Degré Engler
Unité hors SI de viscosité conventionnelle · grandeur : la résistance d'un liquide à l'écoulement
La plaque d'une vieille pompe à engrenages exige souvent une huile « pas plus épaisse que 8 °E à 50 °C », et qui a l'habitude des centistokes lit cette ligne avec perplexité, car aucun sens physique ne se tient derrière le nombre. Le degré Engler est un rapport de deux temps : combien de secondes deux cents millilitres de liquide s'écoulent d'un vase de laiton par un ajutage étalonné, et combien de secondes la même charge d'eau met à sortir du même vase. L'eau vaut donc un par définition, et une huile qui coule huit fois plus lentement reçoit huit degrés.
L'unité est bâtie de telle sorte que l'appareil se fait à lui-même son étalon, et cela explique d'un coup sa commodité comme son malheur : l'entonnoir pouvait se fabriquer dans n'importe quel laboratoire d'usine, mais en Allemagne on le faisait selon Engler, en Grande-Bretagne selon Redwood, en Amérique selon Saybolt, et un seul et même brut recevait trois nombres incomparables. Les trois ne passèrent aux centistokes que dans la seconde moitié du vingtième siècle, tandis que les plaques des pompes, des réducteurs et des installations de fioul restaient écrites à l'ancienne, et il faut les convertir encore aujourd'hui.
01 · Définition
Le degré Engler est le rapport du temps d'écoulement de deux cents millilitres du liquide éprouvé au temps d'écoulement de la même charge d'eau distillée à vingt degrés Celsius, les deux mesures étant faites sur un seul et même appareil. Le temps de l'eau s'appelle la valeur en eau ; sur un viscosimètre en état elle tient dans cinquante et une secondes avec une tolérance d'une seconde.
Un lien avec la viscosité cinématique existe, mais il n'est pas linéaire, et la raison en est toute physique : le liquide quitte l'ajutage non par le seul frottement visqueux mais aussi par inertie, de sorte qu'une part de la charge passe dans l'énergie cinétique du jet. Tant que le liquide est épais, la correction d'inertie peut se négliger et le degré se convertit en centistokes presque proportionnellement, tandis que pour les liquides fluides la correction devient comparable à la mesure elle-même. C'est pourquoi l'on n'applique pas la formule d'Ubbelohde au-dessous de 1,35 °E, et l'on ne prend pas du tout l'entonnoir Engler pour des liquides plus fluides que cinq millimètres carrés par seconde.
La température de mesure est toujours indiquée et entre dans le relevé au même titre que le nombre, car la viscosité d'une huile est divisée par deux tous les vingt degrés de chauffe. La pratique allemande éprouvait à vingt, cinquante et cent degrés ; la pratique soviétique, qui hérita du même appareil sous le nom de viscosité conventionnelle, s'en tenait plus souvent à cinquante et quatre-vingts — et c'est cette dernière température qui est même passée dans les qualités de fioul, où le nombre de M-40 ou M-100 vient de la viscosité à quatre-vingts degrés.
Une grandeur définie par son propre appareil n'a pas d'étalon au sens ordinaire du mot : ce qui est reproductible n'est pas la viscosité mais le couple « vase plus ajutage », étalonné à l'eau. De là l'obligation de vérifier la valeur en eau avant chaque série, et l'interdiction de convertir des degrés étrangers quand on ignore sur quel appareil et à quelle température ils ont été obtenus.
Réchauffez l'échantillon avec le curseur, et le jet sortant de l'ajutage ira plus vite : le chronomètre, et avec lui le degré Engler, répond à la température bien plus vivement qu'on ne l'attendrait. La colonne de gauche montre le temps que prennent deux cents millilitres, et les lignes de droite comment un seul et même état se lit sur quatre échelles différentes.
