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ET

Baromètres à mercure
Torricelli , Fortin , Tonnelot
et étalonnage des capteurs de pressions

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Introduction
Le baromètre de Torricelli
Notions sur le mercure
Restauration d’un baromètre de Torricelli
Utiliser un baromètre comme instrument de mesure
Mesurer notre pression
Mesure de précision avec un simple baromètre
Analyse des causes d’erreurs des hauteurs de mercure
Les baromètres métalliques
Baromètre de Fortin
Baromètre de Tonnelot
Correction de température des baromètres métalliques
Petit aparté
Etalonnage des capteurs de pression
Banc d’étalonnage
Mesure grossière du vide
Achat de baromètres : Cotation sur le marché
Conclusion

Annexe : Détails de la restauration d’un Torricelli

Autres pages Nextion arduino


Maj : 17/09/20

Abstract :
In physics and metrology, some environmental datas are very easy to catch.
The easiest one is the time: there are many ways to make a clock with a fantastic accuracy.
Many other datas are not so easy to collect, for exemple atmospheric pressure.
We will see in this page the solutions how to get significative values.

 

Résumé :
En physique et en métrologie, certaines données environnementales sont très faciles à collecter.
La plus simple est l'heure : nous avons de nombreuses façons de fabriquer une horloge avec une précision fantastique.
Beaucoup d'autres données ne sont pas si faciles à collecter, par exemple la pression atmosphérique.
Nous verrons dans cette page comment obtenir des valeurs significatives.

 

Je recherche du mercure… Faire offre

clock  Introduction

Cette page concerne des publics variés :

° Le météorologue amateur intéressé par les questions de métrologie.

° Le micro-informaticien, pratiquant l’Arduino ou le Raspberry Pi et familier des capteurs, confronté à l'imprécision des mesures de pression atmosphérique.

° Le collectionneur d’antiquités de physique qui possède un bel objet sans en connaitre l’usage et les finesses.

Cette page s’intègre dans la réalisation d’un système domotique nextion, en traitant de la manière de mesurer la pression atmosphérique locale de manière fiable, en concordance avec les valeurs données par une station météo de référence voisine.
Tous les capteurs dont nous disposons délivrent des valeurs de pression du lieu d'enregistrement qu'il sera indispensable de corriger pour en tirer la pression atmosphérique utile : celle ramenée au niveau de la mer.

Le début donnera les bases de compréhension et d’interprétation du baromètre de Torricelli : signification de la lecture de la hauteur du mercure et lien à la valeur donnée par la station météo voisine de référence.

Une autre partie montrera comment avec des moyens simples, il est possible de détourner la fonction primaire de ce baromètre pour étalonner en absolu les capteurs de pression électroniques.
Un « bon » (nous expliquerons ce terme) baromètre à mercure est un indicateur absolu parfait et nous pouvons l’adapter pour mesurer astucieusement toutes les pressions depuis le vide jusqu’aux maximums des pressions atmosphériques.

Tables complètement restructurées 27/08/2020
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clock Le baromètre de Torricelli

exp

Evangélista Torricelli, brillant esprit qui connaissait les travaux de Galilée, a réalisé sa très célèbre expérience en 1643 :
Il a rempli un long tube de mercure et l’a retourné sur un récipient plein du même métal liquide.

En constatant que la hauteur de la colonne se stabilisait vers 76 cm, il a compris que l’espace supérieur représentait le vide.
En connaissant la densité du mercure il en a déduit la valeur de la pression atmosphérique.

A la même période, Blaise Pascal s’est aussi intéressé à ce problème dans ses multiples travaux.

Le baromètre de Torricelli indique une hauteur de la colonne de mercure dont la masse correspond à la colonne d’air de l’atmosphère, puisque le vide est dans la partie supérieure du tube.

Cette pression, autrefois exprimée en atmosphères, puis en kg/cm2, est maintenant exprimée en Pascals.

Le Pascal (en l’honneur de Blaise Pascal) étant une unité petite, nous parlerons par la suite en hectoPascal : 1 hPa = 100 Pa

1 Pa = 1 N m−2 = 1 kg m−1 s−2

1000 hPa = 750 mm Hg = 0.9869… atm (atmosphère normale) 

La pression normalisée de référence (QNH) est : 1013.25 hPa = 760 mm Hg à 0°C

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clock Notions sur le mercure

Le mercure, anciennement "vif-argent", est extrait dans quelques mines, surtout en Espagne  (Almaden) et en Italie. Il se présente sous forme de roches contenant du cinabre rouge (HgS sulfure de mercure) et suintant de petites gouttes de mercure.
La transformation en Hg après broyage de la roche et grillage au four est extrêmement polluante, et les maladies liées aux vapeurs de mercure sont légion autour des sites de production.
Son symbole Hg vient du latin hydrargyrum = argent liquide. Le mercure "Hg" de densité 13.6 (c’est très lourd !), bout à 357 degrés Celsius et se solidifie vers -39 °C. Numéro atomique 80,

C’est un métal dangereux à utiliser qui émet des vapeurs toxiques dans l’air à toutes températures (même en phase solide).
Il faut le conserver en bouteille hermétiquement fermée avec le moins d’air possible car il se vaporise et s’oxyde à l’air (pellicule terne en surface), et bien ventiler pour le manipuler, sans jamais utiliser d’aspirateur pour ramasser les micro gouttes échappées, ce qui se diffuseraient en brouillard toxique dans l’air ambiant.
Comme il s’amalgame très facilement avec l’or (d’où le désastre écologique généré par les orpailleurs clandestins), il faudra évidemment enlever son alliance pour le manipuler.
Un plateau en plastique sera très utile pour récupérer les petites billes de mercure qui sautent partout. Ces billes seront ensuite rassemblées avec un pinceau dans le coin bas en une grosse goutte, facilement aspirée à la seringue.

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clock Restauration d’un baromètre de Torricelli

L’aventure a commencé avec la restauration sommaire d’un objet de décoration d’un ami. Cela avait pour objectif d’acquérir une expérience préalable à de plus ambitieux projets. D’autres baromètres ont suivi pour cette quête du Graal, connaitre sa pression atmosphérique.

Les délais de cette restauration n’intéressant pas tous les lecteurs, j’ai déplacé ce long chapitre dans une annexe, après la conclusion.

 

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Tension superficielle du mercure
dans un capillaire,
et bulle d'air ou de vide

Trop
secoué...

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Baromètre décoratif

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Observation du ménisque
et des impuretés

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Bulle parasite
sur impuretés

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Verre attaqué par le mercure

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clock Utiliser un baromètre comme instrument de mesure

 

. Définition du QNH

Nous parlerons souvent par la suite de QNH, il faut définir ce que c’est. Les stations météorologiques officielles indiquent la pression de référence exprimée en hectoPascals.

Il s'agit du QNH (terme utilisé en aéronautique), c’est la « pression barométrique corrigée des erreurs instrumentales, de température et de gravité et ramenée au niveau moyen de la mer (MSL ou Mean Sea Level) suivant les caractéristiques de l'atmosphère standard ». Ce terme vient du code Q en morse = Query: Nautical Height.


Plus simplement, le QNH est la pression ramenée à l’altitude de 0 mètre à 15 °C.

. Le début des questions

C’est maintenant que les problèmes ont commencé avec le baromètre restauré.
La hauteur de mercure me semblait bizarre, j’ai donc emprunté quelques spécimens de baromètres Torricelli dans mon entourage, et les ai mis côte à côte.
Ils sont tous identiques (le grand engouement des années 60), même lieu, même température, même pression, « débullage », compensation du zéro…
Ils montraient de troublantes divergences sur les hauteurs de Hg qui variaient sur plusieurs centimètres.

Cela posait une nouvelle question plus générale : Comment expliquer ces lectures farfelues ?

