L’Échelle internationale de température de 1990 (EIT-90) définit une série de points de référence fixes (points fixes de température) auxquels les thermomètres – en particulier les thermomètres à résistance de platine étalons (SPRT) – sont étalonnés. Les points fixes de température pertinents se situent dans la plage de température d’environ -190 °C à 1000 °C (83,8 K à 1235 K). Dans cette plage de température, neuf de ces points fixes de température officiels sont utilisés.
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Les points fixes de température utilisés pour l’étalonnage des thermomètres se situent entre le point triple de l’argon (≈ -189,34 °C) comme point le plus bas et le point de congélation de l’argent (≈ 961,78 °C) comme point le plus élevé dans la plage de thermométrie par contact de l’EIT-90. Chaque point fixe de température correspond à une température clairement définie et reproductible d’une substance pure en transition de phase (point triple ou point de congélation/fusion), servant de référence d’étalonnage. Le tableau suivant énumère les points fixes de température pertinents de l’EIT-90 et leurs températures :
| Substance (état) | Température EIT-90 |
|---|---|
| Argon (point triple) | -189,3442 °C |
| Mercure (point triple) | -38,8344 °C |
Eau (point triple) | 0,01 °C |
| Gallium (point de fusion) | 29,7646 °C |
| Indium (point de congélation) | 156,5985 °C |
| Étain (point de congélation) | 231,928 °C |
| Zinc (point de congélation) | 419,527 °C |
| Aluminium (point de congélation) | 660,323 °C |
| Argent (point de congélation) | 961,78 °C |
Ces points fixes de température constituent les piliers fondamentaux pour les étalonnages des SPRT dans la plage pratiquement réalisable de l’EIT-90. Un thermomètre à résistance de platine étalon (SPRT) est généralement étalonné à plusieurs de ces points et les rapports de résistance mesurés W(T) = R(T)/R(273{,}16 ext{ K}) sont utilisés pour l’interpolation entre les points fixes de température. Le point triple de l’eau (0,01 °C) joue un rôle central, car il sert à la normalisation (résistance de référence à 273,16 K) et apparaît dans chaque étalonnage. Selon la plage cible, d’autres points fixes de température sont ajoutés – par exemple, pour un étalonnage jusqu’à 232 °C, on utilise généralement le point triple de l’eau, le point de l’indium et de l’étain, tandis que pour les étalonnages jusqu’à 660 °C, le zinc et l’aluminium sont également inclus. La sélection précise des points fixes de température nécessaires est définie dans l’Échelle internationale de température de 1990 (EIT-90). Dans ce qui suit, chaque point fixe de température est expliqué en détail – avec sa signification physique, sa réalisation pratique, son rôle dans l’étalonnage des SPRT ainsi que les aspects liés aux incertitudes, aux appareillages et aux impuretés.
Point triple de l’argon (≈ -189,34 °C)
Signification physique : Le point triple de l’argon se situe à 83,8058 K (-189,3442 °C) et à une pression d’environ 0,68 atmosphères (≈ 69 kPa). À ce point, les phases solide, liquide et gazeuse de l’argon peuvent coexister simultanément en équilibre. C’est le point fixe de température défini le plus bas de l’EIT-90 dans la plage considérée ici. Il est utilisé pour étalonner les thermomètres à des températures extrêmement basses. Comme l’argon liquide bout à pression normale déjà à ~-185,8 °C, l’établissement du point triple nécessite un ajustement de la pression (légèrement inférieure à 1 atm) ou un système fermé. Le point triple de l’argon est un point de référence cryogénique et permet l’étalonnage des thermomètres dans la plage des basses températures à environ -190 °C. Dans l’EIT-90, il est utilisé – avec les points triples du mercure et de l’eau – pour étalonner les SPRT de ~84 K à 273 K. Pour les mesures de précision dans cette plage de basses températures, le point de l’argon est important car il fournit une référence de température définie à laquelle on peut, par exemple, aligner les mesures dans l’azote liquide (environ 77 K).
Mise en œuvre pratique et réalisation : La réalisation du point triple de l’argon s’effectue dans des appareils cryogéniques spéciaux ou des cellules de point triple. Des cellules de point triple d’argon sont disponibles dans le commerce, fonctionnant avec de l’argon liquide dans un dewar à pression contrôlée. Typiquement, une pression correspondante (≈0,68 atm) est établie, à laquelle l’argon se solidifie à son point triple. En pratique, cela se produit souvent en mettant de l’azote liquide sous pression dans un récipient fermé pour élever le point d’ébullition vers 83,8 K. Une autre méthode consiste à utiliser une cellule d’argon autonome : on remplit un récipient d’argon ultra-pur, on le refroidit dans des conditions contrôlées de sorte qu’une partie de l’argon se solidifie et reste liquide, et on ajuste la pression jusqu’à ce que la température reste stable sur le plateau du point triple. Les systèmes modernes de point triple d’argon peuvent atteindre des plateaux de plusieurs heures (on rapporte jusqu’à ~30 heures de stabilité), permettant ainsi d’étalonner plusieurs thermomètres consécutivement. Comme l’azote liquide à 1 atm est légèrement plus froid (77,3 K), on travaillait autrefois souvent avec son point d’ébullition comme référence. Cependant, celui-ci est ~6 K en dessous du point triple de l’argon, ce qui implique une extrapolation et augmente l’incertitude. En augmentant la pression de l’azote (ou en utilisant directement l’argon comme cryogène), on peut rapprocher la température de 83,8 K et ainsi réduire significativement l’incertitude d’étalonnage.
Incertitudes et facteurs d’influence : La reproductibilité d’une réalisation du point triple de l’argon est de l’ordre du millikelvin ou moins. Cependant, la maîtrise de cette basse température est exigeante. Comparée aux points fixes de température métalliques, la chaleur latente lors de la transition de phase d’un gaz cryogénique est très faible, de même que la conductivité thermique de l’argon solide/liquide. Cela signifie que même les plus petites fuites thermiques ou influences environnementales peuvent affecter notablement la température du plateau. Pour atteindre des incertitudes de l’ordre de 0,1-1 mK, l’isolation, la stabilité de la pression et l’homogénéité de la température doivent être optimisées. De nombreux laboratoires de métrologie remplacent le point triple de l’argon, faute d’équipement spécialisé, par un étalonnage au point d’ébullition de l’azote ou de l’argon, ce qui induit cependant des incertitudes plus élevées. – Impuretés : Le gaz argon utilisé doit être extrêmement pur (typ. 99,999 % ou mieux). Des impuretés telles que les composants de l’air (O₂, N₂) pourraient perturber l’équilibre ou déplacer légèrement le point triple observé. Néanmoins, ces gaz étrangers se condensent/subliment à des températures similaires et pourraient, par exemple, coexister en phase liquide. Dans les cellules de haute qualité, ceci est contrecarré par la purification du gaz et l’évacuation. Dans l’ensemble, le point triple de l’argon est une valeur de référence très stable lorsqu’il est réalisé avec soin ; le plus grand défi réside dans la mise en œuvre technique à ~84 K et non dans la définition fondamentale de ce point fixe de température.
