(0)

Le météorographe, enregistreur graphique pour altitudes élevées
Retour : 01- Généralités

par Roland, F5ZV

Voir aussi : - Caractéristiques de l'atmosphère - La troposphère - Les ballons-Sondes de 1892 à 1939 - Les "Aérophiles", ballons-sondes des années 1890 - Le barographe à minima-maxima de Gustave HERMITE -


Définition

  Un météorographe (ou météographe) est un appareil de mesure dont le type le plus courant enregistre sur papier des grandeurs physiques comme la pression atmosphérique, la température et l'humidité. Sa configuration la plus connue est celle d'un tambour portant une feuille de papier spécial souvent pré-imprimé sur laquelle une plume chargée d'encre grasse vient tracer une courbe déterminée par le déplacement du style qui la supporte et par la rotation du tambour provoquée par un mouvement d'horlogerie.
  Le météorographe est un perfectionnement du barographe et du thermographe qui combine leurs deux fonctions en y ajoutant parfois la mesure d'humidité. Différents procédés de traçage sont utilisés selon l'environnement où se déroulent les mesures et celui où l'appareil devra séjourner après que celles-ci soient effectuées.
  Il a été mis au point à la fin du 19ème siècle pour être utilisé sur les ballons-sondes et les cerfs-volants météorologiques, puis sur les avions aux environs des années 1910. On peut le considérer comme l'ancêtre des data-logger et autres systèmes électroniques enregistreurs de données.

Le thermographe Jules Richard

  Le 3 décembre 1892, la revue La Nature publie un article de Charles-Edouard GUILLAUME reprenant en partie le projet de ballon-sonde du commandant Charles RENARD directeur de l'Établissement central d'aérostation militaire de Chalais-Meudon [01]. Parmi les appareils embarqués, le thermographe Jules RICHARD est pressenti pour enregistrer les mesures de température en association avec le barographe du même constructeur. Ces appareils de grande qualité étaient utilisés jusqu'alors pour des mesures au sol ou à l'occasion d'expériences dans des ballons montés et pesaient chacun 2,8kg mais, grâce à l'emploi de l'aluminium (au lieu du laiton) et à une conception toute tournée vers l'allégement, la masse de chaque appareil a été divisée par deux. Ils seront protégés des chocs par une sorte de cage en bambou et en osier, le parachoc, dans lesquels ils seront accrochés à l'aide de liens en caoutchouc.
  L'élément sensible du thermomètre est une spirale creuse (qui n'est pas sans rappeler le tube de Bourdon) dont le canal, d'une épaisseur de 0,2mm est rempli d'alcool. Pour la protéger des chocs, la spirale est enfermée dans une sorte de crépine métallique (repère T sur la gravure ci-dessous) qui dépasse du boîtier de l'appareil. Le mouvement de rotation de l'axe sur lequel est fixée une extrémité de la spirale est transmis à un style (rep. S) par l'intermédiaire d'un système bielle-manivelle (rep. L). A l'extrémité du style une petite coupelle triangulaire contient une goutte d'encre suffisamment grasse pour ne pas couler lors des mouvements de la nacelle sous le ballon et suffisamment fluide pour marquer le papier, surtout à des températures pouvant descendre à -70 ou -80°C.
  Le tambour portant le papier quadrillé est entraîné par un mouvement d'horlogerie que l'on remonte avec une clé. Il doit être capable de tenir toute la durée du vol et surtout de ne pas se gripper à cause d'une huile se figeant aux très basses températures ; une des solutions trouvées a été ne ne plus mettre d'huile du tout...
  Certains modèles seront équipés par la suite d'une tige (rep. D) soulevant automatiquement la plume au bout d'un tour du tambour pour éviter que, lors de la récupération et du transport de retour de la nacelle, le tracé ne soit souillé par les mouvements intempestifs de la plume ou surchargé lors des rotations suivantes.
  Sur la figure ci-dessous à droite est représentée la chaîne de vol envisagée par Charles RENARD. En réalité les deux appareils de base, le thermographe et le barographe, ainsi que les autres appareils éventuels seront groupés dans une seule et même nacelle.

     
 Le thermographe sans son boîtier.
C : tambour rotatif
D : tige soulevant la plume du papier
L : levier amplificateur
P : plume
S : style
T : sonde de température en spirale
     Un barographe dans sa cage parachoc.
 S : sandow en caoutchouc
   T : thermographe
 B : barographe
   Cage parachoc accrochée sous le ballon.