Le but était de corréler la hauteur de mercure lue avec la pression donnée (QNH) par ma station météorologique voisine de référence.
Dans ce chapitre nous évoquerons les multiples problèmes d’interprétation des lectures. C’est volontairement très simplifié pour une première prise en compte des incertitudes.
Ceux qui veulent aller plus loin, fouilleront le Net pour extraire les centaines d’ouvrages scientifiques très pointus traitant de la métrologie de la météorologie qui vont beaucoup plus profondément dans les analyses et les calculs que mon petit résumé.

Il faut transformer les hectopascals donnés en hauteur du mercure sur son baromètre.


La première opération est une simple règle de trois :

 

1013.25 hPa = 760 mm Hg

 

La deuxième opération est de corriger la pression en fonction de sa propre altitude.

La pression baisse avec l’altitude, il faudra corriger nos instruments et capteurs en fonction de notre altitude pour retrouver cette valeur.

Cette variation est énorme, elle est de 1 hPa tous les 8.50 m environ (28 feet, aux faibles altitudes), soit 1mm Hg tous les 5.65 m

-> 1016 hPa au niveau de la mer (QNH) = 1015 hPa à 8.50 m = 1006 hPa à 85 m = 916 hPa à 850 m

Exemple : Altitude = 238 m ... Coefficient d'altitude = 1.028692 soit 3%

hpa

Formule de référence

pour l'altitude simple

La troisième opération est de corriger la pression en fonction de la température.

Nous verrons que ce coefficient est plus faible que le précèdent, à 20°C, environ de 4 pour mille,

CoefT = (1+ a t)  = ( 1  +  T * 1.82*10-4)

T= température en °C
Coefficient de dilatation cubique
du Hg : a = 1,818.10-4

Pour automatiser ces opérations, j’ai créé deux feuilles Excel qui font tout le travail de calcul des diverses compensations (altitude, température, variation de niveau 0 du mercure):
La première est une page imprimable.
La deuxième est un formulaire interactif simplifié.


La documentation (importante à lire) est incluse.
Le programme Arduino est joint.

Tables complètement restructurées 04/09/2020
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xls


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Tables de calcul

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clock Mesurer notre pression

Pour étalonner notre matériel, il faut deux éléments fondamentaux :

. Connaitre son altitude

Nous avons vu l'importance de connaitre les altitudes avec précision. Les smartphones actuels ont un très bon GPS qui vous donnera votre altitude réelle au mètre près avec un bon dégagement et une vingtaine de satellites.
Mais attention, certaines applications ont des résultats farfelus avec des erreurs de plus de 50 mètres. Essayez divers programmes donnés comme « les meilleurs », sur plusieurs téléphones, pour choisir le chiffre semblant le meilleur après stabilisation, et comparez à des points de référence d’arpentage. Vérifiez le niveau du sol avec Google Earth qui est assez précis.

 

. Connaitre son vrai QNH

C’est beaucoup plus compliqué et incertain que son altitude ! Les diverses sources d’informations des stations voisines disponibles sur le Net donnent des résultats très variables.
Certaines donnent parfois la pression, sans l’altitude de référence, généralement sans afficher les dixièmes de hPa, ni préciser si la température est compensée : Ce n'est pas le QNH, il ne s’agit souvent que de prévisions et non des dernières valeurs réactualisées.

A titre d’exemple, à la même heure, prevision-meteo...marseille-provence-aeroport-lfml me donne : Météo de Marseille Provence aéroport (LFML) Pression ( ?)  =  1010.1 hPa
..... et allosurf...marseille-marignane-station-meteol : Relevés station météo Marseille – Marignane (LFML) Pression ( ?) = 1014 hPa.
Ce site semble intéressant: infoclimat.fr/observations-meteo/temps-reel...

Les stations METAR-TAF qui donnent les informations de QNH aux avions sont très fiables, mais n’indiquent pas les dixièmes (l'heure est en TU).

 

. Résultats des mesures

Je dispose comme contrôle d’un luxueux baromètre anéroïde holostérique de grande précision, étalonné par Naudet. Ce n’est toutefois pas une référence absolue, car il dispose d’une vis de réglage, touchée plusieurs en fonction de ce que je croyais être mon bon QNH !
C’est le même problème avec mon baromètre de Tonnelot, extrêmement précis,  dont nous parlerons plus tard.

Naudet

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clock Mesure de précision avec un simple baromètre de Torricelli

Si l’on veut utiliser un baromètre simple pour faire des mesures précises, il faut prendre quelques précautions basiques.

. La référence du zéro

Le niveau zéro a été repéré (voir chapitre restautation). Pour une lecture correcte, il faut que le niveau du mercure de la cuvette corresponde à cette marque, sinon il suffit de faire la petite correction. Nous verrons que ce problème a été traité sur les baromètres métalliques plus élaborés.


. La température

L’échelle graduée collée étant strictement linéaire, la dilatation du mercure n’est aucunement prise en compte. Il faudra donc faire une compensation de température (soustractive), comme cela sera expliqué pour les baromètres métalliques, si l’on veut des résultats précis. La normalisation a pris pour base, 15 degrés C, 760 mm Hg (de densité 13.6) = 1013.25 hPa.

 

. Anomalies des baromètres

M’étant plongé dans les mystères du mercure, j’ai emprunté quelques spécimens de baromètres Torricelli dans mon entourage, et les ai mis côte à côte. Ils sont tous identiques (le grand engouement des années 60), même lieu, même température, même pression, « débullage », compensation du zéro…
Ils montraient de troublantes divergences sur les hauteurs de Hg qui variaient sur plusieurs centimètres, bien loin de résultats espérés donnés par les tables Excel.

Voici un exemple des écarts énormes sur quatre spécimens de Torricelli, tout étant identique : +8mm, +1.5mm, -13 mm, -19mm
D’une manière surprenante, mon dernier spécimen (superbe, neuf, jamais mis en service auparavant, pour 20 €), suit bien les valeurs calculées !

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clock Analyse des causes d’erreurs des hauteurs de mercure


La liste suivante montre quelques causes d’erreurs du calcul du QNH après avoir lu la hauteur de mercure de son baromètre personnel et converti dans la table. Cela est très simplifié pour une première approche, mais plus on affine, plus on ajoute des incertitudes souvent non qualifiables. Ce n’est pas un propos d’ingénieur, mais avec nos petits moyens, il n’est pas raisonnable de donner une incertitude finale.

 

. Erreurs en fonction des données :


Mauvaise lecture de la hauteur du mercure ?

La lecture des plans des ménisques est faite avec un compte fil à grossissement x20, bien parallèle, pour limiter les erreurs de parallaxe. Le zéro a été bien repéré lors de la restauration pour s’aligner sur la gravure.
Trop de mercure donne une hauteur lue supérieure, et réciproquement. Double incertitude de lecture, du niveau bas et du haut de la colonne de mercure : Deux fois +/- 0.2 mm = +/- 0.4 mm sur 760, soit 0.5 pour mille.
Ce n’est pas une cause majeure.


La table Excel est fausse ?

Les formules sont bien celles de référence et les résultats ont été vérifiées sur des points singuliers (exemple : Altitude 5500m, 15°C, pression moitié…). Pas d’erreur ici sauf d’interpolation.


Le QNH de rérérence est faux ?

Il y a une incertitude si la station de référence est loin et que le vent souffle, le QNH local peut diverger, mais : 2% d’erreur sur le résultat impliquerait 2% sur le QNH soit 20 hPa, c’est impossible.


La température est fausse ?

La correction est très mineure, par exemple 1.00158 pour 28°c, donc une erreur de température de quelques degrés ne fausserait le résultat que de quelques un pour dix mille, ce n’est que le centième de ce que nous cherchons.


L’altitude est fausse ?

Être absolument certain de son altitude est plus délicat. Nous estimons que le GPS bien exploité et stabilisé donne le mètre, mais il y a toujours un doute.
Exemple à 238m le coefficient d’altitude est de 1.028692
Avec une énorme erreur de 10% sur l’altitude :  à 214 m le coefficient d’altitude est de 1.025755 soit une erreur de moins de 3% sur le résultat.
Cela pourrait expliquer l’erreur constatée, mais se tromper de 24 m sur l’attitude est peu sérieux.

