Balances Et Pesées: Mettler - Toledo S.A [PDF]

Zitiervorschau

Balances et pesées par

Mettler - Toledo S.A.

1.

Définitions..................................................................................................

2. 2.1 2.2 2.3

Technologie................................................................................................ Compensation électromagnétique des forces .......................................... Technologie des jauges de contrainte........................................................ Autres technologies.....................................................................................

— — — —

6 6 6 7

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Utilisation des balances......................................................................... Conditions ambiantes ................................................................................. Stabilité des indications .............................................................................. Adaptateur de vibration .............................................................................. Calibrage de la balance ............................................................................... Tolérance du poids de calibrage................................................................. Temps de stabilisation................................................................................. Balances soumises à la réglementation .................................................... Indication de la balance avant arrondissage.............................................

— — — — — — — — —

8 8 9 9 9 9 10 10 10

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Influences physiques sur les résultats de pesée ............................. Température ................................................................................................. Absorption d’humidité ou évaporation ..................................................... Magnétisme ................................................................................................. Électricité statique ....................................................................................... Poussée aérostatique .................................................................................. Accélération due à la pesanteur .................................................................

— — — — — — —

10 10 11 11 11 12 13

5.

Vérification d’une balance ....................................................................

—

14

6. 6.1 6.2 6.3

Tolérance de la balance.......................................................................... Méthode réglementaire (suivant norme (NF EN 45501)........................... Méthode Guide AFNOR (FD X 07-017-1)..................................................... Tableau comparatif des valeurs de tolérance ...........................................

— — — —

16 16 17 18

7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Les poids étalons ..................................................................................... Classe de précision et tolérance................................................................. Forme, matière, dimension et marquage .................................................. Classement des poids étalons .................................................................... Classes de précision .................................................................................... Utilisation des poids étalons ......................................................................

— — — — — —

18 18 18 19 19 19

Pour en savoir plus ...........................................................................................

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Doc. P 1 380

fin de répondre aux exigences métrologiques, il est nécessaire d’effectuer la qualification et la vérification régulière des balances. Cet article permet au lecteur de mettre en place des procédures correspondantes, de démontrer à tout moment la traçabilité aux étalons nationaux, de faire connaître les critères de fonctionnement retenus et de gérer le risque d’une dérive des balances.

A

Cet article a été écrit par Monsieur LOUVEL de la société Mettler-Toledo S.A.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

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BALANCES ET PESÉES

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1. Définitions Les principales définitions relatives aux balances et pesées sont données dans le tableau 1.

Pour de plus amples renseignements sur les textes réglementaires dont sont extraites ces définitions, le lecteur pourra se reporter en [Doc. P 1 380].

Tableau 1 – Définitions relatives aux balances et pesées Terme

Définition

Ajustage

opération destinée à amener un appareil de mesure à un fonctionnement et une justesse convenables pour son utilisation

Anomalie

déviation par rapport à ce qui est attendu

Balance de précision

balance avec une précision d’affichage de 1 d (1 digit) = 1 g à 1 mg (= 1 g à 0,001 g)

Notes

Référence NF X 07-001 ; 4.30

Une anomalie justifie une investigation qui peut déboucher sur le constat d’une non-conformité ou d'un défaut

NF X 50-120 ; 3.26

Balance d’analyse balance avec une précision d’affichage de 1 d (1 digit) = 0,1 mg = 0,0001 g Balance semimicro

balance d'analyse avec une précision d’affichage de 1 d (1 digit) = 0,01 mg = 0,000 01 g

Microbalance

balance avec une précision d’affichage de 1 d (1 digit) = 1 µg = 0,000 001 g

Ultramicrobalance

balance avec une précision d'affichage de 1 d (1 digit) = 0,1 µg = 0,000 000 1 g

Calibrage

positionnement matériel de chaque repère (éven- Ne pas confondre « calibrage » et « étalonnage » tuellement de certains repères principaux seulement) d’un instrument de mesure en fonction de la valeur correspondante du mesurande

Classe de précision

classe d’instruments de mesure qui satisfont à certaines exigences métrologiques destinées à conserver les erreurs dans les limites spécifiées

Une classe de précision est habituellement indiquée par un nombre ou symbole adopté par convention

NF X 07-001 ; 5.22

Conservation d’un étalon

ensemble des opérations nécessaires à la préser- Les opérations comprennent habituellement vation des caractéristiques métrologiques d’un un étalonnage périodique, un stockage dans des étalon dans des limites convenables conditions appropriées et des précautions lors de l’utilisation

NF X 07-001 ; 6.12

Contrôle

activités telles que de mesurer, examiner, essayer ou passer au calibre une ou plusieurs caractéristiques d’un instrument de mesure, et de comparer les résultats aux exigences spécifiées en vue de déterminer si la conformité est obtenue pour chacune de ces caractéristiques

NF EN ISO 8402 ; 2.15

Défaut

non-satisfaction aux exigences de l’utilisation prévue

1) Cette définition couvre l’écart ou l’inexistence NF X 50-120 ; 3.25 d’une ou plusieurs caractéristiques de qualité par rapport aux exigences de l’utilisation prévue 2) La différence essentielle entre non-conformité et défaut réside dans le fait que les exigences spécifiées peuvent être différentes des exigences de l’utilisation prévue

Écart-type expérimental

pour une série de n mesurages du même mesurande, grandeur s caractérisant la dispersion des résultats, donnée par la formule :

1) En considérant la série de n valeurs comme échantillon d’une distribution, x est un estimateur sans biais de la moyenne µ, et s2 est un estimateur sans biais de la variance σ 2 de cette distribution 2) L’expression s ⁄ n est une estimation de l’écart-

n

∑ ( xi Ð x )

s = avec

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2

i=1

------------------------------nÐ1

xi x

résultat du ième mesurage, moyenne arithmétique des n résultats considérés.

type de la distribution de x et est appelée écarttype expérimental de la moyenne 3) L’écart-type expérimental de la moyenne est parfois appelé, à tort, erreur de la moyenne

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NF X 07 001 ; 4.29

NF X 07-001 ; 3.8

__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

Tableau 1 – Définitions relatives aux balances et pesées (suite) Terme

Définition

Notes

Référence

Échelon réel (d)

valeur exprimée en unités de masse : — de la différence entre les valeurs correspondant à deux repères consécutifs, pour une indication analogique ; ou : — de la différence entre deux indications consécutives, pour une indication numérique

NF EN 45501 ; T 3.2.2

Échelon de vérification (e)

valeur exprimée en unités de masse utilisée pour la classification et la vérification d’un instrument

NF EN 45501 ; T 3.2.3

Erreur d’indication

indication d’un instrument de mesure moins une valeur vraie de la grandeur d’entrée correspondante

Erreurs maximales tolérées

valeurs extrêmes tolérées d’une erreur par les spécifications, règlements, etc. pour un instrument de mesure donné

Étalonnage

ensemble des opérations établissant, dans des conditions spécifiées, la relation entre les valeurs de la grandeur indiquées par un appareil de mesure ou un système de mesure, ou les valeurs représentées par une mesure matérialisée ou par un matériau de référence et les valeurs correspondantes de la grandeur réalisées par des étalons

Étalon de référence

étalon, en général de la plus haute qualité métrologique disponible en un lieu donné, ou une organisation donnée, dont dérivent les mesurages qui y sont faits

Étalon de travail

étalon qui est utilisé couramment pour étalonner ou contrôler des mesures matérialisées, des appareils de mesure ou des matériaux de référence

Exactitude

(d’un instrument de mesure) aptitude d’un instru- L’exactitude est un qualificatif général et ne peut ment de mesure à donner des indications proches être quantifiée de la valeur vraie d’une grandeur mesurée

NF X 07-001 ; 5.18

Exactitude

(de mesure) étroitesse de l’accord entre le résultat L’emploi du terme précision au lieu d’exactitude d’un mesurage et la valeur (conventionnellement) doit être évité vraie de la grandeur mesurée

NF X 07-001 ; 3.5

Fidélité

aptitude d’un instrument de mesure à donner des indications très voisines pour une même charge déposée plusieurs fois et d’une manière pratiquement identique sur le récepteur de charge dans des conditions d’essais raisonnablement constantes

Incertitude de mesure

paramètre, associé au résultat d’un mesurage, qui caractérise la dispersion des valeurs qui pourraient raisonnablement être attribuées au mesurande

Justesse

aptitude d’un instrument de mesure à donner des indications exemptes d’erreur systématique

1) Étant donné qu’une valeur vraie ne peut pas être NF X 07-001 ; 5.20 déterminée, on utilise dans la pratique une valeur conventionnellement vraie 2) Ce concept s’applique principalement lorsqu’on compare l’instrument à un étalon de référence 3) Pour une mesure matérialisée, l’indication est la valeur qui lui est assignée NF EN 45501 ; T 5.5.4

1) Le résultat d’un étalonnage permet soit d’attribuer aux indications les valeurs correspondantes du mesurande, soit de déterminer les corrections à appliquer aux indications 2) Un étalonnage peut aussi servir à déterminer d’autres propriétés métrologiques telles que les effets de grandeurs d’influence 3) Le résultat d’un étalonnage peut être consigné dans un document parfois appelé certificat d’étalonnage ou rapport d’étalonnage

NF X 07-001 ; 6.11

NF X 07-001 ; 6.6

1) Un étalon de travail est habituellement étalonné par comparaison à un étalon de référence 2) Un étalon de travail utilisé couramment pour s’assurer que les mesures sont effectuées correctement est appelé étalon de contrôle

NF X 07-001 ; 6.7

NF EN 45501 ; T 4.3

1) Le paramètre peut être, par exemple, un écarttype (ou un multiple de celui-ci) ou la demi-largeur d’un intervalle de niveau de confiance déterminé 2) L’incertitude de mesure comprend, en général, plusieurs composantes. Certaines peuvent être évaluées à partir de la distribution statistique des résultats de série de mesures et peuvent être caractérisées par des écarts-types expérimentaux. Les autres composantes, qui peuvent aussi être caractérisées par des écarts-types, sont évaluées en admettant des distributions de probabilité, d’après l’expérience ou d’après d’autres informations

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NF X 07-001 ; 3.9

NF X 07-001 ; 5.25

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BALANCES ET PESÉES

__________________________________________________________________________________________________________________

Tableau 1 – Définitions relatives aux balances et pesées (suite) Terme

Définition

Notes

Référence

Linéarité

la linéarité d’une balance caractérise son aptitude à suivre le rapport linéaire entre le poids effectif du produit à peser et la valeur de mesure effectuée

Masse étalon

voir définition poids étalon

Masse marquée

objet matériel servant à la détermination de la masse d’un corps. Une masse marquée n’a pas l’obligation de satisfaire aux spécifications d’une masse marquée légale appelée couramment poids

