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L’état actuel de la pyrométrie
H. Weiss
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ET
LE
RADIUM
L’ETAT
ACTUEL DE LAPYROMÉTRIE
Par II. WEISS
SÉRIE VI. FÉVRIER 1921 Na’ 2
Les raisons
(lui
ontpoussé
iirepérer
lestempératures
sont lanéces-silé de reconnaître avec
précision
unetempérature déjà
observée et lu besoin dereproduire
avec certitude cette Pour obtenir cesrésultats, il
faut sepréoccuper
de deux choses. 1. -Quel
que soitle.
procédé
de mesureemployé,
il faut observer latempérature toujours
dans les mêmes conditions. Parcxelnple, quand
11s’agit
de connaitre latempérature
d’uncorps
que l’onéchauffe, si,
pour desraisons, d’ordre
technique,
on nepeut
observer latempérature
du corpslui-même,
on observera celle d’unpoint
dont la loi de variation deteiiipé-
,rature est liée ~d’une manière invariable et connue il celle du corps étudié.
Le fait d’avoir
négligé
cetterègle
est la cause de nombreuxdésac-cords entre les résultats d’un même observateur et surtout d’observateurs différents. Mais
l’application
duprincipe
varie presque avecchaque
casparticulier ;
c’estpourquoi
les conditions étalons de mesure nepeuvent
être fixées que dans certains casspéciaux
et ]1 Bnll pu fairel’objet d’une
élnde tout à faitgénérale.
2. - Une fois la
mesure
faite,
il fautexprimer
ses résultats au moyend’une échelle que l’on
puisse
aisément retrouver s >1-niéiiie clcommuniquer
aux autres, au moyen d’une échelle.susceptible
d’êtrerepro-duite à travers le
telnps
etl’espace.
Si les circonstances danslesquelles
on .est
appelé
à observer latempérature
sontinnombrable,
cette dernièrepeut
néanll10ins être défi11ie d’une manièreLllll(, l1C’.
Toutes lestempéra-tures
peuvent
doue êtrerepérées
sur la même échelle et ceproblème
a puêtre résolu d’une
façon
tout à faitgénFi>alc.
A. - Les échelles.Lcs diycrscs échelles
employées
au début de la thermométrie étaient fondées sur la variation avec laten1pérature
d unepropriété pllysitlUC
déterminée d’un corpschaisi;
parexemple,
la dilatation du mercure dansLE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. - SÉRIE - FÉVRIER 1921. - N° 2. 3
un
récipient
de verre, la variation de volume ou depression
d’une certaineiii,-tsse de gaz dans (les
conditions
déterminées, etc... Mais ces échellesavaient les deux inconvénients suivallts :
1. - Par suite
d’inégalités
accidentelles dans lareproduction
des corpsthermométriques,
les échelles fondées sur une mêmepropriété
n’étaientpas
superposables
entre elles. Deplus,
elles ne l’étaient pas nonplus
à celles fondées sur une autrepropriété
physique.
2. - Par suite 1h modifications lentes dans les
corps
thermométriques,
l’échelle des thermomètres conservés comme étalons
risquait
de varier etvariait en effet souvent avec le
temps.
L’incertitude des échelles étaloiis fondées sur des
propriétés
variantavec la nature des corps amena la
proposition
de Lord Kelvind’adopter
uneiiidépeiidatito
de cette nature et fondée surle
principe
de Carnet. Elle se trouvaitcoïncider,
auchangement
d’origine
près.
avec l’échellecentigrade
d’un thermomètre à gazqui
seraitrempli
d’un gaz
parfait.
Parla mesure de certain s coefficients déterminant ledegré
d’écart des gaz réels
par rapport
il l’étatparfait,
el par lecalcul,
onpouvait
ramener à cette échelle toutes lesé’liellesdes
thermomètres à gazemployés
à cetteépoque;
elle constituait ainsi une échelle de référence fixe que l’onpouvait reproduire théoriquement partout
ettoujours,
c’est l’échelle diteabsolue.
,
Les observateurs s’efforcèrent désormais
d’exprimer
leurs résultausd’après
cetteéchelle,
mais. vu la difficulté de maniement du thermomètre à gaz et lafaçon
différente dont les divers gazs’éloignent
de l’étatparfait,
ils se Iroityaient
engagés
dans des recherches souventbeaucoup plus
lon-),ues’
et délicates que lesujet principal
de leur travail. Par suite desnom-breuses causes d erreur rencontrées au cours de cette
étude,
ils arrivaientfréquemment
à des résultatsdiscordants,
simplement
parcequ’ils
nerepro-duisaient pas de la même manière l’échelle
thermodynamique.
La nécessité se faisait sentir de faire choix d’une échelle étalon
pra-tique, qu’on
put
repl’oclilire
de manière aisée et fidèle eld’après laquelle
chacun
exprimerait
sesrésultats,
laissant il des laboratoiresspéciaux
le soin d’assurer lacomparaison
avec 1"échelle absolue.La
première
échelle étalonpratique, adoptée
le 15 octobre 1887 par leComité international des Poids
et Mesures,
fut celle du thermomètre àhydro-gèl-ie
du Bureau international des et Mesures. Le Bureau assurait ladistribution dans le monde entier d.l’Lulons secondaires de cette échelle dans l’intervalle de -- it
coin-paré
une fois pour touites parChappuis
all thermomètre àhydrogène.
Enfait ces étalons secolldaires différaient SOllYCnt entre CllX
de plus
de 0°,01 .
aEn 191? trois laboratoires ; la
Pllysilaliscll-Tpchnisclle
Reichsanstaltde
Charlottenbourg,
le NationalPhysical Laboratory
deTeddington
et leNational Bureau of Standards de
Washington,
dans le but d’étalonner les divers instruments destinés il la mesure destempél’ulllrcs,
C0111111encèrent unie série de recherches destinées à refaire l’échellepratique
et à rétendrevers les hautes et hasses
températures.
