Pr

1
(No Transcript)
2
Quelles références pour les mesures physiques
aujourdhui ?
Marc E. HIMBERT Conservatoire national des arts
et métiers LNE - INM Saint-Denis - France
www.cnam.fr/instituts/inm www.bipm.org www.lne.fr
www.metrodiff.fr himbert_at_cnam.fr
3
Mesurer, c'est déterminer une grandeur
une cote
Information
4
une masse
5
laspect lesthétique
6
la valeur la performance
lintelligence
7
Mesure, numération, contrôle
Boules dargile scellées puis pierres gravées
Clepsydre, et contrôle de durée des plaidoieries
8
La mesure le pouvoir de décider
Exemple juger d une conformité
Hors spécification
Spécification
Conforme
Non conforme
Résultat expérimental
9
France - Corée du sud Juin 2006 - Allemagne
10
Plan indicatif

• Une méthodologie pour la mesure
• Un système de références cohérent mais disparate
• Unités et constantes physiques fondamentales
  perspectives

11
Plan indicatif I

• Une méthodologie pour la mesure
• Un système de références cohérent mais disparate
• Unités et constantes physiques fondamentales
  perspectives

12
L art de la mesure

• Les  grandeurs mesurables 
• principe définir  somme  ou  rapport hors
  mesure
• système de lois physiques modélisant
  l appréhension du réel
• en pratique construction d échelles
  approchées pour le repérage
• Les autres opérations de  mesure 
• domaine technique et services résultats
  d essais
• le résultat n a de signification quau travers
  du protocole d essai opérations menées
  (échantillonnage, actions) et observations
  (saisie et exploitation des résultats)
• dureté, qualité de lair, esthétique, valeur ,
  intelligence des essais !

13
Mesurer, c'est comparer
doù vient la  référence  ?
comment évaluer  lincertitude  ?
J.C. Maxwell  Lexpression dune grandeur est
le produit de deux facteurs dont lun, qui est
une grandeur de même nature prise comme repère,
sappelle son unité, et dont lautre, qui est le
nombre de fois que lunité est contenue dans la
grandeur, sappelle sa valeur numérique 
14
Caractériser un processus de mesure ou d essai
15
Lobtention dun résultat de mesure hyp. 1
Mesurer, cest tirer un nombre au hasard selon
une distribution à caractériser
Estimateurs statistiques
Histogramme expérimental
ISO 5725
16
Lincertitude de mesure
Paramètre, associé au résultat d un mesurage,
qui caractérise la dispersion des valeurs qui
pourraient être raisonnablement attribuées au
mesurande Notes 1. Le paramètre peut être un
écart-type (ou un multiple de celui-ci) ou la
demi-largeur d un intervalle de niveau de
confiance déterminé. 2. ...Composantes exprimées
sous forme d écarts-types expérimentaux ou
d écarts-types évalués autrement... 3.
...Comprend les composantes associées aux
corrections et aux étalons
17
Lobtention dun résultat de mesure hyp. 2

• Somme des erreurs maximales

• Combinaison quadratique des écarts-types

Pas raisonnable ...
GUM, NF ENV 13005
18
Lobtention dun résultat de mesure hyp. 3
Chacun croit en la distribution normale des
 erreurs , les physiciens parce que celle-ci
résulte de théorèmes mathématiques, les
mathématiciens parce que celle-ci est vérifiée
par lexpérience Poincaré
19
Exemple juger d une conformité
Hors spécification
Spécification
Conforme
Non conforme
Résultat expérimental
Doute lié à l incertitude de mesure ou d essai
20
La référence raccorder, c'est encore comparer
21
Hiérarchie des références

• Références
• - Étalonnage - Étalonnage - Étalonnage -
• Références "primaires"
• Matérialisation des unités
• daprès des définitions conventionnelles

Traçabilité...
22
La mise en place des références nationales
Laboratoire national de métrologie et dessais
23
(No Transcript)
24
Comparaisons interlaboratoiresune lourde
infrastructure cachée
Comparaisons clefs, en ligne sur bipm.org
25
Accréditation et traçabilité gt Reconnaissance
internationale
1999 près de 50 états signataires
Désormais plus d obstacles aux échanges
Bipm.org
26
La dissémination des références laccréditation
des laboratoires

• Accréditer, cest reconnaître et proclamer quun
  établissement fournit des résultats auxquels on
  peut accorder confiance .
• Délivrance par un oganisme  tierce partie .