Mesurage

ensemble d’opérations ayant pour but de déterminer une valeur d’une grandeur

Le déroulement des opérations peut être automatique

NF X 07-001 ; 2.1

Mesurande

grandeur particulière soumise à un mesurage Exemple : Pression de vapeur d’un échantillon donné d’eau à 20 °C

La définition du mesurande peut nécessiter des indications relatives à des grandeurs telles que le temps, la température et la pression

NF X 07-001 ; 2.6

Mobilité

aptitude d’un instrument à réagir à de petites variations de charge. Le seuil de mobilité à une charge donnée est la valeur de la plus petite surcharge qui, déposée ou retirée sans choc sur le récepteur de charge, provoque une variation perceptible de l’indication

Non-conformité

non-satisfaction aux exigences spécifiées

1) La définition s’applique à l’écart ou l’inexistence NF X 50-120 ; 3.24 d’une ou plusieurs caractéristiques de qualité ou d’éléments d’un système qualité par rapport aux exigences spécifiées 2) La différence essentielle entre non-conformité et défaut réside dans le fait que les exigences spécifiées peuvent être différentes des exigences de l’utilisation prévue

Poids

un poids est une masse marquée légale ; sa forme, sa constitution, sa valeur nominale et son erreur maximale tolérée sont réglementées

Le poids est aussi l’exercice de la force sur tous les Circulaire corps. Il ne faut pas confondre, dans ce cas, le poids n° 92.00.600.001.1 avec la masse : pour un corps d’une masse donnée, du 15/10/92 le poids varie en fonction de l’accélération de la pesanteur du lieu considéré : par contre, la masse est une grandeur constante qui dépend uniquement des caractéristiques du corps Le poids d’un corps, c’est-à-dire la force P que la pesanteur exerce sur lui, est le produit de sa masse m et de l’accélération de la pesanteur g, suivant la formule P = mg La masse d’un corps étant constante, le poids de ce corps varie donc comme l’accélération de la pesanteur qui est variable d’un point à l’autre du globe. De même, un corps transporté sur une autre planète aurait un poids différent du poids moyen qu’il a sur la Terre et qui serait fonction de la pesanteur régnant sur cette planète. Ainsi, un corps pesant 1 kg sur la Terre ne pèserait plus que 160 g sur la Lune, mais pèserait 2,530 kg sur Jupiter

Poids étalon

poids servant soit à l’étalonnage, soit à la vérification, soit à l’ajustage de masses marquées, de poids et d’instruments de pesage. Sa valeur nominale est comprise entre 1 mg et 50 kg ; audelà, il s’agit d’une masse étalon

Portée maximale

capacité maximale de pesage, compte non tenu de la capacité additive de tare

Portée minimale

valeur de la charge au-dessous de laquelle les résultats des pesées peuvent être entachés d’une erreur relative trop importante

Précision

dans tous les cas, le terme précision, seul, est à éviter (voir définitions « exactitude »)

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Circulaire n° 92.00.600.001.1 du 15/10/92

NF EN 45501 ; T 4.2

Circulaire n° 92.00.600.001.1 du 15/10/92

OIML R76-1 ; T.3.1.1

Il n’est pas « interdit » de peser au-dessous de la portée minimale dès lors que la valeur de l’erreur relative est acceptable. L’erreur relative peut être déterminée avec le rapport entre l’erreur maximale tolérée à la charge et la valeur de la charge déposée sur le plateau de la balance

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OIML R76-1 ; T.3.1.2

__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

Tableau 1 – Définitions relatives aux balances et pesées (suite) Terme

Définition

Notes

Référence

Précision d’affichage

plus petit écart entre deux valeurs de mesure pou- sur les balances de précision⇒échelons numérivant être lu sur l’affichage. Sur un affichage nuques de 0,1g à 1 mg mérique, c’est le plus petit pas numérique, aussi sur les balances d’analyse ⇒échelon numérique appelé échelon de 0,1 mg sur les balances semi-micro ⇒échelon numérique de 0,01 mg sur les microbalances ⇒échelon numérique de 1 µg sur les ultramicrobalances ⇒échelon numérique de 0,1 µg

Procédure

manière spécifiée d’accomplir une activité

Réglage

ajustage utilisant uniquement les moyens mis à la disposition de l’utilisateur

Réparation

action entreprise sur un produit non conforme de façon qu’il satisfasse aux exigences de l’utilisation prévue, bien qu’il ne soit pas nécessairement conforme aux exigences spécifiées à l’origine

1) La réparation est un des modes de traitement d’un produit non conforme 2) La réparation comprend les dispositions curatives pour rendre utilisable un produit devenu non conforme après avoir été conforme antérieurement, par exemple, au titre d’une opération de maintenance

Répétabilité

étroitesse de l’accord entre les résultats des mesurages successifs du même mesurande, mesurages effectués dans la totalité des mêmes conditions de mesure

1) Ces conditions sont appelées conditions de répé- NF X 07-001 ; 5.22 tabilité 2) Les conditions de répétabilité comprennent : — même mode opératoire ; — même observateur ; — même instrument de mesure utilisé dans les mêmes conditions ; — même lieu ; — répétition durant une courte période de temps. 3) La répétabilité peut s’exprimer quantitativement à l’aide des caractéristiques de dispersion des résultats

Reproductibilité

étroitesse de l’accord entre les résultats des mesurages du même mesurande, mesurages effectués en faisant varier les conditions de mesure

1) Pour qu’une expression de la reproductibilité soit valable, il est nécessaire de spécifier les conditions que l’on fait varier 2) Les conditions que l’on fait varier peuvent comprendre : — le principe de mesure ; — la méthode de mesure ; — l’observateur ; — l’instrument de mesure ; — l’étalon de référence ; — le lieu ; — les conditions d’utilisation ; — le temps. 3) La reproductibilité peut s’exprimer quantitativement à l’aide des caractéristiques de dispersion des résultats 4) Les résultats considérés ici sont habituellement les résultats corrigés

Sensibilité

pour une valeur donnée de la masse mesurée, quotient de la variation de la variable observée L par la variation correspondante de la masse mesurée M : k = ∆L/∆M

Tolérance

différence maximale acceptable, en plus ou en moins, entre l’indication d’un instrument et la valeur vraie correspondante (voir erreur maximale tolérée

Exemples d’activités pouvant faire l’objet de procédures : raccordement des étalons, traitement des étalons hors service, vérification

NF EN ISO 8402 ; 1.3 NF X 07-001 ; 4.31

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NF EN ISO 8402 ; 4.18

NF X 07-001 ; 3.7

NF EN 45501 ; T4.1

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BALANCES ET PESÉES

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Tableau 1 – Définitions relatives aux balances et pesées (suite) Terme

Définition

Notes

Référence

Traçabilité

aptitude à retrouver l’historique, l’utilisation ou 1) Le terme « traçabilité » peut être utilisé dans trois NF EN ISO 8402 ; la localisation d’un article ou activités semblables, actions principales : 3.16 au moyen d’une identification enregistrée a) lorsqu’il s’applique à un produit, le terme peut se référer à : — l’origine des pièces et des matériaux ; — l’histoire des divers processus appliqués au produit ; — la distribution et l’emplacement du produit après livraison ; b) lorsqu’il se rapporte à l’étalonnage, il s’applique au raccordement des équipements de mesure aux étalons nationaux ou internationaux, aux étalons primaires ou aux constantes et propriétés physiques de base ou aux matériaux de référence ; c) lorsqu’il se rapporte à la collecte de données, il relie les calculs et les données produits tout au long de la boucle de la qualité en remontant parfois aux exigences pour la qualité pour des produits ou services. 2) Tous les aspects concernant les éventuelles exigences de traçabilité doivent être clairement spécifiés, par exemple en termes de période couverte, point d’origine ou identification

Vérification

confirmation par examen et établissement des preuves que les exigences spécifiées ont été satisfaisantes

NF EN ISO 8402 ; 2.17

2. Technologie

6 1

2.1 Compensation électromagnétique des forces

8

7

2

Le principe de fonctionnement en est indiqué sur la figure 1. La force d’une charge sur le plateau de la balance (1) est orientée par les guides (3) et agit sur les leviers suspendus (2). Les coupleurs (4) concentrent la force verticalement sur les leviers horizontaux (5). Les paliers (6) représentent les axes de rotation pour les leviers horizontaux. La force de la charge provoque la rotation des leviers (5) et le déplacement de la languette de position (7) face à la cellule optoélectronique (8). Ce déplacement provoque un changement de tension détecté par le circuit électronique qui rétablit le système dans sa position initiale à l’aide des bobines de compensation (9) placées dans le champ des aimants permanents (10). La force de réaction nécessaire pour compenser le déplacement est générée par les bobines de compensation. Cette force permet de mesurer la charge déposée sur le plateau ; elle est proportionnelle à l’intensité du courant circulant. La charge morte de ce système a été conçue de sorte que la position zéro mécanique se trouve au milieu de la plage de mesure. Les leviers se trouvant en position d’équilibre, les forces dans les bobines de compensation se neutralisent.

5 13

9 10 12 1 2 3 4 5 6 7

4

Plateau Leviers suspendus Guide Coupleur Leviers horizontaux Paliers Languette de position

3 8 9 10 11 12 13

11

Cellule optoélectronique Bobine de compensation Aimant permanent Coffret de la balance Capteur de température Fixation circuit électromagnétique

Figure 1 – Principe de fonctionnement d’une balance fonctionnant par compensation électromagnétique des forces

Le capteur de température (12) permet de compenser l’effet des variations de température sur l’aimant permanent.

2.2 Technologie des jauges de contrainte

Les leviers suspendus, les paliers, les coupleurs et un levier horizontal ont été créés par électroérosion d’un bloc d’aluminium massif. Un des côtés du bloc est fixé au coffret de la balance (11). L’emplacement (13) sert à la fixation du circuit électronique sur le bloc.

■ Principe de fonctionnement

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Ce principe est exposé dans les références [1] et [2], articles parus dans ce traité auxquels le lecteur voudra bien se reporter.

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__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

■ Constitution d’une jauge de contrainte

Jauges

De même, le lecteur se reportera avantageusement aux articles des références [1] et [2] pour des explications sur la constitution d’une jauge de contrainte.

