Figure 2 – Baromètre Fortin : coupe schématique de la cuvette
Pression atmosphérique
Définitions.
Unités La pression atmosphérique est représentée par la force que l’atmosphère exerce, par son poids, sur une unité de surface. L’unité de pression utilisée en météorologie est l’hectopascal (hPa), mais de nombreux baromètres sont encore gradués dans d’autres unités. Les principaux facteurs de conversion sont :
1 mm de mercure = 1,333 224 hPa
1 millibar = 1 hPa
1 inch de mercure = 33,863 9 hPa
1 psi (pound/square inch) = 68,95 hPa
La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer est voisine de 1 013,25 hPa. La pression atmosphérique décroît exponentiellement avec l’altitude : vers 2 500 m, elle est de l’ordre de 3/4 de la pression au niveau de la mer, et de la moitié vers 5 500 m. Afin de pouvoir comparer les mesures de pression atmosphérique réalisées en des lieux à différentes altitudes, il est nécessaire d’apporter une correction d’altitude.
Les valeurs de pression atmosphérique, dites « réduites au niveau de la mer », sont déduites de la pression effectivement mesurée à une altitude quelconque grâce à une correction qui évalue le poids de la colonne d’air fictive comprise entre le niveau 0 (niveau de la mer) et celui du lieu de mesure considéré. Cette correction, qui tient compte de la température et de l’humidité de l’air, peut être déduite de tables météorologiques. C’est cette pression réduite au niveau de la mer qui doit être affichée sur les baromètres destinés au grand public.
Baromètres à mercure
Les baromètres à mercure mettent en jeu le principe de base de l’hydrostatique :
dp = ρg dh relation (1)
avec dp variation de pression,
ρ masse volumique du mercure,
g accélération due à la pesanteur,
dh variation de hauteur de la colonne de mercure.
Selon les principes mis en jeu pour la détection et la mesure des différences de niveau des surfaces libres du mercure, on distingue plusieurs classes d’appareils. Les plus performants correspondent à des baromètres de référence, les autres peuvent être considérés comme des baromètres de terrain.
Baromètre Fortin
Ce baromètre est représenté sur la figure 2 ci-dessous.
Figure 2 – Baromètre Fortin : coupe schématique de la cuvette
La partie supérieure de la cuvette est constituée par un manchon de verre transparent. À l’aide d’une vis, on peut déplacer le fond mobile de la cuvette (fond constitué par une peau de chamois) et amener la surface de mercure au niveau d’une pointe qui matérialise le zéro de l’échelle. Toute mesure avec ce type de baromètre nécessite deux opérations : ajustement du zéro au niveau de la cuvette, puis, à l’aide d’un vernier au 1/50, détermination de la hauteur du mercure.
Domaine de mesure : 790 à 1 050 hPa ;
Température d’utilisation : 0 à 40 C° ;
Précision : ± 0,15 hPa.
Baromètre à échelle compensée (figure 3)
Figure 3 – Baromètre à échelle compensée : coupe schématique
Une élévation de niveau d’une longueur x dans le tube entraîne une baisse de la surface du mercure dans la cuvette de sx /S (s étant la section intérieure du tube barométrique et S la surface effective de la cuvette).
Il en résulte une dénivellation réelle de :
h = (1 + s/S)x
Inversement, la distance entre deux traits de la graduation correspondant à une unité réelle de pression est de :
1 / (1 + s/S) ≈ 1 - s/S si s est petit devant S
Par cet artifice, on peut lire, sur une règle ainsi graduée, les valeurs de pression sans avoir à tenir compte du déplacement de zéro. Les baromètres à échelle compensée sont dotés d’un vernier au 1/20 et d’une échelle exacte à 0 oC.
Domaine de mesure : 770 à 1 050 hPa ;
Température d’utilisation : 0 à 40 oC ;
Précision : ± 0,3 hPa.
Corrections barométriques
Pour pouvoir graduer en unités de pression l’échelle de lecture associée à la colonne barométrique, il faut que les deux facteurs ρ et g de la relation (1) soient constants. Or le premier est influencé par la température, et le second dépend de l’altitude et de la latitude du lieu d’utilisation.
Pour pallier ces difficultés, on établit une graduation correspondant à des valeurs dites normales de t, ρ et g désignées respectivement par :
t0 = 0 C°
ρ0 (Hg, 0) = 13,595 1 g · cm–3
gn = 9,806 65 m · s–2
et l’on opère des corrections à toute mesure effectuée dans des conditions autres que normales.
Correction instrumentale Ci
Elle vise à compenser les erreurs dues à de légères imperfections de la règle et du vernier, provenant des effets de capillarité dans le tube et d’un vide imparfait dans la chambre barométrique. Cette correction est établie par comparaison avec un baromètre étalon.
Correction de gravité Cg
Toute mesure effectuée en un lieu où g diffère de la valeur gn doit être corrigée.
Cette correction est :
avec g (φ, z ) valeur de l’accélération de la pesanteur en un lieu de latitude φ et l’altitude z,
H hauteur barométrique (exprimée en hectopascals).
Correction de température Ct
La valeur brute H (exprimée en hectopascals), lue sur le baromètre à la température t, doit être corrigée en tenant compte des dilatations de la règle et du mercure.
Cette correction (exprimée en hectopascals) s’écrit : Ct ≈ – 1,63 · 10–4 Ht pour un baromètre de type Fortin ;
pour un baromètre à échelle compensée, avec t (C°) température du baromètre,
V volume total du mercure,
S surface effective de la cuvette.
Baromètres anéroïdes
Éléments sensibles Les éléments sensibles, connus sous le nom de capsules de Vidie, se présentent sous la forme de petites enceintes métalliques, fortement nervurées, peu épaisses et vides d’air (figure 4).
