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 Restauration d’un baromètre de Torricelli

L’aventure a commencé avec la restauration sommaire d’un objet de décoration d’un ami. Cela avait pour objectif d’acquérir une expérience préalable à de plus ambitieux projets. D’autres baromètres ont suivi pour cette quête du Graal, connaître sa pression atmosphérique.

Tension superficielle du mercure dans un capillaire, et bulle d'air ou de vide

Trop secoué...

Après s’être assuré que le verre n’avait aucune fente, et vidé le vieux mercure, le tube a été nettoyé. Le verre ordinaire était grisâtre, le gros réservoir du bas était taché par de l’oxyde ne mercure jaune (HgO). Le nettoyage de la colonne avec un micro capillaire est compliqué, car le diamètre intérieur est seulement de 2 mm pour les bas de gamme décoratifs afin d'économiser le mercure. Quelques manipulations sont nécessaires pour chasser les bulles d’air en inversant la colonne, et tenter d'éliminer ainsi tout défaut visible (le mot débullage n’existe pas). Si l’on veut simplement transformer ce baromètre en un objet de décoration, l’ancien mercure est récupérable après un filtrage sommaire et l’opération est terminée.

Un chapitre suivant montrera qu’en faire un instrument de mesure va nous amener beaucoup plus loin. Quelques remarques : Bien évidemment, enlevez vos bagues en or lors de toute manipulation du mercure ! Le mercure parfait ne mouille pas le verre parfait, et la surface est bien un ménisque convergent. Les impuretés créent des accrochages de tension superficielle qui perturbent le repérage précis des niveaux. Il existe deux types de bulles dans la colonne : ° Les bulles d’air qui s’accrochent aux impuretés du tube en finissent par remonter en secouant. ° Les bulles de vide qui ne bougent pas et se manifestent par des séparations et recollements inattendus en un point quelconque de la colonne de Hg. Astuce : Il faudra secouer et tapoter longuement le tube inversé pour chasser les bulles, les plus petites étant très pénibles à éliminer. Attention en tapotant la colonne, lors de cette opération, il y a un grand risque de casser le verre en répandant tout le mercure ! (voir mon baromètre numéro 2) Le tube est inversé, mais le bouchon bien serré fuit et laisse échapper de multiples microbilles. La solution est d’entourer le réservoir d’un double sachet plastique fixé par des élastiques qui récupèrera les gouttes, au-dessus d'une grande bassine. Lors de la manipulation de longs tubes de mercure et pour les transvasements, utilisez une baignoire plastique de bébé, car le mercure saute partout lors des fausses manipulations et les bords hauts évitent de retrouver des micro billes cachées sur tout le plancher.

Tension superficielle du mercure dans un capillaire et bulle d'air ou de vide   Trop secoué...

Baromètre décoratif

Observation du ménisque et des impuretés

Bulle parasite sur impuretés

Le verre attaqué par le mercure reste très sale (non récupérable)

 Restauration d'un baromètre de Tonnelot

Le baromètre à échelle compensée de Tonnelot (constructeur à Paris, fin du dix-neuvième siècle) résout autrement ce problème. La surface du bassin inférieur est cent plus grande que celle du tube, c’est-à-dire que pour une hauteur de colonne variant de 1 cm, la hauteur du plan de référence ne variera que de 0.1 mm. Le terme "échelle compensée" signifie qu’au lieu d’être graduée

Ce document original provient d’un grimoire inconnu, recopié de site en site…

Grande image

Vernier

Restauration de mon baromètre de Tonnelot

Mon superbe spécimen est un modèle 1892 en parfait état, il porte le numéro 3216 « Tonnelot Paris ». Gravure mystérieuse sous le thermomètre : 1XXXX. La date de fabrication est probablement autour des années 60, car une partie comporte du plastique qui n’existait pas auparavant.

Les baromètres métalliques construits en Europe ou aux USA sont très bien réalisés, avec des matériaux nobles et un grand savoir-faire.