Ils restèrent encorrespondance
à cesujet
jusqu_’en
d9i4.Quand
la guerrcinterrompit
cesrelations,
l’accord étaitréalisé de - 100 a
+ 1 1 0 0° .
Au-dessus de cettetempérature,
l’échelleadoptée
par le Bllreau of Standards diffèrelégèrement
de celle admise par laReichsanstalt.
-La méthode
employée
pour étendrel’échelle
vers les hautes tempé-ratures fut cellequi
avait été recommandée pal’ 3>1. Le Chàtelier en 1887 :~
déterminer avec
précision
dans les laboratoiresspéciaux,
au moyen du ther momètre it gaz. lestempératures
absolues de fusion et d’ébllilitioll d’un certain nombre de substances pures, obscl’yélBs dans des conditions biendéterminées;
et,
d’après
cespoints
fixes,
étalonner dans les autreslabo-ratoires les
pyi%oiiiéli%es pratiques employés.
Des 111aisOlls anléricainesétudient,
en collaboration avec leBureau of
Standards,
la fabrication decorps purs, dont les
points
de fusion et d’ébullition sont destinés à servird’étalons et
qui
pourront
être facilement distribués dans le mondeentier-L’échelle
pratique
actuelle.’
Entre - k0° et
+
150’,
l’échellepratique
adoptée
est définie parl’inter1édiaire de celle du thermomètre il variation de résistance
élec-trique
duplatine,
étalonné auxtempératures
de fusion de laglace (0"),
d’ébullition de l’eau
.00°
d’ébullition du soufre sous lesconditions 110r111ales de
pression atmosphérique.
,La relation entre la résistance
l,
lateiiil)éi-,-tture p,
donnée par l’échellede ce thermomètre .et la
température
t, de l’échellepratique
est donnée parles formules de Callendar :
qui
ne doit pas être illfériellr à0,00388
et par la conslnlllp Qqui
llc doitpas être
supériçure
àJ,52.
Des
points
fixes secondaires ont été détermillés tout lelong
de cetteéchelle.
.
Dans
l’intervalle de+
450" à+
1 100° l’échellepratique
est définie par lespoints
de fusionsuivants :
Antimoine : 630°.
-Argent :
960° ,~. -Or 10630. ~- Cuivreexempt
0830.’
L’instrument
généralement employé
pourl’interpolation
i entre cespoints
fixes est lecouple thermoélectrique,
platiiie/plàtine +
10 pour 100rhodium,
calibré à 3température.
La relation entre la
température
t et la force électroiiioli-ice (’ est donnéepar
la formule :-. e = a + et’.
’
En
pratique,
il suffitgénéralement
de fairel’étalonliage
de cescouples
auxpoints
de fusion du zinc(419~4) [ou
du cadmium(3200,9)] - de
l’anti-moine et du ClliYre. D’autres
points
fixes secondaires ont étérepérées
lelong
de cette échelle.’
Il est curieux de remarque que l’échellc définie par le llieiinoiiiètie à
résistance en
platine
étalonné aux 3points :
fusio11 de laglace,
ébullitionde l’eau,
ébullitiondusoufre,
coïnciclejusqu’it 11001,
avec l’échelledéfinie par
lethermocouple
étalonné de la manièreindiquée
ci-dessus. Son échellecomme étalon a été restreinte au domaine situé au-dessous par suite
de l’altérabilité des thermomètres à résistance en
platine
auxtrop
hautestempératures.
- Au-dessus
de 1100°,
l’accordcomplet
n’a pas encore étéétabli,
maisle
différendqui
subsiste,
bien que délicat àrégler,
est lOtIt n fait minime etde
peud’illlportallce
tl l’heure actuelle. Dans ce don1aille. la mesure destempératures
estgénéralement
fondée sur les lois dui-ayoiiiiement.
Parmi cesd’erniéres,
la loi de Stefan-BoItzmann sur leravoi-iiiemoi-il intégral
ducorps noir a, une base
théorique thernlodynall1iqlle
extrèn1elllent solide et a été vérifiéeexpérilllcntalelnent
dans tOllt le domaineexploré,
aux erreursd’observations
près.
Il a pas ’étc faitappel
pour dé.iinii l’échellcpratique
à cause des difficultés et des incertitudesexpéi-imentales qui
solltplus grandes
avec les instruments fondés sur ceprincipe
les autres.La toi de Planck sur l’intensité du
rayonnement
suivant unelongueur
où
C~
est la constante fondamentale de Planck, aégalement
uneforte base
théorique,
bien que d’un caractèreplus hypothétique ;
en tous cas. elle aégalement
été vérifiée parl’expérience
avecbeaucoup
deprécision.
Elleà
récemment étécritiquée
par XernsL,qui
auraittrouvé des
écarts avecl’expé-rience allant
juStIll’à 7
pour100; mais,
pour le moment, cettecritique.
mêmejustifiée.
n’intéresserait pas lapyrométrie,
car,diaprés
l"allteur,
ces écarts ne commenceraient à être observables que pour des valeurs durapport
inférieures il 10. valeurs
qui
ne sont pasatteintes en pyrométrie
à l’heureactuelle.
’
La loi de Planck se réduit
pratiquement
àl’équatioii
de Wieii "dans tous les cas un
l’emploie
enpyrométrie,
car, étant donnéqu’on
ne sesert que des radiations dn
spectre
visible, et que lestempératures
actuellcT
ment mesurées dBlnefaçon
cOllraIlte nedépassent
guère
2000°,
l’exposant
restegénéralement supérieur
à 14. Cetteéquation s"emploie
générale-7,T g I P 1
ment sous la forme j
, La
température
absolueorigine
choisie surlaquelle
les laboratoiresont
d’accord,
estcelle
de la fusion de l’or(1 0630
centigrades).
