Métrologie - Définition

Introduction

La barre de platine-iridium utilisée comme prototype du mètre de 1889 à 1960.

La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.

La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation. Par exemple, la mesure des dimensions d'un objet va donner les valeurs chiffrées de sa longueur, sa largeur, etc.

Le terme désigne également l'ensemble des technologies de mesure utilisées dans l'industrie.

Généralités

Tout le monde possède des notions de mesure :

• Ma masse est de 70 kg
• Tu mesures 1,80 m
• Il a 30 ans
• Il est 8 h 30 min
• L'appareil consomme 50 watts

La mesure est donc une notion indispensable, utilisée dans toutes les sciences (et en particulier dans toute science expérimentale) tout comme dans la vie quotidienne.

Elle permet d'exprimer une grandeur par une valeur numérique et une unité.

La métrologie utilise un vocabulaire international normé, qui permet de faciliter les échanges entre les divers utilisateurs (scientifiques, industriels...).

L'attribution d'une valeur chiffrée à une mesure est liée à la définition d'une unité basée sur un étalon. Par exemple, l'étalon de la masse est conservé au Bureau international des poids et mesures (BIPM, Paris). On compare toute quantité de matière à cet étalon masse, à ses multiples ou sous multiples de sorte que la mesure conduit à : « l'objet fait n fois l'étalon masse ».

Un nom appelé unité est défini pour chaque étalon. L'unité associée à la masse est le kilogramme (abrégé en « kg »), de sorte que la phrase ci-dessus devient : « l'objet fait n kilogrammes ».

Une grandeur s'exprime donc par sa mesure dans une unité :

Grandeur = mesure × unité

Toute mesure est nécessairement entachée d'erreurs pour différentes raisons. Une mesure expérimentale n'a donc de valeur que si on lui associe une estimation de l'erreur (ex : « la poutre mesure 1 m de long à 5 mm près »). Cette estimation de la précision s'appelle « erreur absolue », « barre d'erreur » (en raison de sa représentation graphique) ou « incertitude absolue » que l'on exprime de préférence avec la même unité que celle utilisée pour exprimer la mesure de la grandeur.

L'évaluation de cette erreur correspond à la branche des mathématiques appelée calcul d'incertitude. Dans le cas des modèles numériques, la mesure doit être associée à une incertitude et un intervalle confiance.

Étalons

On utilise un phénomène de référence pour chaque grandeur mesurable.

Histoire des étalons

Jusqu'à la Renaissance européenne, les grandeurs étaient évaluées en comparaison avec des références humaines, comme le pied, le pouce ou la ligne (1/12^ede pouce) pour les longueurs (souvent les organes des rois et empereurs), le journal pour la surface (champ gérable par une personne s'en occupant quotidiennement)…

Chaque pays, chaque région même, avait ses unités de mesure. L'Empire allemand ne comptait pas moins de 19 pieds de longueurs différentes, le reste de l'Europe 18 autres. Ceci compliquait les échanges commerciaux et gênait la diffusion des connaissances (Voir Unités de mesure de l'Ancien Régime).

Les scientifiques français, inspirés par l'esprit des Lumières et la Révolution française, ont conçu un système de référence basé sur des objets ayant la même valeur pour tous, sans référence à une personne particulière, bref universel — « universel » dans le sens « accessible à tous et reconnu par tous », mais il ne s'agit au fond que d'une convention arbitraire. C'est ainsi que l'on prit la circonférence de la Terre comme référence de longueur pour bâtir le mètre.

L'avantage de l'étalon « universel » est que les scientifiques de tous les pays peuvent échanger leurs résultats sans ambiguïté....

Détermination des étalons

Comme il est possible d'exprimer des grandeurs à partir d'autres, le Système international d'unités s'appuie sur sept grandeurs pour définir ses unités de base du système international (uSI) :

1. longueur: mètre (m) ;
2. masse: kilogramme (kg) ;
3. durée: seconde (s) ;
4. intensité du courant électrique: ampère (A) ;
5. température: kelvin (K) ; ou degré Celsius (°C)
6. quantité de matière: mole (mol) ;
7. luminosité: candela (cd).

Les autres unités sont définies sans avoir à utiliser d'autre phénomène physique. Par exemple :

• à partir du mètre (m), on définit la surface unité, le mètre carré (m²), et le volume unité, le mètre cube (m³) ;
• pour la vitesse, le phénomène de référence est défini par :
  la distance unité parcourue en une durée unité (en l'occurrence un mètre en une seconde) ;
• pour l'accélération, le phénomène de référence est défini par :
  une augmentation de la vitesse d'une unité durant une durée unité (en l'occurrence augmentation d'un mètre par seconde en une seconde) ;
• une force étant un phénomène qui provoque l'accélération d'un objet matériel, le phénomène de référence est défini par la variation de vitesse de référence (accélération) et l'inertie de référence (la masse) ; l'unité de force (le newton) est définie avec l'unité de longueur, de temps et de masse.

Étalons universels et spécifiques

Les étalons « universels » sont les étalons de la Convention du Mètre, définissant les unités du système international (SI). S'ils permettent des déterminations précises, ils ne sont pas forcément facilement exploitables, utilisables sur les lieux où doit se faire l'étalonnage. Il faut donc des étalons «spécifiques», plus pratiques d'utilisation, qui sont eux-mêmes calibrés à partir des étalons universels.

Par exemple, la masse étalon du BIPM sert de référence pour des masses étalon spécifiques qui servent à étalonner les balances chez le fabriquant.

Un utilisateur d'une machine de mesure fabrique parfois lui-même ses propres étalons ; par exemple, pour l'analyse chimique, les utilisateurs fabriquent souvent des solutions à partir de produits purs pour étalonner leurs appareils d'analyse. Les organismes de normalisation nationaux et internationaux fournissent souvent des étalons spécifiques certifiés par leurs services.

Les étalons peuvent être :

• un objet inaltérable, comme la masse étalon ;
• un phénomène physique, comme l'étalon seconde, l'étalon mètre, l'étalon intensité du courant électrique ;
• une réaction chimique, comme l'électrode normale à hydrogène ou l'électrode au calomel saturée en KCl utilisée en électrochimie.

Anecdote

On se souviendra que la sonde spatiale martienne Mars Climate Orbiter s'est écrasée sur la planète Rouge car une équipe exprimait les longueurs en mètres alors que l'autre les exprimait en pieds (voir : Perte de la sonde).

Organismes de normalisation

Pour qu'un étalon soit reconnu, il faut que les utilisateurs des appareils de mesure connaissent son existence et acceptent de l'utiliser. Ce rôle de sélection et de reconnaissance des étalons est délégué à des organismes de normalisation (standardisation en anglais).

Il y a deux organismes reconnus internationalement :

• le Bureau international des poids et mesures situé au Pavillon de Breteuil à Sèvres, créé par le traité diplomatique de la Convention du Mètre et auquel adhèrent environ 50 pays ; c'est un organisme officiel ;
• l'ISO, qui fédère les organismes nationaux de normalisation.

Chaque pays a par la suite son propre organisme de normalisation : AFNOR en France, le National Institute for Science and Technology — NIST aux États-Unis, le Deutsches Institut für Normung — DIN en Allemagne, l'Institut belge de normalisation — IBN en Belgique, le British Standards Institution — BSI au Royaume-Uni, l' Office fédéral de Métrologie — METAS en Suisse … Notons que ces organismes nationaux sont privés (l'Afnor par exemple est une association regroupant les industriels) et que les normes qu'ils éditent ne sont pas libres de droit mais payantes.