Le choix discutable qui a été fait était de retrouver le laiton brillant d’origine, en perdant la patine. C’est une très mauvaise idée. Certes il est facile de retrouver un laiton brillant, mais il commence à se ré oxyder au bout de quelques jours sous forme de traînées foncées disgracieuses.
Il faudra de longues années afin qu’un début de patine se reforme. Les plus aventureux, passeront les surfaces au chalumeau butane à flamme douce pour accélérer l’oxydation, mais l’opération demande un bon coup de main, il faut y aller très doucement. Les essais à l’acide sont hasardeux.

Le plus facile de cette restauration a été de vernir la planche au tampon après ponçage.

Le diamètre du tube verre est de 12.5 mm extérieur, 6.5 intérieur, pour 970 mm de long. C'est du verre très épais de 3mm pour faire effet loupe.

Difficultés En nettoyant l’échelle, l’argenture très fine et oxydée est partie laissant apparaître la base laiton. J’ai ré-argenté à froid, ce qui pose un problème délicat, car un dépôt blanchâtre s’incruste dans le noir des graduations. Il faut tout recommencer et nettoyer à l'eau savonneuse et à l’acétone, garnir les graduations de peinture noire au petit pinceau pour ne pas laisser de creux, poncer pour enlever les bavures, puis recommencer l’argenture (cinq passages). J’ai tenté un vernis mat à la bombe, une fois cette autre argenterie terminée, c’est un échec ! Il a fallu tout recommencer une nouvelle fois. De plus, une fois l’argenture semblant correcte, elle ne tient pas. Alors qu’elle est protégée par l’enveloppe verre et qu’il n’y a donc aucun contact possible avec les doigts, au bout de deux semaines elle avait quasiment disparu laissant voir le laiton d’origine et en se décomposant sous forme de poudre blanche qu’il ne faut pas sniffer. Il m’a fallu de nombreux essais pour avoir une argenture acceptable en sept couches successives, puis vernis à la bombe satin professionnelle, ce qui devrait bloquer la dégradation de la fine couche.

Décomposition argenture à froid

Les phases suivantes sont plus compliquées.

J’ai consulté de très nombreux manuels en vue de comprendre les subtilités de la maintenance d’un Tonnelot, considérablement plus difficile que celle d’un Fortin, mais un seul document est vraiment exploitable (à votre disposition si vous me le demandez) : MANUAL FOR OVERHAUL, REPAIR, AND HANDLING OF MAR1NE MERCURIAL BAROMETERS WITH PARTS CATALOG - BUREAU OF SHIPS NAVY DEPARTMENT - NAVSH1PS 250-624-11 - 1953.pdf

La bague laiton a été très difficile à dévisser malgré l’utilisation de dégrippant et de clefs à sangles. Au remontage, un joint papier évitera ce grippage en vue d’un démontage ultérieur.
Il faut commencer par enlever les surliures et décoller le manchon en peau de chamois avec une aiguille. L’étanchéité est faite avec de la cire (wax  dans les manuels US) qui a durci. Un remontage à sec devrait suffire, car en position de travail cette partie n’est pas en contact avec le mercure.

Cela permet de désolidariser le tube du capot de la citerne (top cistern cover) et de vider le mercure. La citerne demandera un remplacement ou un soufflage à l’air comprimé du sac pour enlever poussières et débris. A ce stade, vous vous poserez la question délicate :  Comment re-remplir en mercure ?

J’ai récupéré 785 grammes de mercure sale. Le tube verre demande un gros travail de nettoyage rendu difficile par la finesse de la pointe destinée à freiner les mouvements de mercure (le trou est de 1.8 mm).

Dévissage bague

Elimination surliures

Pointe du tube et 785 g de Hg sale

Nettoyage intérieur du tube. Il était très sale et le mercure accrochait les dépôts. J’ai effectué un ramonage en utilisant d’abord un fil d’acier multibrin dénudé, puis en bourrant de ficelle et en faisant tourner le tube, mais il reste à passer à l’acide nitrique (HNO3), puis eau distillée, puis mercure bouillant, etc. Le trou de la pointe est très petit (1.78 mm) ce qui ne facilite pas le nettoyage. Le tube est beaucoup plus propre, mais ce n’est pas encore parfait.