• Pour un type de mesures ou dessais donné
  (normalisés ou non, réglementaires ou non), sur
  site le cas échéant, avec une incertitude
  minimale explicitée
• Confiance Technique
• Confiance dans l Organisation -gt ISO 17025
  2005
• Traçabilité garantie aux références nationales

27
L accréditation en France aujourd hui (plus de
1700 acrédités)
COFRAC -gt EA ILAC
28
Raccordement - Traçabilité inspirer confiance
Chaîne détalonnage depuis les Laboratoires
nationaux de métrologie (LNM)
LNMs fédérés par le LNE
Etalons nationaux
Laboratoires associés au LNE
Transfert aux utilisateurs
comparaisons

Laboratoires accrédités
Laboratoires non-accrédités
Mesures industrielles ou sociétales
29
Plan indicatif II

• Une méthodologie pour la mesure
• Un système de références cohérent mais disparate
• Unités et constantes physiques fondamentales
  perspectives

30
Construire un système dunités

• Décrire un ensemble de champs disciplinaires où
  les grandeurs sont interdépendantes
• -gt des lois physiques
• Choisir des références pour certaines de ces
  grandeurs, de façon totalement conventionnelle
• -gt des unités
• En déduire les unités pour les autres grandeurs à
  partir des  lois physiques 
• -gt un système dunités
• Lunité de chaque grandeur est définie dune
  manière unique, sans facteur numérique superflu
• -gt cohérent et rationalisé

FM g
EUIF.dl
31
Les organes supranationaux de métrologie

• un traité international depuis 1875
• la "Convention du Mètre" et sa Conférence
  générale quadriennale (CGPM)
• un comité scientifique
• le Comité international des poids et mesures
  (CIPM) et ses comités consultatifs
• par domaines CCM, CCEM, CCQM,
• le Comité consultatif des unités (CCU)
• un laboratoire - pilote
• le Bureau international des poids et mesures
  (BIPM)
• Garant de la traçabilité internationale des
  références (comparaisons interlaboratoires)
• Actions de R D

32
Les unités SI et les champs disciplinaires
m
géométrie
s
cinématique
kg
dynamique
A
électrodynamique
33
Choix des grandeurs et définitions des unités

• Pérennité
• Uniformité
• Accessibilité
• Exactitude pour la mise en pratique

34
Une approche pragmatique et évolutive à base
scientifique

• mètre (1983) propagation de la lumière dans le
  vide
• -gt gel de c0
• kilogramme (1889) prototype matériel en PtIr
• seconde (1967/68) horloge à césium (9 GHz)
• ampère (1948) mise en œuvre de la loi de
  Laplace
• -gt gel de m0
• kelvin (1967/68) point triple de leau
   pure 
• mole (1971) dénombrement dans 0,012 kg de 12C
• candela (1979) spectres daction pour la vision
  
• -gt mesures photo-biologiques

en ligne, en version complète et abrégée, sur
bipm.org
35
1983 le mètre  lumière 

• Le mètre est la longueur du trajet parcouru
• par la lumière dans le vide pendant une durée
• de 1/299 792 458 de seconde.

Prise en compte du modèle de la théorie
électromagnétique, y compris dans ses aspects
relativistes, théorie non démentie par
lexpérience au présent niveau d exactitude c
299 792 458 m s-1 exactement
35
36
Pour matérialiser le mètre des références
secondaires visibles
Comptage de fréquences optiques 

• Raies recommandées (IR and visible) gt horloges
  optiques
• Peignes de fréquence (de 1 GHz à 500 THz, x
  50000 !)

Interférométrie
(10-11)

• Interférométrie dans le vide, réfractométrie
• Machines à mesurer par contact (MMT)
• Cales d épaisseur, étalonnage dans l air

Temps de vol

• Télémétrie poursuiveurs lasers
• Systèmes de positionnement satellitaires

37
Nouvel outil en métrologie dimensionnelle
(0,01 mm)
Méthode optique pour vérification des Machines à
mesurer tridimensionnelles (MMT) aujourdhui
vérifiées à l aide d objets-étalons

• Interférométrie 1D...
• Angles...