La ligne pleine est la dépendance réelle des centistokes envers les degrés, la ligne pointillée la simple proportion de facteur 7,31. Pour les huiles épaisses, à droite de la verticale, les deux lignes se confondent presque ; à gauche, où le liquide coule aisément, la proportion surestime la viscosité, car le jet quitte l'ajutage par inertie. Le repère rouge marque le domaine au-dessous de 1,35 °E où la mesure n'est tout bonnement pas tenue pour fiable.
02 · Conversion
Saisissez ce qui figure sur la plaque
Toutes les échelles conventionnelles se ramènent à une seule viscosité cinématique, de sorte que la conversion entre elles est mécanique ; sa précision n'est pourtant pas absolue : les secondes Saybolt et Redwood sont liées aux centistokes par des formules aussi approchées que celle qu'Ubbelohde a établie pour son propre appareil.
La valeur en eau de l'appareil est reportée dans les réglages fins de la fiche, car le temps d'écoulement en dépend directement : une seconde d'écart à l'étalonnage donne environ deux pour cent sur le résultat.
Un nombre sans température ne se convertit pas, et ce n'est pas de la chicane : une seule et même huile donne environ douze degrés à cinquante degrés Celsius et moins de trois à cent. Si la plaque de la pompe ne porte pas de température, on lit par défaut cinquante degrés pour les huiles industrielles et quatre-vingts pour le fioul — mieux vaut cependant retrouver l'édition de la norme selon laquelle la plaque a été établie.
| Valeur | Remarque | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Ordres de grandeur
échelle logarithmique : de l'eau au bitume04 · Instruments de mesure
Avec quoi l'on mesure la viscosité
Un vase de laiton au bain d'eau ou d'huile, un ajutage conique en dessous et un bouchon de bois que l'on retire à l'instant même où l'on lance le chronomètre. Deux cents millilitres sont recueillis dans une fiole jaugée, et l'appareil lui-même s'étalonne à l'eau avant chaque série, car l'ajutage comme le volume s'écartent avec le temps de leurs valeurs certifiées.
Le parent américain du même entonnoir : un ajutage d'un autre calibre, une charge de soixante millilitres, et le résultat s'appelle tout simplement des secondes. Le nombre sort environ trente fois plus grand que celui d'Engler, et on le rencontre encore aujourd'hui dans les rapports pétroliers en anglais, bien que l'ASTM ait depuis longtemps donné la préséance aux centistokes.
Un tube de verre à deux repères entre lesquels passe le ménisque : le temps de chute se multiplie par la constante du capillaire et donne directement des centistokes, sans aucune échelle conventionnelle. La méthode est décrite dans l'ISO 3104 et l'ASTM D445, et c'est elle qui a chassé les entonnoirs, puisqu'elle demande un dé à coudre d'échantillon et ne dépend pas de la main qui tient le chronomètre.
Une broche tourne dans l'échantillon et l'on mesure le couple sur l'arbre, de sorte que la durée de l'essai ne dépend pas de l'épaisseur et reste la même pour l'huile et pour le bitume. Le rotor sait ce que l'entonnoir ne sait pas : il impose la vitesse de cisaillement, et lui seul montre qu'un lubrifiant additivé s'amincit sous cisaillement rapide.
05 · Règles d’écriture
Un degré sans température ne signifie rien
Le signe degré s'accole à la capitale latine, la valeur s'en sépare par une espace, et la température de mesure est toujours indiquée, car sans elle le nombre ne peut être ni vérifié ni converti. Le symbole soviétique de la viscosité conventionnelle s'écrit en cyrillique et de même avec une température ; mettre en revanche un signe d'égalité entre degrés et centistokes est inadmissible fût-ce au brouillon : le lien est approché et à sens unique.
La deuxième écriture confond la grandeur avec l'appareil, car les degrés de viscosité n'existent pas — il existe un rapport de temps, relevé sur un entonnoir déterminé. La troisième met un signe d'égalité là où une approximation a sa place, et donne donc dans un rapport une fausse précision. La quatrième est simplement impossible : au-dessous de 1,35 °E la méthode ne fonctionne pas, et un nombre obtenu pour un liquide aussi fluide ne reflète pas la viscosité mais l'inertie du jet.
