island en 1956 pour réduire le risque de traumatismes liés au stress thermique chez les nouvelles recrues et a été révisé à plusieurs reprises.
Il est utilisé en hygiène industrielle, mais aussi par les athlètes et les militaires pour déterminer les niveaux d'exposition à des températures élevées.
Le heat index utilisé par le National Weather Service et l’Indice humidex utilisé par le Service météorologique du Canada sont également des mesures de la chaleur perçue, mais qui ne tiennent pas compte du rayonnement solaire.