1 Histoire et définitions
L'unification des poids et mesures est un enjeu économique et social depuis longtemps, mais ce n'est que depuis le XVIIIème siècle que nous bénéficions d'un système unifié de mesure. Les tous premiers systèmes de poids et mesures étaient fondés sur la morphologie humaine. Les noms d'unités faisaient référence aux parties du corps, et plus particulièrement, à ses dimensions : la brasse, la coudée, le pouce, la main, le pied,… Par conséquent, ces unités de mesures étaient très variables, d'une ville à l'autre, d'un métier à l'autre, et selon le type d'objet à mesurer [BIPM].
Avec le développement de l'industrie et des échanges commerciaux, le besoin d'harmonisation des poids et mesures était indispensable pour mettre fin aux litiges et aux fraudes. La figure A.1 représente un extrait des cahiers de doléances du tiers état de Vendôme (Loir-et-Cher) où la population demande une uniformisation des poids et mesures, en 1789.
Fig. A.1. - Extrait des cahiers de doléances du tiers état de Vendôme (Loir-et-cher).
Quelques années après cette demande des Vendômois, qui est représentatif des attentes d’une catégorie de Français de cette époque, il a été convenu d'adopter des unités se référant à des étalons matérialisés.
Assemblée électorale le jeudi 5 Mars 1789, en la grande salle de l’Hôtel de Ville.
- Population : 1207 feux.
- Participants : les députés des compagnies, corps autorisés et communauté d’arts et métiers de la ville…
- Aubergistes : Daflon. - Avocats : Ballyer, Bourreau. - Boulangers : Londiveau. - Chapeliers : Drouin.
- Couteliers et arquebusiers : Pasquier l’aîné.
- Habitants libres : Boutrais (bourgeois), Dehargne (bourgeois) etc... " Le Tiers État de Vendôme demande :
50 - Qu’il soit réfléchi aux moyens de réduire [...] les coutumes, poids et mesures, en une seule coutume, un seul poids et une seule mesure.
Annexe A 186 | P a g e Une des premières unités à avoir été défini est le mètre, explicité dans le décret de l'Assemblée nationale française du 7 avril 1795 introduisant le système métrique décimal, comme la longueur égale à la dix-millionième partie du quart du méridien terrestre, évaluée à partir de la mesure de l'arc de méridien entre Dunkerque et Barcelone. Dans la même idée, le kilogramme a été défini à l'origine comme étant la masse d'un volume donné d'eau (1 dm3).
Les premiers étalons prototypes du mètre et du kilogramme ont été déposés en 1799 aux Archives de la République de France, et dédiés « À tous les temps, à tous les peuples ». La diffusion de ces unités se faisait ensuite par la création de copies des étalons. Un exemple est toujours visible sur la façade du ministère de la justice, place Vendôme (place qui tire son nom de l’ancien emplacement de l’hôtel particulier des ducs de Vendôme), à Paris (fig. A.2).
Fig. A.2. - Mètre étalon sur la façade du ministère de la justice, place Vendôme à Paris.
Le système métrique décimal développé en France s'est rapidement diffusé hors de nos frontières. Cependant, la dépendance des pays envers les étalons de mesure, et le manque d'uniformité dans la réalisation des copies limitèrent la normalisation internationale souhaitée. Pour résoudre ces difficultés, le Bureau international des poids et mesures (BIPM) fut fondé par la signature d’un traité diplomatique connu sous le nom de « Convention du Mètre », le 20 mai 1875.
Le BIPM a eu pour mission, dès 1875, d'établir et de diffuser le système métrique dans le monde par la conservation des prototypes internationaux du mètre et du kilogramme, par la fabrication de copies de ces prototypes, par la conservation des nouveaux prototypes, par la comparaison des différents systèmes d'étalons nationaux de mesure aux prototypes internationaux du mètre et du kilogramme, et par le perfectionnement des méthodes de mesure, afin de promouvoir la métrologie et donc d'assurer l'unification mondiale des mesures [BIPM].
Le système métrique a été diffusé dans le monde pendant plusieurs décennies. Ce système a évolué en 1960, avec la 11ème Conférence générale des poids et mesures, qui adopta le Système international d'unités, le SI.
Annexe A 187 | P a g e Les définitions des unités de base du SI ont été révisées au cours des années pour répondre à l'évolution des besoins et à l'accroissement de l’exactitude requise pour les mesures industrielles et commerciales.
Ainsi, la mise en pratique de la définition du mètre, comme unité de longueur, fondée sur une partie du quart du méridien terrestre était difficile à mettre en œuvre. Le mètre a été défini par un artefact jusqu'en 1960, date à laquelle sa définition a été modifiée pour être fondée sur la mesure de la longueur d'onde de la radiation orangée émise par des atomes excités d'un isotope de krypton. Cette définition a ensuite été remplacée en 1983 par la définition actuelle, fondée sur la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide [SI] :
Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde.