Point triple du mercure (-38,8344 °C)
Signification physique : Le point triple du mercure (Hg) se situe à 234,3156 K (-38,8344 °C) et se produit à une pression extrêmement basse d’environ 0,2 mPa. Il se trouve donc pratiquement dans le vide – une pression de vapeur infime, à laquelle le mercure liquide, solide et gazeux coexistent en équilibre. Cette température correspond presque au point de solidification normal du Hg (qui se solidifie également autour de -38,83 °C à 1 atm), mais au point triple, la phase gazeuse est également impliquée, ce qui fournit un état de référence unique et stable. Dans l’EIT-90, le point triple du Hg est le seul point fixe de température défini dans la zone de surfusion en dessous de 0 °C (à côté de l’argon). Il représente le point de départ de l’échelle Celsius négative et est nécessaire pour étalonner les SPRT en dessous du point de congélation de l’eau. Typiquement, un SPRT pour la plage de -39 °C à +30 °C est étalonné aux points fixes de température du point triple du mercure, du point triple de l’eau et du point du gallium. Cela permet de couvrir l’interpolation du thermomètre sur toute la plage, y compris par exemple -38 °C (Hg) → 0 °C (H₂O) → 30 °C (Ga).
Réalisation et appareillage : La mise en œuvre pratique du point triple du mercure s’effectue dans une cellule fermée contenant une quantité définie de mercure de haute pureté. Étant donné que le point triple se situe à une pression extrêmement basse, il est nécessaire de pouvoir évacuer la cellule. En règle générale, une cellule de point triple Hg se compose d’un récipient robuste en acier inoxydable avec un canal de mesure thermométrique centré. Dans un premier temps, le mercure contenu est entièrement ou partiellement congelé par refroidissement. Ensuite, on laisse le système se réchauffer vers -38,834 °C, tandis que l’environnement extérieur est bien isolé et que l’espace intermédiaire au-dessus du Hg est, le cas échéant, pompé à ~10^-3 Pa à l’aide d’une pompe à vide. Dans ces conditions, le mercure commence à fondre et un mélange de point triple s’établit : une partie du Hg est solide, une partie liquide, et au-dessus se trouve la vapeur de Hg saturée. La température demeure alors constante au point triple tant que les phases solide et liquide sont en contact. Avec de bonnes cellules à point fixe de température et des techniques appropriées, on peut obtenir de très longues périodes de plateau – des rapports mentionnent des plateaux de solidification d’une durée allant jusqu’à 14 heures et plus. Une méthode d’optimisation consiste à former un « manteau de glace » : on congèle de manière ciblée une fine couche de Hg solide sur la face interne du tube d’enveloppe (autour du tube d’immersion) puis on isole la cellule, de sorte que l’intérieur fonde à nouveau lentement à partir de ce manteau solide. Il en résulte un équilibre stable solide/liquide à l’intérieur. Il est important que l’espace au-dessus du mercure soit réellement exempt de gaz étrangers ; souvent, la cellule est évacuée en permanence pendant le fonctionnement ou emballée dans une isolation en mousse pour éviter le pompage et minimiser les pertes de chaleur.
Incertitude et pureté : Le point triple du mercure compte parmi les points fixes de température les plus précis de l’échelle. En raison de la transition de phase clairement définie et de la bonne conductivité thermique du métal, on atteint une reproductibilité de l’ordre de quelques 10^ {-5}K. Des études expérimentales montrent qu’avec une mise en œuvre soignée, la température des points triples répétés est identique à ±0,05 mK près – une dispersion extrêmement faible. Cela dépasse souvent la stabilité d’un bain froid régulé. Les principales contributions à l’incertitude résultent de la mesure du thermomètre lui-même (auto-échauffement, résolution de la résistance, etc.) et d’éventuelles variations de pression, plutôt que du point fixe de température. – Impuretés : Le mercure doit être utilisé avec la plus haute pureté (≥ 6N, soit 99,9999 %). Même des traces de métaux étrangers ou de gaz peuvent légèrement déplacer le point triple. Par exemple, le gaz dissous (air) dans le Hg conduit à la formation de petites bulles au début de la solidification et peut provoquer des perturbations locales de température. Dans les cellules de haute qualité, le mercure est préalablement distillé et la cellule est souvent purifiée plusieurs fois par congélation/pompage. La composition isotopique du Hg peut également théoriquement avoir une influence – le Hg naturel est composé de plusieurs isotopes, et un écart par rapport à la moyenne peut modifier le point triple de quelques 10^{-5}K. C’est pourquoi, dans les laboratoires primaires, on utilise parfois des lots spéciaux avec une distribution isotopique connue. Dans l’ensemble, on peut cependant affirmer qu’un point triple Hg correctement établi fait partie des températures de référence les plus fiables – il était déjà un point fixe de température important dans les échelles antérieures (EIPT-68) et conserve cette importance dans l’EIT-90.
Point triple de l’eau (0,01 °C)
Signification physique : Le point triple de l’eau est fixé à 273,16 K, soit 0,01 °C. À ce point, la glace, l’eau liquide et la vapeur d’eau coexistent en équilibre. Le point triple de l’eau est unique car on lui a attribué par définition exactement 273,16 kelvins sur l’échelle de température thermodynamique (c’était autrefois la base de la définition du kelvin). Ainsi, il est par définition exempt d’incertitude expérimentale – en pratique, bien sûr, seulement dans une réalisation idéale. Le TPE (« Triple Point of Water ») est le fondement de tout étalonnage de température : il constitue le point fixe de température auquel toutes les autres mesures sont traçables. En particulier, pour les SPRT, la résistance à 0,01 °C est prise comme valeur de référence R(273{,}16\text{K}) pour former le rapport relatif W(T). Cela élimine de nombreuses erreurs systématiques et permet d’atteindre une haute précision. Le point triple de l’eau se situe exactement sur l’échelle Celsius à 0,01 °C, soit légèrement au-dessus du point de congélation à pression normale (0 °C). Il est facilement accessible et pourtant extrêmement stable – idéal pour une utilisation en laboratoire dans le monde entier.
Mise en œuvre pratique et réalisation : Les cellules du point triple de l’eau constituent un équipement standard dans les laboratoires de métrologie. Une cellule TPW se compose d’un récipient en verre ou en quartz contenant de l’eau ultra-pure (généralement avec une composition isotopique définie, par exemple VSMOW) et un vide au-dessus de la surface de l’eau. La création d’un état de point triple s’effectue par la formation d’une couche de manteau de glace dans la cellule du point triple de l’eau : la « méthode du manteau intérieur gelé » est couramment utilisée. Dans ce procédé, le puits thermométrique interne de la cellule est refroidi, par exemple avec un insert refroidi à l’azote liquide ou par un insert de refroidissement séparé, jusqu’à ce qu’une couche de glace se forme à l’intérieur autour du canal de mesure. On vise à obtenir un anneau de glace fermé le long du tube intérieur. Ensuite, on retire le dispositif de refroidissement et on laisse la cellule se réchauffer lentement à température ambiante (la plupart des cellules TPW sont maintenues dans un thermostat ou simplement à température ambiante). En raison de la chaleur latente de la glace fondante, la température à l’interface eau/glace se stabilise exactement à 0,01 °C et y reste constante tant qu’il y a suffisamment de glace et d’eau. Une cellule bien préparée peut fournir un plateau stable pendant des heures, des jours, des semaines et des mois.