Pour ne pas compliquer encore, et par manque de moyens :

Densité du mercure

Nous n’évoquerons pas la densité du mercure qui dépend de la composition isotopique et de la pureté, c’est une constante pour un spécimen donné, mais nous n’avons pas les moyens d’en calculer le coefficient de correction pourtant non négligeable.
J’ai rempli divers tubes identiques avec du mercure de récupération plus ou moins propre, et les écarts de lectures ont été considérables sur plusieurs centimètres.
Nous supposons notre mercure est du tri distillé vendu sous vide, nominal et parfait.

 

Capillarité

La correction de capillarité est complexe surtout sur les petits diamètres de 2 mm des Torricelli et de la qualité médiocre du verre, avec du mercure impur. Quand la pression monte/descend doucement, la ligne de séparation du mercure sur le verre ne bouge pas à cause des impuretés et de la tension superficielle, mais la concavité du mercure augmente/diminue, jusqu’à rupture de l’équilibre, c’est un phénomène d’hystérésis banal.
Si l’on trace la courbe fine de la hauteur du mercure en fonction d’une variation lente et continue de pression, elle sera en marches d’escalier, la concavité du ménisque fluctuant entre les marches. Les courbes en pressions croissante et décroissante sont très décalées.

Cela amène une incertitude importante de la lecture du plan du ménisque de plus du mm, mais que nous ne savons pas caractériser. Nous oublierons de tenir compte cette incertitude pourtant non négligeable par incompétence.
Cette image est extraite du document suivant qui détaille les complexes calculs de ce phénomène, bien au-delà de cette page : Manual of Barometry - WBAN - 1963.pdf


Petite astuce pour gommer ce défaut : Ne pas accrocher directement le baromètre à un clou, mais utiliser une longueur de ficelle intermédiaire.
Avant la lecture soulever brusquement le baromètre et le laisser retomber.
Les oscillations harmoniques amorties du mercure annuleront la marche d’escalier due au collage par capillarité.

 

Vapeur saturante du mercure

Cette vapeur dégrade le vide, mais le facteur de correction est faible.

 

Correction d’humidité

Nous n’avons pas introduit la compensation d’humidité qui joue de 1 à 2 % sur la différence d’altitude.
Correction d’humidité = 1+ 0.377e/p  (avec e = tension de la vapeur d’eau et p en mm Hg).

 

Gravité et latitude

Nous oublierons la correction de latitude (soustractive) due à la gravité g/g0 qui est faible qui est négligeable, avec g0 = 980.665 ms-2 et g45degrés = 980.616 ms-2
De même, nous ne ferrons pas la correction de gravité propre au lieu d’observation, n’ayant pas accès à un gravimètre, complexe machine de laboratoire.

 

En supposant les causes précédentes éliminées, il reste d’autres pistes à explorer, car cela n’explique pas que plusieurs baromètres en mèmes conditions divergent autant.

. Autres pistes


Si la hauteur de la colonne de mercure est trop faible.

Il est évident que le vide est pollué par de l’air entré accidentellement ou par dégazage d’un verre et d'un mercure impur. Les écarts peuvent être de plusieurs centimètres.
La solution est toujours le même : Vider le tube, nettoyer, etc., et recharger en mercure propre.
Il est très facile d’estimer si le vide est bon. Agiter verticalement le tube pour faire taper le haut de la colonne. Un claquement sec métallique doit de faire entendre, sinon il y a amortissement dû à des gaz parasites. Il ne faut pas y aller trop fort car le bout du tube peut exploser sous le choc.

 

Si la hauteur de la colonne de mercure est trop grande.

Ce n’et pas aussi simple, le mercure semblerait trop léger ?
Il peut être pollué par de l'eau ou des métaux parasites dissous, ou des microbulles d’air accrochées sur les impuretés du verre. Tout cela constitue des facteurs de diminution de la densité moyenne apparente.
Solutions : Idem, nettoyer…

Après les opérations de nettoyage, le résultat peut différer de plusieurs centimètres.

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clock Les baromètres métalliques

Les ingénieurs ont été très créatifs et le baromètre de Torricelli a donné naissance à beaucoup de dérivés astucieux et intéressants.

Les baromètres de Kew ont été développés pour les navires. En plus d’être évidement montés à la cardan, ils sont de construction particulière pour ralentir les mouvements violents de pompage du mercure en mer agitée qui empêchent le calage du vernier.
Ces beaux objets sont rares et sont souvent gradués en pouces.

Nous n’évoquerons que deux superbes autres évolutions qui étaient les références dans les stations météorologiques, car très précis et insensibles aux pannes, les baromètres de Fortin et de Tonnelot.
Ils ont été remplacés par des capteurs électroniques afin d’automatiser la collecte des données.

Tous ces baromètres à l’exosquelette en laiton sont dits « métalliques ». Ils ont une crémaillère à vernier pour apprécier le dixième de millimètre en lecture du plan supérieur. Ce terme n’a rien à voir avec les modèles à aiguille fonctionnant avec un tube de Bourdon.

Pour mémoire 760 mm Hg correspond à 1013.25 hPa. Sur ces baromètres métalliques, la lecture se fait 0.1mm Hg près, soit une précision de 1013.25 / 7600 = 0.13 hPa ce qui est surabondant.

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clock Baromètre de Fortin

Jean Nicolas Fortin a créé, au début du dix-neuvième siècle, un baromètre qui porte son nom. Le baromètre de Fortin est une amélioration astucieuse de celui de Torricelli qui résout le problème de l’échelle. En s’alignement bien horizontalement, le vernier donne une précision du vingtième de millimètre.
Le fond de la cuvette est souple et peut être déformé par une vis de réglage inférieure.
Petit inconvénient mineur : Avant chaque lecture, il faut régler la vis qui permet de déformer le fond de la cuvette souple et faire varier le niveau pour amener une pointe d’ivoire effleurer la surface du mercure. Cela se voit très bien dans le cylindre de verre. Ce réglage est très précis, aussi le vingtième de millimètre, pour peu que le mercure soit bien propre, mais en s’oxydant la précision se perd. Il faudra maintenir une surface parfaite.

Ce dispositif permet d’en faire un étalon absolu à mieux que le dixième de mm Hg (0.15 hPa) après compensations.
Les américains en ont construit beaucoup sous les appellations "ML-2-(x) barometer".  (x) représente la lettre des diverses variantes.

 

. Le Fortin du pauvre

Pour celui qui ne dispose que d’un baromètre de Torricelli et qui rêve d’un Fortin, il existe un petit bricolage possible. Cela consiste à remplacer les clips de la partie verticale par des pitons à œil, dans lesquels le tube en verre peut coulisser et supprimer le clip de base en le remplaçant par un appui sur une vis réglable en hauteur.
Pour repérer le niveau zéro du mercure, plutôt que d’aller prélever un bout d’éléphant, il est préférable de récupérer une petite tige en Téflon, que l’on appointera avec un taille crayon. Le Téflon se dilate très peu.
Afin de faire un repère du zéro cette tige verticale sera fixée à la planchette en traversant le bouchon à vis. Cela est simple et fonctionne. Le plus délicat reste à monter un dispositif de visée à vernier du plan supérieur. Cela ne vaut évidemment pas vrai Fortin, mais c’est pour faire avec les moyens du bord.

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Image empruntée à la publication
Le Compendiium
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de 1855

 

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clock Baromètre de Tonnelot

Le baromètre à échelle compensée de Tonnelot (constructeur à Paris, fin du dix-neuvième siècle) résout autrement ce problème. La surface du bassin inférieur est cent plus grande que celle du tube, c’est-à-dire que pour une hauteur de colonne variant de 1 cm, la hauteur du plan de référence ne variera que de 0.1 mm. Le terme "échelle compensée" signifie qu’au lieu d’être graduée strictement en mm, elle est gravée en 100/101 mm pour compenser exactement la variation de hauteur du mercure.
Le réglage du vernier est très simple et fin, et pour augmenter la précision j’éclaire par le haut du tube avec un petit laser qui matérialise bien le plan du mercure à faire coïncider (Excusez l’anachronisme osé…).

