métrologie 1 PRÉSENTATION métrologie, science des mesures, visant à déterminer les dimensions et les quantités, et à les exprimer en unités conventionnelles, en tenant compte des conditions dans lesquelles l'évaluation a été effectuée et des critères utilisés. Toutes les mesures utilisent une comparaison. En général, on compare l'objet, la substance ou l'élément à mesurer avec un élément qui a été évalué par rapport à une référence connue. La précision d'une mesure dépend de celle avec laquelle l'unité de mesure de référence a été établie, et de la précision avec laquelle cette référence est comparée à l'objet mesuré. La métrologie étudie l'ensemble des variables en jeu : les caractéristiques de l'objet à mesurer, l'instrument de mesure, la méthode de mesure, l'influence de l'environnement, la détermination de l'unité de mesure et d'un système de mesure qui soit cohérent, universel et permanent, et la constitution de la chaîne d'étalonnage permettant la précision maximale. Les métrologues s'attachent notamment à déterminer les causes d'erreur dans les mesures, afin de découvrir les moyens de les éviter, ou tout au moins de les réduire. Chaque type de mesure comporte une marge d'erreur, qui ne peut être connue pour chaque cas particulier, mais, par la collecte d'informations d'ordre statistique, il est possible de déterminer l'imprécision relative à ce type de mesure, dans l'objectif d'apporter les correctifs nécessaires à une plus grande précision. En France, à Besançon, il existe un laboratoire spécialisé en métrologie au Centre national de la recherche scientifique (CNRS). 2 UNITÉS ET BASES STANDARDS Toutes les mesures sont le résultat d'une évaluation d'un objet en comparaison à une unité de mesure. Les scientifiques et les ingénieurs effectuent actuellement leurs mesures en fonction du Système international d'unités (SI), doté de six unités de base, et établi par décret en date du 1er janvier 1962. La Première Conférence générale des poids et mesures s'était tenue en 1889 à Paris ; elle avait pour objectif principal de parvenir à une définition et à une harmonisation des mesures. À cette occasion, le mètre a été représenté par la distance des axes de deux traits parallèles inscrits sur le prototype international en platine iridié maintenu à une température de 0 °C, conservé à Sèvres. Entre 1960 et 1983, le mètre était défini en fonction d'une des radiations émises par une lampe à décharge contenant l'isotope 86 du krypton. Le mètre est actuellement défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299 792 458 seconde. C'est grâce au laser que l'on a pu déterminer de façon extrêmement précise la vitesse de la lumière. 3 MÉTROLOGIE LÉGALE Des lois et des règlements ont été établis afin que les mesures effectuées dans le cadre de transactions commerciales ou de domaines réglementés soient conformes à des paramètres scientifiques précis (tolérances, précision des instruments de mesure, unités de mesure). Tous les pays industrialisés utilisent les normes NSL (des Laboratoires nationaux standards, comme le Laboratoire national de physique au Royaume-Uni, ou l'Institut national des standards et de la technologie aux ÉtatsUnis), afin de pouvoir assurer l'équivalence des mesures et des standards primaires dans les différents pays. 4 MESURES DANS L'INDUSTRIE ET LES LABORATOIRES Dans les laboratoires ou sur les sites industriels, les mesures effectuées requièrent une précision qui dépend de différents paramètres. Par exemple, la détermination de l'intensité du courant dans une centrale électrique ne nécessite pas la même précision que l'évaluation de l'intensité dans un circuit électrique d'appareil ménager, car l'ordre de grandeur est ici totalement différent. Des mesures précises sont indispensables pour garantir le bon fonctionnement de procédés industriels complexes, comme l'assemblage et l'interchangeabilité des pièces mécaniques, le suivi de la fabrication, ainsi que le contrôle des réactions chimiques dans les hauts-fourneaux ou dans les centrales nucléaires par exemple. La métrologie joue un rôle important dans le contrôle de la qualité, ainsi que dans celui des coûts de production, en participant notamment à la recherche d'un équilibre entre le coût des mesures (croissant en fonction de la précision requise), et le coût des dysfonctionnements, des pertes et des rebuts (dont l'augmentation est fonction de l'imprécision des mesures aux différentes étapes de la production). Dans une chaîne de fabrication, chaque mesure d'une quantité particulière ou de contrôle d'un instrument de mesure est effectuée avec une précision, définie au préalable, qui lui est propre. Ces références de précision (souvent appelées standards secondaires) sont elles-mêmes mesurées et contrôlées par comparaison avec les standards primaires. Chacun de ces contrôles peut aussi comporter des marges d'erreur. De nombreuses chaînes de production rencontrent des besoins industriels et scientifiques de traçabilité, et si la nécessité d'une plus grande précision métrologique se fait ressentir, des