Précision et facteurs d’influence : Le point triple de l’eau étant la base de l’échelle, il a fait l’objet d’études intensives pendant des décennies. Les nouvelles cellules de haute qualité présentent des écarts par rapport à la valeur idéale inférieurs à 10 µK (microkelvin) en raison d’impuretés minimes. Les cellules plus anciennes ou moins pures peuvent présenter une dérive de ~50 µK, ce qui reste extrêmement faible. La reproductibilité entre différentes cellules et laboratoires se situe dans la plage de quelques dizaines de microkelvin – les mesures comparatives internationales ont trouvé des écarts-types d’environ 0,00005 °C. Ainsi, le TPW est le point fixe de température le plus stable qui soit. Dans l’application pratique, cependant, une correction doit être prise en compte : l’effet de pression hydrostatique. Comme le thermomètre est généralement immergé à une profondeur d’environ 25 cm dans la cellule, une pression hydrostatique légèrement plus élevée règne au niveau du capteur par rapport à la surface glace/eau. La température d’équilibre diminue d’environ 7,3∙10^-5 K par cm de colonne d’eau. Pour une hauteur d’environ 25 cm, cela donne une correction de -0,18 mK. Cette correction est soit calculée et ajoutée, soit déjà prise en compte dans le certificat d’étalonnage. L’incertitude de cette correction est très faible (quelques µK), tant que la hauteur et le coefficient sont connus. – Impuretés : La pureté est cruciale pour le TPW. On utilise de l’eau distillée, dégazée, idéalement avec une composition isotopique définie (par exemple VSMOW, « Vienna Standard Mean Ocean Water »). Des écarts dans la composition isotopique (proportion de deutérium ou ^18O) peuvent déplacer le point triple de quelques 0,1 mK ; l’eau distillée du commerce peut donc facilement causer des différences mesurables par rapport à l’idéal de 273,16 K. La pureté du matériau du récipient est tout aussi importante : les cellules en verre de quartz sont préférées, car le verre borosilicaté normal peut libérer de minuscules quantités d’ions alcalins dans l’eau au fil du temps, ce qui abaisse le point triple. De plus, aucun échange de gaz étranger ne doit avoir lieu – c’est pourquoi les cellules sont généralement fermées de façon permanente (scellées), souvent avec une légère pression résiduelle de leur propre phase de vapeur d’eau. En tenant soigneusement compte de tous ces facteurs, le point triple de l’eau fournit une référence d’une précision inégalée.
Point de fusion du gallium (29,7646 °C)
Importance physique : Le gallium pur fond à 29,7646 °C (environ 302,9146 K). Ce point de fusion relativement bas (légèrement supérieur à la température ambiante) est un point fixe de température défini par l’EIT-90. Le gallium a la propriété particulière de se dilater lors de la solidification (similaire à l’eau) et son point triple se situe pratiquement à la même valeur de température, car la pression de vapeur du gallium à ~30 °C est extrêmement faible. Pour les besoins d’étalonnage, on utilise généralement le point de fusion (PF), c’est-à-dire la transition de l’état solide à l’état liquide sous une légère surpression ou à la pression atmosphérique. (Le NIST, par exemple, réalise le gallium à une pression légèrement élevée comme « point triple » à 29,7666 °C pour réduire davantage l’incertitude, mais la différence avec le point de fusion à 1 atm est de l’ordre du microkelvin.) Le point fixe du gallium comble une lacune dans la plage de température de l’échelle : il fournit une valeur de référence précise proche de 30 °C. Cela permet d’interpoler les SPRT dans la plage de 0 °C à ~30 °C avec beaucoup plus de précision que si l’on n’avait que 0 °C et, par exemple, 156 °C (indium). Ainsi, l’EIT-90 prévoit un étalonnage à 29,7646 °C pour la plage de 0 °C à 30 °C – dans les cas simples, le point triple de l’eau et le point de fusion du gallium suffisent donc pour étalonner ce segment.
Réalisation et appareil typique : Le point de fusion du gallium est relativement facile à réaliser. On utilise généralement un « creuset de point fixe » cylindrique (par exemple en acier inoxydable ou revêtu de PTFE) rempli de quelques centaines de grammes de gallium de haute pureté (au moins 6N). En raison de sa proximité avec la température ambiante, il ne nécessite pas de fours à haute température complexes ; un simple bain thermostatique ou un petit appareil de chauffage/refroidissement suffit. Cependant, le gallium a tendance à se surfondre fortement : le Ga liquide peut être refroidi bien en dessous de 29,7646 °C sans se solidifier en l’absence de germes cristallins. C’est pourquoi le point fixe de température est généralement atteint sous forme de plateau de fusion, et non de plateau de solidification. En pratique, on procède comme suit : On laisse d’abord se solidifier tout le gallium (par exemple en refroidissant la cellule à ~20 °C). Ensuite, on place la cellule dans un bain légèrement chauffé (environ 30,5 °C) et on observe la température à l’intérieur. Dès que le gallium commence à fondre, la température se stabilise au point de fusion et y reste tant qu’il reste un noyau de gallium solide. Le thermomètre est plongé dans la partie liquide (à travers un canal de mesure central). Grâce à la chaleur de fusion, la température reste exactement à 29,7646 °C jusqu’à ce que le dernier morceau de Ga solide ait fondu. Ce processus génère un plateau étendu à température constante. Alternativement, on peut aussi faire fondre de manière contrôlée seulement une partie (en maintenant la cellule juste en dessous du MP) pour obtenir des plateaux plus longs. Dans tous les cas, il est important d’éviter les chocs mécaniques, car ils pourraient créer des germes cristallins (moins critique pour le plateau de fusion que pour la solidification). Les cellules à point fixe de gallium sont également disponibles dans le commerce ; certaines possèdent une légère surpression d’argon pour s’assurer qu’aucun air étranger ne pénètre et pour réaliser le point triple plutôt que le simple point de fusion – cette différence est cependant négligeable.
