Le kilogramme est la seule unité de base du Système International
d'unités qui soit encore définie au moyen d'un étalon
matériel en platine iridié déposé au Bureau
International des Poids et Mesures (BIPM) à Sèvres (France).
L'étalon national français est directement raccordé à l'étalon
international environ une fois tous les 50 ans.
Il sert
au raccordement des étalons de transfert en platine
iridié ou en super-alliage inoxydable, amagnétique, présentant
une dureté superficielle autorisant un polissage final similaire à celui
d'un miroir.
Ces étalons de transfert assurent la traçabilité des
références nationales de 1 mg à 5000 kg du LNE
de la chaîne nationale COFRAC d’étalonnage des masses.
Thèmes d'étude et de recherche:
Les études et recherches en cours dans les laboratoires de "masse
et grandeurs associées" du LNE-INM/Cnam ont fait l'objet
d'une sélection par le conseil scientifique de la Métrologie
Française selon les orientations proposées par le Comité de
la Métrologie.
- Réalisation d'une expérience de balance du
watt
Le laboratoire « Masse et Grandeurs Associées » avec
celui des « Longueurs » de l’Institut National
de Métrologie (LNE-INM/Cnam), est engagé dans un grand
projet de recherche soutenu par la Métrologie Française
et piloté par le LNE dont l’objectif est de raccorder
l’unité de masse à la constante de Planck
avec une incertitude relative meilleure que 10-8.
Cette expérience,
dénommée balance du watt, pourrait conduire à une
nouvelle définition de l’unité de masse, fondée
sur une constante physique supposée invariable alors que la
définition actuelle, sanctionnée il y a plus d’un
siècle, est basée sur un prototype matériel
unique.
Outre une équipe permanente pluridisciplinaire
formée
par des membres de trois laboratoires nationaux de métrologie
(LNE-INM/Cnam, LNE, LNE-SYRTE), ce projet s’appuie sur une importante
coopération nationale (ENSAM, laboratoire de physique du Cnam,
LESIR, LGEP, Universités de Versailles, d’Orsay, de Bourgogne,…)
et internationale (BIPM, METAS (Suisse), NIST (USA), NPL (Royaume Uni),
PTB (Allemagne), SP (Suède)).
Après des études de faisabilité et de développement
réalisées en 2001 et 2002, les années 2003 à 2007
ont été consacrées au LNE-INM/Cnam :
-d’une part à la construction d’un
prototype de comparateur de force qui est actuellement en cours
d’installation
au LNE (Trappes) sur un démonstrateur permettant
de valider les choix technologiques et d’étudier
l’intégration
des divers éléments de l’expérience
;
-d’autre part, à la recherche d’un
matériau
amagnétique adapté pour la réalisation
de la masse de transfert utilisée dans cette
expériencee.
Ce thème
de recherche correspond à celui du projet Euromet
Mass 734 piloté par
le LNE-INM/Cnam.
Le LNE-INM/Cnam a développé ses compétences
dans la réalisation d'étalons de masse de référence
en platine iridié, en or platiné et en super-alliage à base
de cobalt. Pour cela il a mis en application une technique de polissage
permettant d’atteindre une rugosité de surface des étalons
de l’ordre de 10 nm en termes de hauteur quadratique moyenne,
tout en assurant un ajustage final en masse à plus ou moins
1 mg autour de la valeur nominale de 1 kg (soit en valeur relative
un ajustage à 10-6 près).
Il a parallèlement
entrepris d'étudier, au moyen de dispositifs développés à l’institut,
l'influence des conditions de conservation des étalons de
masse (dans l’air, sous vide,…), ainsi que le dépistage
de la contamination superficielle avant et après application
des techniques de nettoyage-lavage.
- Influence de la composition de l'air sur la stabilité
des étalons de masse et la correction de poussée de l'air
En métrologie des masses, la vapeur d’eau
dans l’air occupe une place de premier plan. Elle intervient
dans les processus de contamination de surfaces des étalons
et sur l’ordre de grandeur de l’incertitude sur
la masse
Un
des thèmes de travail est l'influence de la composition de
l'air sur la stabilité des étalons de masse et
la correction de poussée de l'air.
 
En métrologie des masses, la vapeur d’eau dans l’air
occupe une place de premier plan. Elle intervient dans les processus
de contamination de surfaces des étalons et sur l’ordre
de grandeur de l’incertitude sur la masse volumique de l’air.
Un des aspects de cette étude est la mise au point d’un
capteur optique destiné au contrôle en temps réel
des variations de la vapeur d'eau dans l'enceinte du comparateur de
masse. Les autres objectifs visent une meilleure connaissance de la
composition relative de l'air ambiant, en particulier l’influence
de la variation de la fraction molaire d’argon sur le calcul
de la masse volumique de l’air par méthode indirecte.
