Métrologie
Modèle:Confusion Modèle:À délister
La métrologie est la science de la mesure. Elle définit les principes et les méthodes permettant de garantir et maintenir la confiance envers les mesures résultant des processus de mesure. Il s'agit d'une science transversale qui s'applique dans tous les domaines où des mesures quantitatives sont effectuées.
On peut distinguer, artificiellement, différents aspects de la métrologie pour faciliter sa compréhension :
- la métrologie fondamentale, ou scientifique, qui vise à créer, développer et maintenir des étalons de référence reconnus ;
- la métrologie industrielle, la plus fréquente, qui permet de garantir les mesures, par exemple d'un processus de fabrication, souvent dans le cadre d'un contrôle qualité lié à un système de management de la qualité ;
- la métrologie légale, liée aux mesures sur lesquelles s'appliquent des exigences réglementaires ;
- en plus d'une métrologie traditionnelle quantitative, certains parlent de « métrologie molle », concernant les mesures sans dimensions physique et qualitatives. Ceci semble être un abus de langage ; il s'agirait plutôt de contrôles qualité spécifiques. Pour l'instant aucune référence d'autorité ne parle de Modèle:Référence nécessaire.
Définition
Devant la mondialisation et la multiplicité des échanges qu'elle engendre, des organisations internationales<ref group="N">Organisations membres pour 2008 : Bureau international des poids et mesures (BIPM), CEI, IFCC, ILAC, ISO, UICPA, UIPPA et OIML. Ces organisations sont définies dans la section Organismes liés à la métrologie.</ref> se sont réunies, depuis quelques décennies, pour définir des guides métrologiques. Ces derniers doivent faciliter la validation, entre partenaires, des mesures des caractéristiques des produits échangés. Un de ces guides est le Vocabulaire international de métrologie (VIM)Modèle:Sfn d'où est extraite la définition suivante : la métrologie est la Modèle:CitationModèle:Sfn.
Un mesurage est un processus qui permet d'obtenir une ou plusieurs valeurs que l'on peut raisonnablement attribuer à une grandeur ou mesurande. Par exemple : soit à mesurer la masse d'une personne avec un pèse-personne du commerce, une seule montée sur la balance donne Modèle:Nombre ; ici, la grandeur à mesurer ou le mesurande est la masse de l'individu et le mesurage donne la valeur unique de Modèle:Nombre. Si l'opération est reprise quatre fois, on aura finalement cinq valeurs (avec la première) qui pourraient être les suivantes : 75,6 ; 75,9 ; 76 ; 75,6 ; 75,4.
L'incertitude de mesure, succinctement, est la dispersion des valeurs pouvant être attribuées à une grandeur mesurée ou mesurande. Dans l'exemple précédent, en première approche, l'étendue de la dispersion est de Modèle:Nobr (différence entre la valeur maximum et la valeur minimum de l'expérience), soit Modèle:Nombre.
Le domaine d'application concerne toute entité susceptible d'effectuer des mesures quantitatives. On peut y trouver la biologie médicale, la chimie pure et appliquée, l'électronique, la physique pure et appliquéeModèle:Etc., et les organismes de métrologie eux-mêmes.
Vocabulaire métrologique
Le Vocabulaire international de métrologie, concepts fondamentaux et généraux et termes associés (VIM) comprend cinq grandes sections (suivant le BIPM) :
- section 1 : grandeurs et unités ;
- section 2 : mesurages ;
- section 3 : dispositifs de mesure ;
- section 4 : propriétés des dispositifs de mesure ;
- section 5 : étalons.
Unité de mesure
Modèle:Article connexe Toute mesure implique une comparaison entre une grandeur inconnue et une grandeur de référence, l'unité de mesure. Le système d'unités principalement utilisé dans le monde est le Système international d'unités (SI) mis en place en 1960.
Celui-ci définit sept unités de base considérées par convention comme indépendantes au niveau dimensionnel. À partir de ces unités de bases sont déclinées, d'une façon et d'une seule pour chacune d'elles, toutes les autres unités dites « unités dérivées ».