C’est un système très précis, de référence dans les stations météorologique car sans réglage en exploitation, ce qui élimine une cause d’erreur. Ce matériel est chargé en mercure à la fabrication et il n’y a plus aucun accès possible par la suite, l’équilibre des pressions se faisant au travers d’une peau de chamois déformable qui bloque le mercure. En contrepartie, le gros défaut est dans le réglage zéro du niveau initial de mercure car il faut l’ajuster avec précision à la mise en service (poche à mercure souple et vis), le niveau inférieur n’étant pas visible. Nous n’avons plus aucune référence à postériori dés que la vis a été touchée en sortie d’usine. Il ne peut donc être étalon primaire à la différence du Fortin.

Les américains ont copié ce baromètre de référence. La société Welch fabriquait les exemplaires pour la Navy, le la société Friez pour l’USAF. Les anglais utilisaient le Kew. Je ne connais pas la version allemande (à compléter).
Ces modèles plus récents ont un énorme avantage, ils disposent d’une vis bouchon pour le remplissage. Les modèles originaux ne l’ont pas et sont extrêmement difficiles à remplir après maintenance.

 

Ce document
original
provient d’un
grimoire inconnu,
recopié de site en site…

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Grande image

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Vernier


. Restauration de mon baromètre de Tonnelot

Mon superbe spécimen est un modèle 1892 en parfait état, il porte le numéro 3216 « Tonnelot Paris ». Gravure mystérieuse sous le thermomètre : 1XXXX. La date de fabrication est probablement autour des années 60, car une partie comporte du plastique qui n’existait pas auparavant..
Le choix discutable qui a été fait était de retrouver le laiton brillant d’origine, en perdant la patine. Le plus facile a été de vernier la planche au tampon après ponçage. Cela était une très mauvaise idée, car le laiton n’est pas resté brillant longtemps, i il commence à noircir irrégulièrement et il faudra très longtemps avant de retrouver une jolie patine générale.

Le diamètre du tube verre est de 12.5 mm extérieur, 6.5 intérieur, pour 970 mm de long. C'est du verre très épais de 3mm pour faire effet loupe.

. Difficultés

En nettoyant l’échelle, l’argenture très fine et oxydée est partie laissant apparaitre la base laiton.
J’ai ré-argenté à froid, ce qui pose un problème délicat, car un dépôt blanchâtre s’incruste dans le noir des graduations.
Il faut tout recommencer et nettoyer à l'eau savonneuse et à l’acétone, garnir les graduations de peinture noire au petit pinceau pour ne pas laisser de creux, poncer pour enlever les bavures, puis recommencer l’argenture (cinq passages).
J’ai tenté un vernis mat à la bombe, une fois cette autre argenterie terminée, c’est un échec ! Il a fallu tout recommencer une nouvelle fois.
De plus, une fois l’argenture semblant correcte, elle ne tient pas. Alors qu’elle est protégée par l’enveloppe verre et qu’il n’y a donc aucun contact possible avec les doigts, au bout de deux semaines elle avait quasiment disparu laissant voir le laiton d’origine et en se décomposant sous forme de poudre blanche qu’il ne faut pas sniffer.

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Décomposition
argenture
à froid

Les phases suivantes sont plus compliquées.

J’ai consulté de très nombreux manuels en vue de comprendre les subtilités de la maintenance d’un Tonnelot, considérablement plus difficile que celle d’un Fortin, mais un seul document est vraiment exploitable (à votre disposition si vous me le demandez) : MANUAL FOR OVERHAUL, REPAIR, AND HANDLING OF MAR1NE MERCURIAL BAROMETERS WITH PARTS CATALOG - BUREAU OF SHIPS NAVY DEPARTMENT - NAVSH1PS 250-624-11 - 1953.pdf

La bague laiton est très difficile à dévisser malgré l’utilisation de dégrippant. Au remontage, un joint papier évitera ce grippage en vue d’un démontage ultérieur.
Il faut commencer par enlever les surliures et décoller le manchon en peau de chamois avec une aiguille. L’étanchéité est faite avec de la cire (wax  dans les manuels US) qui a durci. Au remontage elle sera remplacée par du joint silicone. Cela permet d’enlever le capot de la citerne (top cistern cover) et de désolidariser le tube en vidant le mercure. La citerne demandera un soufflage à l’air comprimé pour enlever poussières et débris.

J’ai récupéré 785 grammes de mercure très sale. Le tube verre demande un gros travail de nettoyage rendu difficile par la finesse de la pointe destinée à freiner les mouvements de mercure (le trou est de 1.8 mm).

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Dévissage bague

Elimination surliures

Pointe du tube et 785 g de Hg sale

Nettoyage intérieur du tube.
Il était très sale et le mercure accrochait les dépôts. J’ai effectué un ramonage en utilisant d’abord un fil d’acier multibrin dénudé, puis en bourrant de ficelle et en faisant tourner le tube, mais il reste à passer à l’acide nitrique (HNO3), puis eau distillée , puis mercure bouillant, etc.. Le trou de la pointe est très petit (1.78mm) ce qui ne facilite pas le nettoyage.

Le tube est beaucoup plus propre, mais ce n’est pas encore parfait.

Vis de remplissage
Le bricolage consiste à percer le fond de la citerne (bottom cistern cover) et à coller un bloc plastique à l’Araldite comportant une vis nylon bouchon, afin de pouvoir vider et remplir le baromètre, sans passer par la procédure US irréalisable pour un amateur.
Le plastique du fond est très mince, il n’est pas possible de tarauder directement.

Pièce à réaliser :

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. Catastrophe

Sans raison apparente, le tube était bien posé et sans choc, j’ai observé une fêlure en 1. En le prenant, il s’est brisé en trois morceaux (3)…
Quelques jours plus tard une longue fissure est apparue dans le petit tronçon (entre 2 et 3)., ce qui prouve que le verre est plein de contraintes inexpliquées.

Par chance ces bris concernent le tiers inférieur du tube invisible dans le corps laiton.
Soyons positif. J’ai pu ainsi parfaitement ramoner la partie visible…
t
En s’alignant sur une règle, j’ai recollé l’ensemble au cyanoacrylate, mais il y a eu des éclats et il manque des bouts de verre. Cela n’a évidemment aucune tenue mécanique. J’ai donc manchonné dans une gaine d’installation électrique en bourrant de joint silicone, ce qui assurera l’étanchéité, même si l’état de surface interne sera défectueux dans cette zone (risque de création de microbulles).
Il sera maintenant très difficile de chauffer le tube inversé pour bien dégazer.

Réparation à la Dubout terminée, reste à voir au remontage…

J’ai aussi un plan B, j’ai rajouté un tube de rechange sur ma commande d’un Fortin en Inde. Il est plus petit et plus fin (8x6x850) que le Tonnelot d’origine (12.5x6.5x870), mais cela pourra faire avec une adaptation et une correction de table.

Cette restauration cosmétique m’a pris pour le moment 35 heures, mais c’est loin d’être terminé.

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clock Correction de température des baromètres métalliques

Les simples baromètres de Torricelli de décoration son calés sur les normalisations internationales, 760 mm Hg à 15 °C.

Mais pour tous les baromètres métalliques de précision munis d'un vernier, par convention, la graduation de la hauteur de mercure est celle qui serait lue à 0°centigrade !
Le thermomètre intégré permet de calculer le coefficient de correction à apporter à la lecture en fonction de la température.

Pour ne pas se tromper dans le sens de la correction : Un métal se dilate en chauffant, donc il occupe un volume plus grand. Comme le nombre d'atomes ne change pas, il devient plus léger (la densité diminue). La colonne de mercure sera plus haute.
Pour compenser, il faudra diviser la lecture par un coefficient légèrement supérieur à 1 (de quelques millièmes).