Incertitudes et pureté : Le point de fusion du gallium se caractérise par des incertitudes très faibles. D’une part, la température est relativement basse, ce qui permet de contrôler facilement les pertes de chaleur, d’autre part, la température du plateau est très reproductible. Dans les applications métrologiques de pointe, on atteint un écart total de <<1 mK ; les incertitudes élargies typiques se situent dans la plage de 0,5 mK ou moins. Par exemple, le NIST préfère réaliser le gallium comme point triple pour obtenir une incertitude standard d’environ 0,1 mK. À titre de comparaison : un bain d’eau de haute qualité à 30 °C présente des fluctuations de l’ordre du millikelvin – un point fixe de gallium est donc encore plus stable et sert souvent à vérifier les thermomètres à ~30 °C ou à valider les ajustements des capteurs industriels. – Impuretés : Le gallium doit être utilisé avec une très haute pureté. Les impuretés métalliques (par exemple des traces d’indium, de plomb, etc.) abaisseraient le point de fusion (dépression du point de solidification). Les guides ITS-90 recommandent d’utiliser au minimum un matériau 6N et de limiter la somme des impuretés à quelques ppm au maximum. Heureusement, le Ga est chimiquement relativement inerte vis-à-vis du verre ou du quartz, de sorte que le matériau du récipient ne provoque guère de contamination. Une source potentielle de perturbation est l’oxydation : le gallium forme rapidement une fine couche d’oxyde (Ga₂O₃) au contact de l’air. Celle-ci peut rendre la fusion difficile et éventuellement conduire à un léger effet d’hystérésis. Pour y remédier, on utilise souvent une atmosphère protectrice (par exemple de l’argon) dans l’espace cellulaire, ou la cellule est fermée sous vide après remplissage. Dans l’ensemble, on peut exploiter les points fixes de température du gallium de manière à ce que l’influence des impuretés reste nettement inférieure à 0,1 mK. Le point de fusion du gallium s’est donc imposé comme un point de calibrage pratique et fiable légèrement au-dessus de la température ambiante.
Point de congélation de l’indium (156,5985 °C)
Signification physique : L’indium pur possède un point de solidification ou de fusion à 156,5985 °C (429,7485 K). (Point de solidification = température à laquelle l’indium liquide commence à se solidifier sous pression normale ; correspond au point de fusion de l’indium solide lors du chauffage.) L’indium est un métal lourd relativement mou, dont la température de fusion est modérément élevée, ce qui en fait un point fixe de température étalonnable idéal. Important : Le point de l’indium a été nouvellement introduit dans l’ITS-90 (il n’y avait pas de point définissant à ~156 °C dans son prédécesseur EPTS-68). Cela permet de réaliser l’échelle de température avec plus de précision dans cette plage. Le point fixe de température de l’indium comble l’écart entre le gallium (30 °C) et l’étain (232 °C). Pour un étalonnage jusqu’à ~230 °C, on l’utilise pour améliorer l’interpolation : par exemple, pour 0-232 °C, on prend les points de l’eau, de l’indium et de l’étain. Même pour les étalonnages jusqu’à ~156 °C (par exemple pour les thermomètres médicaux ou de laboratoire), on utilise généralement le point de l’indium comme valeur la plus élevée à côté du TPE.
Réalisation : Le point de solidification de l’indium peut être réalisé dans une cellule à point fixe métallique, de manière similaire à l’étain ou d’autres métaux. Une cellule typique se compose d’un creuset en graphite pur contenant ~0,5-1 kg d’indium, avec un tube d’immersion central (canal de mesure) pour le thermomètre. Le graphite est utilisé car il est inerte à hautes températures et ne contamine pas l’indium. La cellule est utilisée dans un four d’étalonnage à température contrôlée ou un caloduc, pouvant être chauffé à environ 5-10 °C au-dessus du point de fusion. Pour réaliser le point fixe de température, tout l’indium est d’abord fondu (par exemple à ~161 °C pendant plusieurs heures, pour s’assurer qu’il ne reste aucun résidu solide). Ensuite, on laisse le four refroidir lentement. Pour obtenir un plateau reproductible, on induit délibérément le processus de solidification : souvent, on permet un léger sur-refroidissement (par exemple, refroidissement à ~155 °C, un ou deux degrés en dessous du PF), puis on crée un germe de cristallisation par une petite perturbation – comme un super-refroidissement. L’indium commence alors à se solidifier et libère de la chaleur de fusion. La température augmente et se stabilise exactement à 156,5985 °C. On maintient ensuite le four légèrement en dessous de cette température, de sorte que l’indium continue à se solidifier très lentement. Durant cette phase, la température reste constante sous forme de plateau. Plus la quantité de métal est importante et plus le taux de refroidissement est lent, plus le plateau sera long et plat – plusieurs heures sont réalisables. Le thermomètre (SPRT) mesure la température au centre du creuset. L’indium a une conductivité thermique relativement faible, mais grâce au creuset en graphite et à la convection dans le bain fondu (le cas échéant), la distribution de température est homogénéisée.
Précision de mesure et impuretés : Un point fixe d’indium réalisé proprement offre une excellente reproductibilité, typiquement de l’ordre de 1 mK ou mieux. Les instituts nationaux de métrologie attribuent de très faibles incertitudes au point d’indium, souvent dominées par des composantes systématiques telles que la correction de pureté. La quantité de chaleur latente lors de la transition de l’indium (~28 J/g) est certes inférieure à celle de l’étain ou du zinc, mais suffisante pour garantir un plateau stable et plat. Il est important qu’il n’y ait pas de forts gradients de température dans le four ; des fours multi-zones de haute qualité ou des bains liquides assurent des conditions isothermes dans une plage de quelques millimètres sur la hauteur de la cellule. – Impuretés : C’est ici que réside une source centrale d’incertitude. Pour dériver le point de solidification véritable de l’indium pur, la charge d’indium doit être extrêmement pure (≥ 99,9999 %). Des métaux étrangers comme le plomb, l’étain, le cadmium, etc. pourraient former des alliages et abaisser le point de solidification. En métrologie, la pureté est évaluée de plusieurs manières : analyse chimique (étendue et nature des impuretés en ppm), formules de somme selon Raoult (pour estimer une baisse théorique de température) et surtout l’analyse de la courbe de solidification. Cette dernière signifie : on enregistre la température du plateau en fonction du temps ou de la progression de la solidification. Pour un matériau absolument pur, la température reste constante jusqu’à la fin ; pour un matériau légèrement impur, elle montre souvent une légère baisse vers la fin, car la phase liquide restante est de plus en plus enrichie en impuretés (ce qui réduit le point de fusion local). Par extrapolation au moment du début de la solidification (ou à « 0 % solidifié »), on peut déterminer la température initiale correspondant à la substance pure. En pratique, les cellules à point fixe d’indium sont aujourd’hui si pures que ces corrections sont très petites, souvent inférieures à 0,5 mK. L’écart résiduel est budgétisé comme incertitude. L’indium réagit à peine avec le graphite ou le quartz, et la formation d’oxyde (In₂O₃) n’est pas très prononcée à 156 °C – néanmoins, on travaille généralement sous gaz protecteur (par exemple l’argon) pour exclure l’oxyde et l’humidité. En résumé, le point d’indium fournit une valeur d’étalonnage fiable dans la gamme de température moyenne inférieure, ce qui augmente considérablement la sécurité de mesure entre 30 °C et 232 °C.