Principes fondamentaux
- Étalonnage : les valeurs obtenues dans un mesurage sont le résultat de mesures effectuées dans un processus de mesure comportant un instrument de mesure ; cet appareil, susceptible de variabilité dans le temps, doit être étalonné avec un ou plusieurs étalons.
- Incertitude : la variabilité des valeurs obtenues dans un mesurage traduit est l'incertitude de mesure<ref group="N" name="étymo" />. Cette incertitude doit être exprimée comme une dispersion, suivant des règles complémentaires appliquées aux incertitudes. Les méthodes d'évaluation de l'incertitude de mesure font l'objet d'un fascicule métrologique international consensuel appelé Guide pour l'expression de l'incertitude de mesure ou GUM<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.
Histoire abrégée
Dès les premières civilisations, il a été nécessaire d'effectuer des mesures (poids, longueurs) pour les échanges entre tiers ou les impôts, par exemple. Pour éviter les contestations entre parties prenantes, des « mesures de référence », aujourd'hui appelées « étalons », sont très rapidement apparues. C'est le cas des poids mésopotamiens et égyptiens et de la coudée royale dite « de Maya » de l'Égypte ancienneModèle:Sfn.
Jusqu'au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, les grandeurs sont souvent évaluées en comparaison avec des références humaines, comme le « pied » ou le « pouce » pour les longueurs (souvent les organes des rois et empereurs), ou encore le « journal » pour la surface (grandeur d'un champ correspondant à la quantité de travail Modèle:Incise que peut fournir une personne en une journée)Modèle:Sfn.
Chaque pays et province dispose de ses propres unités de mesure ; ainsi, le dictionnaire de Godefroy cite plus de quatre-vingts mesures agraires employées au Moyen ÂgeModèle:Sfn. Le poids change même suivant la matière pesée : or et argent, soie ou autre marchandise… Ceci complique les échanges commerciaux et gêne la diffusion des connaissances.
Les scientifiques français, inspirés par l'esprit des Lumières et la Révolution française, conçoivent un système de référence basé sur des références naturelles ayant la même valeur pour tous, sans rapport à une personne particulière, donc universel (dans le sens d'« invariable, accessible à tous et reconnu par tous »). C'est ainsi que l'on prend la longueur du méridien terrestre comme référence de longueur pour bâtir le mètre.
De multiples textes de lois posent les assises de la métrologie. Ce sont, pour les deux textes les plus importantsModèle:Sfn :
- la loi du 18 germinal an III (7 avril 1795) qui met en place les unités du système métrique ;
- la Convention du Mètre, signée à Paris le 20 mai 1875 par dix-sept États, qui crée le Bureau international des poids et mesures (BIPM). La convention, modifiée en 1921, régit toujours aujourd'hui l'organisation fonctionnelle des institutions internationales de métrologie : BIPM, CGPM, CIPM.
Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, la métrologie évolue dans tous les domaines la concernant, notamment dans le changement de certaines définitions d'unités de base (longueur, temps…) ; elle favorise aussi les démarches normalisées pour étalonner les instruments de mesure.
Dans ces dernières décennies, elle propose enfin que la variabilité des valeurs mesurées soit considérée comme une dispersion et que cette incertitude métrologique soit traitée par des méthodes statistiques reconnues. Pour ce faire, elle favorise la diffusion des guides VIM et GUM (voir les sections Définition et Principes fondamentaux). Le rôle de tous les acteurs concernés est de mettre en application ces recommandations.
De façon anecdotique, 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 l'article consacré).
Organisation métrologique
« Pour que la mesure ait un sens et que les résultats soient incontestables et puissent être comparés à ceux obtenus en d'autres temps et en d'autres lieux, chaque mesure doit être raccordée à un étalon de référence par une chaîne ininterrompue » ; c'est ce qu'on appelle la « traçabilité métrologique ».