F

+

■ Types de capteurs

Capteur de flexion (monobloc) (figure 2)

Ce type de capteur, sensible aux efforts latéraux, nécessite d’avoir des pièces de montage protégeant totalement le capteur. Il convient pour de faibles portées de 20 à 200 kg. ●

Capteur de compression

Pour des portées jusqu’à 50 t, les capteurs utilisés sont constitués par une simple barre en acier pour le corps déformable. On mesure la dilatation de la surface (évasement). Ce type de capteur est sensible aux efforts latéraux et au point d’application de la charge, nécessite d’avoir des pièces de montage protégeant le capteur des charges latérales. Il convient pour le pesage de silos de fortes portées et de ponts-bascules. ●

Capteur annulaire

Ce type de capteur intègre sa butée de surcharge, offre un faible encombrement, convient pour les moyennes portées de 500 à 5 000 kg et toutes les utilisations requérant une faible hauteur. ●

Capteur à cisaillement

Ce type de capteur offre une bonne résistance aux efforts latéraux, est peu sensible au point d’application de la charge et convient pour la plupart des applications de moyennes et de fortes portées de 200 kg à 20 t. ●

Capteur à double cisaillement

Ce type de capteur offre une bonne résistance aux efforts latéraux, présente une meilleure assise du capteur avec un montage facile et convient pour la plupart des applications de moyennes et de très fortes portées de 2 à 100 t. ●

F

– +

Un gros avantage de cette technologie provient des différentes formes possibles pour le corps déformable. Nous donnons ci-après quelques exemples de ces différentes formes. ●

–

Capteur de pesage numérique

Des constructeurs ont poursuivi le développement de ce capteur et l’ont perfectionné. Cette technologie fait appel aux microprocesseurs les plus modernes permettant de numériser − dans le capteur même − les signaux analogiques sensibles (quelques centièmes de volt). La transmission des valeurs de poids vers le terminal est entièrement numérique, donc insensible aux perturbations. Les influences comme les variations de température, le défaut de linéarité, la dérive des matériaux, sont saisies et compensées immédiatement au lieu même de leur apparition, autrement dit, dans le capteur. À la production, chaque capteur est étalonné et contrôlé (linéarité, température, sensibilité aux charges excentrées, dérive). Avec une production automatisée, on obtient des capteurs d’une qualité élevée et constante. Le diagnostic d’erreur et l’autocontrôle intégrés dans les capteurs de pesage augmentent la fiabilité et diminuent les coûts de maintenance. De plus, en cas de dépannage, chaque capteur peut être remplacé sans aucun réglage (par exemple : soudage de résistances de réglage, réglage de la sensibilité aux charges excentrées). Cette technologie résout de nombreux problèmes chroniques sur les capteurs analogiques. Le résultat se traduit par des appareils plus rapides, plus stables et moins sensibles aux perturbations.

Jauges Figure 2 – Capteur de flexion monobloc

2.3 Autres technologies 2.3.1 Balance à cristal de quartz La fréquence propre d’une lamelle de cristal piézoélectrique change, si l’une de ses faces est couverte de particules ou d’une couche rapportée, selon l’équation : ∆m ∆f ------ = Ð --------m f avec

m

masse du cristal,

∆m

masse additive,

∆f /f

changement relatif de fréquence.

La figure 3 représente le schéma synoptique d’une telle balance. Par comparaison à un cristal de référence, les influences de la température et autres variables perturbatrices sont éliminées. Il est possible de déceler des variations de masse de quelques picogrammes. Le quartz vibrant peut servir à la mesure de la teneur en poussière de l’air ambiant. On précipite à la surface du cristal la poussière d’un jet d’air et on observe la variation de fréquence.

2.3.2 Balance à fibre oscillante L’élément principal est une fibre de quartz de 5 à 20 µm de diamètre, dont l’une des extrémités est fixe et l’autre libre. Cette fibre, d’environ 1 cm de longueur, est revêtue d’une fine couche métallique. L’extrémité libre de la fibre est placée entre deux plaques d’un condensateur et un signal alternatif est appliqué à la fibre. La fréquence de résonance de la fibre varie lorsqu’une masse est placée sur l’extrémité libre ; d’où la possibilité de déterminer des masses de 10−5 à 10−11 g.

Oscillateur de mesure f1

Fréquencemètre numérique 1 Hz – 130 kHz

Premier mélangeur

Filtre

f0 – f1

Deuxième mélangeur

f2 Oscillateur de référence f0

Filtre

Fréquencemètre analogique

f2 – f0 – f1

Générateur de signaux carrés 30 – 140 kHz

Différenciateur d(∆f1) df

Figure 3 – Principe d’une microbalance à quartz vibrant

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BALANCES ET PESÉES

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3. Utilisation des balances

Il faut vérifier que la bulle d’air du niveau soit bien centrée par rapport au repère (cercle du centre). Au besoin, corriger le niveau en réglant la hauteur des pieds. Il faut aussi s’assurer que tous les pieds reposent sur le support, afin que la balance ne « boîte » pas.

3.1 Conditions ambiantes

La figure 4 montre l’erreur occasionnée par une mise de niveau défectueuse.

Dans tous les cas, l’environnement (température, pression atmosphérique, humidité) de la balance doit, si possible, être stable. L’installation de la balance doit tenir compte des éventuelles perturbations causées par des vibrations, des courants d’air et des défauts d’origine électrique.

■ Le plateau

■ Emplacement de la balance La qualité et la fiabilité des résultats de pesage sont étroitement liées à l’emplacement de la balance. Les points énoncés ci-après devraient être respectés. ■ La table de pesée Elle doit, si possible : — transmettre le minimum de vibrations ; — ne pas fléchir lors de son utilisation (par exemple, utiliser une table ou un plan de travail de laboratoire ou une table en pierre de grande stabilité) ; — être amagnétique (pas de plan en acier) ; — être protégée contre l’électricité statique (ne pas être en matière plastique ou en verre) ; — reposer uniquement sur le sol ou être fixée au mur, mais pas les deux en même temps (pour éviter la transmission simultanée des vibrations du mur et du sol) ; — n’être réservée qu’au seul pesage.

● Poser le produit à peser au centre du plateau afin d’éviter toute erreur liée aux charges excentrées. ● Sur les microbalances ou les balances semi-micro, il est conseillé − après une pause de plus de 30 min − de charger brièvement le plateau avant de réutiliser la balance (pour éliminer l’effet de la première pesée). ● Retirer le produit à peser du plateau dès que l’opération de mesure est terminée. On évite ainsi toute variation de température ou d’humidité au sein de la chambre de pesée.

La charge à peser doit toujours être placée à l’intérieur de repères centrés sur le plateau pour éviter toute erreur liée à l’excentration. Ces repères peuvent être tracés sur le plateau s’ils n’existaient pas. ■ Le pare-brise

■ Le local de travail Il doit si possible ; — ne pas être soumis aux vibrations ou aux secousses ; — avoir un seul accès (pour éviter les courants d’air) ; — avoir le moins de fenêtres possible (pour éviter l’exposition directe aux rayons du soleil). Les coins du local doivent être réservés à la table de pesée ; c’est à cet endroit qu’un bâtiment présente le moins de vibrations. ■ La température du local La température ambiante doit, si possible, être maintenue constante afin d’éviter toute dérive (1 à 2 ppm/°C typique). Il ne faut pas peser à proximité de radiateurs. Les balances dotées d’un calibrage motorisé et entièrement automatique compensent la dérive de température restante. Pour cela, il suffit d’activer le calibrage. Pour celles qui ne sont dotées que d’un dispositif de calibrage externe, c’est l’utilisateur qui l’activera à sa convenance. ■ L’humidité de l’air L’humidité relative doit être comprise entre 45 et 60 %. Pour les microbalances, il est recommandé de la surveiller en permanence. ■ La mise de niveau La balance doit toujours être de niveau :

Sur les balances d’analyse dotées d’un pare-brise motorisé, configurer celui-ci de façon à ouvrir le moins de surface possible. Sur les balances d’analyse dotées d’un pare-brise traditionnel, limiter l’ouverture au minimum nécessaire pour poser confortablement le produit à peser (pour éviter les courants d’air et les variations de température). ■ La lumière ● Éviter l’exposition directe aux rayons du soleil (par exemple, rechercher un mur sans fenêtre). ● Les sources de lumière doivent être suffisamment éloignées de la table de pesée afin d’éviter tout rayonnement thermique (notamment les lampes à incandescence ; les tubes fluorescents ont moins d’influence).

■ L’air ● Ne pas peser à proximité d’une climatisation ou d’appareils dotés de ventilateurs (par exemple, les ordinateurs). ● Éviter la proximité de radiateurs, qui sont sources de chaleur et générateurs de circulation d’air.

Niveau incorrect Niveau correct

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●

Ne pas peser près d’une porte.

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3.4 Calibrage de la balance Les balances électroniques disposent d’un système de calibrage. Ce système permet de corriger les erreurs de linéarité. m

Horizontale

N

G H

Comme la direction du poids G (verticale) ne concorde plus avec la direction de mesure de la balance, celle-ci ne mesurera que la composante normale N ; le dispositif de guidage du plateau compense la composante tangentielle H. Figure 4 – Répartition des forces sur une balance inclinée par rapport à l’horizontale

■ Le récipient de pesée ●

Utiliser le plus petit récipient possible.

● Éviter les récipients en matière plastique et, si l’humidité de l’air est inférieure à 30-40 %, éviter aussi ceux en verre, car ils peuvent se charger en électricité statique (cf. § 4.4). ● Le récipient de pesée et son contenu doivent, si possible, avoir la même température que l’environnement. Toute différence de température conduit à une circulation d’air et à une modification de la pellicule d’eau sur le récipient et le produit à peser (cf. § 4.1). ● Ne pas prendre le récipient dans les mains pour le poser dans la chambre de pesée. Elles risqueraient de modifier la température et l’humidité de l’air à l’intérieur de la chambre de pesée, ce qui a une influence défavorable sur l’opération de mesure.

3.2 Stabilité des indications Les nouvelles générations de balances électroniques disposent d’un détecteur automatique de stabilisation réglable. Ce détecteur vérifie si le résultat final varie à l’intérieur d’une bande donnée. Il provoque l’allumage d’un voyant indiquant une dispersion des pesées supérieure à la valeur fixée. Ce dispositif existe sur la plupart des familles de balances électroniques modernes ; son fonctionnement est développé dans le mode d’emploi de la balance concernée. Il n’existe aucune équivalence de ce système pour les balances mécaniques.

3.3 Adaptateur de vibration

Si certaines balances disposent d’une technologie de calibrage motorisé et automatique, dans ce cas, le calibrage est surveillé par un microprocesseur et corrigé automatiquement en cas de variation de température. Les autres nécessitent, lors de cette opération, de déposer manuellement le poids sur le plateau ; c’est l’utilisateur qui décide du calibrage ; l’automatisation n’est pas envisageable. Il est nécessaire de calibrer la balance régulièrement et, en particulier, après la première remise en service après un changement d’emplacement, après une mise de niveau ou après d’importantes variations de température, d’humidité de l’air ou de pression atmosphérique. La concordance entre la charge déposée et l’affichage est obtenue par le calibrage car, naturellement, lors du dépôt d’une masse de 100 g sur le plateau, on s’attend à ce que la balance affiche exactement la valeur « 100 ». Si l’on déclenche le calibrage automatisé de la balance, un dispositif motorisé dépose un poids de référence incorporé sous le plateau. Nota : les poids de calibrage des balances sont en acier inoxydable antimagnétique au nickel-chrome, d’une masse volumique de 8 000 kg/m3. La masse du poids de calibrage se rapporte au kilogramme étalon qui représente l’unité de masse et qui est conservé au Pavillon de Breteuil à Sèvres.

