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La mesure de la pression Fiche descriptive sur les instruments de mesure météor

La mesure de la pression Fiche descriptive sur les instruments de mesure météorologique -Version 1.0 - décembre 2008 A destination des enseignants des collèges et lycées de l’Education Nationale Auteurs : Mylène Civiate et Flavie Mandel - ENM LA MESURE DE LA PRESSION La mesure de la pression s’effectue à l’aide d’un baromètre. Il s’agit d’un instrument permettant de repérer la pression de l’atmosphère dans laquelle il se trouve et ses variations temporelles. Historique du baromètre Le premier baromètre a été inventé par Torricelli en 1644. Voulant mesurer les variations du poids de l’air, Torricelli remplit de mercure un tube de verre d’un mètre de long, fermé à une extrémité. Il le retourne et le plonge dans une cuvette remplie de mercure. Il constate alors que le niveau de mercure dans le tube s’abaisse, laissant un espace de vide au dessus de lui. Il vient de découvrir la pression atmosphérique, comme il l’écrit dans une lettre : « Nous vivons submergés au fond d’un océan d’air élémentaire, dont on sait par des expériences incontestables qu’il a un poids. ». Figure 1 : Principe de l’expérience de Toricelli, © Météo-France, Mylène Civiate et Flavie Mandel En 1647, Descartes ajoute une échelle graduée au tube de Torricelli. Le 19 septembre 1648, Pascal et son beau-frère Florin Périer réalisent l’expérience décisive qui confirme les variations de la pression atmosphérique avec l’altitude. Ils mesurent en effet la hauteur de mercure dans un tube de Torricelli à Clermont Ferrand et au sommet du Puy de Dôme et constatent la baisse de pression avec l’altitude. Pascal réalisera la même expérience à Paris, en haut et en bas de la tour Saint-Jacques. Ce scientifique est également l’inventeur du baromètre à siphon qu’il décrit dans son Traité de la pesanteur de la masse de l’air. La mesure de la pression Fiche descriptive sur les instruments de mesure météorologique -Version 1.0 - décembre 2008 A destination des enseignants des collèges et lycées de l’Education Nationale Auteurs : Mylène Civiate et Flavie Mandel - ENM Au cours du XVIIème siècle, de nombreux scientifiques travaillent à perfectionner le baromètre : ils cherchent à amplifier la variation du niveau de mercure dans le tube lors de la variation de la pression. Descartes, Hooke puis Huygens conçoivent des baromètres à deux liquides, un volume d’eau surmontant la colonne de mercure. Des tubes aux formes diverses (coudés, en équerre) sont également élaborés. En 1663, Robert Hooke construit le baromètre à cadran, premier instrument de mesure à cadran indicateur. D’autres baromètres sont ensuite construits dans l’optique de les transporter en mer ou en montagne. A partir de la seconde moitié du XVIIIème siècle, physiciens et constructeurs œuvrent à mettre au point un instrument transportable, précis et fidèle. En 1843, l’ingénieur Lucien Vidie construit le premier baromètre anéroïde. Le principe de mesure est basé sur la déformation d’une capsule anéroïde, membrane métallique élastique dont une face est en contact avec le vide et l’autre avec l’air atmosphérique. La capsule est déformable mais l’écrasement est empêché par la forme de la capsule agissant comme un ressort. Sur la figure ci-dessous, une capsule anéroïde est représentée à droite ; son schéma a été dessiné à gauche. La pression atmosphérique exerce une pression Patm sur l’enveloppe métallique de la capsule ; cela crée une pression FP s’appliquant sur l’enveloppe et qui est fonction de la surface de la capsule. En réponse à cette pression et en vertu du principe de l’action/réaction, le « ressort » exerce sur la capsule une force R de même direction et norme que FP mais de sens opposé. On déduit la variation de pression ∆Fp de la variation d’écartement ∆e. Le coefficient C représente la sensibilité du capteur et varie en fonction de l’élasticité du métal utilisé, de la géométrie de la capsule, entre autres. Figure 2 : Schéma de fonctionnement d’une capsule anéroïde, © Météo-France, Mylène Civiate et Flavie Mandel La mesure de la pression Fiche descriptive sur les instruments de mesure météorologique -Version 1.0 - décembre 2008 A destination des enseignants des collèges et lycées de l’Education Nationale Auteurs : Mylène Civiate et Flavie Mandel - ENM Sur ce principe, des barographes, aussi appelés baromètres enregistreurs, sont inventés. Ils sont composés de plusieurs capsules de Vidie empilées et reliées à un stylet qui inscrit les variations au cours du temps de la pression atmosphérique sur un cylindre enregistreur. Avec ces instruments, la mesure quantitative