Les units de mesures aujourdhui et les dfis

Les unités de mesures aujourd'hui et les défis de demain Maguelonne Chambon Février 2017

Loi en France Loi du 4 juillet 1837 Applicable au 1 er janvier 1840 2

La Convention du mètre Les dix-sept premières nations signataires de la convention du mètre La république Française, l’empire Austro Hongrois, l’empire Allemand, le royaume de Belgique, l’empire du Brésil, la confédération Argentine, le royaume du Danemark, le royaume d’Espagne, les Etats-Unis d’Amérique, le royaume d’Italie, la république du Pérou, le royaume du Portugal et des Algarves, l’empire de toutes les Russies, le royaume de Suède et de Norvège, la confédération Suisse, l’empire Ottoman, la république du Vénézuéla. 3

La Convention du mètre Traité diplomatique u Dépositaire : la France u 58 pays signataires en 2017 (dont 27 pour l’Europe « géographique » + la Turquie) Conférence générale des poids et mesures - CGPM Comité international des poids et mesures - CIPM Bureau international des poids et mesures - BIPM 4

Le BIPM < 2009 Pavillon de Breteuil / Sèvres avant 1875 ! > 5

Le BIPM travaille avec les gouvernements, les NMI, les associations en charge de l’accréditation au niveau international, pour le maintien de la confiance des systèmes de mesure pour la science, les industries et la Société. agit sous l’égide des NMI et des Etats membres pour traiter avec d’autres organisations internationales comme le WTO (World Trade Organisation), le WMO (World Meteorological Organisation) le WHO (World Health Organisation), l’IFCC (International Federation of Clinical Chemistry), l’ILAC (International Laboratory Accreditation Co-operation), l’OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale), etc. 6

La métrologie en France – les acteurs Métrologie en 1875 OP : Observatoire de Paris (1667) u CNAM : Conservatoire national des arts et métiers (1794) u Métrologie entre 1875 et 1969 LCIE : Laboratoire Central des Industries Electriques (1882) u LNE : Laboratoire national d’essais (1901) u CEA : Commissariat à l’énergie atomique (1945) u 7

La métrologie en France – les acteurs § Le LNE : en charge de la politique nationale de recherche en métrologie. Pilotage du réseau de métrologie § 9 autres laboratoires CNAM (LNE-LCM) Ø OP (LNE-SYRTE) / temps et fréquences Ø CEA (LNE-LNHB) / rayonnements ionisants Þ LNE+CNAM (LNE+LNE-LCM) / chimie et biologie, électricité & magnétisme, math & stat, température, mécanique, radiométrie et photométrie Ø Ø Ø Ø LNE-CETIAT (humidité, anémométrie, débit liquide - eau) LNE-LTFB (temps et fréquences – densité spectrale de phase) LNE-LADG (débit gaz) LNE-ENSAM (pression dynamique) LNE-IRSN (dosimétrie neutron) LNE-TRAPIL (débit liquide pour les hydrocarbures)

Métrologie ? Science de la mesure u Mots clés ¢ Valeur ¢ Unité ¢ Incertitude de mesure (précision) ¢ Traçabilité au Système International d’unités (SI) (à une référence) u Un système d’unités reconnu ¢ Un étalon ¢ Un instrument de mesure ou une méthode 9

Incertitude de mesure Mauvaise incertitude de mesure avec un biais Pas de biais mauvaise incertitude de mesure Bonne incertitude de mesure avec un biais Pas de biais bonne incertitude de mesure 10

La métrologie pour quoi faire ? La métrologie et les mesures de grandeurs font partie de notre vie quotidienne Mesures et essais sont des arbitres dans beaucoup de cas Les mesures instaurent la confiance entre partenaires Les mesures sont un outil permettant de prendre une décision Les grandeurs métrologiques sont universelles Þ Moyens : assure une cohérence universelle sur une planète partagée Þ Met en place un ensemble de techniques et de savoir-faire comparables en tout lieu et tout temps

La métrologie pour quoi faire ? Dans un grand nombre de cas, de 6000 avant JC jusqu’à maintenant, les unités ont toujours été pragmatiques et reliés au genre humain afin de permettre des mesures pratiques et faciles Les unités se devaient d’être utiles Les unités étaient définies par un pouvoir (local, regional, national, …) Les mesures Confortent la vie quotidienne, les besoins quotidiens Etaient un moyen de contrôler / vérifier lestransactions commerciales, imposer des taxes Sont utilisées pour des applications scientifiques