Coefficient de dilatation cubique du Hg : a = 1,818.10-4
différence de température en °C : t

 En réalité, pour être plus rigoureux, il faudrait aussi prendre en compte la dilatation des supports !
Laiton : a = 18,5 × 10- 6 K-1
Verre pyrex : a = 4 x 10-6 à 9 * 10-6
Bois (chêne, épicéa, érable) : a = 35 x 10-6 à 55  x 10-6

Et oui, cela peut paraitre curieux, mais le bois aussi se dilate, le double du laiton… Cette dilatation va dans le bon sens pour diminuer l’effet de celle du mercure, mais comme les valeurs sont de l’ordre du dixième de celle de la dilatation du mercure, nous pouvons ignorer ce phénomène sur le support.

Exemple :Au niveau de la mer, lecture à la température à 20°C : H = 762.8 mm Hg
L’instrument est étalonné à 0°C : H = Ho (1+ a t)
Coefficient de dilatation à 20 °C : Coef20 = (1+ a t)  = ( 1  +  20 * 1.82*10-4) = 1.00364
Ce coefficient de 1.00364 à 20 °C est donc bien loin d’être négligeable. Il est près de 4 pour mille, à comparer avec la précision de lecture au vernier, mieux que 0.1 mm/760 = 0.13 pour mille.
La correction de température est donc trente fois plus importante que l‘erreur de lecture soignée, il est donc indispensable de la prendre en compte.

Ho = H / Coef20 =  762.8 / 1.00364
Ho = 760 mm de Hg, correspondant à la pression absolue réelle à l’altitude du lieu, ramenée à 0°C.

. Double correction : Altitude + Température

Nous avons déjà évoqué la correction altimétrique (très importante) qu’il ne faudra pas oublier pour calculer le QNH et retrouver la valeur de sa station météorologique locale de référence.
Il existe d’autres compensations moins importantes (par exemple l’accélération de la pesanteur différente de 9.81 m/s2) que nous oublierons pour le moment.

En reprenant nos exemples, calcul global des corrections à apporter à la lecture de notre baromètre parfaitement étalonné.
Mon altitude étant de 238 m, mon coefficient de correction altimétrique est de 1.028692, la température est de 20°C

Ma lecture brute du vernier du Tonnelot (étalonné en absolu à 0°C) est de 738.8 mm Hg
Application du coefficient d’altitude pour ramener à la lecture 0°C  au niveau de la mer : H = 738.8 * 1.028692 = 762.766 mm Hg
Compensation pour amener à l’étalonnage de 20 à 0°C : 762.766 mm Hg / 1.00364 =  760 mm Hg


Ce QNH vrai de 760 mm est très loin de notre première lecture brute naïve de 738.8 mm !

Les deux compensations sont indispensables. Ma table Excel vous permet de tout calculer en une seule fois.

f

xls


f
Tables de calcul

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clock Petit aparté amusant

Les anciens n’avaient pas l'idée de la pression atmosphérique mais avaient besoin de connaitre l’altitude d’un lieu pour dresser leurs cartes.

Ils avaient remarqué que la température d’ébullition de l’eau baissait régulièrement avec l’altitude. Il est facile de trouver de l’eau partout et de faire un petit feu, un thermomètre sommaire gradué précédemment en altitude sur des points connus leur donnait une estimation suffisamment précise pour l’époque. L’hypsomètre, qui est encore utilisé comme altimètre, en est une version améliorée.

Ce petit tableau montre quelques valeurs de la température d’ébullition de l’eau en degrés centigrades en fonction de l’altitude.

"Instructions Météorologiques" 1891 :
"Il est souvent commode en voyage d'employer, pour mesurer la pression, le thermomètre hypsométrique. Le principe de cet instrument est le suivant : lorsque l'eau entre en ébullition, la température de sa vapeur est telle que la tension maximum correspondante est égale à la pression qui s'exerce sur le liquide. On déterminera donc la température de la vapeur produite par l'eau bouillant à l'air libre et on cherchera dans une Table la tension maximum correspondante".

Altitude
mètres
Température
d'ébullition
0
100.0
500
98.3
1000
96.7
1500
95
2000
93.3
4000
86.6

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clock Etalonnage des capteurs de pression


Cette dernière partie ne concerne que les micro-informaticiens utilisant les capteurs

. Les capteurs

Il existe une grande variété de capteurs électroniques pour les diverses gammes de pressions, et cette page n’est pas restrictive à un seul type !
Pour mesurer la pression atmosphérique, dans le monde Arduino, une famille développée par Bosch est très répandue.
J’ai utilisé successivement les BMP085, 180, 280.
Le BME280 est un BMP280 auquel est rajoutée la mesure du taux d’humidité.
Le BME680 est un BME280 auquel est rajoutée la mesure de gaz.
La série continue...

Les datasheets de Bosch sont très instructifs, il faut les étudier avec soin. Chaque nouvelle génération de capteurs est meilleure que la précédente. Il existe toutes les bibliothèques d’exploitation. La liaison se fait au choix en I2C ou SPI. (Pour les non micro-informaticiens, ce sont les protocoles de liaison série basiques)

 

. Les mesures

Si l’on cherche une valeur précise et répétitive de la pression, plus précisément du QNH, les choses ne sont pas si simples !
Prenons par exemple l’ancienne génération BMP280 dont j’ai testé beaucoup d’exemplaires montés en parallèles. Le datasheet nous donne :
Relative accuracy    ±0.12 hPa, equiv. to ±1 m  (950 … 1050hPa @25°C) _____ Et absolute accuracy ±1.7 hPa

Il faut donc s’attendre pour une pression normale de 1013.25 hPa (ramenée à l’altitude) de lire entre 1011 et 1015 hPa, avec les mèmes tolérances entre anticyclone 1025 hPa et dépression 980 hPa.

bmp

BMP280

En traçant simultanément les courbes de divers capteurs placés au même endroit dans les mèmes conditions, il est surprenant de constater que les courbes ne sont absolument pas parallèles et « tricotent » avec des écarts bien supérieurs aux prévisions ! Cela semblerait provenir du fait que les composants montés sur les platines chinoises sont des seconds choix éliminés au contrôle.

Une correction élémentaire du premier degré (y = a x + b) minimisera le problème. Tous les calculs se feront évidemment en flottant :

Valeur retenue = (Valeur lue * coefficient multiplicateur) + offset

Suivant les cartes, mes coefficients multiplicateurs sont entre .99 et 1.1 et les offsets de +/- 3 hPa
C’est beaucoup, car les composants divergent au-delà de ce qui est attendu, Ce n’est pas parfait en s’éloignant de la pression moyenne mais il est difficile de faire mieux, sauf à disposer d’un banc d’étalonnage en pression comme décrit ci-après qui permet de sortir une courbe Excel pour chaque capteur et corriger au mieux. Il faut s’efforcer d’être au mieux autour du 1013.25 hPa (ramené à l’altitude !) et fermer un peu les yeux en s’éloignant de la moyenne…

Les valeurs retenues des capteurs se font après un filtrage comme décrit ici : Filtrage par pondération temporelle f

ili

Ancienne génération
sur DUE

Pour rester simple, je ne parle que de la méthode rustique de compensation externe, mais en étudiant le document Bosch, vous verrez que l’on peut agir aussi subtilement sur les réglages internes !

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clock Banc d’étalonnage des capteurs de pressions

L’instrument de base indispensable est un baromètre de Torricelli comme décrit,


Il faudra s’assurer avoir vaincu les embuches citées précédemment loes de la restauration, et qu’il indique bien à la pression ambiante la valeur données par les tables.

Si les valeurs divergent trop, il est inutile de continuer, les résultats ne seront pas interprétables.

 

 

 

t
Mon Torricelli numéro 3,
neuf pas encore déballé

. Le bidon plastique

L’enceinte de mesure choisie est un bidon plastique à gros bouchon. Un tube en cuivre provenant d’un coaxial semi rigide adopté en hyperfréquences, servira pour raccorder le tuyau.
Une douille banane femelle sera le fourreau d’un petit câble multibrin.
Ces deux tubes sont soudés à l’étain sur une plaquette cuivre.
La plaquette est noyée dans le silicone coté interne, ainsi que les tubes du coté externe et le câble multibrin.

