Pour que les laboratoires industriels et gouvernementaux s'assurent que leurs machines de mesure de pression fonctionnent correctement, ils ont besoin d'une source de pression fiable. Souvent, cette source est une jauge à piston – un cylindre de métal qui tombe à travers un cylindre creux ou « manchon » à un rythme prévisible. Le personnel du laboratoire de mesure physique (PML) du NIST effectue des étalonnages précis des jauges à piston pour des clients tels que la Marine, l'armée, compagnies aériennes, et les compagnies d'électricité.
Depuis des décennies, ces étalonnages ont été minutieusement effectués à la main. Mais le personnel a récemment développé et lancé un nouveau système automatisé qui réduit considérablement le temps requis pour chaque test.
La pression est une mesure de la quantité de force appliquée à une unité de surface. Pour une jauge à piston, cette force vient d'une masse qui est placée au-dessus du piston, le poussant vers le bas. La zone dans ce cas est la section transversale du piston, corrigée de la distorsion et des défauts et désignée sous le nom de « zone efficace ». Donc pour les manomètres à piston, La pression dépend de la surface effective du piston et de la masse qui lui est appliquée.
Les clients du service d'étalonnage des manomètres à piston du NIST comprennent des compagnies aériennes, entreprises de distribution d'électricité, et les militaires.
Pour calibrer la jauge d'un client, les chercheurs doivent équilibrer les pressions générées par deux manomètres différents. D'un côté de cette balance se trouve la jauge à piston du client. De l'autre côté se trouve l'un des manomètres à piston standard du NIST, dont les dimensions ont été mesurées avec précision afin que sa surface effective soit extrêmement bien connue. La même masse nominale - également mesurée au NIST avec une grande précision - est placée sur chaque jauge.
Les chercheurs connaissent la surface effective de la jauge à piston standard, et ils connaissent la valeur des masses placées sur les jauges. Ce qu'ils ne savent pas, mais besoin de savoir pour terminer l'étalonnage, est la surface effective de la jauge du client.
Dans l'ancien, méthode manuelle, les manomètres étaient reliés à une cellule de pression différentielle, qui a un cadran qui indique à quel point une pression est différente d'une autre. Pour atteindre l'équilibre, un chercheur ajouterait ou supprimerait des masses de toutes tailles différentes, certains aussi petits que 5 milligrammes (mg), vers et depuis les sommets des manomètres à piston. Une fois les pressions équilibrées, les chercheurs notaient la masse utilisée pour la jauge du client et l'utilisaient pour calculer la surface effective. Cela serait ensuite répété plusieurs fois - généralement un total de 10 - à différentes pressions dans la plage de la jauge à piston. À la fin, Les chercheurs du NIST seraient en mesure de fournir au client un rapport donnant des corrections qu'ils pourraient appliquer à toutes les mesures qu'ils feraient avec leur jauge à piston.
Cela peut sembler simple. Mais en pratique, cela prenait beaucoup de temps, parce que les chercheurs devaient essentiellement établir une condition d'équilibre presque parfaite entre les deux jauges. "C'était très fastidieux, " dit Greg Driver, le membre du personnel du NIST PML qui a effectué ces étalonnages pendant plus de quarante ans jusqu'à sa retraite au début de cette année.
« À l'ancienne, vous verriez le chercheur avec une pince à épiler, sortir ces minuscules petites masses de la boîte et les faire éclater sur cette chose encore et encore, " déclare Julia Scherschligt du NIST PML. En plus de cela, elle continue, le technicien devrait régler correctement une balance à chaque changement de masses, recouvrir et découvrir les manomètres à piston pour éviter que les courants d'air n'affectent leurs performances, ajouter des bouffées d'azote gazeux aux jauges pour les empêcher de tomber au fond de leurs manches, et faire tourner les jauges à la main pour éviter que de légères imperfections dans leur construction ne faussent les résultats. (Voir la vidéo pour une démonstration de l'ancienne méthode manuelle.)
Il y a à peu près un an, l'équipe a commencé à rechercher un moyen d'automatiser cette comparaison pour éviter d'avoir à créer un équilibre parfait. Dans la nouvelle méthode, les pressions sont comparées à l'aide d'un transducteur, qui échantillonne d'abord la pression créée par un, puis, en quelques secondes, échantillonne la pression créée par l'autre. Plus besoin d'ajouter et de supprimer de petites masses :les chercheurs placent simplement la même masse nominale au-dessus de chaque jauge, puis ajoutent un peu d'azote gazeux de chaque côté si nécessaire. Bientôt, ils espèrent, ils n'auront même pas besoin d'activer manuellement l'azote – l'ordinateur se chargera automatiquement de l'intégralité de l'étalonnage.
La beauté du nouveau système, Scherschligt dit, est que le transducteur lui-même n'a pas besoin d'être calibré. "Il peut être considéré comme un appareil qui transfère presque instantanément l'étalonnage de la jauge à piston NIST à la jauge du client, " dit-elle. " La précision du transducteur n'a pas d'importance - elle peut être décalée de plusieurs ordres de grandeur - tant qu'il répond de manière linéaire aux changements de pression. "
Ils estiment ainsi gagner un temps considérable. « Nous pouvons effectuer un étalonnage en dix points en une heure environ, " dit le chauffeur. " Avant, cela me prendrait presque une journée entière. ils ont atteint une précision de l'ordre de quelques parties par million, comparable à la méthode manuelle.
La création du système automatisé a été un travail d'équipe. Yuanchao Yang, qui était un associé du NIST à l'époque, conçu et construit le système avec la contribution de Driver et Scherschligt ainsi que de Dawn Cross du NIST PML, qui effectue les étalonnages des manomètres à piston depuis la retraite de Driver. Du Bureau de la gestion des systèmes d'information du NIST, Katie Schlatter était l'ingénieure des procédés et John Quintavalle a conçu et écrit le logiciel.
À l'heure actuelle, les plages de pression couvertes par l'automatisme ne vont que jusqu'à 7 MPa (mégapascals, environ 1000 psi), ce qui signifie que tout manomètre à piston avec une plage de pression supérieure à 7 MPa doit toujours être étalonné à la main. L'équipe du NIST prévoit de mettre à niveau ce système partiellement automatisé à 14 MPa (environ 2000 psi), et aimerait finalement créer un autre système avec une automatisation complète.
