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HAL Id: dumas-01980976 https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-01980976 Submitted on 14 Jan 2019 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Mise en place d’un banc de référence de volume et masse volumique à l’aide d’une référence solide : la sphère de silicium Marc Lefebvre To cite this version: Marc Lefebvre. Mise en place d’un banc de référence de volume et masse volumique à l’aide d’une référence solide : la sphère de silicium. Autre. 2018. dumas-01980976 le cnam CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET MÉTIERS Paris MÉMOIRE Présenté en vue d’obtenir le DIPLÔME D’INGÉNIEUR SPECIALITÉ : MESURE-ANALYSE OPTION : INSTRUMENTATION QUALITE par Marc LEFEBVRE Mise en place d’un banc de référence de volume et masse volumique à l’aide d’une référence solide : la sphère de silicium Soutenu le 21 septembre 2018 JURY PRESIDENT M. Patrick JUNCAR Professeur des universités, Cnam MEMBRES Mme Annick RAZET Professeure des universités, Cnam M. Mark PLIMMER Maître de conférences, Cnam M. Patrick PINOT Ingénieur de recherche, Cnam M. Florian BEAUDOUX Docteur, LNE M. Pierre OTAL Ingénieur, LNE le cnam CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET MÉTIERS Paris MÉMOIRE Présenté en vue d’obtenir le DIPLÔME D’INGÉNIEUR SPECIALITÉ : MESURE-ANALYSE OPTION : INSTRUMENTATION QUALITE par Marc LEFEBVRE Mise en place d’un banc de référence de volume et masse volumique à l’aide d’une référence solide : la sphère de silicium Soutenu le 21 septembre 2018 JURY PRESIDENT M. Patrick JUNCAR Professeur des universités, Cnam MEMBRES Mme Annick RAZET Professeure des universités, Cnam M. Mark PLIMMER Maître de conférences, Cnam M. Patrick PINOT Ingénieur de recherche, Cnam M. Florian BEAUDOUX Docteur, LNE M. Pierre OTAL Ingénieur, LNE Eurêka !(Archimède).. ..Quel que soit l’obstacle (Ceux qui veulent aller plus loin..) 3 Résumé Depuis de nombreuses années, les laboratoires nationaux de métrologie travaillent à la redéfinition du kilogramme. Les recherches, notamment concernant la détermination de la constantes d’Avogadro, ont conduit à développer des sphères de silicium dont le volume est déterminé avec une incertitude relative de 7×10-9 [1, 2] et la masse volumique avec une incertitude relative de quelques 10-8 [3]. De telles sphères servent aujourd’hui de référence de volume et masse volumique au sein de plusieurs laboratoires nationaux de métrologie. Elles remplacent un étalon liquide, l’eau bi- distillée, dont la masse volumique est déterminée selon la formule dite SMOW, recommandée par le Comité International des Poids et Mesures, CIPM, [4], mais de manière non traçable au système international d’unités, SI. Les meilleures possibilités d’étalonnage du volume d’un solide par cette méthode précédente sont de l’ordre de 4 × 10-6. L’objectif de cette étude est d’introduire au LNE cette nouvelle méthode utilisant une sphère de silicium afin d’améliorer les incertitudes dans ces domaines et d’assurer une traçabilité au SI. Mots clés Pesée hydrostatique, sphère de silicium, poussée d’Archimède, métrologie, masse volumique, volume, eau bi-distillée 4 Abstract For a long time, National Metrology Institutes, NMIs, have been working towards a new definition of the kilogram. Perfect silicon spheres have been manufactured for metrological research, particularly to determine the Avogadro constant. The volume of these spheres have been calibrated with a relative uncertainty of 7×10-9 [1, 2] and the density with relative uncertainty of 1×10-7 [3]. Such spheres are now used as solid volume and density references in several NMIs instead of bi-distilled water which was a density reference non-traceable to the SI, calculated in agreement with SMOW formula recommended by the International Committee for Weights and Measures, CIPM [4]. The best capabilities for calibration according to this previous method were about 4×10-6. The goal of this study is to introduce a new method, using a silicon sphere as a solid volume and density reference both to reduce uncertainty and be traceable to the SI. Keywords Hydrostatic weighing, silicon sphere, Archimedes’ Principle, buoyancy force, metrology, density, volume, bi-distilled water 5 Remerciements Nombreuses, voire très nombreuses, les personnes qui m’ont convaincu, accompagné, soutenu depuis ce mois de septembre 2012 et mon inscription au CNAM. Il faut dire que les exemples à suivre étaient nombreux dans le service Pression qui a une vraie histoire de partenariat avec le CNAM : de Jean-Claude LEGRAS à Frédéric BOINEAU plus récemment, sans