Figure 4 – Capsules de Vidie, soufflets
Elles se comportent comme des dynamomètres, la force de pression étant équilibrée par la rigidité de l’élément. Elles sont fortement influencées par la température : dans les systèmes mécaniques, il est nécessaire d’introduire un organe correcteur (bilame) pour neutraliser en partie cette influence.
Baromètres à cadran
Ils comprennent une ou deux capsules sensibles associées à un système d’amplification qui entraîne en rotation une aiguille indicatrice.
Domaine de mesure : 900 à 1 050 hPa ;
Précision : ± 1 hPa sur une période de 6 mois et pour une utilisation dans la plage de température 0 à 40 o C.
Barographes
Les déformations élastiques d’une pile d’une douzaine de capsules superposées agissent sur un style inscripteur par l’intermédiaire d’un dispositif amplificateur. La valeur de la pression s’inscrit sur un diagramme hebdomadaire dont l’entraînement est assuré par un cylindre enregistreur à remontage manuel ou à moteur électrique.
Étendue de mesure : 70 hPa, pouvant être choisie dans le domaine de mesure 900 à 1 050 hPa ;
Précision : ± 0,5 hPa à température constante.
Capteurs-transmetteurs barométriques
Ils génèrent un signal électrique analogique ou numérique fonction de la pression atmosphérique. Ils sont en général associés soit à un module de mesure et de visualisation, soit directement, après mise en forme du signal, à une station automatique.
Capteurs-transmetteurs de pression à quartz
La pression à mesurer est traduite en une force par un soufflet (figure 5 ).
Figure 5 – Capteur de pression à quartz
(capteur type 51 Sextant Avionique-Crouzet)
Cette force est appliquée à un résonateur mécanique dont la fréquence est fonction de la contrainte. Le résonateur est taillé dans un monocristal en quartz dont on utilise l’effet piézoélectrique pour assurer la mise en vibration. À partir des informations pression et température interne du capteur (mesurée avec une sonde résistive) on accède à la pression exacte en appliquant un modèle polynomial dont les coefficients, spécifiques à chaque capteur, sont stockés dans une mémoire interne. Dans la version de laboratoire, ce capteur-transmetteur peut être considéré comme un baromètre de référence secondaire.
Étendue de mesure : 20 à 1 100 hPa ;
Gamme de température : laboratoire : 0 à 40C°, terrain : – 45 à + 50C° ;
Précision : 0,01 % de l’étendue de mesure pour la version laboratoire.
Capteur-transmetteur de pression à capsules de Vidie
La capsule de Vidie est associée à un transducteur qui peut être un condensateur interne dont la capacité électrique est fonction de la valeur de la contrainte exercée, donc de la pression atmosphérique.
L’ensemble capteur-transducteur est associé à un oscillateur qui assure la mesure de la capacité et à un microprocesseur qui corrige les grandeurs d’influence (température), éventuellement visualise la pression mesurée et transmet l’information sous forme numérique.
Les capsules de Vidie utilisées sont dérivées de celles employées dans les radiosondes. Ce sont essentiellement des baromètres de terrain.
Étendue de mesure : 800-1 060 hPa, 600-1 100 hPa ou 0-1 100 hPa selon les versions ;
Gammes de température : + 5 à + 40 C°, – 25 à + 50 C°, – 55 à + 85 C° selon les versions ;
Précision : de ± 0,3 hPa à ± 0,5 hPa selon les versions.
Capteurs de pression à jauges de contraintes
Le capteur proprement dit (figure 6 ) est constitué d’un corps d’épreuve qui se déforme sous l’effet de la pression atmosphérique et d’un élément sensible solidaire (jauges de contraintes) dont la résistance électrique est fonction de la déformation.
Figure 6 – Transmetteur de pression à jauges de contraintes
Ces jauges de contraintes sont montées en pont de Wheatstone afin d’éliminer les effets dus aux contraintes parasites : le déséquilibre du pont peut être exploité directement ou amplifié. L’ajustage de la sensibilité et la compensation de température sont réalisés à l’aide de résistances intégrées au capteur.
Ces éléments sont de plus en plus utilisés pour élaborer des baromètres bon marché. Beaucoup sont réalisés en silicium sur lequel il est facile de déposer des jauges de contraintes en semi-conducteurs. Ces capteurs sont alors appelés piézorésistifs .
Exposition des baromètres et précautions usuelles d’emploi
Un baromètre doit être installé dans un local où la température est aussi uniforme que possible et peu variable. Il doit être hors d’atteinte des rayons solaires et éloigné de toute source de chaleur. Un baromètre à mercure doit être suspendu contre un mur ou à un support exempt de toutes vibrations. On doit veiller à ce qu’il soit rigoureusement vertical.
Dans les zones particulièrement ventées, il est difficile, voire impossible, de faire des mesures de pression, car à la pression statique s’ajoute la pression dynamique due au vent qui crée des fluctuations rapides de l’ordre de 2 à 3 hPa.
Le transport des baromètres à mercure demande quelques précautions :
— ils doivent être pistonnés (opération consistant à remplir la totalité du tube et la partie supérieure de la cuvette à l’aide de la vis de pistonnage) ;
— ils doivent être maintenus debout, la cuvette vers le haut ;
— un baromètre qui vient d’être installé n’est utilisable qu’après quelques heures de repos.
Il est souhaitable que les baromètres soient munis de prises de pression, ce qui facilite les opérations de contrôle et d’étalonnage. Les baromètres doivent être étalonnés au moins une fois par an à l’aide d’un baromètre de référence.
Les baromètres à mercure doivent être étalonnés sur le lieu d’utilisation.
