Comment déterminer l´incertitude de mesure des manomètres

Chaque instrument de mesure présente un certain degré d´imprécision. Une règle peut indiquer que deux crayons ont la même longueur, mais cette déduction n´est valable que dans la limite de la précision minimale offerte par la règle. Les crayons peuvent sembler avoir la même longueur à l´échelle du centimètre ou du millimètre, mais rien ne garantit qu´ils ne diffèrent pas lorsqu´on considère des mesures à l´échelle du micromètre ou du nanomètre.

Quel que soit l´outil, sa capacité à capturer la mesure réelle du mesurande, c´est-à-dire l´objet mesuré par l´outil, sera toujours limitée. Il existera toujours une gamme de valeurs dans laquelle la mesure réelle du mesurande peut se situer. C´est ce que nous appelons l´incertitude de mesure du phénomène. Comme tous les autres appareils de mesure, les manomètres sont sensibles à l´incertitude de mesure et il est important de savoir comment différentes variables affectent l´incertitude d´un appareil.

Dans cet article, nous allons passer en revue les considérations générales relatives à l´incertitude de mesure de la pression, les types d´incertitude en jeu et voir brièvement comment cette incertitude est calculée.

Considérations générales concernant l´incertitude de mesure de la pression

Il existe deux grands types d´incertitude : les incertitudes de type A et B. Nous aborderons chacun de ces éléments plus en détail plus loin dans cet article, mais en termes simples, l´incertitude de type A est basée sur une analyse statistique, contrairement à l´incertitude de type B. (Ensemble, ces éléments constituent l´incertitude globale de mesure.)

Cependant, les types A et B sont des classifications très larges. En ce qui concerne les manomètres, voici quelques-unes des sources potentielles d´incertitude de mesure :

• Type d´appareil de mesure
• Mode de fonctionnement de l´appareil de mesure
• Milieu liquide
• Conditions environnementales
• Orientation de l´appareil
• Incertitude de référence
• Fréquence de l´étalonnage
• Temps de maintien au point de consigne
• Remise à zéro 

Examinons chacun de ces éléments plus en détail.

Type d´appareil de mesure

Il s´agit du facteur le plus simple à prendre en compte pour l´incertitude liée au manomètre et il répond à la question « Quel type d´appareil utilisez-vous ? » Le fonctionnement des manomètres n´est pas universel, car ils utilisent des processus d´étalonnage différents et leur comportement dépend d´autres considérations que nous avons mentionnées, comme le fluide utilisé comme milieu, le mode de fonctionnement et l´environnement d´utilisation. Les manomètres ont également différents niveaux de précision et de résolution. De nombreux modèles et marques de manomètres sont fournis avec une liste d´incertitudes et des informations concernant l´impact des différentes situations et considérations sur la mesure finale.

Mode de fonctionnement de l´appareil de mesure

Le mode de fonctionnement exact de l´appareil de mesure de la pression affecte, dans une certaine mesure, son degré d´incertitude. Certains modes de fonctionnement couvrent la pression absolue et la pression manométrique. Le mode de fonctionnement n´a généralement pas autant d´influence sur l´incertitude que d´autres variables, mais il reste un facteur important.

Milieu liquide

Le fluide contenu dans le manomètre, qui transmet la pression de l´élément mesuré, peut également introduire une incertitude, car le type et la densité du fluide peuvent varier. De nombreux manomètres utilisent de la glycérine liquide ou des huiles siliconées, tandis que d´autres peuvent utiliser un gaz, notamment de l´air ou de l´azote. Les différences les plus importantes entre ces milieux sont généralement prises en compte dans la mesure, mais des différences de densité moindres entre les mesures peuvent conduire à une incertitude.

Conditions environnementales

L´environnement dans lequel vous effectuez vos mesures est l´un des aspects les plus importants à prendre en compte pour déterminer la validité de vos résultats. A dire vrai, l´environnement est l´une des influences les plus importantes pour déterminer la validité de vos résultats. Les facteurs environnementaux affectent non seulement la pression de ce que vous mesurez, mais aussi celle de l´appareil de mesure que vous utilisez.

Par exemple, les fluctuations de température peuvent altérer les propriétés physiques du manomètre de façon discrète, mais significative, notamment en modifiant le comportement du fluide à l´intérieur de l´appareil et donc en modifiant les relevés. La température peut également affecter subtilement les différents composants d´un manomètre, comme un piston-cylindre, par dilatation et contraction thermiques, ce qui entraîne une incertitude dans la mesure. Par ailleurs, les effets adiabatiques qui modifient la température du fluide dans un système peuvent modifier les relevés des manomètres, en particulier dans les systèmes à base de gaz ou ceux qui subissent des changements de pression rapides. 