Vis de remplissage Pour répondre à la question précédente, le bricolage consiste à percer le fond de la citerne (bottom cistern cover) et à coller un bloc plastique à l’Araldite comportant une vis nylon bouchon, afin de pouvoir vider et remplir le baromètre, sans passer par la procédure US irréalisable pour un amateur. Le plastique du fond est très mince, il n’est pas possible de tarauder directement. Pour bien centrer et serrer pendant le collage, une tige filetée est provisoirement insérée. Première réalisée :

Catastrophe Sans raison apparente, le tube était bien posé et sans choc, j’ai observé une fêlure en 1. En le prenant, il s’est brisé en trois morceaux (3)… Quelques jours plus tard une longue fissure est apparue dans le petit tronçon (entre 2 et 3), ce qui prouve que le verre est plein de contraintes inexpliquées. Par chance ces bris concernent le tiers inférieur du tube invisible dans le corps laiton. Soyons positif, j’ai pu ainsi parfaitement ramoner la partie visible et mesurer le diamètre intérieur… Remarque : Il était aussi possible d’estimer le diamètre intérieur sans le casser, en pesant le tube et en calculant la masse qu’aurait un tube verre plein équivalent. La densité du verre est de 2.5, comme le béton. La différence des deux masses est celle du volume intérieur, ce qui donne immédiatement le diamètre.
En s’alignant sur une règle, j’ai recollé l’ensemble, mais il y a eu des éclats et il manque des bouts de verre. Cela n’a évidemment aucune tenue mécanique. J’ai donc manchonné dans une gaine d’installation électrique en bourrant d'Araldite, ce qui assurera l’étanchéité, même si l’état de surface interne restera défectueux dans cette zone (risque de création de microbulles). Il sera maintenant très difficile de chauffer le tube inversé pour bien dégazer.
Réparation à la Dubout terminée, reste à voir au remontage… J’avais aussi un plan B, j’ai commandé trois tubes de rechange avec le Fortin indou. Le tube est plus petit et plus fin (8x6x850) que le Tonnelot d’origine (12.5x6.5x870), mais cela pourra faire avec une adaptation et une petite correction de ma table.
Vis de remplissage 2 Le premier bricolage visible en arrière-plan n'a pas fonctionné, le mauvais plastique récupéré ne tenait pas au collage. Une pièce a été refaite en acier. Sur cette photo, vous voyez le gros boulon d’origine, qui après passage entre les mains de mon ami Jean-François, F1LVO, aussi habile au tour qu’en hyperfréquences constitue le nouveau système de remplissage. L’étanchéité est assurée par la vis inox.
Le nouveau système de remplissage collé à l’Araldite sur le fond percé de la citerne après peinture. Le Téflon et le joint carton assurent l’étanchéité. Le tube est prêt à être remonté. Mais il a fallu refaire un passage au tour car j’avais fait une erreur de conception. La semelle de 7 mm, destinée à offrir une plus grande surface de collage, était trop épaisse ce qui empêchait le réglage, il a fallu la réduire à 1 mm.

 Restauration d'un baromètre de Fortin

Chapitre à venir ultérieurement

Il existe diverses variantes de Fortin, suivant le constructeur, en particulier avec présence ou non d’une vis de remplissage sur le haut de la citerne.
Avec la vis bouchon, le remplissage après maintenance sera facile, mais sans cela…