Il ne reste plus qu’à placer le capteur 4 fils (I2C) ou 6 fils (SPI). Un Arduino extérieur permettra de lire les valeurs.

L’air s’infiltre dans le multiconducteur, il faut noyer toutes les extrémités des fils après soudure.

Premier essai en immergeant le bidon dans un seau d’eau et en surgonflant :
Repérage de bulles. Séchage et re tartinage de silicone sur la zone repérée et mise en dépression pour que le silicone soit aspiré dans les micro-fuites et colmate.
Nouveau test en surpression : Plus de bulles, je passe aux tests.

 

b

b

. Dépression et compression

Un aspirateur permet de réaliser au mieux une dépression de 200 hPa : 1203 hPa -> 803 hPa.


En compression soyez prudents, un compresseur pour gonfler les pneus monte à près de dix fois la pression atmosphérique, l'enceinte aura explosé bien avant.
Il faut se limiter à quelques centaines de hPa, ou pour parler en pneus, 0.2 bar.
Les petits gonfleurs de jouets de plage ou une pompe à vélo suffisent largement pour les tests.

Comme le montre la courbe, fuite 45 hPa en 24 h, la première réalisation a échoué, je n'ai pas su parvenir à une étanchéité suffisante.

Ma première approche avait été d’utiliser un pot de miel en verre dont le couvercle était découpé pour passer une prise DB9 et le raccord d'un tuyau, le tout noyé dans un bloc de silicone.
J’ai abandonné, ne pouvant maîtriser la micro-fuite restante. Fort de mon passé de moniteur de plongée qui a réalisé de nombreux boîtiers étanches pour mes photos sous-marines, j'avais sous-estimé la difficulté, mais je ne dispose plus des moyens industriels de l’époque.

Premier échec du bocal

b2
Fuite de 45 hPa
en 24 heures

b1

. Résultat des tests

Observez la courbe <Pression> après mise en forte dépression sur 24 heures.
Le pompage est terminé vers 21:15, le tuyau est bouché. Je suis allé me coucher en estimant qu’il y avait encore une fuite car dans les premières heures la pression remontait. Au réveil surprise, la pression à baissé comme au départ, puis a commencé à remonter vers 10:00. Cette courbe à priori contre-intuitive, s’explique parfaitement en se souvenant de la loi de Boyle-Mariotte :

Loi des gaz parfaits :   

 P * V = n * R * T

P = pression
V = volume
n = quantité de matière (nombre de molécules du gaz)
R = constante universelle des gaz parfaits
T = température. (en °Kelvin)

d

Déformation
en forte dépression

 

 

 

Vous comprendrez mieux en corrélant la courbe des pressions avec celle des températures du BMP280.
Admettons qu’il n’y a aucune fuite, le volume est constant, donc le facteur :( n * R / V ) est constant, donc la pression est strictement proportionnelle à la température absolue (en °K).

Au début, pompage en dépression à 853.3 hPa, ce qui refroidit le gaz dans l’enceinte à 23.45 °C : la pression monte, l’équilibre thermique se produit vers minuit, à 860 hPa et 24.2 °C,
La température baisse de 0.6 degrés pendant la nuit, à 23.45 °C, entrainant une baisse de pression de 2 hPa à 857.8 hPa.
Vers 10:00 la température de la pièce remonte donc la pression remonte et se stabilise à 859.47 hPa, la petite baisse de température vers 19:00 ne se voit pas encore à cause de l’inertie thermique, mais s’est vue la nuit suivante.
En conclusion de cette courbe surprenante au premier abord : L’enceinte est parfaitement étanche en dépression.

J’ai fait le même test en surpression, résultats identiques (mais en sens inverse)  :
Après gonflage, l’air s’est échauffé puis se refroidit, la pression baisse dans les premières heures, puis remonte, etc. Le lendemain la pression est stable et oscille doucement en fonction des variations de température.

L’enceinte est donc validée comme parfaitement étanche

L’enceinte étant est étanche à des écarts dix fois supérieurs à ceux des mesures réelles (pour rappel anticyclone 1025 hPa et dépression 980 hPa), elle sera donc parfaitement étanche dans une plage d’étalonnage de 1013.25,  + 10 hPa et - 25 hPa.
Il faudra penser à ne faire varier la pression que par petits paliers pour laisser les températures bien s’équilibrer…

 

e

Test en forte dépression
Lire l’explication des courbes

. Astuce : Brancher le réservoir

Le bouchon vissé sur le verre fuit, il sera impossible de faire l’étanchéité avec un autre bouchon percé.
L’idée est de couper une seringue, la ramollir à l’air chaud ou à l’eau bouillante et de la manchonner sur le réservoir.
L’autre seringue permet de faire varier la colonne de Hg entre les limites et de vérifier que cela ne fuit pas, avant de raccorder le système de mesure (sinon, tour de ruban adhésif…).

J’ai adopté les raccords et Tés pour arrosage automatique, très communs, faciles à adapter sur des tuyaux souples divers.

La petite marque au feutre blanc correspond au zéro de l’échelle, niveau du mercure à 760 mm et 20°C. Il faut ajuster à la goutte près pour aligner ce niveau.

 

. Programme d’étalonnage du BMP280

Après avoir rentré votre altitude dans le #define (ici 238), votre bon type de baromètre, et chargé le bon driver, vous obtiendrez cet affichage série 115200 bauds :

Altitude = 238 m ... Coefficient d'altitude = 1.028692 ... Température = 25.74 °C ... Coefficient temp = 1.004685
Baromètre type <Métallique> : La température de référence est de 0°C pour un métallique, de 15°C pour un Torricelli.

989.45 hPa ... 742.15 mm Hg <-- Lecture brute du BMP280
1017.84 hPa ... 763.44 mm Hg <-- Votre QNH brut compensé en altitude
1013.09 hPa ... 759.88 mm Hg <-- Votre QNH réel final, avec compensation thermique

Les valeurs à retenir sont sur la dernière ligne, après les deux corrections multiplicatives, ici en pression ambiante :
1013.09 hPa ... 759.88 mm Hg : Cela doit correspondre au QNH donné par votre station météo de référence (mais il était donné pour 1016...).
La valeur Raw, ici 742.15 mm, doit être la hauteur lue sur votre colonne de mercure
Si vous trouvez des bonnes valeurs voisines de celles calculées pour diverses pressions, votre BMP280 et votre baromètre à mercure sont nominaux.
Tracez la courbe Excel (Pression corrigée du BMP280 / Hauteur mercure lue), pour vérifier que la pente est très proche de 1 et l’offset faible.
Si vos valeurs divergent, les problèmes commencent…

 

Le programme
Arduino pour étalonner
un capteur Bosch
et un baromètre Hg :

f

Remarque 1 : BMP280 ou BME280 ?

Même si vous avez un BMP280, il vaut mieux utiliser la bibliothèque BME280 plus évoluée que celle du BMP280. Evidement vous lirez un taux d’humidité à zéro.


Remarque 2 : BMP280 chinois

J’ai commandé plusieurs lots de BME280 chinois à pas cher… En réalité il s’agissait de BMP280 hors tolérances et ré étiquetés BME…

 

Remarque 3 : Attention aux subtilités du C !

Si vous écrivez :
float pressure = .01 * bme280.getPressure() ;
Serial.print (pressure , 2) ;

Vous imprimerez par exemple : 991.17, C’est normal, vous multipliez un flottant (0.01) par un uint32_t (getPressure() ), la conversion implicite vous donne bien un float avec toutes ses décimales.

mais si vous écrivez
float pressure = bme280.getPressure() / 100;
Vous imprimerez : 991.00 en perdant les deux chiffres significatifs ! C’est une faute, vous divisez un uint32_t par un entier, le résultat est un entier, converti ensuite en float et il n’y a donc rien après la virgule.