06 · Unités voisines
Les parents les plus proches sont les autres échelles conventionnelles, bâties exactement de même : le temps d'écoulement d'une charge par un ajutage étalonné, sauf que l'ajutage est propre à chaque pays. Toutes convergent vers la viscosité cinématique, laquelle est liée à la dynamique par la masse volumique — et c'est seulement ce couple qui possède une dimension réelle et un étalon réel.
l'eau vaut un
le résultat directement en secondes
seconde Redwood nº 1
Parmi les fiches de Simetrium se trouvent à côté classes de viscosité des huiles ISO VG et SAE, dont cette fiche est le pendant, poise et stokes du système CGS, ainsi que masse volumique en kg/m³, sans laquelle on ne passe pas de la viscosité cinématique à la dynamique.
07 · Section historique
Trois entonnoirs de trois pays
Carl Engler travaillait au raffinage du brut et avait besoin d'un nombre permettant de comparer les lots arrivant de Bakou et de Pennsylvanie. Il assembla l'appareil avec ce qui traînait au laboratoire et prit l'eau pour mesure, car elle était sous la main de n'importe quel collègue et n'exigeait aucune table.
L'expert britannique Boverton Redwood et l'ingénieur américain George Saybolt firent chacun son entonnoir, et ni l'un ni l'autre ne divisa le temps par celui de l'eau : ils donnaient le résultat directement en secondes. L'idée des trois appareils était la même, les calibres des ajutages différents, et dans les litiges entre fournisseur et acheteur cela faisait trois nombres différents pour un seul wagon-citerne.
Quand le commerce devint international, l'incomparabilité des échelles coûta plus cher que leur commodité, et les normes passèrent à la viscosité cinématique mesurée au capillaire. La DIN 51560 allemande fut retirée, l'ASTM ne garda les secondes Saybolt qu'à titre de conversion indicative, et la viscosité conventionnelle selon GOST 6258 se maintint dans la pratique nationale des décennies encore.
La viscosité se mesure aujourd'hui au capillaire ou au rotor, mais les pompes, les réducteurs et les installations de fioul montés avant le basculement continuent de fonctionner selon leurs propres plaques. Un régleur qui lit « pas plus épaisse que 8 °E à 50 °C » convertit cela en soixante millimètres carrés par seconde et choisit ensuite l'huile par sa classe ISO VG — l'unité vit donc non au laboratoire mais dans les papiers.
Un appareil qui est à lui-même son étalon
Le degré Engler n'a pas et ne peut avoir d'étalon au sens ordinaire, puisque la définition renvoie non à une constante de la nature mais à un montage : un vase de ce volume, un ajutage de ce calibre, une charge de deux cents millilitres. Ce que l'on certifie n'est donc pas l'unité mais l'appareil, et on le certifie à l'eau — le seul liquide dont le temps d'écoulement soit tenu pour connu. De là tout le côté rituel de la mesure : une valeur en eau fraîche avant la série, trois relevés concordants, la température du bain notée.
La faiblesse d'un tel montage se révéla précisément là où sa commodité était la plus grande. Tant qu'une usine comparait ses propres lots sur son propre entonnoir, les nombres concordaient à merveille ; mais dès qu'il fallut comparer les lots de deux pays, il apparut qu'ils n'avaient pas de grandeur commune — seulement trois procès-verbaux, entre lesquels rien de mieux qu'une conversion approchée n'est possible. Le viscosimètre capillaire résolut le problème en rendant à la mesure sa dimension : il donne des millimètres carrés par seconde, et la constante du capillaire se vérifie sur des liquides de référence, non sur son propre passé.
Catalogue · unités de mesure
Une fiche pour chaque grandeur
Sept unités de base du SI, vingt-deux dérivées portant un nom propre, et des grandeurs hors système sans lesquelles ni la technique ni le calendrier ne fonctionneraient.