Metrologie ? Clepsydre égyptienne Poids de “Nîmes” utilisés en pharmacie Coudée égyptienne Ministre des finances de Toutankhamon “Mâya”. 52, 3 cm divisée en 28 graduations de 1, 86 cm

Metrologie ? Besoin de mesures incontestables ….

recherche Etalonnage Le SI Essais - Analyse Inspection Certification utilisateurs 1 5

Les unités de base du SI unité grandeur kilogramme Masse mètre Longueur seconde Temps ampère Courant électrique kelvin Température candela Intensité lumineuse mole Quantité de matière

Les unités de base du SI 1889 1960 1967 s 1954 1893 1948 K m kg A mol 1971 cd 1948 1793 1889 1960 1983 1889

Les unités de base du SI kilogramme ampère kelvin mètre seconde candela mole

La seconde « 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 » Mise en pratique : horloge 19

La seconde Les étalons u Horloges à quartz, horloges atomiques, masers à hydrogène ¢ Comptage d’intervalles de temps Les instrumentations u Récepteurs spéciaux pour comparaisons Dissémination u Signaux codés de France Inter u Horloge parlante (3699) u Satellites (GPS, Galileo, …) u Lien par fibre optique 20

Le mètre « Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde » Mise en pratique : lasers 21

Le mètre Les étalons de référence (dans le vide) u Lasers de différentes longueurs d’onde ¢ UV, visible, IR Les instrumentations – moyens de comparaison u Interféromètres mécanique, optique, machine 3 D Dissémination u Dans l’air, artefacts de référence (cales, bagues, cylindre, …) u Autres : mètre à ruban pieds à coulisse, …. 22

Le kilogramme « Le kilogramme est l'unité de masse ; il est égal à la masse du prototype international du kilogramme » Cylindre en Pt-Ir 39 x 39 mm² 1 kg exactement Pour la France : prototype n° 35 23

Le kilogramme Les étalons u Artéfacts ¢ 1 µg à 5 tonnes Les instrumentations u Comparateurs de masse / balances Dissémination u Masses de références codifiées : E 0, E 1, E 2, F 1, F 2, M…. 24

L’ampère « 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 x 10– 7 newton par mètre de longueur » résistance UR = R x IR tension courant Mise en pratique : piles, résistances 25

L’ampère Les étalons u Piles, résistances, condensateurs u Etalons quantiques (puces) Les instrumentations u Ampèremètre, voltmètre, diviseur Dissémination u Piles, résistances, condensateurs 26

Le kelvin « Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273, 16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau » Mise en pratique : cellules scellées et thermomètres 27

Le kelvin Echelle de température avec points fixes u Points triples u Points de congélation u Points de fusion He, e-H 2 (< 5 K) Ne (24, 55 K), O 2 (54, 36 K), Ar (83, 8 K), Hg (134, 31 K), H 2 O (273, 16 K) Ga (29, 8 °C) In (156, 59 °C), Sn (231, 8 °C), Zn (419, 52 °C), Al (660, 3 °C), Ag (961, 8°C), Au (1 064, 2 °C), Cu (1 084, 6 °C) Les instrumentations u Fours, bains Dissémination u Thermomètres, cellules scellées 28

La candela « 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 » Mise en pratique : lampe comme Fonctions colorimétriques « fondamentales » source lumineuse s( ) m( ) 0 400 l( ) 500 600 700 Longueur d'onde (nm) 29

Que voient les daltoniens ? ? Protanope (absence de R) Normal Deutéranope (absence de V) Viénot, & al. 1995 30

La mole « 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 » Mise en pratique : matériaux de références Instrumentation : balance, mesure gravimétrique 31

Quelques autres unités Rayonnements ionisants u Activité : le becquerel (Bq) – comptage par seconde des transitions et en fonction du rayonnement (alpha, béta, gamma, . . ) u Dosimétrie : le gray (Gy) – dose absorbée dans 1 kg qui reçoit une énergie de 1 J Mesures d’angles – unités sans dimensions u Angle plan : radian (rad – m. m-1) u Angle solide : stéradian (sr – m². m-2) 32