Pourdéter-miner la constante
C.
les laboratoires ont cherché àmesurer, au
llloyen duthermomètre à gaz, la
température
de fusion dupalladium
etsecondaire-ment celle du
platine.
°
Les allemands ont trollVÓ 1
357°,
cequi,
dans lel.ll’S conditionsd’expé-rience,
donnait ’o = 14300 micron :degré.
Les américaills ont trouvé1
552’B
cequi .leur
donneCz
= 14 350. A ce désaccordprès,
l’échelleprati-que
adoptée aujourd’hui
est fondée surl’extrapolation
de la forlnule de iNTicn enprenant
pourtempérature
origine
Tl
celle de la fusion de l’or etpour yalellr de la constante
(,,
l’une de celles que nous venons dedonner,
’"felle est, à l’heure actllelle. l’échellepratique adoptée
dans lesdiffé-rents donlaines de
1enlpérature,
échellequi
est d’ailleurs aussi voisine de l’échelle absoluelllcrnlodynall1iqlIe
quel’expérience permet aujourd’hui
ilc le vérifier.
’ B. - Les instruments de
mesure. ’
I. -
Pyromètres
à résistanceélectrique.
- Ces instruments sont fon-dés sur la lnesure de la variation de la résistanceélectrique
(rUl1 fil depla-tine en fonction de la
température.
Ces variations SOllt (te ]"ordre de
grandeur
del’expansion
des gaz ; lerapport
des résistances a 100° et à 0° est1,39 ;
lerapport
a 1000° et il 00 est~,~.
Conlme on sait mesurer les résistancesélectriques
avec unegrande
sen-sibilité,
sil’appareil
restefidèle,
ilpermet
une mesure extrêmementpré-eise des
température.
,Siemens
qui,
lepreiniei.
avaitproposé
cette méthode pour des butsindustriels,
s’aperçut
rapidement
que la résistance dupyromètre
auglnen-tait àl’usage,
à cause dune altération duplatine
qui
est trèsrapide
quand
ce dernier est chauffé directement dans la
flamme,
qui
est encoreimpor-tante
quand
il estprotégé
par un tube enfer,
qui
est trèspetite
avec une ,protection
enporcelaine
où enplatine.
Cetteaugmentation
de résistancespouvait
atteindre 15 pour 100 à la suite de chauffesrépétées
a 900°. Laméthode fut abandonnée
pelldant
20 ans.Elle iul-
reprise
au laboratoire par Callendar et (;riffilhs.qui
montré-rent
qu’une
partie
del’altération provenait
aussi du contact avec lescylin-dres en terre sur
lesquels
le 1’il était enroulé. Enremplaçant
ces dernierspar des
supports
convenables enmica,
et en limitantI*emploi
de ces ther-mométres auxtempératures
inférieures à 550" environ, ils montrèrentque
InO)Tell1laIlt
certainesprécautions
expérilllclllaics.
cette 111méthode était laplus précise
et laplus
fidèle dans le domaineindiqué.
Ilscomparérent
cepyromètre
au thermomètre a air et établirent la formule de référence que nous avons donnée parLes deux
précautions principales
àprendre
dans Ja construction de cesappareils,
enplus
desprécautions
fondamentales contre l’altératio11 dupla-tine,
sont les suivantes. ..D’abord,
il faut n’avoir dans lesparties
chauffées aucune sou(Itire duplatine
avec un fil d’un autremétal,
pour éviter les effetsthermoélectriques.
Ensuite,
il faut éliminer la variation de résistance de lapartie
chauffée des conducteursqui
relient le filthermométridue
proprement
dit aux ins-truments de mesure. Pour cela.quand 1"appareil
de mesure pst. -Linpont
dewheatstone,
l’artifice consistegénéralement,
au moyen de filssupplémen-taires convenablement
dispersés
dans le thermomètre. à distribuerUlll10ffi-bre
égal
de ces conducteurs dans les deux bras dupont.
qui
nepeut
dèslors être
employé qu’avec
des braségaux.
Dans lesponts
doublets,galva-nomètres différentiels et les
dispositifs potentiométriques.
la difficulté selève d’elle-même. ’
’
Les
appareils
de mesureeiiiploj-és
dans cettepartie
de lapyrométrie
.sont les
appareils classiques
de mesuresélectriques,
avec des modificationsde détails destinées à les
adapter
à cet usageparticulier.
Par suite de la
proximité possible
de sourccs dechaleur,
les résistances decolnparaison
doivent avoir un coefficient detempérature
particulièrement
faiblc ;
et il ne doit pas y avoir contact entre deux métaux différentspar-tout où un effet
thermoélectrique pourrait
êtregênant.
Des
appareils
moinsprécis
a lecture directe ont été construits pourplus
de commodité en vue de 1"Ind-Listrie.POl1r les installations
importante.
lesappareils
de mesure fondés sur une méthode de zéropeuvent
être rendusautomatiquement ajustables
etenregistreurs
au moyen d’undispositif
d’asservissement COIl1111andé parl’aiguille
dugalvanomètre.
Ccdispositif
est d*ailleui-s le mêmequel
quesoit
l’usagc
auquel
est destinée la méthode de zéro. Callendar avaitdéjà
construit -uiiiappareil
enregistreur
fOIldé sur ceprincipe.
Leplus
récent et leplus perfectionné
semble être celui de la maison Leeds etNorthrup
dont laparticularité
est deproduire
une correctionautomatique proportionnelle à
.
la déviation de
l’appareil
de zéro, cequi
évite les nombreuses oscillationsautour de la
position d’équilibre.
A
part
cela,
lesprécautions
quc 1"oiiprend
dansl’usage
de epsillslru-lnents sont les mêmes que pour toutes les mesures de résistance élec- =a
trique.
Malgré
son apparencerobuste,
lepyioi>ié.tre
il résistance deplatine
est unappareil
essentiellement délicat etfragile.
