Étalonnage des cales étalons : classes, méthodes et fréquence

Ce que mesure l'étalonnage d'une cale étalon

Une cale étalon est un étalon de longueur à deux faces de mesure planes et parallèles. ISO 3650 définit sa longueur d'une façon particulière. C'est la distance entre un point de la face libre et une plaque plane de même matériau et de même état de surface, adhérée à l'autre face. La longueur inclut donc l'effet d'une adhérence. C'est pourquoi on peut empiler des cales sans corriger les films d'adhérence qui les séparent.

Un étalonnage donne deux valeurs pour chaque cale. La première est l'écart de la longueur centrale par rapport à la longueur nominale, mesurée au centre de la face libre. La seconde est la variation de longueur, la différence entre le point le plus long et le point le plus court de la face. Elle montre la planéité des faces et leur position l'une par rapport à l'autre.

Un certificat peut donner la longueur mesurée de chaque cale, une déclaration indiquant que la cale respecte sa classe, ou les deux. Le Gauge Block Handbook du NIST indique que le NIST donne la longueur mesurée sans préciser de classe. Une cale que vous utilisez à sa longueur mesurée a besoin de ces valeurs du certificat. Une cale que vous utilisez à sa longueur nominale doit être dans sa classe.

• Étalonnage ou vérification

Les classes de cales étalons dans ISO 3650 et ASME B89.1.9

ISO 3650:1998 est la norme internationale des cales étalons à section rectangulaire de 0,5 mm à 1 000 mm. L'ISO l'a réexaminée et confirmée pour la dernière fois en 2025, l'édition de 1998 est donc en vigueur. Elle fixe des limites pour une classe d'étalonnage K et pour les classes 0, 1 et 2.

Aux États-Unis, la graphie gage block est courante, et c'est celle qu'utilise l'ASME. ASME B89.1.9-2023, Gage Blocks, fixe des limites pour une classe d'étalonnage K et pour les classes 00, 0, AS-1 et AS-2.

Chaque classe ISO a deux limites de longueur. L'écart limite te indique de combien la longueur en un point quelconque peut s'écarter de la longueur nominale. La tolérance tv borne la variation de longueur sur la face. La classe K se distingue. Elle a la limite la plus stricte sur la variation de longueur, mais sa limite d'écart par rapport à la nominale est aussi large que celle de la classe 1. Les cales K sont des cales de référence utilisées à leur longueur étalonnée, si bien que des faces planes et parallèles comptent davantage pour elles que la proximité de la nominale. Le guide de bonnes pratiques du NPL sur les cales étalons indique que la classe K sert surtout à étalonner d'autres cales sur un comparateur, tandis que les cales de classe 2 se trouvent à l'atelier.

Comparaison ou interférométrie?

L'interférométrie mesure une cale par rapport à la longueur d'onde de la lumière. La cale est adhérée à une plaque plane, et la lumière réfléchie par sa face supérieure et par la plaque est comparée à la lumière d'un miroir de référence. C'est la méthode qui donne la plus petite incertitude et la méthode habituelle pour les cales de référence de classe K. Le NPL précise qu'elle part d'une longueur approchée obtenue sur un comparateur.

La comparaison mécanique est la méthode habituelle pour les classes 0, 1 et 2. Un comparateur de cales mesure la différence entre la cale et une cale de référence de même longueur nominale. La longueur de la référence plus cette différence donne la longueur de la cale. La référence doit être de même classe ou de classe supérieure. La procédure du CEM, par exemple, étalonne les cales de classe 0 par rapport à des cales de classe K et les cales de classe 1 par rapport à des cales de classe 0 ou K.

ISO 3650 relie les deux méthodes. La longueur d'une cale est traçable quand une chaîne ininterrompue de comparaisons, chacune avec une incertitude déclarée, remonte jusqu'à une cale étalonnée par interférométrie.

Comparez des cales de même matériau quand c'est possible. Si la référence est en acier et la cale en céramique ou en carbure, les palpeurs pénètrent différemment dans chaque matériau et les deux se dilatent différemment avec la température. Le résultat demande alors une correction pour chacun de ces effets. Le programme de comparaison du NIST utilise des étalons maîtres en acier pour les cales en acier et en carbure de chrome pour les cales en carbure de chrome, si bien que, dans sa pratique, seules les cales en carbure de tungstène demandent une correction de déformation.

• La traçabilité métrologique expliquée

Comment se déroule un étalonnage au comparateur

Mettez le comparateur à zéro au centre de la cale de référence, puis mesurez la cale à étalonner en son centre. La différence est l'écart de la cale à étalonner par rapport à la référence.

Répétez les lectures dans une séquence qui compense la dérive, comme référence, cale à étalonner, référence. La procédure du CEM prend cinq lectures dans cette séquence, retourne la cale pour que l'autre face soit en haut, puis en prend cinq autres. Le NIST utilise des plans de mesure qui éliminent la dérive et comparent plusieurs cales dans un ordre fixe.