 Fabriquer son propre baromètre maison

J’ai parlé en page principale du Fortin du pauvre avec un Torricelli, mais il est possible de créer son propre objet. Cela ne présente pas de difficulté pour peu que l’on dispose d’une section en tube verre d’un mètre. C’est le point clef du projet.
Il sera très facile d'en boucher une extrémité en fondant le verre avec un chalumeau tout en le faisant tourner. N’essayez pas de faire des courbes ou réservoir comme pour un Torricelli, cela demande un vrai savoir-faire.
Ce tube verre sera monté sur une planche verticale, par exemple récupérée sur un Torricelli cassé ce qui a l’avantage d’avoir déjà son échelle graduée, sinon on collera un réglet de 20 cm. Le zéro sera soigneusement repéré par un trait au bas de la planchette.
Le tube plongera dans un godet à mercure (petit pot individuel de miel) dont la hauteur sera réglée pour que la surface corresponde au zéro que l’on peut matérialiser par une pointe plastique fixée le long du tube. Comme je l’ai montré dans les tables, soit on réglera une fois pour toutes le zéro à 760 mm pour 1013.25 hPa en local, soit on utilisera la compensation calculée.
Il faut un couvercle étanche muni d’un évent ouvert en utilisation.
Si l’on choisit de bouger le niveau comme sur un Fortin, la liaison tube-couvercle devra coulisser pour être étanche quand le tube sera retourné. Un manchon en peau de chamois est parfait.
Pour faire le plein du tube, le godet est rempli de mercure à ras, l’évent est fermé et le tube retourné pour chasser les bulles, et ensuite couché à l’horizontale pour compléter le niveau de mercure à la seringue. Recommencer l’opération et après remise en position, pomper le mercure en excès.

Réglage de niveau automatique.

Il est intéressant de ne pas avoir à se préoccuper du réglage de niveau du vase. Pour cela, deux solutions :
Soit faire un Tonnelot avec un vase de grande surface, mais avec une table de correction si l’on utilise une échelle graduée normale.

Longueur du tube.

Elle n’est absolument pas critique, le tube peut être aussi long que l’on veut, cela ne change rien pour le vide, mais si l’on se limite aux mesures des pressions atmosphériques, la hauteur de la colonne sera traditionnellement entre 630 et 800 mm de Hg (= 1068 hPa que vous ne verrez jamais), donc la longueur raisonnable du tube sera d’environ 850 mm.

Comment trouver le matériel ?

Trouver un baromètre de décoration fantaisie, est simple, il s’en vendait des quantités quand ils étaient à la mode autrefois, ils se trouvent sur les sites d’enchères pour environ 30 €.
Attention à la casse si envoi par transporteur !   
C’est évidemment du verre de pacotille avec plus ou moins de vieux mercure oxydé restant.
Une restauration s’imposera, avec au minimum un nettoyage délicat (mais il vaut mieux changer pour un tube Pyrex) et nouveau mercure.

Comment trouver du mercure ?

Interdit à la vente, les prix sont totalement farfelus. On trouve du tri distillé en emballage sous vide, mais aussi des déchets trop pollués pour être récupérables pour un amateur.
Avec beaucoup d’obstination, j’ai réussi à me procurer quelques kilos du mercure et réaliser les délicates opérations de purification. J’en ai maintenant en excès pour qui en veut.
Je n’ai trouvé qu’une société anglaise avec relais français en ligne, avec un site Web confus, mais au catalogue pdf bien fourni en pièces détachées pour l’horlogerie (voir page 149), qui propose ces fournitures : www.medmaw.com

Comment trouver un tube verre pour restaurer ou créer son propre baromètre ?

Comme pour toutes nos défuntes industries, la production verrière a été délocalisée en Chine. Très rares sont ceux disposant encore du savoir-faire et qui pourraient accepter de réaliser une pièce de verrerie à la demande. Les fabricants de tubes Pyrex pour les laboratoires ne semblent pas proposer de tubes de Torricelli à l’unité.
Les tubes sont difficiles à trouver. Autrefois il existait de nombreux artisans verriers capables de faire les pièces les plus compliquées pour les laboratoires, tout comme les fabricants d’enseignes néon qui savent aussi manier les tubes de verre, mais tous disparaissent, toutes les enseignes passant aux leds.
Il reste peu de filières, comme l’école Boulle formant aux métiers d’art, pour enseigner le travail du verre.
Si vous disposez d’un tube simple d’environ un mètre, il sera facile d’en boucher une extrémité en la faisant fondre au chalumeau en tournant, sans besoin d’être un maître verrier.
Je ne sais pas trouver un tube pour un baromètre métallique aux côtes originales…
Si vous dénichez un baromètre métallique à vil prix avec le tube cassé et sans mercure, ne pensez pas tenir l’affaire du siècle…
Je dispose pour ma part de quelques tubes Pyrex achetés chez un verrier allemand spécialisé en instruments de laboratoire, ils sont à votre disposition.