C'est la fonction principale de la « métrologie scientifique et technique » que de forger les différents maillons de cette chaîne et d'en assurer le bon fonctionnement et la cohérence internationale et nationale ; en parallèle avec la métrologie scientifique, on trouve la « métrologie légale » qui s'appuie sur la métrologie scientifique pour développer sa mission spécifique dans un cadre réglementé de lois et décrets.
Métrologie scientifique et technique
Au niveau international
Au niveau international, la « métrologie scientifique » est la partie de la métrologie qui est chargée de définir les unités de mesure, de les réaliser (étalons), de les comparer entre pays, de les conserver et de les disséminer dans les pays membres<ref group="N">Au Modèle:Date-, le BIPM comprend Modèle:Nobr membres et Modèle:Nobr à la confédération générale.</ref>,<ref>« Groupe de travail de l'Académie des sciences sur les unités de base et les constantes fondamentales » Modèle:Pdf, décembre 2007.</ref>. C'est essentiellement le domaine du Bureau international des poids et mesures (BIPM). Le BIPM et les laboratoires nationaux de métrologie associés ont la charge du Système international d'unités (SI), clef de l'uniformité mondiale des mesures et l'une des bases indiscutables du monde industrialiséModèle:Sfn.
Pour assurer cette mission d'unification, le BIPM est chargé :
- d'établir les étalons fondamentaux et de conserver les prototypes internationaux ;
- d'effectuer la comparaison des étalons nationaux avec les étalons internationaux ;
- d'organiser des comparaisons internationales au niveau des étalons nationaux ;
- d'assurer la coordination des techniques de mesures correspondantes ;
- d'effectuer et de coordonner les déterminations relatives aux constantes physiques fondamentales ;
- d'organiser des réunions scientifiques visant à identifier les évolutions futures du système mondial de mesure ;
- d'informer, par le biais de publications et de réunions, la communauté scientifique, les décideurs et le grand public sur les questions liées à la métrologie et à ses avantages<ref>Missions du BIPM.</ref>.
Les travaux scientifiques des laboratoires du BIPM se répartissent en fonction des unités SI : masse, temps et fréquences, longueurs, électricité, photo- et radio-métrie, rayonnements ionisants, temprérature, quantité de matièreModèle:Etc.
Le BIPM n'est soumis qu'à la surveillance du CIPM, lui-même placé sous l'autorité de la CGPM<ref>Pour les travaux des laboratoires et l'organisation hiérarchique voir : Modèle:Harvsp. </ref>.
En France
Création, en 1967, de la première chaire de métrologie en France au Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) à Paris.
Au niveau national, la « métrologie scientifique » est pilotée, depuis janvier 2005, par le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE).
Le LNE est chargé de coordonner la métrologie française et de la représenter à l'étranger ; c'est aussi le laboratoire national de référence, pour l'industrie, en matière de métrologie.
À ce titre, sa mission est de<ref>Site officiel du LNE, Lire en ligne.</ref> :
- développer et maintenir des étalons nationaux de référence, reconnus à l'international ;
- permettre à l'industrie (entreprises et laboratoires) de raccorder leurs instruments de mesure au SI (exigence qualité des normes Modèle:Nobr), grâce au système des chaînes nationales d'étalonnage pour les six domaines suivants : électricité-magnétisme, longueurs, masses et grandeurs apparentées (force, pression, viscosité, accélérationModèle:Etc.), quantité de matière - métrologie chimique, radiométrie-photométrie et températures ;
- proposer ses services d'étalonnage dans le domaine de la santé, l'alimentation et la maîtrise de notre environnement ;
- désigné par le ministère chargé de l'Industrie, le LNE délivre les certificats d'examen des instruments de mesure mis sur le marché et réglementés par le décret français du Modèle:Date-. Il est également notifié pour la Modèle:Nobr IPFNA (Instrument de pesage à fonction non automatique) ;
- piloter et coordonner les travaux de recherche de l'ensemble des organismes de métrologie français. Pour cela il fédère un réseau de quatre laboratoires nationaux dont lui-même fait partie ;
- participer aux travaux internationaux de comparaison clés (« Key comparison ») entre instituts nationaux de métrologie, et participer aussi à l'amélioration des unités du Système international (SI).
