Acoustic thermometer development for average air temperature estimation along a distance measurement optical path

Cette thèse concerne la détermination de la température moyenne le long d’un chemin optique employé pour une mesure de distance de 1 à 20 m. L’estimation de la température est indispensable pour calculer l’indice de réfraction de l’air à l’aide de formules bien établies. La méthode employée dans la présente étude est la thermométrie acoustique. Les travaux s’inscrivent dans un cadre de métrologie de grands volumes et font partie d’un projet collaboratif européen (LaVA) financé le programme EMPIR (European Metrology Program for Innovation and Research). En tant que participant à ce projet et son successeur, l’équipe dimensionnelle du LCM-LNE-Cnam développe un télémètre laser. Le travail de thèse a pour but d’améliorer la performance de celui-ci en lui permettant une meilleure estimation de l’indice de réfraction moyen le long du trajet via les paramètres atmosphériques.Ce document détaille les étapes de développement du système de thermométrie acoustique. En partant du concept de mesure de temps de vol d’une onde acoustique sur une distance connue, nous en estimons sa vitesse. La conception du système a nécessité tout d’abord une étude sur le type de signaux et les fréquences utilisés. Ensuite, une étude poussée a été faite sur les différentes méthodes d’estimation du temps de vol de l’onde acoustique. Une fois le système conçu, il a été étalonné. Nous avons établi une méthode pour définir l’erreur sur le zéro de l’instrument. Cette méthode se base sur la minimisation de l’erreur quadratique entre notre système et des thermomètres de référence, sur plusieurs séries de mesures à différentes distances et à une température fixe. Puis nous avons réalisé son bilan d’incertitudes.La réalisation de plusieurs mesures post-étalonnage nous a poussé à nous pencher sur le modèle de Cramer. Nous avons mis en place une procédure basée sur l’étalonnage de l’instrument à deux températures différentes. Puis nous avons calculé les paramètres de l’équation de Cramer qui donnent les meilleurs résultats.Une fois l’ensemble de ces taches réalisées, nous avons procédé, concomitamment, aux mesures de température et aux mesures de distance optique, afin de pouvoir corriger l’effet de la température sur la valeur de l’indice de réfraction de l’air. Cette méthode a permis de remplacer six thermomètres à résistance de platine sur une distance de 10 mThis thesis describes the development of an acoustic thermometry apparatus to estimate the mean temperature along an optical measurement path and thereby better determine the air refractive index. The measurement principle uses the time-of-flight (TOF) of an ultrasonic wave at 40 kHz. The temperature is extracted from the speed of sound using the Cramer equation which gives acoustic velocity as a function of atmospheric parameters (temperature, pression, humidity and CO2 concentration). Different methods for estimating the TOF were studied for six types of signal (single-frequency or modulated, top-hat, Gaussian and Blackman envelopes), notably intercorrelation, and a calibration procedure with respect to reference thermometers placed at intervals along the path developed. The temperature uncertainty achieved for a 10 m distance is 90 mK