À partir du résultat de cette pesée de calibrage, qui varie d’un point d’utilisation à l’autre, le microprocesseur calcule le facteur de calibrage et le mémorise de façon permanente jusqu’au prochain calibrage. À l’aide de ce facteur, il est possible à présent de régler correctement la sensibilité de la balance. Toutes les pesées succédant au calibrage se rapportent alors à la pente correcte de la courbe. On peut calibrer la balance à tout moment en appelant le calibrage à partir du menu.

3.5 Tolérance du poids de calibrage Lors du calibrage, la balance pèse un poids de référence (aussi appelé poids de calibrage) dont la masse exacte est connue. L’écart de la masse de ce poids de calibrage par rapport à la valeur déclarée caractérise la tolérance du poids de calibrage. Comme la poussée aérostatique influe sur le poids de chaque masse, le poids de référence est étalonné comme s’il se trouvait dans de l’air d’une masse volumique de 1,2 kg/m3 et comme s’il avait une masse volumique de 8 000 kg/m3. Nota : l’eau a une masse volumique de 1 000 kg/m3.

Les nouvelles générations de balances électroniques disposent d’un détecteur de vibration réglable. Ce système permet de compenser les conditions environnantes de pesage en moyennant, sur une période réglable, les mesures acquises par le microprocesseur. Ce dispositif nécessite un temps de stabilisation de l’affichage plus ou moins long suivant la position de réglage choisie.

Cela répond aux conditions fixées par les normes internationales. Dans ce contexte, il est important de constater qu’un écart du poids de calibrage apparaît comme une erreur de sensibilité. Cela signifie qu’après un tarage l’écart du résultat de pesée ainsi provoqué augmente de façon proportionnelle à la quantité dosée (et non

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BALANCES ET PESÉES

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à la charge totale) : plus la quantité dosée est petite, plus l’écart sera faible. Exemple : le poids de calibrage d’une balance laisse apparaître un écart maximal de 0,1 mg à 200 g. Si, maintenant, on dose une substance de 1 g, même dans un récipient lourd, l’écart sera au maximum de :

Balance avec Max = 3 000 g et d = 1 g 2 000 g

2 001 g

0,1 × 10 1 ×  -------------------------------- = 0,5 × 10 Ð6 g = 0,5 µg  200 

+++ +++ + +

Ð3

valeur négligeable, même si l’on opère sur la plage fine (avec une précision d’affichage de 0,01mg). Noter que l’écart relatif reste constant et égal à 0,00005 %, quelle que soit la charge. Nota : 0,1 mg/200 g = 0,0000005 (0,00005 % ou 0,5 ppm).

1 999,5 g (I + 1/2 d )

2 000,5 g (I + 1/2 d )

Entre ces deux limites (± 0,5 d ), un poids mesuré est arrondi par l'affichage de la balance

3.6 Temps de stabilisation Le temps de stabilisation est le temps nécessaire à la balance pour effectuer une pesée. Il est défini comme étant l’intervalle de temps situé entre le chargement du produit à peser sur le plateau et la stabilisation de l’affichage du poids. Le temps de stabilisation dépend des conditions ambiantes (courants d’air, vibrations, etc.) et du réglage des paramètres de la balance, c’est-à-dire de la précision d’affichage, du détecteur de stabilité, de l’adaptateur du processus de pesage et de l’adaptateur de vibration.

3.7 Balances soumises à la réglementation Une balance est soumise à la réglementation si, et seulement si, son utilisation correspond aux usages définis dans l’article 1, § 1 du décret n° 91-330 modifié du 27 mars 1991. Dans ce cas, la balance doit être vérifiée périodiquement (une fois par an) par un organisme agréé par la DRIRE, à la demande du détenteur et aussi réparée par un organisme agréé par la DRIRE (arrêté du 23 mars 1993 modifié). L’accès au calibrage externe d’une balance soumise à la réglementation est scellé, voire impossible par l’utilisateur. Ainsi, il n’est pas possible de modifier intentionnellement ses indications. Seul un réparateur agréé peut effectuer un calibrage externe.

3.8 Indication de la balance avant arrondissage Pour les balances à indication numérique, les points de changement de l’indication peuvent être utilisés pour déterminer l’indication de la balance avant arrondissage (figure 5). À une certaine charge L, la valeur indiquée I est notée. On ajoute successivement des poids additionnels (1/10 d ou 1/5 d) jusqu’à ce que l’indication de la balance augmente d’un échelon d. La charge additionnelle ∆L ajoutée sur le plateau donne l’indication P avant l’arrondissage en utilisant la formule :

P = I + 1/2 d − ∆L Certaines balances disposent d’un dispositif d’extension de l’indication avec un échelon inférieur. Ce dispositif est accessible par son mode de contrôle.

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2 002 g

Poids mesuré P

2 001,5 g (I + 1/2 d ) Poids initial mesuré par la balance après dépôt d'une charge L de 2 000 g

Poids affiché I

2 002,5 g (I + 1/2 d )

Poids mesuré par la balance après dépôts successifs de surcharges ∆L et changement d'indication. Le poids initial est donné par : P = I + 1/2 d – ∆L

Figure 5 – Utilisation de poids additionnels pour déterminer l’indication de la balance avant arrondissage

4. Influences physiques sur les résultats de pesée Les influences physiques sont souvent en cause, lorsque l’affichage du poids n’est pas stable, lorsque les résultats augmentent ou diminuent lentement ou lorsque les valeurs sont erronées. Les causes les plus courantes sont : — une mauvaise manipulation des produits à peser ; — un mauvais emplacement de la balance ; — une évaporation ou une absorption d’humidité par les produits à peser ; — des produits à peser ou des récipients chargés d’électricité statique ; — des produits à peser ou des récipients magnétiques. Dans le paragraphe suivant, nous présentons ces influences, leurs causes et nous proposons certaines mesures à prendre.

4.1 Température ■ Effet : l’affichage du poids d’une charge varie constamment dans un sens. ■ Cause : il existe une différence de température entre la charge à peser et l’environnement, qui conduit à une circulation d’air au voisinage de la charge à peser (figure 6). Avec l’air frôlant la charge de température plus élevée, il se crée une force ascendante qui fausse le résultat du pesage : la charge à peser paraît plus légère. L’effet diminue lorsque l’équilibre thermique est atteint. L’effet inverse apparaît quand la charge à peser est plus froide que l’air ambiant. ■ Remède : — ne pas peser de charge sortie directement d’un endroit ayant une température différente de celle du local d’étalonnage ; — mettre la charge à peser dans le local d’entreposage pour qu’elle s’acclimate lentement à la température du local ; — ne pas tenir la charge à peser avec les doigts nus, utiliser des pinces ou des gants ; — ne pas introduire la main dans la chambre de pesée.

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__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

a

évaporation

b

absorption

Figure 7 – Influence de l’absorption d’humidité ou de l’évaporation sur les résultats de pesée

a

la température de la charge à peser est plus élevée que celle de l'air ambiant

b

la température de la charge à peser est plus basse que celle de l'air ambiant

Figure 6 – Influence de la température sur les résultats de pesée

4.2 Absorption d’humidité ou évaporation ■ Effet : le poids d’un produit à peser augmente ou diminue sans cesse (figure 7). ■ Cause : on mesure la perte de poids de produits volatils ou l’évaporation d’eau. Une augmentation de poids indique un produit à peser hygroscopique (absorption de l’humidité de l’air). On peut mettre en évidence ce phénomène avec de l’alcool ou du gel de silice. ■ Remède : — utiliser des récipients de pesée propres et secs et garder la plate-forme de pesage bien propre et bien sèche ; — utiliser des récipients à col serré. Mettre un couvercle ; — utiliser un support triangulaire métallique à la place des supports en liège ou en carton (ces derniers peuvent absorber ou transmettre beaucoup d’humidité).

4.3 Magnétisme ■ Effet : une charge peut présenter, suivant sa position sur le plateau, des indications de poids différentes. Les résultats ne sont pas reproductibles. ■ Cause : la charge est magnétisée (figure 8). Les objets magnétiques (cellule du comparateur) et le fer composant la charge s’attirent. Les forces supplémentaires engendrées sont interprétées de façon erronée comme étant une charge. ■ Remède : comme la force magnétique diminue avec la distance, le produit à peser peut être plus loin du plateau à l’aide d’un support amagnétique (plastique, aluminium).

4.4 Électricité statique 4.4.1 Quand la balance devient paratonnerre Tout le monde a certainement déjà subi une décharge électrostatique en sortant de voiture ou en marchant sur une moquette à fibres synthétiques. Que se passe-t-il lorsque l’on touche la balance et qu’une décharge se produit ?

Figure 8 – Champ magnétique autour d’une charge magnétisée

Le résultat de la pesée est-il faussé ? La balance peut-elle être endommagée ? Pour répondre aux exigences générales en cas d’utilisation des balances en milieu difficile, tout le soin nécessaire a été apporté lors du développement de la balance afin de l’immuniser contre toute influence externe. Toutes les balances répondent aux normes actuelles en vigueur dans le domaine de la compatibilité électromagnétique (CEM) et sont insensibles à toute influence. La balance supporte ainsi sans dommage les décharges électriques provoquées par les personnes ou les objets, et cela jusqu’à 15 000 V. (Cet effet n’est pas à confondre avec les erreurs de mesure dues au pesage de produits chargés d’électricité statique. Dans ce cas, ce ne sont pas les décharges qui importent, mais les forces supplémentaires qui viennent perturber les mesures et par là fausser leurs résultats.) Il n’y a aussi rien à craindre quant aux défauts de fonctionnement de la balance (par exemple, une défaillance au niveau de l’électronique) ou quant à la dérive du résultat de mesure. De la même manière, le résultat de pesée est immunisé contre les champs électromagnétiques, comme c’est le cas par exemple à proximité de talkies-walkies ou d’autres émetteurs de haute fréquence. En outre, les interfaces de données bénéficient d’une isolation galvanique par rapport à l’électronique de la balance. Cela évite les influences éventuelles exercées par la ligne de transmission ou par l’appareil récepteur sur la balance, ce qui ne fait qu’augmenter la fiabilité de la transmission de données. En même temps, on a la certitude que la précision de mesure de la balance ne peut pas être

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BALANCES ET PESÉES

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entravée par des perturbations ou des différences de potentiel issues de la ligne de transmission de données. Les surtensions ou pointes de tension perturbatrices sur le réseau d’alimentation électrique, issues d’utilisateurs absorbant des puissances importantes (par exemple, les fours, les moteurs, etc.) sont supprimées par le bloc d’alimentation de la balance. Si, malgré tout cela, des influences perturbatrices devaient encore arriver jusqu’à la balance, elles seraient absorbées par des filtres de haute fréquence. Le bloc d’alimentation stabilise les fluctuations inévitables de la tension secteur.