Point de solidification de l’étain (231,928 °C)
Signification physique : L’étain pur (Sn) possède un point de solidification ou de fusion à 231,928 °C (505,078 K). Ce métal était déjà un point fixe de température important dans les échelles de température antérieures (par exemple, EPTS-68) et a été adopté comme point définissant dans l’EIT-90. Le point de l’étain marque la transition entre les plages de température « basse » et « moyenne » de l’EIT-90. Il se situe nettement au-dessus du point d’ébullition de l’eau et encore en dessous de la limite du rouge incandescent (environ 300 °C), ce qui le rend facilement manipulable avec des bains liquides ou des fours simples. Le point fixe de l’étain sert à l’étalonnage des SPRT jusqu’à environ 232 °C. Par exemple, pour un étalonnage de 0 à 419 °C, le point de l’étain est utilisé conjointement avec le TPW et le point du zinc. Mais même dans des plages plus restreintes (0-232 °C), l’indium et l’étain sont souvent utilisés ensemble pour diviser l’échelle en deux segments. L’avantage d’inclure le point de l’étain réside dans l’amélioration de la précision d’interpolation autour du point d’ébullition de l’eau (100 °C) et au-delà jusqu’à environ 200 °C.
Réalisation : Le point fixe de l’étain est réalisé, comme d’autres points fixes de température, dans une cellule à creuset en graphite avec un insert central pour le thermomètre. De l’étain de haute pureté (qualité 6N ou supérieure) est complètement fondu dans le creuset par chauffage (par exemple à environ 240-250 °C). Ensuite, on laisse le système refroidir de manière contrôlée. L’étain possède une chaleur latente de fusion assez élevée (environ 60 J/g), ce qui tend à produire des plateaux très stables, car beaucoup d’énergie est libérée pendant la solidification, freinant ainsi la chute de température. On attend généralement que la température soit tombée d’environ 1-2 K en dessous de la valeur nominale (pour atteindre un léger sous-refroidissement), puis on déclenche le processus de solidification : cela peut se faire par un super-refroidissement. Dès que la solidification commence, la température remonte au point de solidification et reste stable. Le four est régulé de manière à rester quelques dixièmes de degré en dessous de 231,928 °C, afin de ne pas apporter de chaleur ni de refroidir trop fortement. Dans ce scénario d’équilibre, l’étain se solidifie lentement à partir des germes. Un plateau de plusieurs heures est atteignable. Pendant ce temps, la résistance est mesurée avec le SPRT, qui reste constante à part un bruit minimal. La température de l’environnement (four) peut être légèrement modulée pour prolonger le plateau (selon le principe : si la température baisse légèrement, augmenter légèrement la puissance de chauffage, etc.), les utilisateurs expérimentés contrôlant cela manuellement ou au moyen d’une régulation lente.
Comportement et précision : Les cellules à point fixe de température en étain se sont avérées très robustes et reproductibles. La répétabilité dans des cellules bien construites est de 1-2 mK ou mieux. Dans les comparaisons internationales et lors de l’utilisation comme étalon secondaire, on peut s’attendre à des distributions dans la plage des millikelvins à un chiffre. Des incertitudes plus importantes sont généralement dues au thermomètre (auto-échauffement, erreurs d’isolation) ou à une réalisation incomplète (par exemple, durée de plateau trop courte, gradient dans la cellule). Dans les laboratoires primaires, l’incertitude standard du point de l’étain est souvent indiquée comme étant d’environ 0,5-1 mK. Il est intéressant de noter que le passage de l’EPTS-68 à l’EIT-90 a montré un petit décalage de température au point de l’étain (les échelles différaient de quelques mK), mais dans l’EIT-90, la valeur de 231,928 °C est considérée comme la valeur de référence officielle. – Impuretés : Comme pour tous les points fixes de température, la pureté du matériau joue un rôle crucial. L’étain doit être pur à 99,999 % ou plus. Les impuretés courantes dans l’étain technique sont, par exemple, le plomb, l’antimoine, le cuivre ; même quelques ppm de ceux-ci peuvent abaisser sensiblement le point de solidification. Par conséquent, l’étain pour point fixe de température est soit produit à partir de matériaux chimiquement très purs, soit purifié par fusion de zone. L’effet des impuretés est évalué de manière analogue à l’indium : par des formules de sommation ou l’analyse de courbes. En pratique, on reconnaît souvent une impureté à un plateau légèrement incliné (décroissant en température au fil du temps). À partir de l’angle d’inclinaison, on peut déduire la fraction molaire d’impuretés. Cependant, les cellules à point fixe de température habituelles ne montrent guère d’inclinaison – indice d’impuretés négligeables. Un autre aspect est l’oxydation : l’étain liquide forme immédiatement une couche d’oxyde (SnO₂) à la surface lorsqu’il est exposé à l’air. Cela peut influencer la solidification (par exemple, formation de germes retardée, transfert de chaleur incomplet). Pour contrer cela, on équipe souvent la cellule d’une atmosphère protectrice d’argon ou on recouvre la fonte dans le creuset d’une légère poudre de graphite ou d’un couvercle en verre. Le graphite réduit l’oxyde d’étain dans une certaine mesure, ce qui est également utile. De telles mesures garantissent que le point de solidification effectif correspond le plus possible à l’idéal. Dans l’ensemble, le point de solidification de l’étain est un point fixe de température éprouvé, relativement facile à manipuler, avec une très faible incertitude dans la plage de température moyenne.
Point de solidification du zinc (419,527 °C)
Signification physique : Le zinc pur (Zn) possède un point de congélation à 419,527 °C (692,677 K). Il s’agit déjà d’une plage de température relativement élevée pour les thermomètres à résistance. Le point du zinc a été choisi dans l’EIT-90 comme point fixe de température en remplacement du point de soufre auparavant utilisé (point d’ébullition du soufre ~444,6 °C dans l’EIPT-68), car les points fixes de température métalliques sont généralement plus reproductibles et plus faciles à manipuler. Avec ~419,5 °C, le point du zinc couvre le début de la plage de température supérieure pour les SPRTs. Dans les étalonnages, le point du zinc est utilisé, par exemple, lorsqu’un SPRT doit être utilisé jusqu’à ~420 °C : on étalonne alors typiquement au TPW (0,01 °C), à l’étain (231,928 °C) et au zinc (419,527 °C). Même pour un étalonnage jusqu’à 660 °C, le zinc est un point intermédiaire (TPW, Sn, Zn, Al). La valeur proche de 420 °C est particulièrement pertinente pour la technique de mesure de température industrielle (par exemple, les fours, les thermocouples), c’est pourquoi le point fixe du zinc est métrologiquement significatif.
Réalisation : Le point fixe du zinc nécessite déjà un four à haute température ou un caloduc capable d’atteindre ~430-440 °C. On utilise souvent des fours verticaux à trois zones pour minimiser les gradients de température. La cellule elle-même est à nouveau composée de graphite, car les métaux réagiraient fortement avec de nombreux matériaux à ces températures. Le graphite est inerte sous argon et peut résister aux hautes températures. Pour la réalisation, le zinc est d’abord complètement fondu (maintenu à ~430-450 °C pour assurer l’homogénéisation). Ensuite, on refroidit le système. Le zinc a une très grande enthalpie de fusion (plus de 100 J/g), ce qui signifie qu’une quantité énorme de chaleur est libérée lors de la solidification – un avantage pour un long plateau. Après un éventuel léger sous-refroidissement (1-2 K sous le PF), la solidification est initiée, par exemple en touchant le métal avec un fil froid ou en secouant légèrement le creuset. Un front de solidification se forme alors, généralement en commençant par la paroi du creuset, et la température s’élève à 419,527 °C. En raison de la chaleur latente élevée, elle reste à ce niveau, même si le four est légèrement plus froid. Un défi avec le zinc est cependant que l’air ambiant et les pertes par radiation à ~420 °C sont considérables. Pour maintenir le plateau, le four doit donc être régulé de manière à fournir exactement la bonne quantité de chaleur – ni trop (sinon le zinc fondrait à nouveau et la température augmenterait) ni trop peu (sinon le plateau se terminerait prématurément). Dans des installations bien conçues, on peut obtenir des plateaux de plusieurs heures, suffisamment de temps pour effectuer plusieurs mesures avec le SPRT.