Enfin, la recherche des corrélations entre les forts taux de
dioxyde de carbone mesurés et la présence de méthane
est également entreprise pour mieux comprendre certains phénomènes
de contamination des étalons conservés dans l’air.
- Comparateur d'étalons de masse
Le LNE-INM/Cnam a construit un comparateur de kilogrammes monoplateau
permettant l'étalonnage de kilogrammes en platine iridié avec
une incertitude composée inférieure à 10 µg,
et une répétabilité meilleure que 1µg.
Il a conçu et réalisé un prototype de comparateur
de kilogrammes à fléau monobloc à suspensions
flexibles en titane-vanadium, ainsi que des fléaux en alliage
d’aluminium avec, en guise de pivots, des lames flexibles en
superalliage à base de cobalt de 10 µm d’épaisseur
Prestations de raccordement aux références nationales:
En sa qualité de LNM (laboratoire national
de métrologie)
, le LNE-INM/Cnam est en mesure d'effectuer des raccordements aux références
nationales.
Les laboratoires concernés par ces raccordements
sont: les autres LNM ne possédant pas leur propre réalisation
des références, les laboratoires associés et des
laboratoires accrédités pour lesquels la nécessité d'un
raccordement direct aux étalons nationaux est avéré.
Les laboratoires d'étalonnage et les industriels doivent s'adresser à des
laboratoires accrédités dont la liste peut être
fourni par le COFRAC.
Prestations
d’étude et de recherche:
-
Etude sur surface plane polie quasi miroir : mesure
de nanorugosité en
termes de hauteur quadratique moyenne (Rq) et de longueur de corrélation
au moyen d’un rugosimètre optique et cartographie d’homogénéité de
surface (taille d’échantillon jusqu’à 60
mm de diamètre);
-
Etude de la couche physisorbée de contamination par spectrométrie
de masse de thermodésorption sur des échantillons cylindriques
de 60 mm de diamètre maximum et de 50 mm de hauteur maximum
;
-
Conception et réalisation de prototypes de balance ou comparateur
de masse ou de force pour des valeurs nominales de charge inférieures à 100
N (10 kg);
-
Polissage d’échantillons métalliques;
-
Essai de tenue au vide de systèmes opto-électro-mécanique
au moyen d’une enceinte à vide (diamètre
860 mm – hauteur
1300 m) équipée d’une pompe turbomoléculaire
et d’une pompe ionique permettant d’attendre un vide
limite de 10-4 Pa (10-6 mbar) et disposant
de multiples passages étanches
(passages d’axe tournant motorisés, passages électriques
avec connecteur subD9, passages optiques par hublots ou fibres
optiques,…).
Cette enceinte peut être utilisée sous atmosphère
contrôlée (azote, argon, air…) jusqu’à une
pression n’excédant pas deux fois la pression atmosphérique
Collaborations internationales:
L'équipe "Masse et grandeurs associées" du
LNE-INM/Cnam a été impliquée dans plusieurs collaborations
internationales en tant que participant ou laboratoire pilote. Les
collaborations de ces dernières années concernent:
-
Pilotage du projet EUROMET Mass 519 "Correlations
between air humidity and anomalous of refractive index of air" (projet
terminé en 2005).
-
Pilotage du projet EUROMET Mass 551 "Study
of several roughness measurement techniques for the characterisation
of mass standard surface quality". Il s'agit de comparer et
discuter les avantages et les limitations propres aux techniques
de caractérisation utilisées pour étudier la
rugosité superficielle d’étalons de masse (Projet
achevé en 2003).
-
Participation au projet EUROMET Mass
509 Comparaison de kilogrammes en platine iridié piloté par
le NPL (UK) (projet achevé en 2005).
L’équipe MGA est actuellement
engagée dans des projets de coopération tant au plan
national qu'international:
- Pilotage du projet EUROMET Mass 734 « Study of materials for
the realization of mass standards ». Il vise à rechercher
les meilleurs matériaux pour réaliser la masse de transfert
utilisée dans les expériences de balance du watt (projet
en cours depuis 2003).
-
Participation au projet « NANOREF » financé par
l’ANR pour la réalisation d’étalons de
nanorugosité avec développement d’un dispositif
pour la mesure de l’adsorbabilité de gaz sur divers
matériaux;
- Participation au projet de l’expérience française
de balance du watt depuis son origine.
- Participation aux travaux CEI/CE29 électro-acoustique
- Participation aux travaux du Watt Balance Technical Meeting
(WBTM)
- projet de réalisation de moyen d’étalonnage dans
le domaine des nanomasses et nanoforces ;
Contacts:
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