38
Le positionnement par satellites

• Mesure de la position
• Détection (passive) des signaux émis par les
  satellites
• Lecture des informations contenues position
  corrigée des satellites, signal dhorloges
  synchronisées
• Détermination des temps de parcours  satellite 
  -  détecteur 
• Détermination (en 3D  limité ) de la position
• Une technologie évolutive
• Satellites non géostationnaires (20-24000 km)
• Horloges atomiques embarquées
• Corrections relativistes

39
Le positionnement par satellites
Global Positioning System - GPS - USA 28
opérationnels sur 6 plans
GALILEO - Europe 30 sur 3 plans
GLONASS - Russie 7 opérationnels 3 sur 3 plans
Beidou - Chine projet
Vers la solution GNSS ? 586 sat. Av.
géostationnaires sur 7 fréquences
40
1889 et 1901 le kilogramme ltkggt
Le kilogramme est lunité de masse. Il est
égal à la masse du prototype international du
kilogramme choisi par le C.I.P.M. .
(10-9)
41
Le transfert, aujourd hui...
42
1948 l ampère ltAgt
L ampère est lintensité dun courant constant
qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles,
rectilignes, de longueur infinie, de section
circulaire négligeable et placés à une distance
de 1 mètre lun de lautre dans le vide,
produirait entre ces conducteurs une force égale
à 2 10-7 newtons par mètre de longueur. La
définition de lampère revient à fixer exactement
la valeur en unités SI de la perméabilité
magnétique du vide ?0.
43
Métrologie des grandeurs électriques

• Électrodynamomètre ... ?
• Condensateur de Lampard (3 b., ...)
• Électromètre (V), piles, alimentations
  stabilisées
• Pont ? / 4 et R (?) calculable , R étalon
  (4b.)
• Étalons de conservation
• Références de tension à Effet Josephson
• Références de résistance à Effet Hall
  Quantique
• Valeurs recommandées
• pour les constantes physiques.

44
Condensateur calculable de Lampard
?longueur utile ? 138,25 mm ?C? 0.375 pF

G. Trapon et al, Metrologia, 40 (2003) 159-171
45
Les effets quantiques de la métrologie électrique
Prise en compte du modèle de l électrodynamique
quantique, non démentie par lexpérience au
présent niveau d exactitude h constante de
Planck e charge élémentaire
effet Hall quantique
effet Josephson
2 10-8 (dir.) 4 10-9
3 10-7 (dir.) 9 10-8 (Codata)
46
1967 le kelvin ltKgt
Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la
température thermodynamique du point triple de
leau.
(10-7)
47
Métrologie des température (s)
48
Le marché des capteurs de température
Des références nouvelles le  diviseur  de
température
From Jesse Yoder, Flow Research , jan. 2000
49
Des références nouvelles en dessous de 1 K
thermomètre à pression de fusion, thermomètre
acoustique à second son
50
1979 la candela ltcdgt
La candela est lintensité lumineuse, dans une
direction donnée, dune source qui émet un
rayonnement monochromatique de fréquence 540 1012
hertz et dont lintensité énergétique dans cette
direction est 1 / 683 watt par stéradian.
(10-4)
51
Radio- et photométrie sources à fort
flux sources à comptage de
photons détecteurs  pièges  rayonnements de
haute énergie Métrologie de
lapparence Autres capteurs photo-biologiques,
autres grandeurs
Courbes V(l) et V (l)
Efficacité lumineuse spectrale
Longueur donde (nm)
52
Unités de base du Système international
m
cd
point triple H2O
kg
Prototype
K
horloge Cs
s
mol
A
53
Plan indicatif III

• Une méthodologie pour la mesure
• Un système de références cohérent mais disparate
• Unités et constantes physiques fondamentales
  perspectives

54
Construire un système dunités

• Décrire un ensemble de champs disciplinaires où
  les grandeurs sont interdépendantes
• -gt des lois physiques
• Choisir des références pour certaines de ces
  grandeurs, de façon totalement conventionnelle
• -gt des unités
• En déduire les unités pour les autres grandeurs à
  partir des  lois physiques 
• -gt un système dunités
• Lunité de chaque grandeur est définie dune
  manière unique, sans facteur numérique superflu
• -gt cohérent et rationalisé