■ Remède : la charge électrostatique du produit à peser doit être déchargée ou évitée par blindage. Pour cela, il existe plusieurs possibilités : — augmenter l’humidité de l’air à l’aide d’un humidificateur ou en réglant la climatisation en conséquence. En tenir compte plus particulièrement en hiver lorsque les locaux sont chauffés (45 à 60 % d’humidité relative serait l’idéal) ; — stopper les forces électrostatiques par un blindage (poser le récipient de pesée dans un récipient en métal) ; — utiliser d’autres récipients de pesée :

Nota : CEM = compatibilité électomagnétique. On entend par là l’influence qu’exercent entre eux les systèmes, appareils et lignes électriques. Ce contexte concerne le comportement d’un appareil face aux influence électromagnétiques externes (par exemple, les tensions parasites dues au secteur, les champs électromagnétiques incidents ou les décharges électrostatiques). D’autre part, on considère l’appareil comme étant à l’origine de perturbations électromagnétiques (par exemple, l’envoi de perturbations sur le réseau d’alimentation ou l’émission de champs magnétiques de haute fréquence).

4.4.2 Conséquences pour la balance ■ Effet : un récipient affiche à chaque pesée un poids différent. L’affichage du poids n’est pas stable et les résultats ne sont pas reproductibles. ■ Cause : le récipient de pesée s’est chargé d’électricité statique. Les matériaux isolants comme la plupart des récipients de pesée (en verre, en matière plastique) peuvent se charger d’électricité statique. Cette charge est créée avant tout par frottement lors de la manipulation ou du transport de matériaux (en particulier, les poudres et granulés). Si l’air est sec (taux d’humidité relative inférieur à 40 % = moins bonne conductibilité), ces charges électrostatiques ne peuvent plus s’écouler ou seulement très lentement, et ce pendant des heures. Les erreurs de pesée proviennent des forces électrostatiques qui agissent entre le produit à peser et l’environnement. Ainsi, si le produit et l’environnement possèdent la même charge électrique (+,+ ou −,−) ils se repoussent ; si les charges sont opposées (+.− ou −,+) ils s’attirent (figure 9). Ces forces électrostatiques peuvent être mesurées par les microbalances, les balances semi-micro et les balances d’analyses et conduisent aux erreurs de pesée décrites. Un récipient en matière plastique, frotté avec un chiffon en laine ou en soie produit exactement ce phénomène.

Plastique Verre Métal -----------------------------------------------------------------------------------Inadéquat Bon Très bon — utiliser l’un des « pistolets antistatiques » que l’on trouve dans le commerce. Ils ne sont cependant pas efficaces avec tous les matériaux ; — mettre la balance à la terre (et donc le plateau). Sur certaines balances, cela est effectué automatiquement via la fiche secteur ; — placer la balance sur un tapis anti électricité statique (comme utilisé dans l’industrie électronique) relié à une véritable terre.

4.5 Poussée aérostatique ■ Effet : un produit pesé dans l’air ambiant et dans le vide n’a pas le même poids. ■ Cause : un corps plongé dans un fluide perd autant en poids que le poids du fluide déplacé par ce corps (loi d’Archimède). Grâce à cette loi, on explique pourquoi un bateau flotte, un ballon vole ou un produit à peser présente un poids différent selon la pression atmosphérique. Le fluide qui entoure nos produits à peser est l’air. La masse volumique de l’air est d’environ 1,2 kg/m3 (elle dépend de la température et de la pression). La poussée aérostatique du produit à peser (corps) est alors de 1,2 kg/m3. Posons un poids de calibrage de 100 g dans un bécher en verre sur une balance à fléau puis, sur l’autre plateau, remplissons un bécher identique avec une quantité d’eau telle que la balance soit en équilibre. Ainsi, les deux poids pesés dans l’air font 100 g. Plaçons ensuite la balance sous une cloche en verre et créons le vide ; la balance penchera du côté du bécher contenant l’eau (figure 10). Étant donné que l’eau prend plus de volume, elle déplace plus d’air ; elle subissait donc une poussée aérostatique plus forte. Dans le vide, la poussée disparaît.

100,000g

100,000g

a Figure 9 – Influence de l’électricité statique sur les résultats de pesée

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pesée à l'air

100,015g

b

100,120g pesée sous vide

Figure 10 – Effet de la poussée aérostatique sur les résultats de pesée

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__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

1. Détermination de la masse volumique de l’air : 0,34844 × p Ð ( 0,00252 × t Ð 0,020582 ) h a ≈ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------273,15 + t avec

a

masse volumique de l’air en kg/m3,

t

température de l’air en °C,

p

pression atmosphérique de l’air en hPa,

h

humidité relative de l’air en %.

2. Correction de la poussée aérostatique dans l’air :

a 1 Ð --------------8 000 m ≈ R ------------------------a 1 Ð --ρ avec

m

masse,

R

affichage de la balance,

ρ

masse volumique du produit à peser en kg/m3.

Exemple : affichage de la balance : 200,000 g ; pression atmosphérique : 1 018 hPa ; taux d’humidité relative : 70 % ; température 20 °C 0,34844 × 1 018 Ð ( 0,00252 × 20 Ð 0,020582 ) × 70 a ≈ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------273,15 + 20 ⇔ a ≈ 1,2029 kg ⁄ m 3 1,2029 1 Ð ---------------------8 000 m ≈ R ---------------------------------- ≈ 200,000 × 1,000312 ≈ 200,0625 g 1,2029 1 Ð ---------------------2 600

À ce nouveau point d’utilisation, l’accélération due à la pesanteur aura donc diminué d’un millionième environ de la valeur qu’elle avait à l’étage inférieur, car la force de gravitation diminue avec le carré de la distance. Nota : en première approximation on obtient, en effet : ∆g/g ≈ 2 x (3 m/6 370 km) ≈ 1 x 10−6 si on prend le rayon de la Terre égal à 6 370 km.

Exemple : ainsi, un poids de 200 g, par exemple, serait affiché avec un millionième de moins, soit un écart négatif de 0,2 mg environ.

Latitude

Altitude (m)

– 35 – 30 – 25 – 20 – 15 – 10 – 5

90°

0

5

∆grel

(10–4)

x 100 21 18 1512 9 6 3 0 10

15

20

25

9,835

Marche à suivre pour la détermination de la masse

Supposons que la balance ait été transportée dans un laboratoire situé un étage plus haut. En fait, on augmente de trois mètres environ la distance séparant la balance du centre de la Terre, ce qui représente à peu de choses près un demi-millionième de la première distance.

9,830

100,120 g

80° 70° 60° 50° 40° 30° 20° 10° 0° 9,825

Poids dans le vide 100,015 g

9,820

12,5 cm3 x 1,2 mg/cm3 100 cm3 x 1,2 mg/cm3 = 15 mg = 120 mg

9,815

Poussée aérostatique

9,810

12,5

9,805

100 cm3

Volume

9,800

1 000 kg/m3

9,795

cm3

100,000 g

Peut-être ces questions étonneront-elles un peu le lecteur, mais elles ne sont pas dénuées de sens. En effet, les balances électroniques mesurent le poids du produit à peser et non sa masse. Or, la valeur du poids est fonction de l’accélération due à la pesanteur de l’endroit où est effectuée la mesure. Sur la Terre, l’accélération due à la pesanteur (9,8 m/s2 environ) n’est pas une grandeur constante. Elle dépend beaucoup du lieu, en particulier de la latitude, mais aussi de l’altitude (figure 11).

9,790

100,000 g

Masse volumique 8 000 kg/m3

Que se passe-t-il lorsque l’on déplace la balance d’un point du globe à un autre et qu’on la remet en service à cet endroit ? La précision d’affichage est-elle encore garantie ?

9,785

Poids dans l’air

Eau

4.6.1 La gravitation

9,780

Poids de calibrage

4.6 Accélération due à la pesanteur

9,775

Tableau 2 – Correction de la poussée aérostatique dans le cas de l’expérience de la figure 10

Remarque : en laboratoire, on travaille normalement sans correction (erreur systématique). Pour de faibles quantités du produit à peser, l’erreur est négligeable.

9,770

■ Remède : étant donné que la balance est calibrée avec des poids de calibrage d’une masse volumique de 8,0 g/cm3, il en résulte des erreurs dues à la poussée aérostatique dans l’air lorsque l’on pèse des produits de masse volumique plus faible. Lors du pesage de grande précision (avant tout sur les microbalances), le poids affiché doit être corrigé en conséquence (tableau 2). Dans le cas de pesées effectuées à des jours différents (pesées différentielles, pesées comparatives), contrôler la pression atmosphérique, le taux d’humidité de l’air et la température et, ensuite, en déduire la masse volumique exacte de l’air.

g (m.s–2) g = 9,80632 – 0,02586 x cos 2 ϕ + 0,00003 x cos 4 ϕ – 0,00000293 x h ϕ

:

latitude (°)

h :

altitude (m)

Figure 11 – Accélération due à la pesanteur en fonction de la latitude et de l’altitude

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BALANCES ET PESÉES

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L’accélération due à la pesanteur sur la Terre dépend non seulement de l’altitude mais aussi, et encore davantage, de la latitude du point d’utilisation. Plus on se rapproche de l’équateur, plus la force centrifuge due à la rotation de la Terre et s’opposant à la gravitation est grande.

■ Cause : pour déterminer le poids d’un corps, la balance mesure la force de gravitation, autrement dit la force d’attraction entre la Terre et le produit à peser. Cette force dépend essentiellement de la latitude terrestre du lieu d’emplacement et de l’altitude (distance jusqu’au centre de la Terre). Ainsi :

C’est pour cette raison que l’accélération due à la pesanteur agissant sur une masse est la plus forte aux pôles et la plus faible à l’équateur (cf. tableau 3).

1 − la force de gravitation sur le produit à peser est d’autant plus faible que celui-ci se trouve éloigné du centre de la Terre. Elle diminue avec le carré de la distance ;

Tableau 3 – Accélération due à la pesanteur dans quelques villes situées à différentes latitudes (1) (2)

2 − l’accélération centrifuge créée par la rotation de la Terre qui s’oppose à la force d’attraction (force de gravitation) est d’autant plus importante que l’on se trouve près de l’équateur. C’est pour cette raison que la force de gravitation qui agit sur une masse est maximale aux pôles et minimale à l’équateur.