Le baro-thermographe

  Comme on le devine, le barothermographe est un enregistreur graphique qui trace simultanément sur la même feuille la pression et la température.
Utiliser deux appareils séparés, plutôt qu'un seul assurant les deux fonctions, présente deux inconvénients :
- Les deux graphiques peuvent être décalés dans le temps si les appareils ne sont pas bien synchronisés. En outre, pour peu qu'un des mécanismes peine à tourner à cause du froid, l'échelle du temps ne sera pas la même sur les deux feuilles.
- La masse des deux appareils est pratiquement double de celle d'un seul thermographe. Il en est de même pour les volumes occupés.

  Les deux figures ci-dessous sont tirées de l'Aérophile de 1893 ; ce sont les baro-thermographes utilisés dans l'Aérophile 3 et, à quelques détails près, dans l'Aérophile 2.
L'appareil de gauche, fabriqué par la maison Jules Richard à la demande de Gustave HERMITE, est réalisé en aluminium, un métal bien moins courant en 1893 que maintenant. En dehors de sa légèreté (900g), il a la particularité d'avoir ses deux organes de mesure, le baromètre et le thermomètre, superposés. Bien sûr, la hauteur du cylindre (et la largeur du papier) est pratiquement doublée mais les deux mesures sont parfaitement synchronisées sur le papier, ce qui n'est pas le cas du barothermographe classique (figure de droite, ci-dessous) ; en outre les deux courbes ne se chevauchent pas, et peuvent avoir un fond quadrillé adapté, ce qui facilite la lecture. Le capteur du baromètre est basé sur le principe du manomètre de Bourdon, il est constitué principalement d'une sorte de tube très plat, dans lequel on a fait le vide, enroulé en arc de cercle. Son avantage par rapport à celui utilisant des capsules de Vidie est une bonne linéarité sur une large gamme de pression car il descend à 100hPa.
Le capteur thermométrique lui ressemble beaucoup à cela près que le tube en arc de cercle est rempli d'alcool. Il peut descendre jusqu'à -83°C. Le principal défaut de ces capteurs de température est leur inertie thermique qui provoque un retard important dans la mesure de la température ; ainsi la température mesurée à 2000m est celle de l'air à une altitude bien inférieure. L'influence de l'inertie se manifeste également dans l'estimation de la décroissance thermique avec un gradient thermique de -5°C/km constaté lors du vol du premier aérophile le 21 mars 1893 [02]. Un autre phénomène de perturbation des mesures de la température à haute altitude a été causé par le rayonnement solaire. Cette perturbation a été réduite, sans toutefois avoir été supprimée totalement, en plaçant les enregistreurs à l'abri d'un pare-soleil argenté. Quant à l'inertie thermique, elle ne pourra être réduite qu'en utilisant des capteurs moins massifs et mieux ventilés.

 
 Barothermographe en aluminium    Barothermographe en laiton utilisé pour les mesures dans le ballon lui-même.


Encre ou noir de fumée

Pour le 4ème vol de l'Aérophile, le 22/03/1896, Gustave HERMITE avait placé, au centre de la sphère constitué par l'enveloppe, un barothermographe mesurant la température en fonction de l'altitude. Comme le gaz était plus ou moins réchauffé par les rayons du soleil, la température ne descendait guère en dessous de -30°C et un appareil enregistreur utilisant de l'encre pouvait convenir. Par contre, dans la nacelle mesurant la température de l'air (qui peut descendre à -80°C), le barothermographe inscrivait les variations de pression et de température sur un papier "enfumé", autrement dit couvert de noir de fumée. La plume est une pointe sèche qui frotte sur le papier en laissant une trace très fine et d'une qualité constante, contrairement à l'encre dont la viscosité varie avec la température. Pour que les manipulations ne brouillent pas le tracé en déplaçant les particules fuligineuses sur le trait plus clair, le papier enfumé doit être fixé ; pour cela, Gustave HERMITE le trempe dans un vernis constitué de gomme-laque dissoute dans de l'alcool. Des plaques métalliques polies (en cuivre, par exemple) puis enfumées ont été également utilisées.

Le barographe à minima de Gustave HERMITE

  Il a été utilisé sur un des tout premiers ballons-sondes, le 4 octobre 1892 d'abord (mais la nacelle n'a pas été retrouvée), et le 11 octobre où il atteignit l'altitude de 1200m avant d'atterrir à Montdauphin (77). Il pèse 75g et peut être emporté par un ballon de petit diamètre. Le 4 octobre il était associé à un thermomètre à minima-maxima et l'ensemble pesait 230g avec le distributeur de cartes-questionnaires.
  Pour Gustave HERMITE qui imagine cette solution très simple, le but est simplement de répondre à cette question : "jusqu'où peut monter un petit ballon en papier rempli de gaz d'éclairage ? ". La réponse permettra de mesurer les effets des améliorations successives et le petit barographe enregistrera successivement des hauteurs de 1200, 3000, 8000 et 9000m lors de la série d'essais des premiers ballons-sondes qui a permis la mise au point des ballons "aérophile".
  La description et le fonctionnement de ce petit appareil fait l'objet de la page : Le barographe à minima-maxima de Gustave HERMITE.