oublier Julien GUILLOU, Djilali BENTOUATI, Fabrice BARON et bien d’autres encore…. Tout d’abord, je ne peux pas commencer ces quelques lignes sans remercier chaleureusement Monsieur Patrick JUNCAR, Professeur des universités qui nous a reçu dans les locaux de la rue Saint Martin pour nous présenter le cursus, répondre à nos interrogations et qui nous a chaleureusement ouvert les portes du Conservatoire avant de nous distiller les premiers enseignements d’optique. J’avoue que je n’en menais pas large ce lundi soir, à Saint Denis, de retour sur les chaises d’école à 40 ans….. C’était un pari, osé selon certains, risqué sans doute pour d’autres. A travers Patrick JUNCAR c’est l’ensemble des enseignants qui sont ici remerciés. Je savais le chemin difficile pour moi, titulaire d’un DUT de Génie Mécanique, loin de la métrologie. Il a fallu travailler, obstinément. Gérald COINTEREAU m’a accompagné tout au long de ces années de l’inscription à ce jour et je l’en remercie infiniment, même si quelque fois j’ai dû le convaincre qu’à 18 h nous ne faisions que commencer notre deuxième journée. Cette première année fut soutenue, mais en parvenant finalement à la concilier avec l’activité normale que j’ai essayé de ne pas sacrifier. Le département Pression dirigé par Pierre OTAL a su être compréhensif de quelques moments de fatigue, en m’épaulant, me relayant dès que cela était nécessaire. Je pense ici à Olivier SOYEZ, Frédéric BRUNET, Gérald COINTEREAU, Marc DA COSTA, Thierry GALLIER et Cédric TRICOCHE et plus récemment Philippe CANCELA. Mécanicien de formation, rien ne me prédestinait à la métrologie, hormis peut-être les premières mesures d’étalonnage de l’interféromètre LASER mentionnées par Horace A. BOWMAN du National Bureau of Standards, un certain 30 juin 1972. Ce rapport d’ Horace A. BOWMANN, Randall M. SCHOONOVER et C. Leon CARROLL porte le titre A Density Scale Based on Solid Object [5], mentionnant l’usage de sphères en acier et d’échantillons cylindriques de silicium. Indirectement je les remercie d’avoir initié ce projet à leur manière de même que je remercie Paul André MEURY de l’avoir amené au LNE, Mandeep SINGH pour son étude [6] et Florian BEAUDOUX et Patrick PINOT pour l’avoir repris dans le cadre de cette étude. De nombreuses autres personnes du LNE m’ont apporté leur soutien au long de ces années, au premier rang desquelles, Monsieur André GOSSET qui a été le premier à me faire confiance 6 en janvier 1995 en m’accueillant pour 6 mois dans le service de métrologie des forces et couples ou j’ai appris petit à petit les bases métrologiques. Je remercie également au LNE, Soraya AMAROUCHE toujours disponible pour de bons conseils, Christophe BRIVET pour son appui informatique, les équipes techniques de Trappes et en particulier Michaël COINCE qui a toujours répondu présent pour mes demandes de réalisation de pièces. Difficile de mentionner ici tous mes collègues ou ex-collègues, qui de près ou de loin ont cru en moi et m’ont toujours soutenu et motivé à ne pas baisser les bras, ce n’est d’ailleurs pas ma nature : qu’ils veuillent bien me pardonner si leur nom n’apparait pas ici. Enfin, s’il est des personnes que je ne peux pas oublier, ce sont mes parents sans qui bien sûr je ne serais pas parmi vous et qui m’ont apporté cette rigueur dans le travail, m’ont donné les moyens de ma réussite si humble soit-elle au regard de certains. Ils m’ont mis sur le chemin, m’ont accompagné et me font confiance. Je ne peux que dire un grand merci à ma sœur Anne qui m’a accueilli un certain nombre de fois pour limiter la fatigue des longues soirées de cours ainsi que Xavier et Pascale qui ont également été attentifs à ces années d’étude. Mais de tous, Anne-Sophie a été celle sans qui tout ceci n’aurait jamais été possible, assurant de longues soirées, de long week-end, seule avec Vincent, Matthieu et Clément, faisant face dans des moments parfois difficiles : elle n’en sera jamais assez remerciée, comme mes enfants qui n’ont peut-être pas encore compris cette démarche, mais qui à leur manière ont pu nous aider à tenir la distance : merci à tous les quatre, avec vous rien d’impossible. Merci à ceux qui ont bien voulu lire, voire relire plusieurs fois ce document et faire des remarques pertinentes quant à sa rédaction. Une dernière pensée enfin pour René à qui j’aurais été fier de remettre un exemplaire de ce document. 7 Liste des abréviations AIEA : Agence Internationale de l’Energie Atomique BIPM : Bureau International des Poids et Mesures BRGM : Bureau de uploads/Ingenierie_Lourd/ mise-en-place-d-x27-un-banc-de-reference-de-volume-et-pdf.pdf