Incertitude et particularités : Le point du zinc peut être reproduit avec une grande précision, mais les incertitudes pratiques sont généralement un peu plus grandes ici que pour les points inférieurs. Cela est dû à des facteurs tels que : un rayonnement thermique plus fort (peut affecter le thermomètre ou le pont de mesure), une sensibilité plus élevée aux gradients du four, ainsi qu’une diffusion plus lente en cas d’impuretés. Néanmoins, les laboratoires primaires rapportent des incertitudes standard d’environ ±1-2 mK pour le point fixe de température du zinc. L’incertitude de mesure d’un SPRT à 420 °C est typiquement de quelques millikelvins, dont une bonne partie provient déjà de la réalisation du point fixe de température. En superposant les zones du four (chauffage du pot et du fond), on peut réduire le gradient de température axial dans la zone de la cellule à quelques millikelvins/cm, ce qui assure l’uniformité dans la zone utile du creuset d’environ 10 cm de haut. – Impuretés : Le zinc doit être utilisé à une très haute pureté, car en tant que métal non noble, il peut dissoudre de nombreux métaux étrangers. On utilise du zinc 5N ou 6N ; les impuretés typiques comme Pb, Cd, Fe doivent être globalement dans la plage des ppm ou en dessous. Une particularité du zinc est l’absorption potentielle d’oxygène : le zinc fond à haute température et peut absorber l’oxygène du matériau du creuset ou de l’air emprisonné et former de l’oxyde de zinc. L’oxyde de zinc a un point de fusion nettement plus élevé (~1975 °C) et se dépose sous forme de particules solides lors du refroidissement. Celles-ci peuvent agir comme des germes ou réduire la pureté effective. C’est pourquoi les cellules de zinc sont généralement pourvues d’une atmosphère d’argon purifiée. Le graphite comme creuset aide en plus, car il lie l’oxygène (formation de CO/CO₂) et agit ainsi comme « getter ». Comme pour l’indium et l’étain, le processus de solidification est également observé attentivement pour le zinc : un plateau plat sur toute la durée indique de très faibles impuretés ; un plateau avec une pente notable pourrait indiquer des traces de ppm qui font légèrement varier le point de fusion. Dans de tels cas, on extrapole souvent le début du plateau comme véritable point fixe de température. En fin de compte, le point du zinc est bien maîtrisable et indispensable pour les étalonnages dans la plage supérieure des PRT.
Point de congélation de l’aluminium (660,323 °C)
Signification physique : L’aluminium pur (Al) fond/se solidifie à 660,323 °C (933,473 K). Il s’agit du point fixe de température défini le plus élevé que la plupart des thermomètres à résistance de platine étalons (SPRT) peuvent atteindre. Au-delà, on utilise des SPRT haute température (HTSPRT – High Temperature SPRT), qui ont généralement une valeur nominale beaucoup plus faible, par exemple 25 ohms. Le point de l’aluminium est donc d’une importance capitale pour étalonner le plus grand nombre de SPRT utilisés jusqu’à leur limite d’utilisation (~660 °C). Un étalonnage typique de 0 °C à 660 °C comprend le point triple de l’eau, ainsi que les points de congélation de l’étain, du zinc et de l’aluminium. De nombreux SPRT de haute qualité ne sont conçus que pour aller jusqu’à 660 °C, car au-delà, le platine vieillit rapidement. D’un point de vue industriel, 660 °C couvre déjà de vastes domaines (par exemple, la coulée d’Al et de Zn, les fours de laboratoire, etc.), c’est pourquoi le point fixe de l’Al présente une utilité pratique considérable.
Réalisation : La réalisation du point fixe de l’aluminium impose des exigences accrues à l’appareillage. On a besoin d’un four haute température qui peut être maintenu stable à ~660 °C. La plupart du temps, on utilise des fours tubulaires à trois zones ou des caloducs pour créer un profil de température uniforme sur la longueur de la cellule du point fixe de température. La cellule elle-même est constituée d’un creuset en graphite contenant de l’aluminium pur (environ 0,5-1 kg) et d’un tube de mesure central. Le graphite est ici impératif, car l’aluminium est très réactif : il réagirait avec des creusets en céramique ou en métal (l’aluminium forme par exemple un alliage avec le fer) et extrairait l’oxygène des matériaux contenant des oxydes. Le graphite, en revanche, peut lentement se carburer avec l’aluminium, mais pour des utilisations uniques ou à court terme, cela est négligeable, d’autant plus qu’un gaz inerte est présent. La cellule est généralement exploitée sous atmosphère d’argon pour prévenir l’oxydation. Déroulement : D’abord, l’Al est complètement fondu (à ~670-680 °C pendant un certain temps, pour que le dernier cristal fonde aussi et que le matériau devienne homogène). Ensuite, on règle lentement le four à la baisse. L’aluminium a tendance à ne pas se solidifier spontanément sans un fort sous-refroidissement, en particulier lorsqu’il n’y a pas de germes cristallins et que les parois sont bien exemptes de nucléation. C’est pourquoi on utilise souvent un artifice de germination : Lorsque la température est tombée de quelques degrés en dessous de 660,3 °C (par exemple ~658 °C), on introduit un objet « froid » – par exemple une fine tige de quartz (ce qu’on appelle le super-refroidissement). Cela crée instantanément un germe de solidification et l’aluminium commence à cristalliser. La température s’élève alors jusqu’au point de solidification. On maintient alors le four légèrement en dessous (~659 °C) pour permettre une solidification lente et contrôlée. En raison de la chaleur latente de fusion élevée (~400 J/g, l’une des plus élevées parmi les points fixes de température de l’EIT-90), la température reste très stable. Un plateau bien établi peut durer des heures. Des plateaux plus longs sont difficiles à obtenir, car à une température aussi élevée, des pertes sont inévitables et, une fois l’aluminium complètement solidifié, la température recommence à baisser.