Par contre en écrivant /100.0 , vous divisez bien un uint32_t par un double,  la conversion implicite vous donne bien un float avec toutes ses décimales.

Les conversions de types sont complexes et sujettes à bien des erreurs…

 

Remarque 4 : Pourquoi garder la température initiale pendant les mesures.

En début de manipulations, la température du mercure est équilibrée avec celle du BMP280. Lors des tests, en augmentant / diminuant la pression dans l’enceinte, le BMP280 va s’échauffer/ se refroidir (loi des gaz parfaits), alors que la température du mercure ne bougera absolument pas. Le firmware Bosch corrige la température dans l’affichage de la pression, c’est pour cela qu’il ne fait pas faire intervenir la température instantanée.

float calcCoefAltitude (int Alt)
{
float P0 ;
P0 = (288.15 - 0.0065 * Alt) ;
P0 = 288.15 / P0 ;
P0 = pow (P0, 5.255) ; 
// 1.028692 pour 238 metres
return P0 ;
}

 

 

 

 

. Alternative

Il est aussi possible de ne pas monter de prise. Avec un bocal plus grand, un Arduino alimenté sur accumulateur permettra de gérer un afficheur visible au travers du verre, c’est une cause de fuites en moins.

Les bacs pour congélation avec couvercle plastique et valve d’aspiration conviennent très bien aussi en dépression, mais ne le couvercle sautera en compression.

 

. Exploitation et résultats

Pour lancer les mesures précises, il est préférable d’attendre que le vent soit très faible, en effet le QNH de la station de référence peut différer du local lors des mouvements des masses d’air. Sans vent, le champ des pressions ramené au QNH est équipotentiel.

Après de nombreuses courbes Excel, avec des pas de pression très petits, il s’est avéré que cela était inutile, la réponse du BMP280 étant assez linéaire. Il suffit alors de prendre seulement deux points, l’un en dépression -200 hPa, l’autre en compression +200 hPa. C’est très loin des valeurs réalistes de nos futures variations de pression, mais cet écart énorme permet de réduire les erreurs de lecture de hauteur de la hauteur de mercure..

Cela permet de calculer la pente et l’offset de la droite, courbe du premier degré, y = a x + b
<y >est la valeur lue sur le BMP280, en mmHg, donnée par le petit programme joint qui intègre les compensations
<x> la hauteur de mercure lue.

Vous devriez trouver la pente a = 1 et l'offset b = 0, avec égalité des deux valeurs à la pression ambiante.

La réalité sera moins glorieuse avec un composant chinois de second choix.


Fin de la partie qui ne concerne que les micro-informaticiens utilisant les capteurs

 

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clock Mesure grossière du vide

Une extrapolation des découvertes de Torricelli nous permet de mesurer très simplement des pressions très faibles, comme par exemple la dépression créée par un aspirateur ou une pompe à vide. Il suffit de disposer d’un godet plein de mercure dans lequel plonge un tube souple vaguement vertical sur environ 80 cm et de raccorder le haut du tuyau à l’enceinte dont on veut mesurer le vide partiel. On peut évidemment faire la même chose avec une colonne d’eau qui ne pourra pas s’élever à plus de 10 mètres en dépression.

Si par exemple le mercure s’élève de 760/2 = 380 mm, ou l'eau à 5 mètres, nous saurons que nous avons obtenu approximativement un vide d’une demi atmosphère, environ 506 hPa.

En poussant le pompage pour essayer de faire monter le mercure jusqu’à environ 760 mm, il faudra mettre en place des moyens de plus en plus lourds et utiliser d’autres méthodes fines pour les mesurer dans l’ultra vide, très difficile à obtenir.
Les vides poussés sont indispensables dans l’industrie, pour la fabrication des tubes à rayons X, des anciens tubes électroniques et cathodiques , pour la purification des métaux et semi-conducteurs, en chimie, etc.

Il pourrait venir à l’esprit d’inverser le dispositif pour mesurer des pressions fortes, mais autant il est impossible d’obtenir une dépression supérieure à une atmosphère (760 mm de Hg), autant les pressions supérieures n’ont pas de limites.
Cela pourrait conduire à des colonnes de mercure de hauteur démesurées. Les fortes pressions de mesureront par exemple avec des tubes de Bourdon déformables qui peuvent avoir des plages quelconques (dans les deux sens).

. Baromètre à eau

On peut aussi faire un baromètre avec un long tuyau transparent bouché et de l’eau, la hauteur de la colonne s’élèverait alors à 0.736 * 13.6 = 10 mètres, mais la vapeur d’eau fausserait la valeur.
Pression = 1 kgF/cm2, une atmosphère, comme par hasard… C’est pour cela qu’aucune pompe ne pourra jamais aspirer de l’eau à plus de 10 mètres de dénivelé. Les fontainiers travaillent toujours en compression (illimitée).

f

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clock Achat de baromètres : Cotation sur le marché

Attention à la casse si envoi par transporteur ! Certains vendeurs décalés affichent des prix délirants, inutile de discuter

Un Torricelli en parfait état se trouve à 30€ ou moins, il y en a des dizaines partout en France sur le LeBonCoin par exemple. J’en ai eu à ce prix en emballage d’origine, jamais ouverts et stockés soigneusement depuis les années 60. Ce sont souvent des débarras après succession. Il s’en vendait des quantités comme objets de décoration fantaisie, quand ils étaient à la mode autrefois, mais la grande majorité de ces objets considérés comme des ringardises ont été jetés. Pour les plus sales, avec plus ou moins de vieux mercure pollué restant, une restauration s’imposera.

Un Fortin ou Tonnelot se trouve à 150€, mais il demandera une restauration lourde comme je l’ai indiqué.  Le mien m’a couté 50€.

Un Kew à cardan (en pouces) est plus cher.

Le mercure si nécessaire… Interdit à la vente, les prix sont totalement farfelus. Je viens de rater 35 kg pour 200€, mais ce peut être aussi une somme délirante pour un petit flacon douteux. On trouve du tri distillé en emballage sous vide, mais aussi des déchets trop pollués pour être récupérables pour un amateur.

En Inde et en Chine, il se fabrique actuellement des baromètres de Fortin neufs à très bas prix (mais le port et la douane triplent ce prix). Il existe une dizaine de constructeurs qui vendent en gros, mais je ne sais à qui, toutes les stations météorologiques sont maintenant équipées en capteurs numériques.
Ils sont toujours vendus sans mercure, mais avant de vous lancer, assurez-vous de disposer du kg de mercure pur nécessaire.
J’attends de recevoir mon Fortin indou en octobre pour en faire une description.

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clock Conclusion

Il est intéressant de disposer d’un baromètre à mercure si l’on s’intéresse à la météorologie (ou à la décoration). De plus, en métrologie, ce banc d’étalonnage simpliste s’avère très utile, afin de régler tous ses capteurs pour qu’ils indiquent les mèmes valeurs dans les mèmes conditions, au plus près des valeurs de référence. On ne peut pas faire plus simple avec nos petits moyens de bricoleurs.

Pour résumer ce qui a été développé, afin d’obtenir son QNH significatif après corrections par les tables, il faut respecter trois conditions simples (en théorie) pour obtenir un baromètre réellement fonctionnel :
Le mercure doit être propre et pur, dégazé, etc.
Le tube verre propre et bien dégazé (la qualité du verre est difficile à maitriser)
Le vide doit être parfait

Je recherche du mercure… Faire offre

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clock Annexe : Détails de la restauration d’un baromètre de Torricelli

 

Cliquez ici pour revenir au chapitre d’appel

 

Après s’être assuré que le verre n’avait aucune fente, et vidé le vieux mercure, le tube a été nettoyé. Le verre ordinaire était grisâtre, le gros réservoir du bas était taché par de l’oxyde ne mercure jaune (HgO).
Le nettoyage de la colonne avec un micro capillaire est compliqué, car le diamètre intérieur est seulement de 2 mm pour les bas de gamme décoratifs afin d'économiser le mercure.