Deplus
il est coùteux1’)
et sonelnploi
est limité à une échelle restreinte. Pour ces iaisons. il est leplus
sou-ventsuppla,nté
dans son propre domaine detempérature,
pour les usagesindustriels. par la canne
thcrmoélectrique, qui
est moills chère.plus
iobuslo etpossède
un dolnaineplus
étendu vers les hautestempératures.
Même dans le laboratoire,
lorsque on
a besoill d’un corpsther1110111é-trique
trèspetit,
cequi
est soLll’C’nt le cas. onremplace
lepyronlèLre
ilrésistance par la soudure d’un
couple.
II. -
Couplés
thermoélectriques.
- La soudure de deux métaux chauffée à unetempérature
donnée est lesiège
c!’wlc force électro- , motricequi,
dans certainesconditions,
est fonction de latempérature
seule.L’idée
d’employer
la mesure de cette force électromotrice il l’observa-tion destempératures
est due aBecquerel (1830).
Pouillet fut lepremier
~
à se servir de cette méthode d’une
façoll
systématique,
lllills les études deRegnault,
1110nt1°allt l’infidélité de ceprocédé,
semblèrent le condamnerÛ.éf1111t11’c111cnt.
Le Chàtelicr
repl’il
cette étude vers1885,
dans 1(’ but de mesurer lestempératures
utilisées dans l’industrie du cilnent. Il nl0Jllra que lesirré-gularités
observées étaient dues presqueuniquement
il des courantspara-sites
produits
par l’élévation detempérature
dans des fils de métaux nonhomogènes.
Certains métaux comme lefer,
le nickel, lepalladium
etleurs
alliages
étaientimpropres
il donner descouples à
indications fidèles.Il recommanda, colnme
exempt
de ces forces électromotricesparasites
etpour des raisons d’inaltérabilité aux hantes
températures
lecouple
platine/platine
-j-
10 pour 100 de rhodium.Au cours de l’étude des méthodes de mesure de la force
électromo-Urice
produite,
il montra la nécessitéd’employer
ungalvanomètre ayant
unerésistance intérieure élevées
(200
ohms aumoins)
pour rendrenégligeable.
devant la résistance totale du circuit, la variatioll de résistance des fils du
couple
avec latempérature.
..Depuis
cetteépoque.
la méthode n’a sulJi aucunperfectionnement
deprincipe,
mais les diversesparties
del’appareil
ont été étudiées defaçon
à cn rendrel’emploi
plus
colnmode ouplus
précis
au laboratoire et pourpermettre
d’enrépandre l’usage
clans l’industrie. Desprogrès
noi-tibretix etconsidérables ont été réalisés dans cette voie. Nous pouvons les él11lInérer
rapidement,
prenant
un à un les différents organes encommençant
par lapartie
directement chauffée.1. Tubes de
protectiou.
- Lescouples exposés
il destempératures
élevées se détériorent
plus
ou moins vite selon le métal dont ils sontfaits,
soit par l’action des gaz
(les
métauxprécieux
sontattaqués
par les gazréducteurs,
les autres métaux paroxydation),
soit par l’action desliquides
Olt ils sont
plongés
(métaux,
verresfondus,
BtC....
Aulaboratoire,
, on lesprotège,
suivant latempératures
àlaquelle
onopère,
par des tubes de verre,due silice ou d’une
porcelaine
spéciale qui,
avant la guerre, étaitfabriquée
uniquement
enAllelnagne,
maisqui,
maintenant,
semble avoir été mise aupoint également
enAmérique.
Dans1 industrie,
onemploie,
suivant lesagents
d’attaque.
des tubes de métal(fer
oualliages
denickcl-chrome);
des tubes en terres réfractaires etporcelaines
diverses,
qui
sont certainement les meilleurs aupoint
de vue del’impénétrabilité
aux gaz, maisqui
sontfragiles
aux chocs et aux variationsbrusques
detempérature;
des tubes enconductibllité
calorifique,
donc de suivrerapidement
les variations detempérature.
Cette
question, qui
estprimordiale
pour assurer lalongue
durée et le bon étatpermanent
descouples,
est considérée colnme n’étant pas encoreparfaitement
aupoint
d’ullefaçon
générale.
Des
petits
tubes enporcelaine
sontégalelnent employés
pour assurerl’isolement
réciproque
des fils descouples.
.
2.
Couples eH
diveî-s. - Aulaboratoire,
lescouples
enpla-line nc
peuvent
guère
êtreemployés
d’une manièrecontinue,
même auprix
de certainesprécautions,
quejusque
vers 1 6000. Il a été construitdes
couples
11’1H11LI11111’ICÎlL1111
+
10 pour 100l’uthénium.
, que l’onpeut
>employer jusque
vers 2 100°. maisqui
sont d’un maniement délicat àcause de leur
fragilité.
Quand
on ne veut pasdépasser
’~00°,
onemploie
.quelquefois
lecouple
argent/constantan,
qui
donne une forceéleCtl’OIllo-trice
supérieure
à celle descouples
deplatine.
’ .Dans l’industrie et aussi dans les laboratoires
lorsqu’on
n’a pas besoin d’une hauteprécision,
onemploie
lescouples
suivants en métauxordi-11aires : .
Cu/Constantan
jusqu’à
500° ;
Fe/Conslanlan jusqu’à
900°..’
Chroiiiel
(alliage
Ni et(alliage
Ni etAl)
jusqu’à
I 300°. Leur iIICOllvénienl estd’être,
saufpeut-être
ledernier,
moins fidèles etplus
altérables. Mais ils ontl’avantage
énorme d"étre à bonmarché,
cequi
permet
de les construire en grosses cannes très robustes etpossédant
unefaible
résistance
électrique :
onpeut
alorsadopter
desgalvanomètres
moins délicats.