La plupart des manomètres avancés intègrent un certain niveau de compensation thermique, mais une incertitude subsistera, quelle que soit la rigueur des conditions de mesure. 

La pression barométrique, ou pression atmosphérique, est un autre facteur environnemental à prendre en compte. La pression barométrique varie principalement en fonction de l´altitude : une altitude plus élevée entraîne une baisse de la pression barométrique et, inversement, une altitude plus basse l´augmente. Sachant cela, vous devez tenir compte de votre altitude lors de la mesure de la pression. 

La gravité locale est un autre facteur environnemental à prendre en compte lors de l´estimation de l´incertitude pour vos mesures de pression. La gravité locale dépend de plusieurs facteurs, notamment la latitude, les éléments topographiques à proximité, tels que les montagnes, et l´altitude. Les petites différences de gravité locale ne sont pas perceptibles par un être humain, mais elles sont essentielles à prendre en compte si vous devez réaliser des mesures extrêmement précises. Ces petits changements de force gravitationnelle peuvent entraîner de grandes différences dans la mesure exacte de la pression et conduire à une certaine incertitude. Les balances manométriques utilisées pour étalonner les instruments de mesure de pression et reproduire un point de pression connu à partir de la masse, de la gravité et de la surface sont notoirement sensibles à la gravité locale. 

Un autre facteur environnemental, peut-être moins évident, à prendre en compte est la présence de vibrations. Les vibrations provenant de l´environnement peuvent affecter le manomètre et provoquer des erreurs potentielles. Les vibrations peuvent être naturelles, mais elles sont plus susceptibles de provenir de machines ou d´appareils fonctionnant à proximité. Les vibrations sont rarement constantes. Par conséquent, si vous ne les prenez pas en compte dans une analyse d´incertitude, vos données de mesure de pression risquent d´être imprévisibles. Pour réduire l´incertitude liée aux vibrations, assurez-vous que les manomètres sont correctement et solidement fixés sur la surface destinée au cas d´utilisation. 

Orientation de l´appareil de mesure

Certains capteurs de pression fonctionnent mieux dans certaines orientations ou positions de montage que d´autres et leur configuration a donc un impact significatif sur la mesure. (Dans le cas des balances manométriques, ce n´est pas uniquement l´orientation qui importe : il est essentiel de prendre en compte la différence de hauteur de colonne de fluide entre la référence et l´appareil testé. Ignorer cette différence peut avoir un impact significatif sur les résultats, en particulier à basse pression.) Veiller à orienter la jauge conformément aux recommandations du fabricant permet de minimiser toute sensibilité à l´orientation.

Incertitude du dispositif de référence pour l´étalonnage

L´incertitude ne concerne pas seulement le manomètre que vous utilisez au quotidien. Les étalons de référence utilisés par les métrologues pour étalonner votre manomètre sont également soumis à une incertitude de mesure. Si un laboratoire accrédité ISO/CEI 17025 a étalonné votre manomètre, vous devriez être en mesure de trouver l´incertitude de l´appareil de référence sur le certificat d´étalonnage de votre manomètre. La norme de référence étant sujette à des incertitudes, elle peut avoir un impact sur l´étalonnage, et donc sur les performances de mesure et l´incertitude, de votre manomètre.

Fréquence d´étalonnage

Au fil du temps, les appareils de mesure présenteront naturellement de légers changements en matière de précision et de fiabilité de leurs résultats. Cette dérive de mesure est précisément la raison pour laquelle il est essentiel d´étalonner régulièrement vos appareils de mesure. Par le passé, les organisations et les laboratoires d´étalonnage s´appuyaient sur la directive OIML D10 de l´OIML (Organisation internationale de métrologie légale) pour définir les intervalles d´étalonnage, mais cette directive a été retirée. Désormais, les organisations peuvent consulter l´ILAC G24 de l´ILAC (International Laboratory Accreditation Cooperation) ou l´EURAMET cg-19 des instituts de l´EURAMET (European Association of National Metrology) pour obtenir des conseils sur les intervalles d´étalonnage.)

La plupart des analyses d´incertitude impliquent que le dispositif soit étalonné une fois par an, mais la fréquence réelle d´étalonnage de la jauge permet à elle seule de déterminer l´incertitude. Des périodes prolongées sans étalonnage entraînent naturellement une augmentation de l´incertitude potentielle, tandis que des étalonnages plus fréquents permettent de la réduire.

Temps de stabilisation

Tous les systèmes de mesure de pression sont soumis à un temps de stabilisation et d´équilibrage. Ils doivent se stabiliser à un point spécifique avant de pouvoir prendre une mesure précise. Ce temps de stabilisation peut parfois être de 30 secondes ou plus et les mesures fluctuent avant que l´appareil n´atteigne son temps de maintien. Si vous essayez de prendre une mesure avant que votre manomètre ne se stabilise, vous risquez d´introduire une incertitude dans votre mesure. Toute fluctuation durant cette période peut entraîner un niveau d´incertitude dans la mesure. Il est donc important de connaître et de prendre en compte le temps de maintien de votre manomètre lorsque vous calculez l´incertitude.