de la pression n’est pas très bonne mais sa variation temporelle est facilement visible. Avec l’avancée de la science, l’électronique s’est rajoutée au système des capsules de Vidie pour mesurer la pression. Deux armatures formant un condensateur à épaisseur variable ont été rajoutées à l’intérieur d’une enveloppe (du type capsule de Vidie). Ainsi, une variation de pression fait varier l’écartement entre les deux armatures et on obtient donc une variation de capacité, transformée en variation de fréquence (grandeur mesurée) dans un circuit oscillant (circuit RC). Figure 3 : Schéma d’une capsule de Vidie, © Météo-France, extrait de cours de l’ENM Définition de la pression La pression est une grandeur dérivée du système international. Elle est définie comme le quotient d’une force par une surface. Par définition, on a la relation : S F P = où P s’exprime en Pa, F en N et S en m². La pression atmosphérique mesurée en météorologie correspond à la somme de deux pressions distinctes : ique hydrodynam que hydrostati atm P P P + = La pression hydrostatique correspond au poids de la colonne d’air s’exerçant sur une surface déterminée et s’étendant jusqu’au sommet de l’atmosphère. Elle décroît avec l’altitude : environ –1 hPa tous les 8 à 10 mètres entre 0 et 3000 mètres d’altitude puis on observe une diminution plus faible. La pression hydrodynamique est la pression créée par un fluide en mouvement. Elle est définie par la relation : 2 2 1 v P ique hydrodynam × × = ρ avec P en Pa, ρ en kg/m3 et 2 v en m²/s². A nos latitudes, la valeur de la pression atmosphérique oscille entre 950 et 1050 hPa. La mesure de la pression Fiche descriptive sur les instruments de mesure météorologique -Version 1.0 - décembre 2008 A destination des enseignants des collèges et lycées de l’Education Nationale Auteurs : Mylène Civiate et Flavie Mandel - ENM Le pascal La pression peut s’exprimer selon plusieurs unités. L’unité du système international (unité SI) est le pascal (symbole Pa) mais la pression peut également être exprimée en bar (1 bar = 105 Pa) ou encore en millimètres de mercure (1 mmHg = 133,3 Pa). L’unité anglo- saxonne de la pression est le psi, pound per square inch (1 psi = 6 894 Pa). En météorologie, la pression s’exprime en hecto pascal (hPa), sous unité du pascal : 1 hPa = 10² Pa. Fonctionnement du capteur de pression Principe de la mesure Les baromètres du réseau de Météo-France utilisés actuellement sont des baromètres numériques compensés en température. Photos 1 et 2 : baromètre numérique © Météo-France La mesure de la pression Fiche descriptive sur les instruments de mesure météorologique -Version 1.0 - décembre 2008 A destination des enseignants des collèges et lycées de l’Education Nationale Auteurs : Mylène Civiate et Flavie Mandel - ENM Le schéma suivant illustre leur principe de fonctionnement : Figure 4 : Principe de fonctionnement du baromètre multi-cellules © Météo-France, Mylène Civiate et Flavie Mandel avec C1 et C2 : les deux capteurs de pression F1 et F2 : les deux fréquences obtenues P1 et P2 : les deux pressions mesurées θ : la température Deux capteurs capacitifs de pression et deux circuits oscillants composent le baromètre pour que la mesure soit toujours effectuée. Si un des deux capteurs tombe en panne ou si l’on note une dérive dans la mesure, le deuxième capteur est là pour prendre le relais et effectuer les mesures. Le baromètre numérique mesure la pression atmosphérique à l’aide de deux capteurs capacitifs : un capteur de pression et un capteur de température. En effet, la variation de la température entraîne une dilatation du capteur de pression qu’il faut prendre en compte lors de la mesure. Ces deux capteurs sont reliés à un circuit oscillateur qui délivre un signal. La fréquence de ce signal varie en fonction de la pression. Ce signal est ensuite traité par un micro-processeur qui calcule la valeur de la pression en tenant compte de la température et délivre les informations sous forme numérique. Des courbes d’étalonnage sont enregistrées dans la mémoire du micro-processeur pour tenir compte des caractéristiques de chaque capteur. Les propriétés caractéristiques des deux capteurs capacitifs au silicium sont : une bonne répétabilité, une faible dépendance thermique et une bonne stabilité à long terme. Le capteur est également résistant aux chocs mécaniques et thermiques. Ce capteur est constitué de deux lames de silicium séparées par une lame de verre. La mesure de la pression Fiche descriptive sur les instruments de mesure météorologique -Version 1.0 - décembre 2008 A destination des enseignants des collèges et lycées de l’Education Nationale uploads/Geographie/ histoire-barometre.pdf