Un
problème ilnportant qui
s’estposé
pour faciliter l’introduction deces
couples
dans l’industrie. c*esl d’assurer leurremplacement,
nécessaire-nientplus fréquent
que pour lescouples
précieux,
sans avoir besoin deprocéder
à de 110llyeaUXétalonnages.
La chose était résoluedepuis
long-temps
pour lescouples
enplatine ;
il étaitplus
délicat d’assurer larégularité
de fabrication des
alliages
de métaux ordinaires. Au uloyen dtiii service d’essai et de classement par lots des fils lors de leurfabrication,
certaines lllaisons a1l1éricainesgarantissent 1"intercliaiigeal)ililé
descouples
à 2 pour100
près,
cequi
suffit dans bien des cas.3. La
froide.
- La l’ol’ce électromotricerejoignent
les conducteurs dequi
soni rattaches aux bornes del’appareil.
On cherche donc à maintenir cette
température
conslanle et auvoisi-nage de 13°. Nombreux sont les
appareils compli(lués,
fondés sur diversprincipes.
proposés
pour conlpenserautomatiquement
les élévations detempérature
accidentelles de la soudurc froide. Desdispositifs analogues
sont d’ailleurs
proposés
pour coxnpenrer lespetits
défautsdïIltercllangeabi-lité des
couples
de métaux ordinaires. Ceux dont leprincipe
estcorrect
sontavantageux
enpériode
de boneonctlonllclll(’11t , niais,
au moindreaccident,
généralement
invisible,
ils cOIlstitlleIll un rell1èdepire
que lemal. Le meilleur
procédé,
c’est,
au moyen de fils de même naturc que lesalliages
ducouple,
mais deplus
faible section aubesoin,
cl’aineller cettesoudure froide et les instruments de mesure en un
point
suffisammentéloigné
du four pourpouvoir
aisément en maintenir latempérature
cons-tante. Dans le cas desalliages
en métauxprécieux,
cnparticulier
dupla- .
tine/platine
rhodié,
onremplace
ceslongs
conducteurs àpartir
dupoint
où latempérature
du fil nedépasse plus
500°, )ar
des fils meilleur 111arché.1’1111 en
cuivre,
l’autre encupronickel
decomposition
lelleclu’ils
formentavec les deux fils du
couple
principal
deuxcouples
secondairesopposés
l’un à l’autre et dont les forces électrolll0triccs se détruisent d’une manièresatisfaisante dans
~le
domaine detempérature
employé.
La seulelmécau-tion à
prendre
est de maintenir ces deuxcouples
à la 111ê111etempérature.
ce
qui
est aisé. 4. -Appareils
de-_ La
mesure de la force éiecii.oiiioliice sefait le
plus
commodément par unappareil
à lecture directe. Au laboratoireet à
l’usine,
legalvanomètre
àspot
lumineux a étéremplacé
par desmilli-voltmètres à cadran. La construction de ces
appareils
a étéspécialement
mise au
point
pour assurer uneprotection
efficace contrc les accidentsauxquels
ils sontexposés.
Onpeut compter
sur la fidélité de leur étaloll-nage. Mais on nepeut empêcher
la variation desensibilité,
doncd’incli-cation..,
due àl’augmentation
progressive
de larésistance
(1llcircuit,
pro-duite par l’altération du
couple.
Juste avant larupture
ducouple.
cetlerésistance est énorme et
peut
l’avoir étélongtcll1Ps
auparavant
sansqll’on
le sache.
Les
dispositifs potentiométriiques. plus
coûteux etplus conlpliqllés,
nedonnent pas de lecture
lirec[e,
mais leurs indications sontindépendantes
"’1" estoH.
qui
esttoujours
unepartie
délicate dansl’appareil,
onemploie
parfois
undispositif
mixte,
qui
donne -iiiie mesure du couhantpassant
dans les résistancesaprès
l’ajuslement,
au moyen dugalvanoIllètre
mêmequi
sertd’appareil
de zéro. Dans lesappareils
portatifs,
il reste l’illcoITvéllient d’avoir àproduire
ce courant: oii le fait au moyen depiles
mèches,qui
sontmalgré
tout encombrantes et causent de 110111breux ennuis.Pour
supprimer
tous cesimpedimenta
et revenir àl’appareil
à lecturedirecte,
il a été construit par Harrissonet Foote undispositif
trèsingénieux,
pour
permettre
de vérifierimmédiatement,
sans l’aide d’aucun autreins-trument que le
galvanolnètre
lui-même,
la résistance de laligne
extérieureet de la ramener à une valeur constante de 1~} ohlns. En fermant une clé on
supprime
à la fois une résistance en série avec le cadre dugalvanomètre
et l’on shunte celui-ci par une autre résistance. Ces résistances sont cal-culées de telle manière que, si la résitance du circuit extél’ieltr est de 15ohms,
la déviation du
galvanomètre
nechange
pas. Si la déviationchange,
onagit
sur un rhéostatcompensateur.,
en série sur laligne.
pour obtenir la résis-tance désirée. Cela donne un contrôlerapide
etsimple.
Le seul inconvé-nient del’appareil
est, si legalvanomètre
estenregistreur, qu’il
nepeut
servir
que pour donner les indications d’un seulcouple.
5.
-
- Au
laboiatoire,
l’enregistrement
des indica-tions desappareils
à lecture directe se faitgénéralement
photographique-ment sil’enregistrement
doit êtreautomatique,
à laplume
si l’on se contentede suivre à la main un
spot
lumineux. Parl’emploi
de mouvementsd’hor-logerie,
de combinaisons et d’associations decouples
et degalvanomètres
divers,
on arrive commodémentaujourd’hui
àenregistrer
latempérature
en fonction dutemps,
de la vitesse de variation de latempérature,
de l’in-verse de cettevitesse,
etenregistrer
certaines courbes dites différentiellesdestinées à déceler les
points
de transformationallotropique.