FM g
EUIF.dl
55
Unités  des théoriciens  ?
h (/ 2p) 1 c0 1 G 1 e 1 kB
1
56
Unités  atomiques  (aujourdhui) physique
atomique, physique quantique
Système dunités (incohérent, il faut choisir un
nombre réduit de ces références) adapté à la
description du champ disciplinaire de
lélectrodynamique quantique, à léchelle
atomique en particulier.
57
Unités  naturelles  (aujourdhui) physique des
particules
Système dunités (incohérent, il faut choisir un
nombre réduit de ces références) adapté à la
description du champ disciplinaire de la physique
des particules, en particulier.
58
Ch.J.Bordé (AS, président des séances de la CGPM)
 Le système SI est en décalage croissant
avec la Physique moderne tant au niveau du cadre
conceptuel que des techniques de mesure Les sept
unités de base sont toutes ? pathologiques à cet
égard Ceci est dû à laccélération
considérable des découvertes scientifiques sur
seulement quelques dizaines dannées alors que le
temps de réaction des institutions
métrologiques est nécessairement long 

• Vers le gel de la valeur numérique des
  constantes physiques fondamentales introduites
  dans des lois physiques
• bref exemple du mètre

59
Le mètre et la seconde
1795 Méridien terrestre
10-4
1889 Prototype CIPM
10-7

• 1960 Multiple de la longueur donde dune raie
  démission atomique (krypton)

gt10-9
1967-68 Seconde multiple de la période dune
transition atomique dans létat fondamental de
latome de césium
lt10-14
60
(No Transcript)
61
K le prototype

• étude de la stabilité du prototype
• lt gt
• mesure dune constante physique fondamentale où
  intervient la masse

(10-9)
62
III.a

• Le kilogramme et les constantes physiques
  fondamentales
• -gt Avogadro et les sphères de silicium

63
La constante dAvogadro NA et la mole ltmolgt
(1971), unité de quantité de matière
La mole est la quantité de matière dun système
comptant autant d entités élémentaires quil y a
datomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12.

• James C. Maxwell
• If we wish to obtain standards of length, time
  ans mass wich shall be absolutely permanent,
• We must seek them () in the wavelength, the
  period of vibration and the absolute mass of
  these imperishable and unalterable and perfectly
  similar molecules...

64
L accumulation d ions (PTB) m N.mAu
Produire, conduire, accumuler et peser des ions
Au,
N I/e I étant mesuré par les effets
quantiques JE et QHE
65
La réalisation d un cristal macroscopique de
silicium
Mesure de NA
66
Ajustement à partir dautres domaines de la
physique
Quelques résultats
67
III.b

• Le kilogramme et les constantes physiques
  fondamentales
• -gt Planck et la balance du watt

68
La  balance du watt  mesurer h, relier masse
et grandeurs électriques
Phase statique  loi de Laplace Phase
dynamique loi de linduction                    
    mg - I L B (1) U - v
dF/dz (2)   (1) et (2) ? mgv UI
U et I ? KJ-1 et KJ-1RK-1 ? h
69
Les effets quantiques de la métrologie électrique
Prise en compte du modèle de l électrodynamique
quantique, non démentie par lexpérience au
présent niveau d exactitude h constante de
Planck e charge élémentaire
effet Hall quantique
effet Josephson
2 10-8 (dir.) 4 10-9
3 10-7 (dir.) 9 10-8 (Codata)
70
Les balances du watt
Mouvement global
FR
Vide
Faible Pél
gravimètre atomique
71
Un très récent résultat publié NIST (USA)
h 6.62606901 10-34 Js uh/h 5.2 10-8
Metrologia. (Octobre 2005)
72
III.c

• Le kilogramme et les constantes physiques
  fondamentales
• -gt perspectives

73
Envisager de changer la définition du kilogramme
? Fixer h

• Quelques tendances, quelques prérequis
• Fixer la constante de Planck h plutôt que la
  constante dAvogadro NA (utilisable pour la mole)
• --gt nouvelle définition du kg
• Résoudre au préalable le désaccord expérimental
  constaté à léchelle de 10-6 entre la mesure
  directe de NA et  le reste  (composition
  isotopique du Si)
• Améliorer lexactitude des mesures de h
• Valider les expressions de RK et KJ en fonction
  de e et h condensateur de Lampard, triangle
  métrologique et approche indirecte

74
Le  triangle  de la métrologie électrique
(N.Feltin, F.Piquemal et al.)
Exactitude de cette relation sans dimension ?
10 -8 ?
75
La constante de structure fine a
La dérive au cours du temps de a peut être
majorée 1/a da/dt (-0,4  16) 10-16 y-1

76
III.d

• Unités et constantes physiques fondamentales
• -gt un pas décisif vers les
•  unités des théoriciens  ?