Villes

Accélération g

Latitude

La variation de poids repose donc sur une réduction de la force de gravitation. Étant donné qu’elle diminue avec le carré de la distance, le facteur de variation peut être calculé comme suit :

64° 8’

pour un produit à peser de 200 g, dont le poids, affiché au 1er étage, vaut 200,00000 g, on obtient la valeur suivante au 4e étage :

(m/s2) Reykjavik

9,82274

Helsinki

9,81902

60° 10’

Londres

9,81200

51° 30’

Paris

9,89032

48° 50’

9,80665 (3)

47° 23’

New York

9,80259

40° 43’

Tokyo

9,79787

35° 40’

Caire

9,79322

30° 3’

Zurich

Hongkong

9,78741

22° 15’

Caracas

9,778095

10° 30’

Quito

9,77282

0° 12’

( rayon de la Terre ) 2 200,00000 g ---------------------------------------------------------------------------- ≈ ( rayon de la Terre + 10 m ) 2 ( 6 370 000 m ) 2 200,00000 g ----------------------------------------- ≈ 199,99937 g ( 6 370 010 m ) 2 ■ Remède : calibrer la balance après chaque changement d’emplacement.

5. Vérification d’une balance

2

(1) L’unité de mesure pour l’accélération (m/s ), utilisée dans le tableau, est identique à l’unité « N/kg » mais cette dernière convient mieux à nos besoins. N (Newton) est l’unité de mesure pour la force, kg celle pour la masse. La valeur de l’accélération due à la pesanteur d’environ 9,81N kg nous indique donc que, sur la Terre, une masse de 1 kg a un poids de 9,81 N. (2) Tout comme la latitude et l’altitude, le défaut d’homogénéité de la couche supérieure de la terre influe sur l’accélération due à la pesanteur. (3) La valeur pour Zurich est (par hasard) identique à la valeur définie pour l’accélération due à la pesanteur par les normes.

Supposons qu’une balance installée à Zurich affiche exactement 100 g pour une masse de 100 g, ce que l’on attend évidemment d’elle. Du fait que l’accélération due à la pesanteur diffère d’un endroit à l’autre, la même balance afficherait, par exemple, 100,0546 g à Londres ou 100,0272 g à Paris, ou encore 99,9586 g à New York et seulement 99,9105 g à Tokyo. Bien que ce soit toujours les mêmes 100 g qui sont placés sur le plateau, cette masse n’a pas partout le même poids.

■ Choix des étalons Le choix des étalons doit intégrer la tolérance à justifier, en correspondance avec les erreurs maximales tolérées fixées pour l’utilisation de la balance. Dans le cas où l’on utilise la masse nominale, le rapport entre l’erreur maximale tolérée sur la masse utilisée et l’erreur maximale tolérée sur la balance à vérifier est inférieur ou égal à 1/3, quand cela est possible. Dans le cas où l’on utilise la masse conventionnelle portée sur le certificat d’étalonnage, le rapport entre l’incertitude U de la masse utilisée et l’erreur maximale tolérée sur la balance à vérifier est de 1/3, quand cela est possible. La classe de précision des étalons, en relation avec la classe de précision des balances à vérifier, peut correspondre aux indications suivantes :

Les différentes valeurs de l’accélération due à la pesanteur à tous les points du globe, et donc les valeurs de masse affichées, se situent dans une bande d’environ ± 0,3% de part et d’autre de la valeur normalisée.

– balance de classe

I

(balance d'analyse) poids étalons de classe E2 (cf. § 7.1);

– balance de classe

II

(balance de précision) poids étalons de classe F1 (cf. § 7.1);

Or, si la balance affiche déjà un résultat à environ 0,0001 % près, ou avec une précision encore plus élevée suivant le modèle, rien que pour cela, il faut que cette influence puisse être corrigée.

– balance de classe

III

(balance industrielle) poids étalons de classe M1 (cf. § 7.1).

4.6.2 Conséquences pour la balance ■ Effet : l’affichage du poids varie lorsque la pesée est effectuée 10 m plus haut (par exemple du 1er au 4e étage d’un immeuble).

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■ Choix des points de contrôle pour la vérification Le choix des points de vérification correspond généralement aux 3 cas d’utilisations d’une balance.

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__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

• Cas de pesées effectuées sur toute la portée de la balance : effectuer un contrôle sur toute la portée. Il est recommandé d’effectuer 4 à 6 points de mesure sur toute la portée de la balance. • Cas de pesées effectuées sur une partie de la portée de la balance avec ou sans tare : effectuer un contrôle sur la portée utilisée en fonction du nombre de poids étalons en possession de l’utilisateur. • Cas de pesées différentielles : les balances d’analyse sont utilisées pour ce cas, en raison de leur résolution (par exemple : 1/100 mg). Les balances ont une portée importante, permettant de tarer le récipient contenant le produit à analyser. C’est la différence, avant et après les pesées, qui est prépondérante dans l’analyse du produit. Il est préférable, alors, d’effectuer le contrôle de la justesse autour de la valeur de l’écart mesuré. Dans tous les cas, la vérification s’effectue sur des valeurs nettes. ■ Conditions d’essais • La balance est mise de niveau. • La balance est mise sous tension avant le début des essais.

• Durées des phases de chargement et de déchargement : elles sont sensiblement identiques. • Démarrage des mesures : la balance est tarée au début de l’essai. • Valeurs à relever : on relève à chaque charge les valeurs lues, après stabilisation de la balance. ●

Calcul de l’erreur

L’erreur est la différence entre la valeur indiquée par la balance et la valeur vraie du poids étalon (voir certificat d’étalonnage du poids étalon). L’erreur ne doit pas être supérieure à la tolérance de la balance pour chaque charge déposée sur le plateau (cf. § 6). Remarque : • l’erreur de justesse ainsi déterminée permet, dans certains cas, une correction systématique des résultats ; • l’erreur de justesse (supérieure aux tolérances) peut être supprimée par le calibrage de la balance.

• Le zéro est réglé, si nécessaire au début de chaque essai. • L’environnement (température, humidité) des essais doit être stable, si possible, durant les essais. • L’installation de la balance doit tenir compte des éventuelles perturbations causées par des vibrations, courants d’air ou des défauts d’origine électrique. ■ Fidélité de la balance ● Procédure de l’essai • Moyens d’essais : les valeurs nominales des poids étalons sont choisies de manière à réaliser l’essai au moins à la portée d’utilisation. • Conditions de relevé des mesures : la même répartition des charges sur le récepteur est conservée lors de chaque application, afin de ne pas engendrer d’erreur d’excentration. À chaque charge, la répétition des mesures a lieu dans une courte période de temps et sans interruption. La durée respective d’application d’une même charge est sensiblement identique. • Démarrage des mesures : la balance est tarée au début de l’essai. • Valeurs à relever : on relève à chaque charge (3 pour une balance industrielle, 6 pour une balance d’analyse ou de précision) les valeurs lues, après stabilisation de la balance. On corrigera les valeurs de mesure de la dérive du zéro, si elle existe. ● Calcul de l’écart L’écart entre les résultats obtenus au cours des pesées de la charge ne doit pas être supérieur à la valeur absolue de la tolérance de la balance, à la charge déposée sur le plateau (cf. § 6). Remarque : l’essai de fidélité, effectué en premier lieu, sert essentiellement à déterminer un niveau de qualité des indications de la balance et à juger a priori de la suite à donner aux essais. L’essai de fidélité, effectué à la portée d’utilisation, permet de ne pas alourdir la procédure de vérification. ■ Justesse de la balance ● Procédure de l’essai • Moyens d’essais : les valeurs nominales des poids étalons sont choisies de manière à permettre le relevé de mesures réparties sur, au moins, la plage d’utilisation. • Points d’application de la charge : la même répartition des charges sur le plateau de la balance est conservée lors de chaque application, afin de ne pas engendrer une erreur d’excentration. • Conditions de relevé des mesures : l’essai est réalisé en charges croissantes puis en charges décroissantes.

■ Excentration de charge ●

Définition

Aptitude de la balance à fournir des résultats concordant entre la valeur lue (indication de la balance) et la valeur vraie (poids étalon), en modifiant le point d’application d’une même charge sur le plateau. ●

Procédure de l’essai

• Moyens d’essais : les valeurs nominales des poids étalons sont choisies de manière à réaliser l’essai aux alentours du tiers de la portée maximale. • Points d’application de la charge : le récepteur de charge est décomposé en quatre parties égales, la charge est appliquée au centre du plateau puis au centre des quatre zones définies. • Conditions de relevé des mesures : la répartition des charges sur les différentes parties du plateau de la balance est conservée lors de chaque application. À chaque charge, les mesures ont lieu dans une courte période de temps et sans interruption. La durée respective d’application d’une même charge est sensiblement identique. • Valeurs à relever : on relève à chaque point de charge (5) les valeurs lues, accompagnées d’un schéma du plateau de la balance montrant les emplacements où la charge a été placée. ●

Calcul de l’erreur

L’erreur est la différence entre la valeur indiquée par la balance et la valeur vraie du poids étalon (voir certificat d’étalonnage du poids étalon). L’erreur ne doit pas être supérieure à la tolérance de la balance pour la charge déposée sur le plateau (cf. § 6). Remarque : l’essai d’excentration de charge permet de déterminer un défaut mécanique du système de transmission de la charge. ■ Vérification de la sensibilité de la balance Cet essai n’est à effectuer que pour des applications devant mettre en évidence l’évolution de la masse d’un échantillon (pesée différentielle). L’utilisateur tare une charge (creuset, fiole, etc.) placée au centre du plateau. Ensuite, il place une surcharge (équivalente à la valeur de la variation de la masse étudiée durant une pesée différentielle ou, par exemple, 100d ). La vérification de la sensibilité consiste à s’assurer que l’accroissement de l’indication initiale correspond à la valeur de la surcharge.

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BALANCES ET PESÉES

●

__________________________________________________________________________________________________________________

Conditions de vérification

La même répartition des charges sur le plateau de la balance est conservée lors de chaque application, afin de ne pas engendrer une erreur d’excentration. ●

Calcul de l’erreur

L’erreur de sensibilité est l’écart d’indication entre l’indication initiale et l’indication obtenue après le dépôt de la surcharge. L’écart ne doit pas être supérieur à la valeur vraie de la surcharge déposée sur le plateau. Remarque : cet essai est à réaliser à l’aide d’un poids étalon. ■ Fluage ou dérive sous charge ●

Résultat

Le dépôt de la charge équivalent à 1,4 d doit donner une indication numérique de pesée augmentée d’un échelon réel au-dessus de l’indication initiale.

Valeurs à relever et à reporter sur le relevé de mesures

Après stabilisation de la balance, on relève la valeur lue après le dépôt de la surcharge. ●

●

Remarque : l’essai de mobilité n’est à effectuer que pour des balances numériques ayant un échelon réel d supérieur à 0,2 g. Au-dessous de cette valeur, l’utilisation de poids additionnels devient difficile, voire impossible (exemple : d = 0,1 mg). ■ Présentation des résultats Les résultats et les relevés de mesure sont portés sur un constat de vérification permettant de démontrer la traçabilité des mesures effectuées avec la balance, en y reportant les caractéristiques de la balance et son identification, la référence du certificat d’étalonnage des poids étalons et leur numéro de série. La norme NF X 07-011 donne un exemple de présentation plus général.