Pour la variation de longueur, mesurez le centre et les quatre coins, à environ 1,5 mm des faces latérales. Le guide allemand pour les cales étalons (DKD-R 4-3 Blatt 3.1, publié par la PTB) et la procédure du CEM utilisent ces cinq points. La lecture la plus haute et la plus basse donnent la variation de longueur.

La position compte aussi. ISO 3650 définit la longueur des cales jusqu'à 100 mm avec la cale debout sur une face de mesure. Les cales plus longues sont définies couchées sur une face latérale étroite, soutenues à 0,211 fois la longueur nominale de chaque extrémité. Notez comment chaque cale était posée.

Planéité, adhérence et état des faces

Examinez chaque face avant de mesurer. Les bavures, les rayures, les éclats et la rouille empêchent une cale d'adhérer et peuvent abîmer les cales qu'elle touche. Le guide du NPL enlève une petite bavure avec une pierre d'Arkansas posée à plat sur la face. Une cale que la pierre ne suffit pas à réparer retourne chez le fabricant pour un nouveau rodage, ou elle est remplacée, et la cale de remplacement a besoin de son propre étalonnage.

Contrôlez la planéité avec un plan optique. Sous une lumière d'une seule couleur, les franges d'interférence se lisent comme des courbes de niveau, espacées en hauteur d'une demi-longueur d'onde. Des franges droites et régulières indiquent une face plane, des franges courbes une face convexe ou concave. Les cales minces fléchissent, c'est pourquoi le CEM contrôle les cales de 2,5 mm et moins pendant qu'elles sont adhérées à une base plus épaisse.

L'essai d'adhérence est celui qui en dit le plus sur une face. Faites adhérer la face à un plan optique et regardez-la à travers le verre. Une bonne adhérence apparaît d'un gris uniforme. Les zones claires ou colorées montrent où la face ne touche pas. Le guide DKD voit dans cet essai l'indication la plus sûre de l'état des faces et l'exige pour les plus petites incertitudes.

La température et la référence de 20 °C

Les longueurs des cales étalons s'entendent à 20 °C, la température normale de référence d'ISO 1:2022 et d'ISO 3650. L'acier des cales se dilate d'environ 11,5 × 10⁻⁶ par °C. Le manuel du NIST détaille l'exemple : une cale en acier de 100 mm s'allonge d'environ 1,15 µm par degré. C'est près de quatre fois la limite de la classe 0 à cette longueur, qui est de ±0,30 µm.

La cale à étalonner et la référence doivent donc être à la même température lors de la comparaison, et cela prend du temps. À titre indicatif, la procédure du CEM prévoit environ 1 heure de stabilisation pour les cales jusqu'à 5 mm et environ 6 heures pour les cales de plus de 50 mm à 100 mm. Les cales d'un autre matériau demandent aussi une correction. Le NIST situe la dilatation du carbure de tungstène à environ un tiers de celle de l'acier, et celle du carbure de chrome à environ deux tiers.

La salle compte aussi. Le CEM compare les cales de classe 0 aux cales de classe K, et les cales de classe 1 aux cales de classe 0, dans une salle maintenue à 20 °C ± 0,5 °C, et utilise 20 °C ± 1 °C pour les autres classes. Manipulez les cales avec des gants ou des pinces pour que la chaleur de vos mains ne les atteigne pas.

L'incertitude et ce qui la limite

Le GUM traite exactement ce cas dans son premier exemple (JCGM 100:2008, H.1). Une cale de 50 mm est comparée à une référence de même longueur nominale, et la différence est la moyenne de cinq lectures. L'incertitude-type composée vaut 32 nm, avant tout facteur d'élargissement. La plus grande part, 25 nm, est l'incertitude de l'étalonnage de la cale de référence elle-même.

Le guide DKD énumère les contributions habituelles. Le montage apporte l'étalonnage et la dérive de la référence, la lecture du comparateur, la dispersion des lectures répétées et la résolution. La cale apporte l'état de ses faces, sa variation de longueur et son coefficient de dilatation. La salle apporte la mesure de la température, l'écart à 20 °C et toute différence de température entre les deux cales.

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• Calculateur de budget d'incertitude de mesure
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Quand une cale sort de sa classe ou est endommagée

Quand certaines cales d'un jeu mesurent hors de leur classe, la procédure du CEM donne deux options. Remplacer ces cales, ou déclasser tout le jeu si beaucoup d'entre elles échouent. Le NPL marque une cale qui ne convient plus comme étalon de longueur en lui coupant un coin, et elle peut encore servir de cale de remplissage dans un montage.