Au niveau des entreprises
La métrologie est intégrée dans la fonction qualité de l'entreprise.
On peut distinguer :
- la métrologie opérationnelle, qui intervient directement dans les processus de production, sous la responsabilité conjointe des méthodes, des opérationnels et de la fonction qualité ;
- la « fonction métrologie » qui est chargée du suivi métrologique des moyens de mesurage.
Les entreprises de production et les laboratoires opérationnels utilisent des instruments de mesure. Ils doivent s'assurer, dans le cadre des échanges « clients - fournisseurs » du suivi métrologique de leurs instruments. Dans ce cadre, ils sont amenés à entretenir des relations métrologiques avec les instances nationales, soit directement, soit par l'intermédiaire d'organismes de métrologie légale ou de laboratoire d'essais et d'étalonnage accrédités. La série des normes Modèle:Lnobr fixent aussi les procédures à respecter par les entreprises dans le domaine de la métrologieModèle:Sfn.
Métrologie légale
Modèle:Citation<ref>Lire en ligne, OIML.</ref>.
Au niveau international, elle est pilotée par l'Organisation internationale de métrologie légale (OIML) en relation avec le BIPM.
Au niveau national, elle est pilotée par la direction générale des entreprises (DGE) qui a été créée par décret le Modèle:Date-. La DGE, dans le domaine de la métrologie, donne des indications sur la métrologie industrielle, la réglementation, les organismes agréés ou désignés pour la vérification des instruments de mesure<ref>http://www.entreprises.gouv.fr/metrologie DGE Métrologie].</ref>.
La métrologie légale concerne toutes les activités de mesurage relevant d'exigences définies par une réglementation. Ce sont, par exemple :
- les mesurages effectuées dans le cadre de transactions commerciales : mesurage du volume de carburant distribué en station service et affiché par les pompes ; mesurage des quantités de produits pré-emballés et respect des normes les concernant ; pesage des produits et affichage des indications des balances ; mesurage de l'énergie électrique consommée et affichée par les compteursModèle:Etc. ;
- les mesurages effectuées pour définir le prix d'une taxe ou l'importance d'une sanction : cinémomètres Modèle:Incise, éthylomètres… ;
- les mesures des rejets de polluants : analyseur de gaz d'échappement de véhicule automobile… ;
- les mesures liées à la santé : pharmacie, appareils enregistreurs de tous types…
La métrologie légale inclut quatre activités principales :
- l'établissement des exigences légales ;
- le contrôle/l'évaluation de la conformité de produits réglementés et d'activités réglementées ;
- la supervision des produits réglementés et des activités réglementés ;
- la mise en place des infrastructures nécessaires à la traçabilité des mesures réglementées et des instruments de mesure<ref>« Éléments pour une Loi de Métrologie », OIML, 2004.</ref>.
Elle est liée à différentes législations comme la Directive du Conseil du 20 décembre 1979 concernant le rapprochement des législations des États membres relatives aux unités de mesure et abrogeant la directive 71/354/CEE (80/181/CEE).
Métrologie fondamentale et nouvelles technologies
Chaîne d'étalonnage industrielle
L'entreprise doit mettre en place un système capable de vérifier par étalonnage que tous les moyens de mesure sont capables de réaliser des mesurages à l'intérieur des limites appropriées aux exigences. Les étalons de l'entreprise doivent être raccordés aux étalons nationaux (eux-mêmes raccordés aux étalons internationaux) pour s'assurer de la qualité du système<ref>Normes de la série X 07 (de 1994 à 2008, suivant n°).</ref>.
Hiérarchie de l'étalonnage
Pour l'entreprise, il s'agit tout d'abord de se situer sur le plan national. Le système mis en place par le Comité français d'accréditation (Cofrac) pour le raccordement des étalons de référence et des instruments de mesure de l'entreprise aux étalons nationaux est constitué de trois niveauxModèle:Sfn :
- Au niveau supérieur : le laboratoire national chargé de la conservation des étalons nationaux, dits ici primaires ;
- Au niveau intermédiaire : les organismes accrédités à effectuer le transfert vers l'industrie par des étalons dits secondaires ;
- Au niveau inférieur : les opérationnels, soit les industriels et les laboratoires de métrologie qui doivent faire étalonner leurs étalons de référence et autres instruments ne pouvant être étalonnés dans leur propre métrologie.