Procédure de l’essai

• Moyens d’essais : les valeurs nominales des poids étalons sont choisies de manière à réaliser l’essai au moins à la portée d’utilisation.

6. Tolérance de la balance

• Conditions d’essais : aucune autre utilisation ou mesure ne doit être faite pendant cet essai. • Démarrage des mesures : la balance est tarée au début de l’essai si nécessaire. • Valeurs à relever : on relève l’indication dès stabilisation de la balance, puis après plusieurs minutes. ●

Calcul de l’erreur

L’écart, entre l’indication obtenue au moment du dépôt de la charge et l’indication obtenue après un temps déterminé, ne doit pas être supérieur à la valeur absolue de la tolérance de la balance à la charge considérée (cf. § 6). Remarque : • l’essai de fluage permet de déterminer un défaut du système de compensation en température ; • l’essai de fluage n’est à effectuer que pour des applications devant mettre en évidence une évolution de la masse d’un échantillon maintenu sur le plateau de la balance ; • les défauts de fluage peuvent être intégrés en tant que valeur corrective pour les pesées de longue durée.

6.1 Méthode réglementaire (suivant norme NF EN 45501) À partir de la valeur de l’échelon de vérification (e) et de la classe de précision (indication sous la forme d’un chiffre romain dans un champ de forme ovale) relevés sur la balance, on détermine la tolérance réglementaire (ou erreur maximale tolérée) de la balance à l’aide du tableau 4. Exemple : un exemple de détermination pour une balance de précision est donné dans le tableau 5.

Balance avec Max = 3 000 g et d = 1 g 2 000 g

2 001 g

2 002 g

Poids affiché I

■ Mobilité ●

Procédure de l’essai (figure 12)

• Moyens d’essais : les valeurs nominales des poids étalons sont choisies de manière à réaliser l’essai proche de la moitié de la portée d’utilisation et de la portée d’utilisation. Dix poids additionnels équivalents à 1/10 d sont nécessaires. • Conditions d’essais : veiller à ce que la housse ne soit pas en contact avec le plateau. • Démarrage des mesures : la balance est remise à zéro au début de l’essai si nécessaire.

– –– – 1 999,5 g (I + 1/2 d )

+ 2 000,5 g (I + 1/2 d )

Entre ces deux limites (± 0,5 d ), le poids mesuré est arrondi par l'affichage de la balance

Poids mesuré P + 1,4 d 2 001,5 g (I + 1/2 d )

Poids mesuré par la balance pour une charge de 2 000 g + 1 g (10 x 1/10 d )

2 002,5 g (I + 1/2 d )

Poids mesuré par la balance pour une charge de 2 000 g + 0,7 d + 1,4 d

• Valeurs à relever : aucune. • Essai de mobilité : après le dépôt de la charge + 10 fois 1/10 d, les poids additionnels sont successivement enlevés jusqu’à ce que l’indication numérique initiale I diminue d’un échelon réel. L’un des poids additionnels est ensuite replacé sur le plateau, puis une charge équivalente à 1,4 d est placée doucement sur le plateau.

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Figure 12 – Procédure d’essai pour la détermination de la mobilité de la balance

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__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

Tableau 4 – Détermination de la tolérance (d’après norme NF EN 45501, § 3.5.1 et 3.5.2) (1) Masses exprimées en échelon de vérification e

Tolérance de la balance en service

Classe

Classe

I

Classe

II

Classe IIII

III

±1e

0 B m B 50 000 e

0 B m B 5 000 e

0 B m B 500 e

0 B m B 50 e

±2e

50 000 e < m B 200 000 e

5 000 e < m B 20 000 e

500 e < m B 2 000 e

50 e < m B 200 e

±3e

200 000 e < m

20 000 e < m B 100 000 e

2 000 e < m B 10 000 e

200 e < m B 1 000 e

(1) m : rapport entre le poids étalon déposé sur le plateau de la balance et l’échelon de vérification e (m = Étalon/e).

Tableau 5 – Détermination de la tolérance pour une balance de précision par la méthode réglementaire (1) Masses exprimées en grammes

Tolérances réglementaires de la balance en service

Classe

II

± 1 e = ± 0,1 g

0 B m B 5 000 e

⇔ 0 B m B 5 000 × 0,1 g

⇔ 0 B m B 500 g (2)

± 2 e = ± 0,2 g

5 000 e < m B 20 000 e

⇔ 5 000 × 0,1 g < m B 20 000 × 0,1 g

⇔ 5 00 g < m B 2 000 g (3)

± 3 e = ± 0,3 g

20 000 e < m B 100 000 e

⇔ 20 000 × 0,1 g < m B 100 000 × 0,1 g

⇔ 2 000 g < m B 10 000 g (4)

(1) Caractéristiques réglementaires : échelon réel (d) ...................... 0,01 g échelon de vérification (e)..... 0,1 g portée maximale .................... 2 100 g (2) Pour une masse déposée entre 0 et 500 g, la tolérance est de ± 0,1 g. (3) Pour une masse déposée entre 500 et 2 000 g, la tolérance est de ± 0,2 g. (4) Pour une masse déposée entre 2 000 et plus, la tolérance est de ± 0,3 g.

Remarque : • cette méthode est obligatoire pour toute balance utilisée conformément à un des usages réglementés ; • les tolérances présentées dans le tableau 4 sont celles utilisées en vérification périodique (balance en service). Quand la balance est neuve, ces tolérances sont deux fois plus petites (vérification primitive).

6.2 Méthode Guide AFNOR (FD X 07-017-1) ■ Détermination de l’échelon de vérification (e) L’échelon de vérification (e) est calculé à partir de l’échelon réel (d) selon l’équation :

e = k1 x d avec k 1 b 1 . L’échelon de vérification (e) et k1 sont définis par l’utilisateur, en fonction de ses besoins et des exigences spécifiées par des normes ou prescriptions en vigueur. ■ Détermination de l’erreur maximale tolérée (EMT) Les erreurs maximales tolérées pour les vérifications en service sont égales à k2 fois celles fixées pour la vérification primitive

(balance neuve) avec k 2 b 1 (voir tableau 6, norme NF EN 45501 § 3.5.1 et 3.5.2). Remarque : le guide AFNOR n’indique pas comment déterminer la classe de précision de la balance quand elle n’est pas indiquée sur la balance. La classe de précision fixe des bornes aux changements de tolérance ; l’utilisateur pourra donc choisir la classe de précision qu’il souhaite en fonction de ses besoins.

■ Détermination des facteurs k1 et k2 Tout produit fabriqué en série évolue entre des limites de tolérance. Aucun produit ne sera à 100% identique à un autre. Il y aura toujours une dispersion ou un écart par rapport à l’objectif fixé. Le mathématicien allemand Gauss a découvert que cette dispersion obéissait à une loi et il la nomma distribution normale (courbe en cloche ou courbe de Gauss). Il définit alors l’écart-type (s) comme mesure des écarts. Selon la courbe de Gauss pour une distribution normale, l’erreur est comprise dans l’intervalle 1 s (k = 1) avec une probabilité de 68,3 %. Elle est comprise dans l’intervalle 2 s (k = 2) avec une probabilité de 95,5 %, et dans l’intervalle 3 s (k = 3) avec une probabilité de 99,7 % (figure 13). Exemple de calcul pour une balance de précision Soit une balance de précision d’une portée de 2 100 g avec un échelon réel (d ) de 0,01 g. Détermination de l’échelon de vérification : e = k1 ∞ d, avec k1 = 2 ⇒ e = 2 ∞ 0,01 g = 0,02 g Détermination de la tolérance : Les résultats sont rassemblés dans le tableau 6.

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BALANCES ET PESÉES

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Tableau 6 – Détermination de la tolérance pour une balance de précision par la méthode du guide AFNOR (1) Masses exprimées en grammes Tolérances (EMT) de la balance en service

(1) (2) (3) (4)

Classe

II

± 1 e = ± 0,02 g

0 B m B 5 000 e

⇔ 0 B m B 5 000 × 0,02 g

⇔ 0 B m B100 g (2)

± 2 e = ± 0,04 g

5 000 e < m B 20 000 e

⇔ 5 000 × 0,02 g < m B 20 000 × 0,02 g

⇔ 1 00 g < m B 400 g (3)

± 3 e = ± 0,06 g

20 000 e < m B 100 000 e

⇔ 20 000 × 0,02 g < m B 100 000 × 0,02 g

⇔ 4 00 g < m B 2 000 g (4)

EMT = k2 e, avec k2 = 1. Pour une masse déposée entre 0 et 100 g, la tolérance est de ± 0,02 g. Pour une masse déposée entre 100 et 400 g, la tolérance est de ± 0,04 g. Pour une masse déposée entre 400 et 2 000 g, la tolérance est de ± 0,06 g.

Remarque : • la méthode réglementaire est obligatoire pour toute balance utilisée conformément à un des usages réglementés ;

99,7 %

• bien que l’échelon de vérification e est toujours b 1 mg ,

95,5 %

les balances de classe 68,3 %

I

et de classe

II

possèdent un

échelon réel d B 1 mg . Le rapport e/d peut varier de 1 à 10 000. Pour ces balances, on déterminera une tolérance, tenant compte de l’échelon réel (d ) (voir § 6.2), afin de ne pas se limiter aux seules tolérances réglementaires ; • la réglementation ne prenant pas en compte la valeur de l’échelon réel (d ) pour établir la tolérance, cette méthode donne des tolérances importantes.

s

7. Les poids étalons 7.1 Classe de précision et tolérance Figure 13 – Courbe de Gauss pour la détermination des facteurs k1 et k2

6.3 Tableau comparatif des valeurs de tolérance

Les poids sont caractérisés par leur masse conventionnelle. Elle est égale à la masse totale des poids de référence réalisés dans une matière de masse volumique 8 000 kg/m3, qui équilibre la masse de ce poids, dans l’air de masse volumique 1,2 kg/m3, l’opération étant effectuée à 20 °C. Les poids sont répartis en sept classes : E1, E2, F1, F2, M1, M2, M3 suivant leur degré de précision.

Le tableau 7 résume les tolérances obtenues suivants les deux méthodes décrites ci-dessus, pour une même balance de précision.

7.2 Forme, matière, dimension et marquage Tableau 7 – Tableau comparatif des valeurs de tolérance Points de contrôle

Méthode réglementaire

Méthode AFNOR

k 1 = 2 ; k2 = 2

Ces caractéristiques sont décrites dans l’arrêté du 11 juin 1975. Elles sont obligatoires pour des poids utilisés dans le cadre réglementaire. Les critères retenus sont parfaitement applicables en métrologie dans une entreprise.

200 g

± 0,1 g

± 0,04 g

500 g

± 0,2 g

± 0,06 g

1 000 g

± 0,2 g

± 0,06 g

(a x 10n kg)

1 500 g

± 0,2 g

± 0,06 g

2 000 g

± 0,2 g

± 0,06 g

avec a = 1, 2 ou 5, n représente soit zéro, soit un nombre entier positif ou négatif.

