La barre de platine-iridium utilisée comme prototype du mètre de 1889 à 1960.

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 « métrologie molle ».

Définition

Devant la mondialisation et la multiplicité des échanges qu'elle engendre, des organisations internationales^{[N 1]} 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)^[1] d'où est extraite la définition suivante : la métrologie est la « science des mesurages^{[N 2]} et ses applications ; [elle] comprend tous les aspects théoriques et pratiques des mesurages, quels que soient l'incertitude de mesure et le domaine d'application »^[2].

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 75,6 kg ; ici, la grandeur à mesurer ou le mesurande est la masse de l'individu et le mesurage donne la valeur unique de 75,6 kg. 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 76 − 75,4 (différence entre la valeur maximum et la valeur minimum de l'expérience), soit 0,6 kg.

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 appliquée, etc., et les organismes de métrologie eux-mêmes.

Principes fondamentaux

1. 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.
2. Incertitude : la variabilité des valeurs obtenues dans un mesurage traduit est l'incertitude de mesure^{[N 2]}. 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^[3].

Histoire abrégée

Coudée de Maya (ca. 1330 av. J.-C.) et divers poids au second plan.

Détermination d'un « pied étalon » dans une ville d'Allemagne à la fin du Moyen Âge ou au début de l'Époque moderne, d'après une xylographie parue à Francfort vers 1575 dans le livre Geometrei de Jakob Kölbel.

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 ancienne^[4].

Usage des nouvelles mesures (1800).

Jusqu'au XVIII^e 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 — moissonnage par exemple — que peut fournir une personne en une journée)^[5].

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 Âge^[6]. 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 importants^[7] :

• 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 XX^e 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

Sceau original du BIPM.

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^{[N 3],[8]}. 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 industrialisé^[9].

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^[10].

Les travaux scientifiques des laboratoires du BIPM se répartissent en fonction des unités SI : masse, temps et fréquences, longueurs, électricité, photométrie et radiométrie, rayonnements ionisants, température, quantité de matière, etc.

Le BIPM n'est soumis qu'à la surveillance du CIPM, lui-même placé sous l'autorité de la CGPM^[11].

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^[12] :

• 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 ISO 9000), grâce au système des chaînes nationales d'étalonnage pour les six domaines suivants : électricité-magnétisme, longueurs, masses et grandeurs apparentées (force, pression, viscosité, accélération, 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 3 mai 2001. Il est également notifié pour la directive 2009/23/CE 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 ISO 9001 fixent aussi les procédures à respecter par les entreprises dans le domaine de la métrologie^[13].

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^[17].

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 niveaux^[18] :

1. Au niveau supérieur : le laboratoire national chargé de la conservation des étalons nationaux, dits ici primaires ;
2. Au niveau intermédiaire : les organismes accrédités à effectuer le transfert vers l'industrie par des étalons dits secondaires ;
3. 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.

Schéma directeur d'une chaîne d'étalonnage industrielle.

Exemple simplifié

Un jeu de cales étalon.

Une entreprise de fabrication mécanique possède un parc d'instruments de mesure de longueur (pieds à coulisse, micromètres, 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 niveau 2 ;
• 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 niveau 2 du laboratoire sont étalonnés par un laboratoire national de niveau 1 attaché au LNE ;
• au niveau 1 de la chaîne d'étalonnage, le laboratoire national emploie des cales étalon de classe 00 et des comparateurs adéquats pour étalonner les cales de classe 0 ; les étalons de niveau 00 du laboratoire national sont comparés aux étalons internationaux par le BIPM.

Organismes liés à la métrologie

Normes

Notes et références

Annexes