Exemple simplifié
Une entreprise de fabrication mécanique possède un parc d'instruments de mesure de longueur (pieds à coulisse, micromètresModèle:Etc.). Elle suit ses instruments dans sa métrologie-propre où ses instruments sont étalonnés et vérifiés avec des cales étalon et des comparateurs adéquats. Ces derniers sont étalonnés avec un jeu de cales étalon et un comparateur adéquat de référence de l'entreprise :
- au niveau 3 de la chaîne d'étalonnage, Les cales étalon de référence de classe 1 de la métrologie sont étalonnées par un laboratoire d'étalonnage extérieur accrédité de Modèle:Nobr ;
- au niveau 2 de la chaîne d'étalonnage, le laboratoire emploie des cales étalon de classe 0 et des comparateurs adéquats pour étalonner les cales de référence de l'entreprise ; les étalons de Modèle:Nobr du laboratoire sont étalonnés par un laboratoire national de Modèle:Nobr attaché au LNE ;
- au niveau 1 de la chaîne d'étalonnage, le laboratoire national emploie des cales étalon de Modèle:Nobr et des comparateurs adéquats pour étalonner les cales de Modèle:Nobr ; les étalons de Modèle:Nobr du laboratoire national sont comparés aux étalons internationaux par le BIPM.
Organismes liés à la métrologie
Au niveau international
On peut citer :
- le Bureau international des poids et mesures (BIPM) situé au Pavillon de Breteuil à Sèvres, créé par le traité diplomatique de la Convention du Mètre. Il y a Modèle:Nb membres du BIPM et Modèle:Nb à la CGPM (au Modèle:Date-) ;
- le Comité international des poids et mesures (CIPM) ;
- la Conférence générale des poids et mesures (CGPM), la plus haute autorité mondiale en métrologie ;
- l'International Laboratory Accreditation Co-operation (ILAC) ;
- l'European coopération for accréditation (EA)<ref>Quelles sont les origines de EA ?, Afnor.</ref> ;
- l'Organisation internationale de métrologie légale (OIML) ;
- le Comité de données pour la science et la technologie (CODATA) ;
- l'International Measurement Confederation (IMEKO) ;
- l'International Accreditation Forum (IAF).
En France
- Le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE), qui fédère les laboratoires nationaux de métrologie hébergés par quatre grands organismes (le Conservatoire national des arts et métiers (CNAM), l'Observatoire de Paris (OP), le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), et le LNE lui-même) et des laboratoires associés.
- La direction générale des entreprises, organisme chargé de la métrologie légale.
- Le Comité français d'accréditation (Cofrac), organisme accréditeur.
- Les laboratoires d'étalonnage accrédités.
- Le Collège français de métrologie, association d'usagers.
- Le Comité français pour la Formation à la mesure tridimensionnelle (COFFMET), partenaire de Aukom (Organisme ayant pour but d'uniformiser le langage de la métrologie dans le monde).
Organismes de normalisation
- L'ISO, qui fédère les organismes nationaux de normalisation.
Chaque pays a son propre organisme de normalisation : l'Association française de normalisation (Afnor) en France, l'American National Standards Institute (ANSI) aux États-Unis, l'Institut allemand de normalisation (DIN) en Allemagne, le Bureau de normalisation (NBN) en Belgique, le British Standards Institute (BSI) au Royaume-Uni, l'Institut fédéral de métrologie (METAS) en SuisseModèle:Etc. Ces organismes nationaux sont, dans leur grande majorité, privés (l'Afnor, par exemple, est une association loi de 1901) et les normes qu'ils éditent sont payantes.
- La Commission électrotechnique internationale (CEI) pour les domaines de l'électricité et de l'électrotechnique.