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■ Valeur nominale d’un poids étalon Toujours de la forme :

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__________________________________________________________________________________________________________________ BALANCES ET PESÉES

■ Poids étalons de classes E1 et E2 • Forme, matière, cotes définies. • Pas de marquage ou marque de valeur nominale. • Toujours monobloc.

Les erreurs maximales tolérées sont prises égales à celles correspondant aux classes de précision définies dans le décret n° 75-312 du 4 avril 1975. Les poids étalons doivent aussi se conformer à la circulaire n° 92.00.600.001.1 du 15/10/92 relative aux masses étalons et poids étalons.

• Matière : acier inoxydable amagnétique. • Boîte de transport ou de conservation. • Manipulation à l’aide de gants ou d’une pince. ■ Poids étalons de classes F1 et F2 • Forme, matière, cotes définies.

Remarque : l’utilisation d’un poids étalon classé ne nécessite pas de tenir compte de son erreur (différence entre mc et m0). Le classement permet de choisir le poids étalon à utiliser en fonction de la classe de l’instrument à vérifier et de son nombre d’échelons de vérification (e).

• Marque de la valeur nominale et lettre F (uniquement F2) sans unité. • Monobloc ou avec cavité d’ajustage.

7.4 Classes de précision

• Matière : acier inoxydable amagnétique ou laiton chromé. • Boîte de transport ou de conservation. • Manipulation à l’aide de gants ou d’une pince. ■ Poids étalons de classe M1 • Forme, matière, cotes définies. • Marque de la valeur nominale avec l’unité suivie de la lettre M. • Cavité d’ajustage scellée au plomb.

Les poids étant répartis en sept classes : E1, E2, F1, F2, M1, M2, M3 suivant leur degré de précision, la différence maximale tolérée entre la masse nominale et la masse conventionnelle est égale aux valeurs indiquées dans le tableau 8 extrait d’un tableau paru dans le décret n° 75-312 du 9 avril 1975. La répartition des classes s’applique suivant des caractéristiques métrologiques (valeur nominale, erreur maximale tolérée, etc.) et techniques (forme, matière, exécution, etc.).

• Matières : acier inoxydable, laiton, acier, fonte grise. • Forme cylindrique pour les poids de 10 kg à 1 mg. • Forme parallélépipédique pour les poids de 5, 10, 20 et 50 kg.

7.5 Utilisation des poids étalons

■ Poids étalons de classe M2 • Forme, matière, cotes définies.

■ Conditions de conservation

• Marque de la valeur nominale avec l’unité.

Il est recommandé de conserver les poids étalons, à l’abri de la poussière, dans un local régulé en température et en humidité relative.

• Cavité d’ajustage scellée au plomb. • Matières : acier inoxydable, laiton, acier, fonte grise. • Forme cylindrique pour les poids de 20 kg à 100 mg. • Forme parallélépipédique pour les poids de 5, 10, 20 et 50 kg. Remarque : graver un numéro de série sur une masse de classe E1 ou E2 provoquera son déclassement en F1 et, ainsi, limitera sa qualité.

7.3 Classement des poids étalons Le classement consiste à s’assurer que l’écart entre la masse conventionnelle, mc , et la valeur nominale de la masse m0 ne doit pas être supérieur à la valeur de la différence : erreur maximale tolérée, EMT, moins l’incertitude U :

m 0 Ð ( EMT Ð U ) B m c B m 0 + ( EMT Ð U )

À l’abri de la poussière : l’accumulation de la poussière sur un étalon augmente sa masse et crée une source d’erreur systématique difficile à quantifier. Le seul remède consiste à conserver les poids étalons dans une boîte, meuble ou tout autre emballage clos, où la poussière ne peut s’infiltrer. Avantage d’une régulation en température (20 ± 2) °C : conserver les étalons dans un local régulé permet d’éviter, au cours de leur utilisation, une circulation d’air nuisible à la stabilité d’indication de la balance [4]. Avantage d’une régulation en humidité inférieure à (50 ± 5) % : l’humidité de l’air (> 60 %) engendre une oxydation sur la surface du métal provoquant une variation de masse et créant ainsi une autre source d’erreur systématique difficile à quantifier. ■ Conditions de manipulation Les étalons sont manipulés à l’aide d’outils de manutention non métalliques appropriés (pinces, fourches, gants en peau ou en coton, élingues). Une manipulation à doigts nus laisse un dépôt de sébum qui oxydera la surface de l’étalon.

La masse conventionnelle mc et l’incertitude U sont issues du certificat d’étalonnage édité par le service de métrologie habilité (SMH) ou le centre d’étalonnage agréé (CEtA) ou par tout autre laboratoire habilité par un organisme signataire de l’accord EA.

■ Nettoyage

Nota : EA (European Cooperation for accreditation) : la politique de Bruxelles engage les organismes d’accréditation à se rapprocher pour former des sortes de « clubs ». Le but d’EA est de s’efforcer d’harmoniser les pratiques de l’accréditation des laboratoires dans les pays, pour le moment, de l’Europe de l’Ouest.

■ Critères de déclassement

Le nettoyage s’effectue à l’aide d’un chiffon propre imbibé d’un mélange d’eau distillée et d’alcool.

Les critères de déclassement portent sur :

Actuellement, 16 pays font partie de cet accord appelé MLA (Multilateral agreement).

— l’état général de l’étalon (rayures, traces de chocs, oxydation) ; — la valeur de l’écart supérieur aux incertitudes entre 2 étalonnages.

L’intérêt de cet accord, pour un laboratoire, est d’avoir une reconnaissance européenne des certificats d’étalonnage qu’il émet. Un certificat d’étalonnage revêtu du logo d’un des organismes d’accréditation a ainsi la même force probante parmi les signataires du MLA.

La norme NFX 07-010 portant sur la fonction métrologique dans l’entreprise aborde le sujet.

Pour que l’organisme d’accréditation d’un pays fasse partie de ce « club » appelé accord multilatéral, il doit se soumettre à un audit effectué par ses pairs européens.

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BALANCES ET PESÉES

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Tableau 8 – Différence maximale tolérée entre la masse nominale et la masse conventionnelle suivant décret n° 75-312 du 9 avril 1975 (1) Valeur nominale

E1

50 kg 20 kg

E2

F1

F2

M1

M2

M3

± 25 mg

± 75 mg

± 250 mg

± 0,75 g

± 10 mg

± 30 mg

± 100 mg

± 0,3 g

± 2,5 g

±8g

± 25 g

±1g

± 3,2 g

10 kg

± 5 mg

± 15 mg

± 50 mg

± 10 g

± 0,15 g

± 0,5 g

± 1,6 g

5 kg

± 2,5 mg

± 7,5 mg

±5g

± 25 mg

± 75 mg

± 0,25 g

± 0,8 g

± 2,5 g

2 kg

± 1,0 mg

± 3,0 mg

± 10 mg

± 30 mg

± 0,1 g

± 0,4 g

±1g ± 0,5 g

1 kg

± 500 µg

± 1,5 mg

± 5 mg

± 15 mg

± 50 mg

± 0,2 g

500 g

± 250 µg

± 750 µg

± 2,5 mg

± 7,5 mg

± 25 mg

± 0,1 g

± 0,3 g

200 g

± 100 µg

± 300 µg

± 1,0 mg

± 3,0 mg

± 10 mg

± 50 mg

± 0,1 g

100 g

± 50 µg

± 150 µg

± 500 µg

± 1,5 mg

± 5 mg

± 30 mg

± 0,1 g

50 g

± 30 µg

± 100 µg

± 300 µg

± 1,0 mg

± 3,0 mg

± 30 mg

± 0,1 g

20 g

± 25 µg

± 80 µg

± 250 µg

± 0,8 mg

± 2,5 mg

± 20 mg

± 0,05 g

10 g

± 20 µg

± 60 µg

± 200 µg

± 0,6 mg

± 2,0 mg

± 20 mg

± 0,05 g

5g

± 15 µg

± 50 µg

± 150 µg

± 500 µg

± 1,5 mg

± 10 mg

± 0,05 g

2g

± 12 µg

± 40 µg

± 120 µg

± 400 µg

± 1,2 mg

± 5 mg ± 5 mg

1g

± 10 µg

± 30 µg

± 100 µg

± 300 µg

± 1,0 mg

500 mg

± 8 µg

± 25 µg

± 80 µg

± 250 µg

± 0,8 mg

± 5 mg

200 mg

± 6 µg

± 20 µg

± 60 µg

± 200 µg

± 0,6 mg

± 4 mg ± 3 mg

100 mg

± 5 µg

± 15 µg

± 50 µg

± 150 µg

± 0,5 mg

50 mg

± 4 µg

± 12 µg

± 40 µg

± 120 µg

± 0,4 mg

20 mg

± 3 µg

± 10 µg

± 30 µg

± 120 µg

± 0,3 mg

10 mg

± 2 µg

± 8 µg

± 25 µg

± 100 µg

± 0,25 g

5 mg

± 2 µg

± 6 µg

± 20 µg

± 60 µg

± 0,20 g

2 mg

± 2 µg

± 6 µg

± 20 µg

± 60 µg

± 0,20 g

1 mg

± 2 µg

± 6 µg

± 20 µg

± 60 µg

± 0,20 g

(1) Pas de poids étalons > 50 kg, au-delà, il s’agit de masses étalons.

■ Périodicité d’étalonnage Un poids varie peu dans le temps. Les raisons de son usure proviennent essentiellement de son utilisation et de sa conservation. Le paragraphe précédent a montré comment on conserve un étalon ; l’évolution de sa valeur est donc proportionnelle à son utilisation. Cette évolution est calculée par l’écart de la valeur du poids d’un certificat d’étalonnage à l’autre en comparant avec la valeur de l’incertitude de mesure. Il importe de déterminer une période d’étalonnage courte (par exemple, 12 mois) puis, en fonction du calcul d’écart, de l’augmenter ou de la raccourcir. Un usage permet de conserver pendant 5 années, sans nouvel étalonnage, les étalons de référence et durant 1 année les étalons de travail. Dans les 2 cas, il est préférable de se baser d’après des données techniques plutôt que d’après un usage non reconnu par les différents organismes certificateurs. La norme

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NF X 07-010 portant sur la fonction métrologique dans l’entreprise aborde le sujet. ■ Raccordement interne des étalons de travail Il est possible de limiter le raccordement de tous les étalons de travail auprès d’un laboratoire accrédité. Les moyens à mettre en place pour cela sont : — une méthode de travail, un environnement et une incertitude appropriés ; — un comparateur de masses (fonction des valeurs nominales des étalons de travail) ; — une série d’étalons de référence raccordée aux étalons nationaux (fonction des valeurs nominales des étalons de travail). La norme NF X 07-010 aborde le sujet.

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