Redéfinition des unités 33

La re-définition de certaines unités Le principe u éviter autant que faire se peut, les artefacts ¢ en général très sensible à l’environnement (température, pression, humidité, vibration, … u avoir des définitions « plus universelles » u plus de simplicité pour la mise en pratique u plus pérenne u qui améliore « la précision » des mesures par rapport aux définitions actuelles 34

La redéfinition de certaines unités Basée sur des constantes de la physique u La première en 1983 : le mètre ¢ u On a fixé la valeur de la vitesse de la lumière c = 298 792 458 m/s En 2018, proposition de changement de définition en fixant des valeurs ¢ kilogramme : constante de Planck, h ¢ kelvin : constante de Boltzmann, k ¢ ampère : charge de l’électron, e ¢ mole : constante d’Avogadro, NA 35

Quelques exemples d’applications 36

Applications de localisation et navigation synchronisation et localisation Dans les télécommunications (spatial, téléphone cellulaire, . . ) Transport de l’énergie Les agences spatiales Transport : localisation de voitures, bus, Localisation des aéronefs Migration d’animaux sauvages, connaissance de leurs modes de vie Géodésie, surveillance de la terre: montagnes, tremblements de terre, dérive des continents Transport ,

Applications de localisation et navigation Les progrés sur les horloges induisent des progrés sur le transfert de temps, par conséquent sur la localisation et la navigation permet un positionnement avec une précision au meilleur niveau inférieur à 1 cm. Ceci permet de nombreuses applications La principale difficulté est la synchronisation entre le satellite et les horloges des récepteurs 1 µs correspond à une distance de 300 m en terme de position A l’heure actuelle, des nouveaux instruments, nouvelles technologies sont développés en lien avec le system GPS, GLONASS

Transport routier Deux points principaux Les véhicules utilisés : voitures, autobus, camions, … Les infrastructures routières Véhicules : voitures, autobus, camions De plus en plus d’utilisation d’électroniques Véhicules autonomes Surveillance de l’émission de polluants Développements mécaniques, et moteurs hybrides Infrastructures routières Ponts, tunnels, Qualité des routes Sécurité

road transport Infrastructure routière: exemple de pont Viaduc de Millau (Vallée du Tarn) Pont suspendu longueur : 2460 m hauteur : 343 m largeur : 32 m câbles : 154 concentration de savoir faire & instruments de haute performance pour la construction - pour la surveillance journalière

Infrastructure routière Construction Piloter au millimètre prés la construction du pont Descente de chaque élément du pont dans un espace vide aprés translation (translateur) Vitesse de 9 m/ h Nécessité de mesures traceables en utilisant le GPS, interférométrie laser , chaque descente d’élément est guidée par GPS et laser Câbles Chaque cable est constitué de 45 à 91 monotorons (diamètre de 150 mm²) Doit supporter une force de 1, 5 MN à 25 MN

Infrastructure routière Pont sous surveillance constante Équipé avec un grand nombre de capteurs Doit détecter tous les mouvements du pont Mesurer la fatigue journalière (en particulier celle des câbles) Anémomètre accéleromètre, capteur de température, inclinomètre, capteur optique de traction Détecter les mouvements du pont au niveau de 0, 001 mesurer le mm comportement du pont par grand vent contrôler les oscillations aléatoires qui peuvent affecter la structure métallique (accéléromètre)

Férroviaire, …. Train à grande vitesse Infrastructure adaptée à la grande vitesse (tunnel, pont, rails) Caténaires pour haute tension, fortes contraintes mécaniques, Transmission d’informations terraintrain Mesures critiques En dynamique (pression, tension) Mécanique (force, couple, caténaires, rails, . . ) Haute tension (motrice, caténaire, transport de l’énergie) Consommation d’énergie (lièe à la stabilité mécanique)

Conclusion Pourquoi la métrologie est elle utile ? La métrologie renforce le commerce et les échanges si la comparabilité internationale est établie La métrologie renforce la réglementation Elle est un support à l’industrie : innovation et développements technologiques Élément essentiel de la qualité de la vie

Conclusion Pourquoi la métrologie est elle utile? Environnement : mesure des polluants de l’air, de l’eau, du sol, mesure du changement climatique, … Santé: diagnostique, appareils médicaux, imagerie médicale, thérapie, médecine légale, analyses biologiques Sécurité : cryptographie, scanner, voiture autonome Transport : route, chemin de fer, avions, bateaux, voiture Spatial and astronomie : positionnement, télécommunications Technologies : nouveaux matériaux, bio-tech, nanotechnologies,

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