Normes
Certaines de ces normes risquent de ne plus être en vigueur en 2015. On peut citer :
- VIM : Vocabulaire international de métrologie — Concepts fondamentaux et généraux et termes associés, 2012<ref>Lire en ligne.</ref> ;
- GUM : Guide pour l'expression de l'incertitude de mesure, 2008<ref>Lire en ligne.</ref> ;
- ISO/CEI 17025 (septembre 2005) Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'étalonnages et d'essais ;
- ISO 15189 (aout 2007) Laboratoires de biologie médicale - Exigences particulières concernant la qualité et la compétence ;
- ISO 10012 (septembre 2003) Systèmes de management de la mesure - Exigences pour les processus et les équipements de mesure ;
- FD X 02-003 (mai 2013) Normes fondamentales - Principes de l'écriture des nombres, des grandeurs, des unités et des symboles ;
- NF X 02-006 (août 1994) Normes fondamentales - Le Système international d'unités - Description et règle d'emploi - Choix de multiples et de sous-multiples ;
- ISO/GUIDE 30 (novembre 1995) Métrologie - Termes et définitions utilisées en rapport avec les matériaux de référence ;
- X 07-011 (décembre 1994) Métrologie - Essais - Métrologie dans l'entreprise - Constat de vérification des moyens de mesure ;
- FD X 07-012 (novembre 1995) Métrologie - Métrologie dans l'entreprise - Certificat d'étalonnage des moyens de mesure ;
- FD X 07-013 (décembre 1996) Métrologie - Métrologie dans l'entreprise - Critères de choix entre vérification et étalonnage, utilisation et conservation des résultats de mesure ;
- X 07-014 (novembre 2006) Métrologie - Optimisation des intervalles de confirmation métrologique des équipements de mesure ;
- X 07-015 (août 2007) Métrologie - Raccordement des résultats de mesure au Système international d'unités (SI) ;
- X 07-016 (décembre 1993) Métrologie - Essais - Métrologie dans l'entreprise - Modalités pratiques pour l'établissement des procédures d'étalonnage et de vérification des moyens de mesure ;
- X 07-017-1 (décembre 1995) Métrologie - Procédure d'étalonnage et de vérification des instruments de pesage à fonctionnement non automatique (IPFNA) - Modèle:Nobr : vérification ;
- X 07-017-2 (décembre 1997) Métrologie - Procédure d'étalonnage et de vérification des instruments de pesage à fonctionnement non automatique (IPFNA) - Modèle:Nobr : étalonnage ;
- X 07-018 (décembre 1997) Métrologie - Métrologie dans l'entreprise - Fiche de vie des équipements de mesure, de contrôle et d'essai ;
- X 07-019 (décembre 2000) Métrologie - Relations clients/fournisseurs en métrologie ;
- FD X 07-021 (octobre 1999) Normes fondamentales - Métrologie et application de la statistique - Aide à la démarche pour l'estimation et l'utilisation de l'incertitude de mesure et des résultats d'essais ;
- FD X 07-022 (décembre 2004) Métrologie et application de la statistique - Utilisation des incertitudes de mesure : présentation de quelques cas et pratiques usuelles ;
- FD X 07-025-1 (décembre 2003) Métrologie - Programme technique de vérification des équipements de mesure - Modèle:Nobr : principes généraux - Démarche commune et générale pour élaborer un programme technique de vérification ;
- FD X 07-025-2 (décembre 2008) Métrologie - Programmes techniques minimaux de vérification métrologique des équipements de mesure - Modèle:Nobr : domaines électricité/magnétisme et temps/fréquence ;
- normes de la série ISO 5725 (décembre 1994) Application de la statistique - Exactitude (justesse et fidélité) des résultats et méthodes de mesure - Modèle:Nobr à 6.
Notes et références
Notes
Références
Annexes
Bibliographie
- Modèle:Article.
- Modèle:Plume Modèle:Ouvrage.
- Modèle:Plume Modèle:Ouvrage.
- Modèle:Plume Modèle:Ouvrage.
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