Baromètre à eau

On pourrait aussi faire un baromètre avec un long tuyau transparent bouché et de l’eau, la hauteur de la colonne s’élèverait alors à 0.736 * 13.6 = 10 mètres (en négligeant les problèmes de tension de vapeur d’eau).
C’est pour cela qu’aucune pompe ne pourra jamais aspirer de l’eau à plus de 10 mètres de dénivelé (= une atmosphère dans les anciennes unités). Les fontainiers travaillent toujours en compression (illimitée).

Le sac en peau de chamois durcit et se craquelle avec les décennies.  Il est facile à remplacer. Soit vous récupérez une vieille vraie peau de chamois servant à nettoyer les vitres, soit vous achetez une neuve en accessoires automobiles, mais alors il faudra la laver et pétrir de très nombreuses fois pour éliminer les produits chimiques utilisés pendant la fabrication. Pour réaliser le nouveau sac, il faut entourer une boule avec la peau humide, en la tendant doucement et en fermant la bourse ainsi formée par une ligature. Laisser sécher la peau et en enlevant la boule, le nouveau sac est terminé, il ne restera plus qu’à bien le ligaturer à la place de l’ancien. Un sèche-cheveux permettra d’enlever toute humidité résiduelle avant de remplir en mercure.

 Dégazage et purification du mercure

Celui qui se lance dans une restauration rencontrera deux premiers problèmes :
Le mercure récupéré devra être remplacé par du mercure propre.
Le tube verre sera à nettoyer et dégazer.

Des mercures pollués donneront des résultats imprévisibles. L’idéal est de disposer de mercure tri distillé neuf en emballage sous vide.

Il est dangereux de dégazer son vieux mercure dans un bécher pyrex à la lampe à souder, le dégagement de vapeurs est extrêmement toxique, même en plein air. Un amateur ne peut pas réaliser une triple distillation, il faut du matériel très spécialisé et des précautions, la seule solution est d’acheter une fiole de mercure neuf, en espérant que ce ne sera pas un rebut pollué. Le recyclage du vieux mercure se fait en décheterie sur rendez-vous.

Pour conserver un flacon de mercure propre, il est très intéressant de percer le bouchon par une valve et de faire un petit vide pour qu’il ne se sature pas du gaz ambiant pendant le stockage. Faute de vraie pompe à vide, un aspirateur, la pompe de la station à dessouder, etc., fourniront un vide partiel, meilleur que de le laisser s'oxyder (HgO) et polluer en pression ambiante.

J’avais espéré que la cuve à ultrasons aiderait à chasser les bulles, mais il semble bien que ses effets soient totalement nuls…

En récupérant le mercure échappé, des poussières s’agglomèrent et se retrouvent en surface. Mélanger dans une bouteille mercure + eau et agiter fortement. L’eau devient grise et fixe les polluants, la jeter dans la poubelle (pas l’évier) et recommencer. L’eau restante s’élimine avec un papier absorbant. Poser ensuite dans un entonnoir, un filtre papier qui bloque le mercure. Percer dans le fond un tout petit trou avec une épingle pour que le Hg s’écoule très lentement en microbilles. Tous les poussières restantes se colleront sur les parois. La méthode de purification au sucre décrite partout est sensé fonctionner. Il faut compléter par filtration en lavage à l’eau avant de dégazer. Sur ma photo, vous voyez une première phase de dégazage du mercure. Le fond du bac contient de l’eau, car si le bocal éclate, les gouttes de mercure à 375 °C, perceraient le fond plastique. Avec cette précaution, beaucoup serait quand même récupérable. C’est une manipulation très dangereuse, à cause des vapeurs de mercure intenses et très toxiques, ventilation maximum, masque SFP2, blouse, gants cuir et lunettes de sécurité, en extérieur dos au vent.

Il faut être excessivement prudent pour arrêter l’ébullition, déplacer le bocal ou éteindre le réchaud sans finir aux urgences grands brûlés.
J’ai amélioré ma méthode pour faire une distillation en utilisant un gros bocal verre qui condense les vapeurs et en installant le godet dans une casserole inox. Je ne distille pas plus d’un kg à la fois.