77
(No Transcript)
78

• la température thermodynamique

Prise en compte du modèle de la thermodynamique
statistique , non démenti par lexpérience au
présent niveau dexactitude kB constante de
Boltzmann
79
Envisager de changer la définition du kelvin
?Fixer kBoltzmann

• Quelques tendances
• Actuellement, reproductibilité à 273,16 K --gt
  0,03 mK
• Méthodes de mesure de kB, à Ttpw
• Thermomètre acoustique dans un gaz (1,7 10-6
  NIST)
• mesure en cavité résonnante sonore et
  électromagnétique du rapport Vson/c
• mesure de R limitée par la connaissance de NA
• Thermomètre à gas à volume constant
• Pyrométrie sur un corps noir
• Thermomètre à bruit
• Spectroscopie moléculaire UHR
• Mesure de kB/m, donc accès à kB/h via une
  mesure de h/m
• Accroître lexactitude

80
Envisager de changer la définition de lampère si
h c fixées ?Fixer e ? Garder m0 ?
Système SI actuel e0 est connu exactement --gt
(via c0 et m0)

• Fixer la valeur numérique SI de e (estimée via
  RK, KJ, et h)
• e0 non exactement connu

Constante de structure fine a (couplage
EDQ-matière)
Quelle  charge  ou  impédance  unité 
? Choix en discussion
81
En guise de conclusion ...

• 1948, 1983 établir le lien entre  constantes
  fondamentales  et  unités SI 
• Une généralisation probable, à terme (2011), à
  lensemble des unités SI
• Un impact sur les techniques de mesure

Merci de votre attention.
82
(No Transcript)
83
Mesure de  c  dans les années 70
c0 l n 299792458,0 (1,2) m s-1
84
la psychostasie...
85
Masse de référence et mesure de h
86
Un peu dhistoire

• Des unités  naturelles  liées à laction de
  lhomme
• ligne, pouce, empan, pied, coudée, aulne,
  yard... journal, hommée, fauchée grain,
  livre(s), minot, setier, boisseau
• Des unités communes aux masses et monnaies
• talent, mine, sicle, obole, drachme, dusage
  commercial et monétaire (valeurs fixes et
  quantités variables)
• Des tentatives dunification dinspiration
   politique 
• le programme carolingien unitaire, dinspiration
  religieuse, des tentatives centralisatrices,
  couronnées de succès pour la monnaie (Charles le
  Chauve, Philippe le Long) mais pas les mesures
  (Philippe VI, François I, Louis XII, etc.) sauf
  pour le commerce maritime (Colbert) en Europe
• la construction de l identité allemande,
  lhomogénéisation dans lempire britannique

87
La loi de Germinal an III ( la mécanique )
premier arbitrage en faveur des technologies
instrumentales
On appellera mètre la mesure de longueur égale à
la dix-millionième partie de l'arc du méridien
terrestre compris entre le pôle boréal et
l'équateur. On appellera gramme le poids absolu
d un volume d eau pure, égal au cube de la
centième partie du mètre, et à la température de
la glace fondante. le franc
88
Triangulation de Dunkerque à Barcelone (Delambre,
Méchain) 1792-1799
Prototype (de fait, 1799) 10-4
Mètre en marbre,  étalonné  sur le méridien
89
Etude et nettoyage des étalons nationaux en Pt-Ir
Rugosimétrie optique
Analyse de désorption
Cartographie X
Microscopie
Bombardement ionique,
90
Quelques résultats
Rugosimétrie optique
Contrôles gravimétriques
D 35 vs modèle
35 vs K (125y)
91
Evolution des prototypes nationaux sur 120 ans
Evolution des écarts à K depuis 1889
92
Augmentation globale ??
93
Diminution globale ??
94
(No Transcript)