Une cale étalon est le plus souvent un étalon de référence, si bien qu'un résultat hors tolérance va au-delà de la cale elle-même. Les instruments qu'elle a étalonnés depuis son dernier étalonnage correct peuvent porter son erreur. L'article 7.1.5.2 d'ISO 9001 vous demande de déterminer si la validité des résultats antérieurs a été compromise et d'agir si nécessaire. Commencez par comparer la taille de l'erreur à la tolérance de chaque instrument contrôlé avec cette cale.

• Que faire quand un étalonnage révèle un instrument hors tolérance
• Valeurs avant et après ajustage

À quelle fréquence étalonner les cales étalons

Aucune norme ne fixe un intervalle unique pour les cales étalons. ISO 9001 demande un étalonnage ou une vérification à intervalles spécifiés, ou avant utilisation. ILAC-G24 et OIML D 10 (édition 2022) énumèrent les facteurs à prendre en compte, dont l'usure et la dérive, l'intensité et la sévérité d'utilisation de l'équipement, l'environnement et son historique d'étalonnage.

La procédure du CEM pour les cales étalons propose un à deux ans comme période raisonnable. Le choix dépend surtout de la stabilité observée lors des étalonnages précédents et de la fréquence d'utilisation, et un usage intensif peut le ramener à six mois. Le CEM conseille aussi un intervalle plus court après un changement important entre deux étalonnages, ou après un incident sérieux comme une arête réparée ou une mauvaise utilisation.

Le manuel du NIST observait que la plupart de ses clients renvoyaient leurs cales maîtres tous les deux ans. Il jugeait ce rythme probablement suffisant, puisque la plupart des cales maîtres sont peu utilisées, dans des salles propres et sèches. Le NPL ajoute que les cales neuves, et celles dont l'historique est inconnu, devraient être étalonnées plus souvent que celles dont on sait qu'elles sont stables.

Chaque étalonnage montre aussi de combien chaque cale a changé depuis le précédent. Suivez cette dérive cale par cale. Un jeu dont les cales bougent à peine justifie un intervalle plus long.

• Comment établir les intervalles d'étalonnage
• Calculateur d'intervalle d'étalonnage
• Calculateur d'intervalle par taux de dérive

Ce que doivent montrer le certificat et l'enregistrement

Que les cales partent dans un laboratoire ou soient comparées à l'interne, l'enregistrement doit permettre à quelqu'un d'autre de suivre ce qui a été fait.

• L'identifiant du jeu ou de la cale, le matériau, la classe déclarée et la longueur nominale de chaque cale.
• Les cales de référence ou l'interféromètre utilisés, avec leurs certificats et leurs échéances.
• Pour chaque cale, l'écart de la longueur centrale par rapport à la nominale et la variation de longueur.
• La façon dont les faces ont été contrôlées, par exemple par un essai d'adhérence ou au plan optique, et ce qui a été constaté.
• La position des cales pendant l'étalonnage et la température.
• L'incertitude avec son facteur d'élargissement, et la règle de décision sur laquelle repose toute déclaration qu'une cale respecte sa classe.
• La date, le laboratoire ou la personne, et la prochaine échéance.

• Les exigences du certificat d'étalonnage
• Modèle de certificat d'étalonnage

Comment Axiospec aide avec les cales étalons

Axiospec est un logiciel de gestion des étalonnages. Il n'étalonne pas les cales étalons. Pour un étalonnage à l'interne, une indication finale hors de sa tolérance fait passer le résultat à Non conforme, et enregistrer malgré tout un résultat conforme exige un motif écrit. La tolérance, la règle de décision et l'intervalle relèvent de vous ou de votre laboratoire. Axiospec tient l'enregistrement. Un jeu de cales étalons peut être suivi comme un seul instrument et marqué comme étalon de référence, avec le certificat joint à chaque étalonnage et l'échéance dans le registre.

Quand quelqu'un enregistre l'étalonnage d'un pied à coulisse ou d'un micromètre, il choisit le jeu de cales dans le registre comme étalon de référence. Si le jeu est en échec ou parti en étalonnage, la fiche d'étalonnage avertit qu'il faut vérifier qu'il est apte à l'emploi. La carte Traçabilité inverse du jeu liste les instruments étalonnés avec lui. Si le jeu lui-même échoue, un étalonnage enregistré comme Non conforme le met en quarantaine, et l'enregistrement en échec demande l'impact du résultat hors tolérance. La démo en direct comprend un jeu de cales étalons de classe 0 avec sa carte Traçabilité inverse.

Le forfait gratuit couvre jusqu'à 50 instruments actifs. Un nouvel espace de travail démarre avec un essai de 45 jours de Professional, avec de la place pour 1 500 instruments actifs et sans carte de crédit. Nous chargeons vos enregistrements existants pour vous, sans frais, quel que soit le forfait.

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