,Dans
l’industrie.l’enregistrement
doit se faire augrand
joiir,
sur une cartequi
tourne ou sedéroule,
afin depouvoir
être suiyie tout letemps.
Vu la faiblesse ducouple
moteur dugalvanomètre,
laplume
portée
parl’aiguille
n’est 1111SC en contact a;ec le carton, au moyend’électuo-aimants;
que par desà-coups
réguliers
entrelesquels
l’aigllille
est libre. L’on obtient ainsi unenregistrement
ponctué.
Au moyen d’undispositif
IjC distributionactionné par un nlOU,Tenlellt
d’horlogerie , l’eiiregis Ireur peut
être missuccessi-vement en
rapport
avec différentscouples.
L’onconstruit desenregistreurs
mul-tiples
pour 6couples.
Lescouples
sont différenciés sur la carte par différentesLes
dispositifs potentiométriques
peuvent
êtrerendus
auto-ajustables
et
enregistreurs
par desprocédés
d’asservissementqui
ont été décrits àpro-pos du thermomètre à résistance
étectrique.
]
III. -Pyromètres
à radiations.- 1. Pyro71zètres
- Le pre-mierappareil,
donnant d’unefaçon
correcte la mesure destempératures
ens’appuyant
sur les lois de radiation des corpschauds,
fut lepyromètre
optique
de M. Le
Chàtelicr,
construit en1892,
avant lapublication
des travaux deivien,
sur larépartition
del’énergie
dans lespectre
de radiation descorps noirs incandescents. Cet
appareil
contientdéjà
toutes lespièces
essen-tielles,
que les études récentes ontperfectionnées
une à unejusqu’à
en tirerdes instruments de haute
précision,
Ces diverses
parties
sont les suivantes : ,a)
Undispositif
destiné à donner uneimage
réelle de la sourcelumi-neuse dont on veut mesurer la
température ;
b)
Une source lumineuse decomparaison,
d’éclat connu, dont onjuxta-pose ou superpose
l’image
à celle des corps que l’onétudie ;
dans le casactuel,
une lampe
àessence ;
c)
Un oculaire d’observation simultanée des deuximages,
muni d’unvcrre
monochromatique
rouge ;d)
Undispositif d’égalisation
de l’éclat des deuximages ;
-, dans le casactuel un
diaphragme
ceil dechat,
placé
devantl’objectif
de la lunettequi
vise
l’objet
étudié,
et dont onpeut
mesurerl’ouverture ;
,e)
Etant donné que l’éclat de la source étudiéevarie,
dans le domaineexploré,
dans lerapport
de 1 à 1 000000,
une série de verres absorbantsneutres, de
pouvoir
absorbant connu, que l’onplace
sur letrajet
des rayonslumineux,
émanant de la sourcetrop
chaude parrapport
àl’autre,
pourpouvoir
obtenir une mesure effective au moyen dudiaphragme
oeil dechat. m
,
Par
quelques
mesurespréliniinaires
et par des calculssimple,
onéta-blissait une relation donnant l’intensité de la radiation lumineuse mesuré,
en fonction du nombre des verres absorbants
employés
et de l’ouvertureclu
diaphragme :
M. LeChàtelier,
parcomparaison
avec soncouple
ther-moélectrique,
avait établi la relationempirique
suivante entrc l’intensité dela radiation rouge vue à travers son
appareil
et latempératurc
de la sourceclui
l’émettait’
non seulement de sa
température.,
mais aussi de la nature de sa surface etde la
température
de l’enceintequi
l’environne. La formule ci-dessus estétablie pour le
rayonnement
du corps noir, radiateurintégral.
Les corpsqui
nerayonnent
pasintégralement
donneront, pour une mêmetempérature.
une intensité derayonnement
moindre,
que l’onpeut représenter
parl’in-tensité de
rayonllement
du corpsnoir,
multipliée
par un nombreplus petit
que
1,
que l’onappelle
lepozwoirénzissi f.
Ce coefficientpeut
dépendre
du corpsconsidéré,
de lalongueur
d’onde étudiée et de latempérature
du corps(on
seplace
à l’abri de la réflexion de la lumière émise par les corpsvoi-sins).
Si l’on a des données sur la valeur de cepouvoir
émissif unecorrec-tion sur la mesure
permettra
de connaître latempérature
du corps ; sinon.l’on se
contentera
d’appeler
le résultat de la mesure : d’éclaléquivalent
dit corps noir pour lalongueur
considérée. Ce termes’explique
delui-inème,
il donne évidemment un nombre inférieur à latempérature
réelle du corps étudié. "L’appareil
construit sur cette théorieschématique
donnegénéralement
une mesure destempératures,
entre 5000 et 20000,
correcte aquelques degrés
près
dans le bas del’échelle,
quelques
dizaines dans lehaut,
cequi
estsuffisant dans la
plupart
des cas..Mais,
pour en faire unappareil
depréci-sion;
il afallu,
soit le munir d’unspectroscope,
soit fairp une étudeappro-f ondie de la transmission et du
pouvoir
absorbant dcs verres neutres et decouleur.
Mais,
cetappareil
une foisperfectionné,
il pourparfaire
etétendre son usage, à
entreprendre
une -étudequi,
elle,
n’a presque pasavancé,
bienqu’elle
soit depremière importance,
celle dupouvoir
émissif des différents corps.Les différentes modifications
apportées à
cetappareil
dans lasuite.,
portent
généralement
sur ledispositif d’égalisation
de l’éclat des deuximages. Féry
proposa une lame absorbanted’épaisseul
variable,
constituée par deuxprimes glissant
l’un sur l’autre. iNTannei construisit unappareil
où l’intensité de la lumière estréglée
par deux nicolscroisés ;
appareil
compliqué,
fragile
etsujet
à demultiples
causes d’erreur. Iln’y
eut donc pas deprogrès
importants
dans cette voie.Au
point
de vuethéorique,
Wienpublia,
â cemoment,
laloi-qui
sert de base à l’échellepratique
detempérature
et Planck donna un fondementthéorique, à
cette formulelégèrement
modifiée,
*Les meilleurs
appareils
modernesemploient
undispositif
suggéré
parMorse,
légèrement
différent desprécédents.
