Métrologie Article, Signification, Explication
Généralités
La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large. Elle couvre les méthodes et techniques qui permettent de paramétrer un modèle destiné à représenter la réalité. Une fois ce modèle paramétré, il peut être étudié et manipulé de façon à produire de la connaissance et agir sur la réalité qu'il représente.
Le terme désigne également l'ensemble des technologies de mesure utilisées dans l'industrie.
Tout le monde possède cette notion de mesure:
- Je pèse 70 kg
- le ciel est partiellement couvert
- tu mesures 1.80 m
- il a 30 ans
- tes yeux sont bleu-vert
- il est 8h30
- elle consomme 50 watts
- cela coute 15 €, soit environ 100 Frs
Dans le cas des modèles numériques statistiques la mesure peut être associée à une incertitude et une confiance.
- La mesure est une notion indispensable en sciences tout comme dans la vie en société. Elle permet d'exprimer une grandeur par un symbole (un mot, un dessin, un nombre). Les nombres peuvent ensuite être manipulés avec l'aide des mathématiques. Quand elle utilise un modèle numérique statistique, elle s'appuie sur la théorie de la mesure.
- 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 conservée 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: « l'objet fait n kilogrammes ».
- Toute mesure est nécessairement entachée d'erreurs pour différentes raisons:
- Une mesure expérimentale n'a 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.
Étalons
Jusqu'à la Renaissance européenne, les grandeurs étaient évaluées
en comparaison avec des références humaines,
comme le pied ou le pouce pour les longueurs (souvent les organes des rois et empereurs),
le journal pour la surface (champ labourable en une journée), etc.
Chaque pays, chaque région même avait ses unités de mesure.
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.
L'avantage de l'étalon « universel » est que les scientifiques de tous les pays peuvent échanger leurs résultats sans ambiguïté .
Il faut un phénomène de référence pour chaque grandeur mesurable. Cependant, il est possible d'utiliser des grandeurs pour en exprimer d'autres. En procédant ainsi, les étalons ont été réduit à sept grandeurs de base:
À partir du mètre (m), le mètre carré (m2) et le mètre cube (m3) sont définis sans avoir à utiliser d'autre phénomène physique.
Pour la vitesse, le phénomène de référence est défini en utilisant:
Les étalons « universels » sont les étalons de la Convention 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
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 organisme reconnus internationalement :
Histoire des étalons
Détermination des étalons
Ces unités forment les unités de base du système international (uSI).Étalons universels et spécifiques
Organismes 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 DIN en Allemagne, l'IBN en Belgique, le BSI au Royaume-Uni...
La mesure se fait à l'aide d'un outil ou d'un appareil qui donne un nombre.
La mesure peut se faire par comparaison :
La mesure peut transformer un phénomène physique en un autre plus facilement mesurable ; l'intensité du phénomène à mesurer doit être reliée au phénomène mesuré de manière non ambiguë. Par exemple :
Mesure d'une grandeur
Cette comparaison peut faire intervenir un dispositif modifiant l'intensité du phénomène, comme par exemple un effet de levier dans les balance à fléau pour mesurer la masse.
De nombreux phénomènes peuvent être transformés en courant électrique, par exemple l'intensité lumineuse (avec une diode photoréceptrice), une force (par un cristal piézoélectrique)... Ainsi, la plupart des appareils de mesure moderne évaluent au final une intensité de courant électrique.
On distingue les appareils analogiques, pour lesquels la mesure est lue sur un cadran avec une aiguille, et les appareils numériques qui affichent une valeur numérique sur un écran ou qui la stockent dans un ordinateur.
L'étalonnage est l'opération qui consiste à régler l'appareil de mesure de sorte que la valeur soit conforme à l'étalon international. Dans certain domaines réglementés, l'étalonage est obligatoire, par exemple lorsque les erreurs peuvent provoquer des accidents, ou bien dans les opérations commerciales (par exemple pesée).
L'étalonnage consiste à mesurer un ou plusieurs phénomènes ou objets de référence, appelés étalons. Le nombre d'objet dépend de la loi reliant les intensités du phénomène physique à mesurer et de celui réellement mesuré (loi linéaire, affine, quadratique...).
La calibration est un étalonnage simplifié qui consiste à passer un objet de référence ; cette opération est faite lorsque l'on ne s'intéresse pas à la valeur dans l'absolu, mais que l'on veut simplement vérifier que l'objet mesuré a des propriétés proches de l'objet de référence.
Notons qu'en anglais, le terme calibration signifie « étalonnage », le terme standard signifie « étalon ».
Dans certains cas, le phénomène que l'on veut évaluer n'est pas homogène, il faut donc faire plusieurs mesures.
Par exemple, si l'on veut mesurer l'épaisseur d'une plaque, il faut le faire en plusieurs endroits car l'épaiseur n'est pas strictement constante. Si l'on veut connaître la composition chimique d'un pétrole brut dans les soutes d'un pétrolier super-tanker, il faut faire des prélèvements en plusieurs endroits ; notamment, en raison de la décantation, les produits lourds sont au fond et les produits légers au-dessus. En géologie, il faut prélever des roches en plusieurs endroits pour déterminer la nature du sol. Lorsque l'objet est assez petit et liquide ou pulvérulent, on peut se contenter de le brasser (voir de le broyer pour un solide) avant d'en prélever une petite quantité.