Le météorographe universel

  Construit par Jules Richard en 1894 sur les indications de Georges BESANÇON et Gustave HERMITE, il intégre les trois types de capteurs : pression, température et humidité (PTU) et trace de manière synchrone sur le même tambour les variations des trois valeurs. Lawrence ROTCH l'a utilisé pour effectuer ses sondages par cerf-volant.

  Les capteurs sont basés sur les principes suivants :
- P : trois capsules de Vidie
- T : tube de Bourdon rempli d'alcool
- U : mèche de cheveux

  La carcasse et la plupart des pièces mécaniques sont en aluminium de façon à réduire la masse totale de l'ensemble, une masse qui ne dépasse par 1,3 kg et permet l'utilisation de l'appareil avec un cerf-volant ou un ballon captif.
Sources : [03] et [04].
  






Le météorographe de Teisserenc de Bort

  En se basant sur les enregistreurs utilisés par ses prédécesseurs, Léon TEISSERENC de BORT a mis au point un météorographe répondant aux exigences des membres de la Commission internationale chargée de coordonner les ascensions internationales. Il est devenu une sorte de standard puisque 73% des ballons-sondes lâchés pendant les sondages internationaux de 1901 l'utilisaient.
  L'exemplaire figurant sur la photo ci-contre est une pièce rare appartenant à la collection du SETIM. Il date de 1898, c'est à dire des tout débuts de l'exploration aérologique à Trappes. Bien qu'il puisse être utilisé sur cerf-volant ou ballon captif ce météographe avec son parachute en soie (rep.
S) semble avoir été destiné à être emporté à très haute altitude par un ballon-sonde en papier verni.
  Comme les appareils décrits plus haut il se compose d'un tambour (rep.
C), entraîné par un mouvement d'horlogerie, sur lequel est fixée une feuille d'aluminium poli et couverte de noir de fumée []. Les pointes des styles u, t et p (reliés comme on le devine aux capteurs d'humidité, de température et de pression) frotte légèrement sur la surface noircie en laissant une trace claire très fine et stable (tant qu'on n'y met pas les doigts). Pour servir de référence aux trois courbes, un quatrième style (rep. F), fixe, marque une ligne au bas de la plaque d'aluminium. La tige rep. L a pour rôle d'écarter en même temps les quatre styles pour permettre le démontage du tambour.
  Les capteurs sont :
- un tube de Bourdon classique pour la pression (rep.
P)
- un élément sensible reprenant le principe d'un tube de Bourdon mais rempli d'alcool dont la dilatation déforme le tube (rep.
T) en faisant pivoter le style correspondant par l'intermédiaire d'une biellette.
- un faisceau de cheveux, autrement dit une mèche, (rep.
U) dont les faibles variations de longueur en fonction de l'humidité sont amplifiées par un jeu de leviers.

  L'appareil est protégé du froid ou de la chaleur du soleil par une boîte en liège emmitouflé dans une couverture de laine épaisse. Les indications du baromètre, organe sensible également à la température, n'en sont que plus fidèles [05]. Bien sûr le capteur thermométrique et celui d'humidité sont à l'extérieur de la boîte, bien placés dans le courant d'air provoqué par la course verticale du ballon.
  Pendant le vol, le météorographe est placé dans le panier en osier (rep.
N) qui le protège des chocs. Pour les ascensions de jour, un pare-soleil réfléchissant en forme de cheminée à section carrée entoure le panier pour maintenir à l'ombre les capteurs T et U.




Bibliographie, sources et notes

01 : L'exploration des hautes régions de l'atmosphère par Charles-Edouard GUILLAUME - La Nature, revue des sciences du 05/12/1892
02 : L'exploration de la Haute Atmosphère par Gustave HERMITE - L'Aérophile n°4 de 1893 - (Gallica-BnF)
03 : Le météorographe universel - L'Aérophile n°4 de 1896 - (Gallica-BnF)
04 : Baro-thermo-hygromètre enregistreur - Gaston TISSANDIER - La Nature n°1184 du 8/2/1896 (CNUM)
05 : Leçons sur la navigation aérienne par Lucien MARCHIS - Dunod 1903 (Gallica/BM de Bordeaux)
06 : Rappelons que pour noircir une plaque de verre ou de métal, il suffit de passer celle-ci au dessus de la flamme d'une bougie ou d'une lampe à pétrole. Pour conserver la plaque avec le tracé il est nécessaire de le fixer avec un vernis.