Comme source lumineuse decomparaison,
on se sert d’unelampe électrique qui
se détache sur la sourcetéles-46
cope. Au moyen d’un rhéostat
placé
sur le circuit de lalampe,
on fait varierl’éclat de cette dernière
jusque
ce que le filamentdisparaisse
surl’image
du corps étudié. Si le filament et le corps étudié sont des radiateurs inté-graux, ils sont a ce moment il la mêmetempérature,
et ilsuffit,
pour con-naître cette dernière,d’avoir,
une fois pour toutes, mesuré latempérature
dela
lampe
en fonction de l’intensité du courantélectrique
qui
la traverse. Pour connaître cettefonction,
on détermineempiriquement
la relationqui
relie cette intensité avec l’éclat de lalampe
pour unelongueur
d’onde connue et, au moyen de la formule deWien,
on en déduit latempérature.
Dansl’hypothèse
où l’on a affaire à deux corpsnoirs,
l’égalité
d’éclatobtenue pour la totalité du
spectre
lumineux se conserve si l’on n’observeles radiations émises que suivant une
longueur
d’onded’ailleurs
quel-conque, parce que la loi de
répartition
del’énergie
dans lespectre
est lamême pour les deux corps à la même
température ;
donc,quelle
que soit lalongueur
d’onde choisie pourl’étalonnage
de lalalnpe,
on obtiendratou-jours
la même relation entre latempérature
et l’intensité du courant. Si le corps étudié n’est pas un radiateurintégral,
la loi derépartition
del’éner-gie
dans lespectre
118 sera pas la même que pour lalampe ;
le couranttra-versant la
lampe
au moment del’égalité
d’éclat variera engénéral
avec lalongueur
d’onde ou l’ensemble delongueurs
d’ondeschoisis,
et l’on nepourra
généralement
pas obtenir ladisparition
du filament en observant latotalité du
spectre
lunineux,
à cause de la différence de coloration des deux lumières émises. Lestempératures
obtenues au moyen de la courbed’étalonnage
dont nous avonsparlé
seront ce que nous avonsappelé
lestempératures
d’éclatéquivalent
du corps noir pour telle ou tellelongueuii
d’onde ou poui tel ensemble de
longueurs
d’ondes.La
possibilité
de constrtiîre unpyromètre d’après
ceprincipe dépendait
de la résolution duproblèule technique
suivant : construire deslampes
dont le filament soit un corps noir et
qui
donnentpendant
trèslongtemps
le même éclat pour la même intensité de courant. On fit d’abord deslampes
à filaiiienl decharbon,
qui
donnaient des résultats assezsatisfai-sans à ConCÎ_ltlt)Il de ne pas être
trop
poussées. Aujourd’hui,
l’on a choisides
lampes spéciale
il filament detungstène, qui peuvent
êtrepoussées
àune
température supérieure
sanssublimation,
qui dépensent
moins de cou-rant pour 1111 éclat(Ce
qui
permet
d’avoir des batteriesd’accumula-leurs’
portatives
moinsencombrantes)
etqui prennent plus rapidement
lellr"
température
derégime.
Gomlnel’implique
le second de cesavantages,
lecomme un corps très
gris,
c’est-à-dire ilpouvoir
émissif voisin de l’unité etsensiblement
indépendant
de lalongueur
d’onde.L’appareil
absolu est le,,pectral
deHenning.
Il se composeesseiitiellemeiit du
télescope
de visée : aufoyer
de ce dernier est lalampe
électrique
il intensitéréglable
mesurée aumilliampèremètre :
commeappa-reil de sélection de
longueurs
d’ondc. oncnlploic
undispositif
spectromé-trique qui
permet
degarder
un intervalle delongueurs
d’ondes aussi étroit ,que l’on veut el très bien déterminé.
Quand
latempérature
à mesurerdevient
trop
élevée pourqu’on
puisse,
sansrisques,
pousser
lalampe,
ondispose
devallt letélescope
undisque à
secteurs pour réduire laquantité
de lumièrequi parvient
de la source. Soit S latempérature
observée sansle
diaphragme:
0,
celle observée avec lediaphragme
et la même courbe decorrespondance
entre l’intensité du courant et latempérature,
la théoriedu
plléllOlllèlle
montre que l’on a la relationétant une constante due l’on mesurc pour une seule
température
COIn-iiioclén-ient choisie. Cette relation
permet
d’étendreautant
qu’on
voudra,
,verts le haut. le domaine des
températures
explorables.
L’appareil
pratique
contient le mêmetélescope
deirisée
et la mêmelampe
avec sonmilliampèremètrc,
son rhéostat et sa batterieportative.
Commeappareil
d’observation,
un oculaire muni d’unsimple
verre rouge.On choisie lul verre rouge pour
plusieurs
raisons ;
d’abord. ce sont les seuls verres u pellprès
monochromatiques
que l’on sachefaire; ensuite,
dans le domaine de
température e;ploi>é,
lasuperposition
duspectre
émiset de la courbe de sensibilité de l’oeil donne son maximum d’intensité
dans le rouge, c’est donc dans le rouge que les
mesures photométriques
auront leplus
delu’écisiol.
Mais,
même les meilleurs yerees rouges ne (tonllent pas une Illnlière strictementmonochromatique
-, ils donllcnt une bande d’intensité il peupl’f’s
constante, s’ételldant deo;Û2 N.
