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UED 2.1 Métrologie 1/19 Chapitre 1 Généralités sur la métrologie 1. Introductio

UED 2.1 Métrologie 1/19 Chapitre 1 Généralités sur la métrologie 1. Introduction 1.1. À quoi sert la métrologie ? La métrologie au sens étymologique du terme se traduit par Science de la mesure et ses applications. La métrologie s’intéresse traditionnellement à la détermination de caractéristiques (appelées grandeurs) qui peuvent être fondamentales comme par exemple une longueur, une masse, un temps... ou dérivées des grandeurs fondamentales comme par exemple une surface, une vitesse... Cependant, dans les domaines courants des essais, il existe de nombreuses caractéristiques n’ayant qu’une relation indirecte avec ces grandeurs. C’est le cas, par exemple, de la dureté, de la viscosité... qui peuvent poser des problèmes dans l’interprétation. Mesurer une grandeur physique consiste à lui attribuer une valeur quantitative en prenant pour référence une grandeur de même nature appelée unité. Dans le langage courant des «métrologues», on entend souvent dire mesurer c’est comparer ! Les résultats des mesures servent à prendre des décisions :  acceptation d’un produit (mesure de caractéristiques, de performances, conformité à une exigence) ;  réglage d’un instrument de mesure, validation d’un procédé ;  réglage d’un paramètre dans le cadre d’un contrôle d’un procédé de fabrication ;  validation d’une hypothèse ;  protection de l’environnement ;  définition des conditions de sécurité d’un produit ou d’un système ;  ... L’ensemble de ces décisions concourt à la qualité des produits ou des services : on peut qualifier quantitativement la qualité d’un résultat de mesure grâce à son incertitude. UED 2.1 Métrologie 2/19 N.B. : Sans incertitude les résultats de mesure ne peuvent plus être comparés :  soit entre eux (essais croisés) ;  soit par rapport à des valeurs de référence spécifiées dans une norme ou une spécification (conformité d’un produit). 1.2. La mesure d’une grandeur physique Tout d’abord définissons ce que l’on entend par grandeur physique : On appelle grandeur physique X une propriété discernable caractérisant un objet, un système ou un état physique. Deux grandeurs physiques sont de mêmes espèces (ou de même nature) lorsqu’on peut les comparer. Une grandeur est mesurable quand on sait définir son égalité avec une grandeur de même nature et lorsque leur somme (ou le rapport) avec une grandeur de même nature a un sens. Si une grandeur est mesurable, on peut alors affecter à cette grandeur une valeur numérique objective en comptant combien de fois une grandeur de même espèce prise comme référence, à laquelle on attribue conventionnellement la valeur numérique 1 (un) et appelée unité, est contenue dans la grandeur considérée. On écrira alors le résultat sous la forme :  X X X   où X est le nom de la grandeur physique,  X représente l’unité et  X est la valeur numérique de la grandeur exprimée dans l’unité choisie. N.B. : Toute grandeur physique est invariante, c’est-à-dire qu’elle ne dépend pas de l’unité dans laquelle on l’exprime. Par exemple :  longueur de la règle : 30, 48 cm ;  ” 0, 3048 m ;  ” 12 pouces ;  ” 1, 646.10-4 millemarin. On remarque que la valeur numérique dépend de l’unité choisie. En conséquence, celle-ci doit toujours être précisée. UED 2.1 Métrologie 3/19 1.3. Un peu de vocabulaire Dans le vocabulaire officiel, l’opération communément appelée mesure est appelée mesurage. De même, la grandeur physique soumise à l’opération de mesurage est appelée mesurande. Attention aux faux amis, l’opération d’étalonnage doit être distinguée de celle appelée calibrage. N.B. : il ne faut pas utiliser le terme précision mais le terme incertitude. Il faut bien différencier la répétabilité des résultats de mesurage qui est l’étroitesse de l’accord entre les résultats de mesures successifs du même mesurande effectués dans la totalité des mêmes conditions de mesure avec la reproductibilité où les mesurages sont effectués en faisant varier les conditions de mesure. On rappelle les principaux paramètres assurant des conditions de mesures de répétabilité et de reproductibilité :  répétabilité : – même méthode ; – même individus (échantillon) ; – même laboratoire ; – même opérateur ; – même équipement ; – même ... De plus, les essais successifs doivent se dérouler sur une durée courte vis-à-vis de la dynamique des phénomènes physiques entrant en jeu lors d’un essai.  reproductibilité : – même méthode ; – même individus ; – laboratoire différent ; – opérateur différent ; – équipement différent ; – ... 2. Types de métrologie La métrologie est divisée en trois catégories comprenant différents niveaux de complexité et d’exactitude : UED 2.1 Métrologie 4/19  La métrologie scientifique (appelée aussi métrologie fondamentale ou de laboratoire), traite l’organisation et du développement des étalons de mesures et de leur maintien à niveau (au plus haut niveau). La métrologie fondamentale n’a pas de définition internationale, mais elle indique le plus haut niveau d’exactitude pour un domaine donné. La métrologie fondamentale, par conséquent, doit être considérée comme la branche la plus haute de la métrologie scientifique.  La métrologie industrielle vise à assurer le fonctionnement adéquat des instruments de mesure utilisés dans l’industrie, comme dans la production et les processus d’essais.  