Incertitude et défis : Les incertitudes de mesure au point de l’aluminium sont généralement un peu plus élevées qu’aux points métalliques inférieurs. Les laboratoires de pointe obtiennent toujours une précision remarquable (quelques mK), mais la reproductibilité entre différentes réalisations ou cellules peut être, par exemple, de ±2-5 mK. Raisons principales : les effets des impuretés sont plus significatifs ici (car quelques ppm de substances étrangères peuvent avoir un effet de plusieurs mK, et à 660 °C, les matériaux diffusent ou réagissent plus rapidement), et les gradients thermiques sont plus difficiles à éliminer complètement. Néanmoins, le point Al peut être très bien utilisé comme référence de calibration, car l’écart par rapport à la valeur idéale peut généralement être capturé par des corrections connues. Ainsi, dans la pratique, une correction de pureté est souvent appliquée : à partir du certificat du fabricant ou d’analyses ultérieures, on détermine la somme des impuretés dans l’aluminium et on estime ainsi la baisse de température. Par exemple, le silicium ou le fer dans l’aluminium ont des effets significatifs (plusieurs mK par ppm). Une autre méthode consiste à prendre le début du plateau de solidification comme référence, car à ce moment-là, la plupart des éléments d’impureté sont encore uniformément répartis. Au milieu ou à la fin du plateau, les impuretés peuvent s’accumuler dans le reste de la fonte et légèrement tirer le plateau vers le bas. Ainsi, Widiatmo et al. (PTB) ont rapporté des procédures d’analyse pour déduire la pureté effective à partir de l’évolution du plateau. – Impuretés et problèmes de matériaux : De l’aluminium de haute pureté (généralement 5N5 à 6N, soit 99,9995 % ou plus) est nécessaire. Les impuretés typiques sont par exemple Cu, Si, Fe, Ga. En particulier, Si et Fe se dissolvent bien dans l’Al liquide et déplacent significativement le point de solidification. L’hydrogène pose également un problème : l’Al liquide peut dissoudre l’hydrogène de l’humidité résiduelle ou des substances organiques (similaire à l’Ag dissolvant O₂). Lors de la solidification, l’hydrogène se sépare (formation de pores), ce qui peut causer des effets de température et des perturbations de la cristallisation. Par conséquent, on veille à ce que tous les composants soient secs et propres ; souvent, la cellule est chauffée sous vide avant le remplissage. Les creusets en graphite peuvent réagir avec Al au fil du temps (formation d’Al_4C_3), ce qui consomme l’Al et modifie théoriquement le PF ; cependant, cela se produit généralement seulement après une longue période de maintien ou une réutilisation multiple. Les creusets en graphite neufs ont parfois des particules lâches qui pourraient agir comme des impuretés – ils sont donc préalablement recuits et soufflés. Oxydation : L’aluminium forme immédiatement une couche d’Al₂O₃ à l’air, qui est très stable. Dans la fonte, elle peut flotter en haut comme du laitier. Si lors de la solidification cette « peau » d’oxyde forme une sphère creuse, il peut arriver que l’aluminium se solidifie simultanément sur la paroi et au cœur, ce qui produit un plateau à double front – deux transitions de phase qui se produisent successivement, visibles comme une légère marche de plateau. C’est bien sûr indésirable. On y remédie en remuant doucement avant la solidification (pour briser l’oxyde) ou en ajoutant une petite « plaquette sacrificielle » en Al qui s’oxyde de préférence. Dans l’ensemble, le point fixe de l’aluminium exige beaucoup de soin, mais fournit une valeur de référence clairement définie pour les températures les plus élevées d’un SPRT.
Point de solidification de l’argent (961,78 °C)
Signification physique : L’argent pur (Ag) a un point de solidification à 961,78 °C (1234,93 K). C’est le point fixe de température défini le plus élevé de l’ITS-90 qui est réalisé par thermométrie de contact. Au-dessus de ce point, l’échelle passe dans le domaine optique : À partir du point d’argent, T_{90} est définie par l’application de la loi de rayonnement de Planck sur un corps noir, où le point d’argent, d’or ou de cuivre peut servir de référence. En d’autres termes : À ~962 °C se termine la plage que l’on peut entièrement couvrir avec des SPRT ; au-delà, on utilise des pyromètres (par exemple, le point d’or ~1064 °C et le point de cuivre ~1084 °C sont utilisés comme références de calibration pour les thermomètres à rayonnement). Le point fixe de l’argent est donc le point de transition et permet de calibrer les SPRT ou d’autres capteurs jusqu’à près de 1000 °C. Dans les procédures de calibration, il est rarement appliqué pour les SPRT standard (beaucoup de SPRT ne vont que jusqu’à 660 °C), mais pour les SPRT spéciaux haute température, un calibrage jusqu’à 961,78 °C peut être effectué. Un processus de calibration ITS-90 complet jusqu’au point d’argent comprendrait des points fixes de température à 0,01 °C, 231 °C (Sn), 419 °C (Zn), 660 °C (Al) et 961 °C (Ag).
Réalisation : La réalisation du point fixe de l’argent nécessite un appareillage sophistiqué. On utilise généralement un four vertical à trois zones ou un four à bloc isotherme offrant une excellente uniformité de température. Certains laboratoires emploient également des fours à caloduc – ceux-ci utilisent par exemple du sodium comme fluide caloporteur pour créer une zone de température très homogène à environ 1000 °C. La cellule du point fixe de l’argent se compose d’un creuset en graphite contenant de l’argent de haute pureté (souvent ~1 kg pour assurer un long plateau). Le creuset comporte à son tour un puits central en graphite pour le thermomètre. Le graphite est indispensable car l’argent peut être réactif à haute température (il dissout fortement l’oxygène, par exemple) et interagirait avec d’autres matériaux (céramique, métal). Le graphite, en revanche, peut absorber un peu de carbone de l’argent liquide, mais cela reste minime. La cellule est généralement exploitée sous gaz protecteur (argon) ou éventuellement sous vide pour éviter l’oxydation – l’argent absorbe avidement l’oxygène de l’air, ce qui peut provoquer des perturbations. Pour la réalisation, l’argent est d’abord fondu (~970-980 °C, pour s’assurer que tout est bien liquide). Ensuite, on refroidit. Pour obtenir un germe initial, on utilise souvent la méthode du « bâtonnet froid » (super-refroidissement) : on retire brièvement le thermomètre et on introduit une tige de quartz refroidie dans le puits, ce qui refroidit brusquement l’argent liquide en un point et crée un cristal de solidification. Alternativement, on retire la cellule du four et on souffle sur sa surface – l’essentiel étant de créer un germe d’argent solide. Immédiatement après, on replace la cellule dans le four (ou on retire la tige et on réintroduit le thermomètre) et on maintient la température juste en dessous du point fixe. L’argent se solidifie alors lentement à partir du point de nucléation. La température monte à 961,78 °C et s’y maintient. On peut effectuer des mesures durant cette phase grâce à un contrôle approprié du four. Cependant, avec le point de l’argent, on rencontre le problème que les thermomètres à résistance eux-mêmes dérivent lorsqu’ils sont exposés si longtemps à des températures si élevées. Par conséquent, dans la pratique, on préfère souvent un cycle de mesure court : par exemple, ne laisser solidifier que 50 % de la masse métallique (durée du plateau peut-être 1-2 heures) puis terminer rapidement pour ne pas solliciter inutilement le SPRT. La validité est néanmoins assurée, car la valeur du plateau reste identique tant que les phases solide et liquide coexistent.