à la limite duspectre
visible. Nous avons vu que cela nechange
rien à la mesure du cou-rantqui
passe dans lalampe,
dans le cas où l’on vise un radiateurintégral,
et t comment il fautinterpréter
cette lecture dans le cas contraire.Mais,
lors de
l"élalollllage
del’appal’cil.
pourappliquer
la formule de la connaissance de lalongueur
d’olldeClllployéc
est nécessaire.Le calcul 1110ntre que tout se passe comme s’il était fait usage d’une lU111ièrc Stl’1CO’111C11(
i-iioiiocliromali(lue
delongueur
d’onde f,appelée
lempé-rature de
l’objet
observé,
il ne faul pas oublier d’en tenircompte
au cours’ de
l’étalonnage qui
est d’ailleursgénéralement
fait par le fabricant. De.plus,
lorsque,
, pour 111011te1’ à destempérattlrcs
plus
élevées que celles oùl’on
peut
pousser lalampe,
onemploie
desdispositifs
de réduction del’éclat de
l’objet
hlsé,
le nombreA,
qui
entre dans la formule dont i-totisavons
parlé,
est fonction dc ~,j~ . donc de latempérature.
Cette formulc seraitsans intérêt
pratique ; .
il faudrait unétalonnage
direct sur toute l’écllelle.Mais,
si ledispositif
de réduction d’intensité est un verre absorbant depouvoir
de transmissionl’,.,
également
;ariable avec latempérature,
lecalcul montre que A est fonction du
produit
~,L 11,.. La maison Leeds etNor-thrup prétend
fabriquer
descouples
de verres rouges et absorbantsasso-ciés,
pourlesquels
ceproduit
reste constantquand
laleiiipéiatirc
varie.et l’on
peut
extrapoler
vers lehaut,
au moyen d’une seule échelled’éta-lonnage,
la détermination de A étant faite pour llnc seuletempérature,
choisie defaçon
commode.
Avec cet
appareil
ainsicombiné,
les mesures faites aux environs de1 50,OQ par différents observateurs concordent entre
elles,
dans l’industrie à5°
près
et au laboratoire. avec certainesprécautions, à
0°.2
près,.
Dans le domaine de
température
actuellementembrassé,
il semble donc que cetinstrument,
d’un maniementcommode,
donne des résultatsatteignant
toute laperfection
désirable.rayonnenzent
- Biellque la loi du rayon-nement
intégral
soit établie avec une certitude au moins aussigrande
que celle dePlanck,
on ne s’en est pas servi pour définir l’échellepratique
àcause des inconyénients suivants :
Les radiations
infra-rouges,
qui
collstituent unepartie inlportallte
durayonnement,
sont absorbées avec unegrande
facilité par certains gazcomme C02 ou la vapeur
d’eau,
qui
existellttoujours
dans lesfoyers ;
Ces
appareils
nepermettent
pas de viser depetits objets;
Lorsqu’011Il1osure
latempérature
des corps non noirs, laéquivalente
de estplus éloignée
do latempérature
réelle que les
températures d’éclat
équlyalent;
.Enfin,
la mesure durayonnement
estfondée,
sauf dans desappareil
tout à fait
spéciaux,
sur la mesure de latempérature,
à l’étal,d’équilibre.
d’un corpsqui
reçoit
ces radiations et se refroidit dans des conditionssup-posées
constantes. Il est rare que ces conditions ne yarient pasrapidement
avec le
temps (état
des surfacesmétalliques
ternies ou salies par lespous-sières)
ou soientidentiques
àl’étalonnage
et àl’emplui.
L’on aparfois,
dece
fait,
des erreurs deplusieurs
centaines dedegrés. Cependant,
lesappareils
de cetype,
où la mesure destempératures
se fait au moyen d’un thermo,couple,
ont ungrand
intérêtpratique,
car ce sont les seulsqui
ont été ren-dusenregistreurs
dans ce domaine detempératures.
- C’est sur ce
principe
qu’étaient
fondésl’antique
appareil
deGasparin
et les
appareils plus
récents dePouillet,
du Père Secchi et deYiolle,
destinésil mesurer la
température
du soleil. Ils trouvérent des résultats variantsui-vant les
expériences
et les auteurs, entre 1 3000 etplusieurs
millions dedegrés,
car ils étaient fondés surl’extrapolation
soit de la formule de Newton’ ’
soit de celle de
Dulong
et Petit .satisfaisantes selIlenlellt dans un intervalle de
température trop
restreint.La loi ,
fut énoncée
d’abord
par Stefanaprès
desexpériences
assezgrossières;
puis,
assise sur des hasesthéoriques
par Boltzmann et.ellfill,
vérifiée avecprécision
par Lummer etPrilgsheim.
En mêmetemps
lesappareils
seperfectionnaient.
Lesplus
intéressants sont :Le
pyréliomètre
étalon de Smithson o~~l’énergie
absorbée est mesuréeau moyen d’un calorimètre à circulation d’eau.
Le bolomèt de
Langley,
fondé surl’augmentation
de la résistance élec- ,trique
avec latelpérature.
CTest cetappareil
qui
apermis l’exploration
duspectre
pour y déterminer la distribution del’énergie ;
Le
télescope
deFéry, spécialement
destiné à la mesure des hautestempératures.
L’image
delàptage
lumineusc estproduite
aufoyer
d’un miroirmétal-lique
convexe, au moyen d’unsystème
de mise auPOillt
trèsingénieux.
Làse trouve la soudure d’un
couple
trèssensible,
au fond d’uncylindre
d’argent
noirci,
qui
ne laisse converger sur lecouple
qu’un
angle
solide delumière
toujours
le lnéme, de sorte que la mesure de Jatempérature
nedépend
pas de la distancequi
sépare F appareil
de la sourcelumineuse,
àcondition que
l’image
soitplus grande
que le diaiiièti?e ducylindre.
Les
appareils
deTh"Ting
et Foster ne sont que des modificationsinfimes de