La métrologie légale est concernée par les mesures qui ont une influence sur la transparence des transactions économiques, sur la santé et la sécurité. En d’autres termes, il s’agit d’un ensemble des règles que l’État impose concernant le système d’unités, la production, ou l’utilisation d’instruments de mesure. 2.1. Métrologie scientifique et industrielle Les activités de métrologie, de mesures et d’essais sont des ensembles de valeurs qui assurent la qualité des activités industrielles. Ceci inclus les besoins en terme de traçabilité, qui deviennent aussi importants que la mesure elle-même. 2.1.1. Domène d’activité La métrologie scientifique peut être divisée en 9 domaines techniques d’activité : masse, électricité, longueur, temps et fréquence, thermométrie, rayonnements ionisants et radioactivité, photométrie et radiométrie, acoustique, et quantité de matière. Tableau 2.1. Domaines, sous- domaines et étalons de mesures principaux domaines sous-domaines principaux étalons de mesure masse et grandeurs apparentées Mesure de masse Etalons de masse, balances, comparateurs de masses. Force et pression Cellule de pesée, machine d’essai à poids morts, force, convertisseurs de moment et couple, balance de pression à piston cylindre lubrifié à l’huile/l’eau, essais de machine de force. UED 2.1 Métrologie 5/19 Volume et masse volumique Aéromètres, laboratoire de verrerie, densimètre pour vibration, viscosimètres capillaires, viscosimètres rotatifs, Viscosité Echelle viscosimétrique. Electricité et magnétisme Electricité – Courant continu Comparateurs cryogéniques de courant continu, effet Josephson et effet Hall quantique, référence à diode Zener, méthodes potentionmétriques, pont de comparaison. Electricité – Courant alternatif Convertisseurs continu/alternatif, étalons de capacités, capacités à air, étalons d’inductance, compensateurs, wattmètres. Electricité – Haute fréquence Convertisseurs thermiques, calorimètres, bolomètres Fort courant et haute tension Transformateurs de courants et de tensions, sources de référence en haute tension Longueur Longueur d’onde et interférométrie Lasers stabilisés, interférométrie, systèmes de mesures interférométriques, comparaisons interférométriques, générateur de fréquence optique. Métrologie dimensionnelle Cales étalons, règles à traits, cales à gradin, bagues, anneaux, comparateur à aiguilles, tampons, calibres, comparateurs, microscopes, plan étalon optique, machine tridimensionnelle, scanner laser micrométrique, jauges de profondeur. Mesures d’angles Auto- collimateurs, plateaux angulaires, cales d’angle, polygones, niveaux. Forme Rectitude, planéité, parallélisme, équerre, circularité, cylindres étalons. Qualité de surface étalons de hauteur de marche et de rainures, étalon de circularité, équipement de mesure de circularité. Temps et fréquence Mesure du temps Horloge à atomes de césium, équipement d’intervalle de temps. Fréquence Horloge et fontaine atomiques, oscillateurs à quartz, lasers, compteurs électroniques et synthétiseurs, (outils de mesures de longueurs géodésiques). UED 2.1 Métrologie 6/19 Thermométrie Mesure de température par contact Thermomètres à gaz, points fixes de l’EIT-90, thermomètres à résistance, thermocouples. Mesure de température sans contact Corps noirs haute température, radiomètres cryogéniques, pyromètres, photodiodes silicium. Hygrométrie Miroir à point de rosée ou hygromètres électroniques, double générateur d’humidité pression/température. Rayonnements ionisants et radioactivité Dose absorbée – produits industriels de haut niveau Calorimètres, cavités étalonnés à haute dose, dosimètres bichromates Dose absorbée – Produits médicaux Calorimètres, chambres d’ionisation. Radio- protection Chambres d’ionisation, faisceaux/domaines/ rayonnements de références, compteurs proportionnels et autres compteurs, compteur proportionnel équivalent tissue, spectromètre neutron de Bonner Radioactivité Chambre d’ionisations à puits, sources radioactives certifiées, spectrométrie gamma et alpha, détecteurs 4P . Photométrie et radiométrie Radiométrie optique Radiomètre cryogénique, détecteurs, lasers stabilisés comme source de référence, fibres de référence. Photométrie Détecteurs dans le visible, photodiodes Si, efficacité quantique des détecteurs Colorimétrie Spectrophotomètre Fibres optiques Fibres de référence. Débitmètrie Débitmétrie gaz (volume) Bell provers, compteurs à gaz rotatif, compteur à gaz à turbine, étalons de transfert à tuyères soniques. Débitmétrie eau (volume, masse et énergie) Débitmétrie liquide autre que l’eau Etalons de volume, débitmètre à effet Coriolis, jauge de niveau, débitmètre inductif, débitmètre à ultrasons. Anémométrie Anémomètres Acoustique, ultrasons et vibrations Mesures acoustiques dans les gaz Microphones étalons, piston-phones, microphone à condensateur, calibreur de son UED 2.1 Métrologie 7/19 Accélérométrie Accéléromètres, transducteur de force, générateur de vibration, interférométrie laser. Mesures acoustiques dans les liquides Hydrophones Ultrason Mesure de puissance à ultrason, balance de force de rayonnement Quantité de matière Chimie de l’environnement Chimie clinique Matériaux de référence certifiés, spectromètres de masse, chromatographes. Chimie des matériaux Pureté des uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-1-generalites-sur-la-metrologie.pdf