Dégazage initial du mercure

Le vide n’est jamais parfait. Les manuels avancés recommandent de bien dégazer le mercure et le verre de sa vapeur d’eau en maintenant le tube complétement rempli et débullé à l’envers à 100 °C (temps non précisé).

Méthode musclée pour dégazer le verre

Si le niveau de mercure est bas, nous avons vu qu’il y a probablement un dégazage du mercure et du verre. Les vieux documents spécialisés donnent une méthode (risquée).

Vider partiellement le tube et le suspendre retourné, pour ne garder qu’un petit tiers (Pagnol) de la colonne de Hg.
Chauffer au chalumeau pour amener ce fond de mercure en ébullition. De nombreux claquements vont se faire entendre et le reste de la colonne va s’opacifier.
Laisser refroidir et rajouter un autre petit tiers, recommencer, puis un dernier tiers… En principe le verre devrait être bien dégazé après ces trois cuissons.
C’est une opération dangereuse, il faut chauffer progressivement toute la longueur sous peine de claquage par contrainte thermique.
Un godet avec de l’eau sera accroché sous le réservoir car des billes de mercure brûlant seront éjectées violement. Cela se fera avec les précautions décrites au-dessus. A vos risques et périls.

J’ai testé cette manipulation avec de grandes précautions en chauffant très progressivement toute la colonne de verre au chalumeau butane. Malgré cela, au bout de quatre minutes, le fond de mercure a commencé à bouillir en se fragmentant en gouttes sur toute la hauteur, et mon deuxième tube a éclaté… C’est pour cela qu’il faut prévoir un stock de tubes de baromètres d’avance avant de se lancer.
Il me semble difficile de chauffer encore plus progressivement, ce n’est pas du Pyrex, ce mauvais verre est très épais, 7.5 mm extérieur pour un trou de 2 mm. Le verre est mauvais conducteur de la chaleur, il y a un important gradient de température entre intérieur et extérieur induisant des contraintes énormes provoquant la rupture.

J’ai abandonné le chauffage au chalumeau trop dangereux, pour passer par une résistance chauffante enroulée sans contact autour du tube, ce qui permet de chauffer sur plusieurs heures avec un gradateur à triac pour diminuer les contraintes.

Estimation de la quantité de mercure dans un baromètre

Pour avoir une idée des ordres de grandeurs, le diamètre intérieur d’une colonne de Torricelli est de 2 mm.
La surface est donc Pi mm2 sur une longueur d’environ 900 mm (tube déplié + réservoir), soit environ 3000 mm3 ou 3 cm3, avec la densité de 13.6 = 40 gr Hg.
Les tubes Pyrex de 3 mm sont donnés pour 160 gr, mais je n’en ai jamais vu.
Les baromètres métalliques ont généralement des tubes autour de de 7mm interne, et un gros réservoir, avec une charge en mercure autour de 1 kg.

Problème du niveau du mercure dans le vase d’expansion

Ceci ne concerne que les simples Torricelli, nous avons vu comment les baromètres métalliques corrigent ce défaut.
Supposons qu’à 15 °C et 760 mm de Hg, le niveau de mercure soit exactement au zéro (repéré avec le réglet) de la graduation dans le vase. Les variations des hauteurs colonne / vase sont dans le rapport des surfaces.
Surface de la colonne (diamètre 2 mm) = Pi * d2/4 = Pi 22/4 = Pi * 4/4 = Pi mm2
Surface du vase (diamètre 13 mm) = Pi  * 132 / 4 = Pi * 169/ 4 = Pi * 42.25 mm2
Le rapport des surfaces est de 42..,  donc
Si la pression monte de 42 mm Hg (+18 hPa), il faudra rajouter 1 mm  à la lecture
Si la pression baisse de 42 mm Hg (-18 hPa), il faudra soustraire 1 mm  à la lecture
Par un souci de simplification et par tradition les constructeurs n’ont pas jugé utile d’intégrer cette expansion d’échelle pourtant très élémentaire pour de simples objets de décoration. Ma table prend cette correction en compte.

 Conclusion

Ma restauration du Tonnelot s’est avérée très longue, mais le résultat en valait la peine, c’est maintenant un spécimen en qualité musée.

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