Incertitudes et dérive du SPRT : Le point fixe de l’argent est en soi aussi définissable que les autres points métalliques, mais l’incertitude globale atteignable est généralement la plus élevée. Un facteur limitant essentiel est – comme mentionné – le comportement des thermomètres : les résistances de platine standard ont tendance à vieillir à partir d’environ 660 °C (migration des joints de grains, relaxation des contraintes dans le fil, dégazage de l’atmosphère de l’enveloppe). À ~962 °C, ces effets s’accélèrent. Il a été observé qu’un SPRT haute température peut déjà subir une dérive de, par exemple, ≈10 mK en 24 heures à 961 °C. Si l’on retire brusquement un tel thermomètre du point fixe de température chaud, ses propriétés changent de manière abrupte (les contraintes mécaniques se relâchent) ; des rapports mentionnent par exemple un saut de +35 mK de la résistance au point triple de l’eau après un refroidissement brutal de 961 °C à température ambiante. C’est pourquoi les laboratoires d’étalonnage procèdent avec une grande prudence : on limite la durée du plateau (souvent 4 à 6 heures maximum au point d’argent), éviter de refroidir les thermomètres trop rapidement et les soumettre ensuite à une relaxation/recuit thermique ciblée (par exemple, 24 h à 450-650 °C, refroidissement lent) pour restaurer leur état initial. Malgré ces difficultés, il est possible de réaliser le point d’argent avec une incertitude-type de quelques millikelvins. La reproductibilité entre différents instituts est peut-être de l’ordre de ±5 mK, ce qui, rapporté à 962 °C, reste extrêmement précis (~5 ppm en relatif). Dans les certificats d’étalonnage des SPRT jusqu’à 960 °C, on indique souvent une incertitude élargie de quelques dixièmes de °C, qui inclut cependant la stabilité à long terme du thermomètre et d’autres contributions. Le point fixe de température lui-même est nettement plus précis. – Impuretés : L’argent doit être de la plus haute pureté (6N) pour que le point de solidification soit correct. Les impuretés moins nobles (Pb, Cu, etc.) l’abaissent, ce qui est cependant négligeable pour l’Ag 6N. Un rôle plus important est joué, comme mentionné, par l’oxygène dissous : l’argent liquide dissout environ 20 cm³ d’O₂ pour 100 g d’Ag à 962 °C – c’est considérable. Lorsque la fusion refroidit, la solubilité diminue et l’oxygène s’échappe, ce qui peut conduire à ce qu’on appelle des « projections » (l’argent peut littéralement éclater). Pour éviter cela, on maintient la cellule sous argon (sans O₂) et si possible sous une légère surpression, de sorte qu’aucun oxygène ne pénètre dans le métal. Le graphite aide également ici, car il lie l’O₂. Un autre phénomène est le comportement de transition de phase en présence de réactions aux parois : le graphite peut se dissoudre minimalement dans l’argent ; lors de la solidification, une fine couche de carbure peut se former, ce qui peut éventuellement créer deux fronts de solidification simultanés (un à l’extérieur sur la paroi du creuset, un à l’intérieur sur l’insert). Cela provoquerait un plateau pas tout à fait plat. Cependant, les cellules modernes ont des caractéristiques de conception pour éviter cela (par exemple, des revêtements spéciaux ou des points de refroidissement définis). Enfin, même pour le point d’argent, le plateau est surveillé pour détecter d’éventuelles impuretés. Dans l’ensemble, le point fixe de l’argent est, malgré ses défis, un point fixe de température clairement défini et reproductible – il exige simplement beaucoup plus d’expérience et de soin dans sa manipulation.
Remarque : Au-dessus du point d’argent, on quitte le domaine de la thermométrie à résistance. L’ITS-90 définit pour T > 961,78 °C les températures au moyen de la pyrométrie optique – pour cela, un corps noir est référencé à la température du point fixe de l’argent, de l’or ou du cuivre, puis les températures plus élevées sont mesurées selon la loi de Planck. Ainsi, l’argent (961 °C), l’or (1064 °C) et le cuivre (1084 °C) sont également des points fixes de température, mais ils servent principalement de points de référence pour l’échelle optique (pour les hautes températures), tandis que dans la plage jusqu’à l’argent, tous les points fixes de température sont utilisés pour les thermomètres à contact (SPRT). Les procédures décrites ici s’appliquent en principe également à l’or et au cuivre, mais en pratique, les SPRT ne sont pas utilisés jusque-là. Au lieu de cela, à partir de ~962 °C, on préfère étalonner les thermocouples ou les pyromètres à l’aide de ces points fixes de température.
Résumé
Les points fixes de température de l’ITS-90 de -190 °C à ~1000 °C forment un réseau continu de températures définies. Chaque point fixe de température est caractérisé par une transformation de phase spécifique d’une substance pure et est uniformément défini dans le monde entier. En étalonnant des thermomètres à résistance de platine étalons (SPRT) à plusieurs de ces points, on peut approximer l’ITS-90 sur toute la plage et effectuer des mesures de température de haute précision. Les incertitudes atteignables sont impressionnantes : de l’ordre du microkelvin (point triple de l’eau) à quelques 0,1 mK (gallium, mercure) jusqu’à quelques mK (aluminium, argent). Il est important de noter, cependant, que cette précision n’est réalisée qu’avec une technique sophistiquée, des matériaux purs et des utilisateurs expérimentés. Des facteurs tels que la pression hydrostatique, l’auto-échauffement du SPRT, la dissipation thermique, les impuretés ou les effets isotopiques doivent être pris en compte et corrigés pour atteindre les valeurs nominales des points fixes de température. L’ITS-90 fournit des guides détaillés et des formules de correction à cet effet, de sorte que de bons résultats sont obtenus dans des conditions standard. Les cellules de points fixes de température et les procédures d’étalonnage décrites sont aujourd’hui la norme de la métrologie de température précise – des étalons nationaux aux laboratoires d’étalonnage en passant par les installations de mesure industrielles de haute qualité, elles garantissent une échelle de température uniforme avec une grande fiabilité et précision.
Sources
- Manuels CCT : Guides de thermométrie – Bureau International des Poids et Mesures
Guide pour la réalisation de l’ITS-90 :
Partie 1 – Introduction (2018)
Partie 2.1 – Points fixes : Influence des impuretés (2018)
Partie 2.2 – Point triple de l’eau (2018)
Partie 2.3 – Points fixes cryogéniques (2018)
Partie 2.4 – Points fixes métalliques pour la thermométrie de contact (2021)
Partie 5 – Thermométrie à résistance de platine (2021)
- Walter Blanke : L’échelle internationale de température de 1990 : ITS-90
- Thomas Klasmeier : Livre de table « Température », édition 3
- G. F. Strouse : Publication spéciale NIST 250-81, Étalonnages des thermomètres à résistance de platine étalon du TP de l’Ar au PF de l’Ag
- Henry E. Sostmann et John P. Tavener : FONDEMENTS DE LA THERMOMÉTRIE – PARTIE II – POINTS FIXES DE L’EIT-90 – CONFIANCE DANS LES POINTS DE CONGÉLATION DES MÉTAUX DE L’EIT-90