Remise à zéro

La capacité d´un appareil de mesure à fournir des relevés précis peut dériver au fil du temps, de même que son point zéro. Cette dérive du point zéro peut provenir d´une hystérésis mécanique, d´une contrainte résiduelle, d´un manque d´étalonnage régulier, de facteurs ambiants ou simplement du vieillissement de l´équipement. Quelle que soit la cause, la dérive du zéro entraîne une légère incertitude quant à l´exactitude des mesures. Pour les manomètres numériques, la remise à zéro est relativement facile et peut être effectuée en appuyant sur un bouton ou en recherchant la fonction de remise à zéro dans le menu adéquat. Pour les jauges analogiques, la remise à zéro peut être plus difficile et nécessite une ventilation physique de la pression. (La méthode de ventilation dépend de votre manomètre et de la manière dont il est fabriqué.)

Maintenant que vous connaissez les principaux facteurs pouvant contribuer à l´incertitude de mesure de la pression, nous allons examiner les classifications plus larges de l´incertitude, à savoir les types A et B.

Identifier les sources d´incertitude de type A

Les incertitudes de type A sont des incertitudes que vous pouvez attribuer aux mesures quantitatives et à l´analyse statistique, qui doivent toutes deux provenir d´une série d´observations reproductibles. Par exemple, toute incertitude pour laquelle on peut calculer une moyenne, un écart type ou des degrés de liberté relève du type A. En raison de ces critères de classification stricts, les incertitudes de type A sont généralement moins nombreuses dans une analyse d´incertitude.

Identifier les sources d´incertitude de type B

L´incertitude de type B, quant à elle, désigne toute incertitude que vous ne pouvez pas classer en tant qu´incertitude de type A. Il s´agit parfois d´incertitudes qualitatives, comme lorsque l´on utilise son jugement d´expert pour formuler certaines hypothèses sur les performances ou les caractéristiques d´un manomètre. Il existe également des incertitudes quantitatives de type B, notamment celles provenant des spécifications du fabricant du manomètre ou des certificats d´étalonnage.

La plupart des points que nous avons abordés constituent des incertitudes de type B. La dérive, la fréquence d´étalonnage, l´incertitude associée à l´étalon de référence et le modèle de l´appareil de mesure sont autant de sources d´incertitudes de type B.

Calcul de vos incertitudes

Une fois que vous avez déterminé les incertitudes de type A et B pour votre manomètre, vous êtes en mesure de calculer l´incertitude globale de votre mesure de pression.

Notez qu´il n´y a pas de solution unique en matière d´incertitude. Toutes les considérations décrites ci-dessus affectent les différents manomètres de différentes manières. En outre, chaque manomètre présente des incertitudes légèrement différentes que vous devrez vérifier, en particulier les incertitudes de type B. Quel que soit l´appareil, vous trouverez la plupart des informations dont vous avez besoin dans la documentation du fabricant et les rapports d´étalonnage.

Bien sûr, le processus de calcul de l´incertitude peut être complexe et long, et c´est pourquoi il existe des formations et des webinaires dédiés au calcul de l´incertitude de mesure. A un niveau très général, les étapes de calcul de l´incertitude sont les suivantes : 

1. Identifier et éliminer les sources externes d´incertitude
2. Estimer et confirmer les incertitudes standard (types A et B)
3. Déterminer la distribution des probabilités des incertitudes standard
4. Convertir les incertitudes standard en écarts types
5. Combiner les incertitudes
6. Calculer l´incertitude élargie 

Si vous souhaitez en savoir plus, consultez notre guide sur le calcul de l´incertitude de mesure.

Réduire les incertitudes dans vos mesures de pression avec les bons outils

En raison de la nature de la mesure de pression, il subsistera toujours un certain niveau d´incertitude. Cependant, vous pouvez prendre des mesures pour en tenir compte et le réduire. Investir dans des manomètres et des étalons de pression de haute qualité, offrant un niveau élevé de précision et de fiabilité, traçables selon les normes nationales et internationales, et dont l´incertitude est clairement documentée (comme ceux proposés par Fluke Calibration) constitue une excellente base de départ. N´oubliez pas que même les meilleurs outils ne sont jamais entièrement infaillibles et doivent être régulièrement étalonnés pour maintenir leur précision et leur fiabilité. L´incertitude peut affecter toutes les mesures que nous prenons, mais tant que nous le savons et que nous nous y préparons, les mesures resteront toujours précises et fiables.