métrologues seront chargés de mettre en oeuvre les moyens nécessaires à l'amélioration de l'efficacité et de la qualité de la production. Afin de répondre à des critères de marché et de qualité, il est nécessaire que, tout au long de la chaîne de production, les mesures de routine soient adéquatement effectuées, que leur précision soit connue, et qu'elles puissent être rapportées à un choix de standards primaires nationaux et internationaux. Par exemple, la vente de grandes quantités de pétrole ou de gaz naturel par pipeline ou le marché transnational en électricité nécessitent une précision métrologique rigoureuse. Cela est aussi important pour la collaboration industrielle internationale ; par exemple, les standards de mesure primaires et secondaires utilisés en Grande-Bretagne pour la construction des ailes des avions Airbus doivent correspondre à ceux utilisés en France pour construire la carlingue. La traçabilité fournit les moyens de contrôler et de calibrer, dans un travail de construction formel, tous les instruments de mesure utilisés dans l'industrie, la science, la médecine. Une métrologie précise participe de façon importante à une production industrielle de qualité, ainsi qu'à la protection de la vie humaine ou de l'environnement, et elle est fondamentale pour le développement de la recherche scientifique. Dans de nombreux cas, lorsque la précision de mesure requise ne justifie pas la mise en oeuvre d'instruments de mesure de haute précision, très onéreux, on établit des références intermédiaires. L'exemple le plus courant est certainement le mètre ou la règle millimétrée. Les standards de couleur peuvent être référencés pour des industriels du bâtiment et de la décoration par un choix de carreaux de céramique colorés, chaque couleur ayant été déterminée dans un laboratoire de spectrométrie. ( Voir Spectroscopie.) Les microphones calibrés en NSLs permettent d'effectuer des mesures précises du niveau sonore sur les sites industriels, les autres lieux de travail ou les zones résidentielles en fonction des paramètres définis par la législation, et ainsi interdire, limiter ou sanctionner les éventuels débordements. Par ailleurs, l'emploi d'horloges atomiques (voir Horloges et montres) et d'instruments utilisant la supraconductivité ou le laser se démocratise, réduisant ainsi l'écart entre la précision des mesures des laboratoires scientifiques et celle des mesures industrielles. 5 UNITÉS DÉRIVÉES ET MESURES « SUBJECTIVES « Les six unités de mesure SI servent de base pour toutes les autres mesures physiques que l'on peut établir ou déduire. Par exemple, la vitesse est mesurée en mètres par seconde, et la force est mesurée en kilogrammes-mètres par seconde au carré (kg.m/s2). Par ailleurs, il existe des paramètres, comme par exemple la tonalité d'un son, qui sont subjectifs et ne peuvent pas être véritablement définis par des mesures physiques du son. La dureté d'un matériau, grandeur essentielle dans l'industrie du bâtiment, par exemple, est définie en fonction d'une échelle de résistance aux déformations permanentes. Il n'existe pourtant pas d'unité SI correspondante. Afin de la mesurer, une forme dentelée particulière agresse la surface du spécimen à tester, par application d'une force connue, dans des conditions spécifiées et contrôlées précisément. La taille de l'éraflure ou du trou est mesurée, puis comparée à celle créée dans les mêmes conditions sur un ou plusieurs matériaux de référence : c'est à l'aide de cette comparaison que l'on évalue la dureté de l'échantillon. Des formes spécifiques de dentelures sont utilisées en fonction des différents matériaux à caractériser ( voir Matériaux, science et technologie des). 6 LIMITES MÉTROLOGIQUES Dès que l'on entreprend de mesurer l'infiniment petit, l'infiniment grand ou le très lointain, des problèmes spécifiques surviennent. En effet, on peut dire que nous sommes confrontés à un changement d'échelle par rapport à notre perception directe, qui implique que nous ne pouvons avoir de connaissance des ordres de grandeur, de vitesse ou de poids que grâce à une sophistication extrêmement poussée des modèles, des processus et des instruments de mesure. Tel est le cas pour la détermination de la masse des atomes et des particules subatomiques, ou de la distance qui nous sépare des galaxies lointaines, ou encore de la masse totale de l'Univers. Ces résultats sont inhérents au processus même de mesure, qui est un processus « relatif « : il dépend des paramètres utilisés. Des progrès considérables ont été néanmoins réalisés au cours de ces dernières décennies, laissant espérer de nouvelles avancées quant à la précision de nombreuses mesures. Par exemple, le fait de parvenir à atteindre le zéro absolu permettra une nouvelle évaluation des paramètres thermiques et quantiques utilisés dans les modèles actuels ; vice versa, une plus grande précision métrologique permettra probablement de nouvelles découvertes. Voir Unités de mesure ; Unités, Système international d' (SI). Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.