De la même façon, toutes les unités de base du Système international d’unités ont été définies. Ce système compte sept grandeurs de base : la longueur (le mètre : m), la masse (le kilogramme : kg), le temps (la seconde : s), le courant électrique (l’ampère : A), la température thermodynamique (le kelvin : K), la quantité de matière (la mole : mol) et l’intensité lumineuse (la candela : cd). Par convention ces sept grandeurs sont considérées comme étant indépendantes mais en réalités elles ne le sont pas. Ainsi la définition du mètre fait appel à la seconde, la définition de l’ampère fait appel au mètre, au kilogramme et à la seconde, la définition de la mole fait appel au kilogramme, et la définition de la candela fait appel au mètre, au kilogramme et à la seconde [SI].
Les définitions des unités de base sont les suivantes [SI] : - 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.
- 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 2.10-7 newton par mètre de longueur.
- Le kilogramme
Le kilogramme est l’unité de masse ; il est égal à la masse du prototype international du kilogramme. - Le kelvin
le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau.
- La mole
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 ; son symbole est mol.
2. Lorsque l’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.
Annexe A 188 | P a g e
- La candela
La candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540.1012 hertz et dont l’intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.
Les domaines d'application de la métrologie ne sont limités que par l’esprit humain, et au fur et à mesure que de nouveaux domaines d'étude deviennent accessibles à la connaissance, il faut établir de nouveaux instruments de mesure et parfois même définir de nouvelles unités de mesure.
2 Organisation de la convention du mètre
Au niveau international, le BIPM a été créé, comme nous l‘avons vu, par la Convention du mètre en 1875. A cette date, dix sept états ont signé ce traité diplomatique afin d’assurer l’uniformité et la traçabilité des mesures. A ce jour, cinquante et une nations ont ratifié ce traité.
La convention du mètre confère au BIPM sous la surveillance du Comité international des poids et mesures (CIPM), placé lui-même sous l’autorité de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM), le pouvoir d’agir dans le domaine de la métrologie mondiale en développant les étalons de mesures et en apportant la preuve de l’équivalence entre les étalons des différents pays par la mise en place d’intercomparaisons. Le CIPM s’appui sur dix comités consultatifs et travail en collaboration avec des organismes de normalisation ou faisant référence dans des domaines spécifiques telle que la Commission internationale de l’éclairage.
La figure A.3 offre une vision globale de l’organisation de la métrologie scientifique, au niveau mondial, qui découle de la Convention du Mètre.
Annexe A 189 | P a g e 3 La métrologie : science de la mesure
La science de la mesure et ses applications n'intéressent pas uniquement les milieux scientifiques. Elle est indispensable à tous les domaines de la vie dont nous dépendons (commerce, industrie, télécommunication, médical, militaire,…).
Toutes les mesures affectent notre environnement quotidien. Des mesures erronées ou inexactes peuvent entraîner de mauvaises décisions, et peuvent avoir de sérieuses conséquences sur le plan humain, environnemental, financier,... Il est donc important de mettre en œuvre des mesures fiables, agréées et approuvées, par les autorités compétentes. C'est pourquoi les métrologues mettent en œuvre de nouvelles techniques de mesure, conçoivent de nouveaux instruments et procédures, afin de satisfaire la demande, sans cesse croissante, d'améliorer l'exactitude, la fiabilité et la rapidité des mesures.
Afin que ceux qui ne sont pas directement impliqués dans le domaine scientifique aient confiance dans la fiabilité et l'exactitude des mesures faites par les métrologues, il est fondamental que les instruments utilisés dans le cadre des systèmes de mesure, au niveau local ou national, soient étalonnés, et que les étalonnages puissent être traçables à un système d'étalons ou de matériaux de référence accepté au niveau international. La figure A.4 présente la chaîne de raccordement des étalons.
Fig. A.4. - Chaîne de raccordement des étalons [EUR 08].
A partir des définitions des unités de base du SI fixées par le BIPM, les laboratoires nationaux de métrologie ont a charge d’assurer leur réalisation, leur conservation, leur amélioration et leur transfère dans leur pays. Ces laboratoires sont regroupés au sein d’organisations découpées selon les régions du monde (EURAMET pour l’Europe, SIM pour l’Amérique du Nord et l’Amérique du Sud, AFRIMETS pour l’Afrique,…). Ces organisations ont a charge de coordonner la coopération des différents laboratoires nationaux de métrologie au travers de la mise en place de projets de recherche communs, d’intercomparaisons,…