Le cas d'échantillonnage le plus connu, et sans doute le plus problématique, est celui des sondages d'opinion ; les organismes de sondage s'attachent à interroger un échantillon (ou panel) dit représentatif de la population, notamment en ce qui concerne le sexe, l'âge, les revenus, le métier pratiqué, le lieu d'habitation...
La précision détermine l'efficacité de la méthode de mesure. Mais la précision ayant un coût, il est parfois nuisible de faire de la surprécision.
Lorsque la mesure débouche sur une sélection valable/non-valable, bon-candidat/mauvais-candidat (candidat au sens large d'événement), il faut s'attacher à avoir une méthode
Voir les articles détaillés Calcul d'erreur et Calcul d'incertitude
On fait correspondre deux points de l'objet dont on veut mesurer la distance qui les séparent en les faisant coincider avec des points de la règle; bien sûr il faut que l'objet et la règle soient rigides, indéformables.
on écrit alors l'égalité: Longueur = mesure x l'unité .
exemple: mesurons une page de papier avec une règle formée de 3 décimètres gradués en mm; la page a pour largeur (l) 21 centimètres et pour longueur (L) 29,7 centimètres (ou 29.7 centimètres selon que l'on représente les nombres avec une virgule ou un point pour positionner le passage des unités aux dixièmes d'unité).
on note en résumé: l= 21 cm = 21 x 1 cm = 21 x 0.01 x 1 m = 0.21 m
et L= 29.7 cm = 29.7 x 1 cm = 29.7 x 0.01 x 1 m = 0.297 m
Il est impossible de mesurer l'épaisseur de la feuille avec la même règle; par contre on peut mesurer l'épaisseur d'une pile de 500 feuilles (une ramette) et de constater que 500 x e = 5 cm et d'en déduire que l'épaisseur d'une feuille doit être de un dixième de millimètre.
Tous les atomes de césium 133 émettent un rayonnement ayant une fréquence de 9 192 631 770 oscillations par seconde lorsque l'atome concerné a une transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental.
ceci signifie que en 1 seconde il y a 9 192 631 770 périodes de ce « pendule » atomique ou horloge atomique dont la fréquence d'horloge est proche des 10 gigahertz.
Ainsi pour mesurer 1 seconde il suffit de savoir produire cette émission et d'en mesurer la fréquence;
à noter que cette émission pourrait par sa longueur d'onde (3,261226 cm), donner une unité de longueur puisqu'il faut 30,6633=(9192631770/299792458)périodes spaciales pour faire un mètre!
Toutes les horloges modernes, (montres, ordinateurs, ect), utilisent des cristaux de quartz ayant une fréquence d'oscillation stable pour définir leur base de temps, elles vont de quelques kilohertz à plusieurs gigahertz.
Ce n'est probablement pas un hasard si le kilogramme étalon du BIPM a la même masse qu' un litre d'eau.
Il faut se rappeler que la livre, en France,n'avait pas la même valeur: la provençale, la parisienne ou encore la bretonne n'avaient pas tout à fait la même valeur et aujourd'hui encore la livre tout comme le gallon n'ont pas la même valeur aux U.S.A et en angleterre.
Beaucoup de marchandises se vendaient par volume, par boisseaux ou encore par barils, soit 18 boisseaux (235 litres ). Faut-il préciser que le baril prétrolier ne fait que 158.98 litres!
La masse d'un électron, d'un atome ou d'une molécule est parfaitement définie; ceci justifie le fait que le BIPM ait rajouté la notion de quantité de matière qui se mesure en mole sachant que une mole de carbone a une masse de 12 grammes: la mole étant un nombre entier dit nombre d'Avogadro.
Les réactions chimiques se font en combinant des atomes entiers: c'est pour cela que nombre d'Avogadro est un nombre entier
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on se souviendra qu'une sonde spatiale s'est écrasée sur Mars car une équipe exprimait les longueurs en mètres alors que l'autre les exprimait en pieds (voir : Exploration de la planète Mars).
Étalonnage et calibration d'un appareil
Échantillonnage
Erreur de mesure
La sensibilité est capacité à sélectionner les bons « candidats », la sélectivité est la capacité à éliminer les mauvais « candidats ».La mesure en sciences humaines et en sciences de la vie
La mesure en physique
La mesure en sciences est l'outil permettant de décrire ce que l'on observe de façon précise et reproductible.
Une longueur
La distance entre deux points se mesure avec une règle droite (une toise) qui peut être graduée
en deçà : nanomètre, picomètre, femtomètre la nature fournit des structures: atomes, noyaux, particules qui ont des paramètres invariants.
au delà : les mesures se font par la mesure du temps que met la lumière ou plus généralement les ondes électromagnétiques pour parcourir la ligne « droite » qui sépare deux objets: la distance terre soleil est de environ 8 minutes.lumière = 480 seconde.lumière = 8 x60 x 1s x300 000 km/s.Un temps
Une masse
Une charge
Une température
Bureau international des poids et mesures
Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde.
Le kilogramme est l'unité de masse ; il est égal à la masse du prototype international du kilogramme.
La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.
L'ampère est l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1 mètre l'un de l'autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force égale à 2 × 10–7 newton par mètre de longueur.
Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.
1. La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12.
2. Lorsqu'on emploie la mole, les entités élémentaires doivent être spécifiées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons, d'autres particules ou des groupements spécifiés de telles particules.
La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.liens
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