Quelques manipulations sont nécessaires pour chasser les bulles d’air en inversant la colonne, et tenter d'éliminer ainsi tout défaut visible (le mot débullage n’existe pas).

Si l’on veut simplement transformer ce baromètre en un objet de décoration, l’ancien mercure est récupérable et l’opération est terminée.

b

Un chapitre suivant montrera qu’en faire un instrument de mesure va nous amener beaucoup plus loin.


. Quelques remarques :

Le mercure parfait ne mouille pas le verre parfait, et la surface est bien un ménisque convergent.

Les impuretés créent des accrochages de tension superficielle qui perturbent le repérage précis des niveaux.

Il existe deux types de bulles dans la colonne :
° Les bulles d’air qui s’accrochent aux impuretés du tube en finissent par remonter en secouant.
° Les bulles de vide qui ne bougent pas et se manifestent par des séparations et recollements inattendus en un point quelconque de la colonne de Hg.


. Astuce :

Il faudra secouer et tapoter longuement le tube inversé pour chasser les bulles, les plus petites étant très pénibles à éliminer.
Attention en tapotant la colonne, lors de cette opération, il y a un grand risque de casser le verre en répandant tout le mercure ! (voir mon baromètre numéro 2)
Le tube est inversé, mais le bouchon bien serré fuit et laisse échapper de multiples microbilles. La solution est d’entourer le réservoir d’un double sachet plastique fixé par des élastiques qui récupèrera les gouttes, au-dessus d'une grande bassine.

 

Cliquez ici pour revenir au chapitre d’appel

 

t
Tension superficielle du mercure
dans un capillaire
et bulle
d'air ou de vide

 

Trop
secoué...

t

Baromètre décoratif

t

Observation du ménisque
et des impuretés

t

Bulle parasite
sur impuretés

t

Le verre attaqué par le mercure
reste très sale (non récupérable)

 . Dégazage et purification du mercure

Des mercures pollués donneront des résultats imprévisibles. L’idéal est de disposer de mercure tri distillé neuf en emballage sous vide.

Il est dangereux de dégazer son vieux mercure dans un bécher pyrex à la lampe à souder, le dégagement de vapeurs est extrêmement toxique, même en plein air. Un amateur ne peut pas réaliser une triple distillation, il faut du matériel très spécialisé et des précautions, la seule solution est d’acheter une fiole de mercure neuf, en espérant que ce ne sera pas un rebut pollué. Le recyclage du vieux mercure se fait en déchèterie sur rendez-vous.

Pour conserver un flacon de mercure propre, il est très intéressant de percer le bouchon par une valve et de faire un petit vide pour qu’il ne se sature pas du gaz ambiant pendant le stockage. Faute de vraie pompe à vide, un aspirateur, la pompe de la station à dessouder, etc., fourniront un vide partiel, meilleur que de le laisser s'oxyder (HgO) et polluer en pression ambiante.

J’avais espéré que la cuve à ultrasons aiderait à chasser les bulles, mais il semble bien que ses effets soient totalement nuls…

En récupérant le mercure échappé, des poussières s’agglomèrent et se retrouvent en surface. Mélanger dans une bouteille mercure + eau et agiter fortement. L’eau devient grise et fixe les polluants, la jeter dans la poubelle (pas l’évier) et recommencer. Les dernières traces d’eau en surface s’éliminent en effleurant avec un coton-tige ou en a faisant couler doucement le Hg dans une gouttière revêtue de papier absorbant.

La méthode de purification au sucre décrite partout est sensé fonctionner. Il faut compléter par filtration en lavage à l’eau avant de dégazer.

Sur ma photo, vous voyez une première phase de dégazage du mercure. Le fond du bac contient de l’eau, car si le bocal éclate, les gouttes de mercure à 375 °C, perceraient le fond plastique. Avec cette précaution, beaucoup serait quand même récupérable. C’est une manipulation très dangereuse, à cause des vapeurs de mercure intenses et très toxiques, ventilation maximum, masque SFP2, blouse, gants cuir et lunettes de sécurité, en extérieur dos au vent.
Il faut être excessivement prudent pour arrêter l’ébullition, déplacer le bocal ou éteindre le réchaud sans finir aux urgences grands brulés.

. Dégazage initial du mercure

Le vide n’est jamais parfait. Les manuels avancés recommandent de bien dégazer le mercure et le verre de sa vapeur d’eau en maintenant le tube complétement rempli et débullé à l’envers à 100 °C (temps non précisé).

 

. Méthode musclée pour dégazer le verre

Si le niveau de mercure est bas, nous avons vu qu’il y a probablement un dégazage du mercure et du verre. Les vieux documents spécialisés donnent une méthode (risquée).

Vider partiellement le tube et le suspendre retourné, pour ne garder qu’un petit tiers (Pagnol) de la colonne de Hg.
Chauffer au chalumeau pour amener ce fond de mercure en ébullition. De nombreux claquements vont se faire entendre et le reste de la colonne va s’opacifier.
Laisser refroidir et rajouter un autre petit tiers, recommencer, puis un dernier tiers… En principe le verre devrait être bien dégazé après ces trois cuissons.
C’est une opération dangereuse, il faut chauffer progressivement toute la longueur sous peine de claquage par contrainte thermique.
Un godet avec de l’eau sera accroché sous le réservoir car des billes de mercure brûlant seront éjectées violement. Cela se fera avec les précautions décrites au-dessus. A vos risques et périls.

J’ai testé cette manipulation avec de grandes précautions en chauffant très progressivement toute la colonne de verre au chalumeau butane.. Malgré cela, au bout de quatre minutes, le fond de mercure a commencé à bouillir en se fragmentant en gouttes sur toute la hauteur, et mon deuxième tube ca éclaté… C’est pour cela qu’il faut prévoir un stock de tubes de baromètres d’avance avant de se lancer.
Il me semble difficile de chauffer encore plus progressivement, ce n’est pas du Pyrex, ce mauvais verre est très épais, 7.5 mm extérieur pour un trou de 2 mm. Le verre est mauvais conducteur de la chaleur, il y a un important gradient de température entre intérieur et extérieur induisant des contraintes énormes provoquant la rupture.

Je recherche du mercure… Faire offre

. Estimation de la quantité de mercure dans un baromètre

Pour avoir une idée des ordres de grandeurs, le diamètre intérieur d’une colonne de Torricelli est de 2 mm.
La surface est donc Pi mm2 sur une longueur d’environ 900 mm (tube déplié + réservoir), soit environ 3000 mm3 ou 3 cm3, avec la densité de 13.6 = 40 gr Hg.
Les tubes Pyrex de 3 mm sont donnés pour 160 gr, mais je n’en ai jamais vu.
Les baromètres métalliques ont généralement des tubes de 7.2 mm interne, et un gros réservoir, avec une charge en mercure autour de 1 kg.

 

. Problème du niveau du mercure dans le vase d’expansion

Ceci ne concerne que les simples Torricelli, nous avons vu comment les baromètres métalliques corrigent ce défaut.
Supposons qu’à 15 °C et 760 mm de Hg, le niveau de mercure soit exactement au zéro (repéré avec le réglet) de la graduation dans le vase. Les variations des hauteurs colonne / vase sont dans le rapport des surfaces.
Surface de la colonne (diamètre 2 mm) = Pi * d2/4 = Pi 22/4 = Pi * 4/4 = Pi mm2
Surface du vase (diamètre 13 mm) = Pi  * 132 / 4 = Pi * 169/ 4 = Pi * 42.25 mm2
Le rapport des surfaces est de 42..,  donc
Si la pression monte de 42 mm Hg (+18 hPa), il faudra rajouter 1 mm  à la lecture
Si la pression baisse de 42 mm Hg (-18 hPa), il faudra soustraire 1 mm  à la lecture
Par un souci de simplification et par tradition les constructeurs n’ont pas jugé utile d’intégrer cette expansion d’échelle pourtant très élémentaire pour de simples objets de décoration. Ma table prend cette correction en compte.

 

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