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 Métrologie ___________________________________________________________________________________

Branche de la physique concernant la « science des mesures 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. La mesure ou mesurage est un processus consistant à obtenir expérimentalement une ou plusieurs valeurs que l'on peut raisonnablement attribuer à une grandeur. Un résultat de mesure fiable s'obtient par la maîtrise du processus de mesure. C'est-à-dire la maîtrise des facteurs ayant une influence sur la qualité des résultats délivrés. Ces facteurs sont classés en 5 familles (les fameux 5 M) :

  • Matière,
  • Moyens matériels,
  • Moyens humains,
  • Milieu,
  • Méthode.

-La Métrologie scientifique est la partie de la métrologie qui est chargée de définir les unités de mesure, de les réaliser, de les conserver et de les disséminer (étalons nationaux ou internationaux).

-La Métrologie industrielle, quant à elle, est chargée de transférer les unités de mesure vers les utilisateurs finaux que sont les industriels, les commerçants, les artisans et, en gros, tous ceux qui utilisent des instruments de mesure (comme les écoliers avec leurs règles, rapporteurs, ...). Le transfert des unités de mesure se fait grâce à l'étalonnage. Elle est l'interface entre les laboratoires nationaux de métrologie et nous. Ses acteurs sont les laboratoires d'étalonnage accrédités.

-La Métrologie légale est la « partie de la métrologie se rapportant aux activités qui résultent d'exigences réglementaires et qui s'appliquent aux mesurages, aux unités de mesure, aux instruments de mesure et aux méthodes de mesure et sont effectuées par des organismes compétents ». Ce sont, par exemple, les mesures effectuées dans le cadre de transactions commerciales (mesure du volume de carburant que vous achetez dans une station service, mesure des quantité de produits pré-emballés, mesure de quantité de fruits et légumes, pesage des lettres et colis, mesure de l'énergie électrique consommée par une habitation... ), les mesures effectuées pour définir le prix d'une taxe ou d'une amende (cinémomètres -les fameux radars automobile-, éthylomètres...), les mesures des rejets de polluants (analyseur de gaz d'échappement de véhicule automobile...), les mesures liées à la santé (lit pèse-malade...). La métrologie légale inclut quatre activités principales :

  • l'établissement des exigences légales,
  • le contrôle/l'évaluation de la conformité de produits réglementés et d'activités réglementées,
  • la supervision des produits réglementés et des activités réglementés, et
  • la mise en place des infrastructures nécessaires à la traçabilité des mesures réglementées et des instruments de mesure.

   

Jusqu'à la Renaissance européenne, les grandeurs sont évaluées en comparaison avec des références humaines, comme le pied, le pouce ou la ligne (1/12ede pouce) pour les longueurs (souvent les organes des rois et empereurs), le journal pour la surface (champ gérable par une personne s'en occupant quotidiennement)…Chaque pays, chaque région même, dispose de ses propres unités de mesure. L'Empire allemand ne compte pas moins de 19 pieds de longueurs différentes, le reste de l'Europe 18 autres. 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 objets ayant la même valeur pour tous, sans référence à une personne particulière, bref universel dans le sens « accessible à tous et reconnu par tous », mais il ne s'agit au fond que d'une convention arbitraire. C'est ainsi que l'on prend la circonférence de la Terre comme référence de longueur pour bâtir le mètre.

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Grandeur physique

Grandeur sans dimension

Mesure physique

Étalon

Étalonnage

Unité de mesure

Unités de mesure anglo-saxonnes (Système impérial britannique)

Unités de mesure américaines

Unité de mesure chinoise

Système d’unités

Système de mesure ancien

  • Unités de mesures dans l'Egypte antique
  • Unités de mesures romaines
  • Unités françaises de mesures anciennes
  • Unités espagnoles de mesures anciennes

Système international d’unités (SI)

Liste des unités de mesure

Convention du Mètre

  • La conférence générale des poids et mesures (CGPM)
  • Le comité international des poids et mesures (CIPM)
  • Le bureau international des poids et mesures (BIPM)

Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML)

IMEKO (International Measurement Confederation)

CODATA (Committee on Data for Science and Technology)

LNE (Laboratoire national de métrologie et d'essai)

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Grandeur physique

On appelle grandeur physique toute propriété des sciences naturelles qui peut être quantifiée par la mesure ou le calcul, et dont les différentes valeurs possibles s'expriment à l'aide d'un nombre réel ou d'un nombre complexe, souvent accompagné d'une unité de mesure. La présence d'une unité de mesure n'est pas nécessaire, au sens strict, pour exprimer une grandeur physique. Ainsi, si la masse et la longueur sont des grandeurs qui s'expriment respectivement en kilogrammes et en mètres (ou en multiples ou sous-multiples de ces unités de base), au contraire, l'indice de réfraction d'un milieu conducteur de la lumière s'exprime à l'aide d'un nombre sans unité. On parle dans ce cas de « grandeur sans dimension ».

 

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Grandeur sans dimension

En sciences, une grandeur sans dimension (ou grandeur adimensionnelle) est une quantité permettant de décrire une caractéristique physique sans dimension ni unité explicite d'expression. Elle est constituée du produit ou rapport de grandeurs à dimensions, de telle façon que le rapport des unités équivaut à un. L'analyse dimensionnelle permet de définir ces grandeurs sans dimension. L'unité SI dérivée associée est le nombre 1. On trouve parmi ces grandeurs l'indice de réfraction ou la densité par exemple. Le domaine d'application par excellence des nombres adimensionnels est la mécanique des fluides. Il existe des centaines de nombres dont une grande partie réservée à des sujets très spécialisés. Une liste non-exhaustive est donnée ci-après des nombres adimensionnels les plus courants. Divers domaines d'études conduisent à des expériences sur des modèles réduits, ce qui pose le problème de leur réalisme : les phénomènes aux deux échelles doivent être semblables. Dire que les phénomènes sont semblables revient à dire que certains invariants doivent être conservés lorsqu'on change d'échelle. Ces invariants sont donc des nombres sans dimension qui doivent être construits à partir des grandeurs dimensionnelles qui caractérisent le phénomène. Le premier problème consiste à déterminer quelles sont les grandeurs qui régissent le phénomène et celles qui sont négligeables (l'oubli d'une grandeur essentielle peut conduire à des résultats totalement erronés). Une fois que cette liste est établie, il faut en déduire les nombres sans dimension dont la conservation assurera la similitude.

 

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Mesure physique

C’est l'estimation ou la détermination d'une dimension spécifique (longueur, capacité, etc.), habituellement en relation avec un étalon (ou standard en anglais) ou une unité de mesure. Le résultat de la mesure physique s'exprime en termes de multiple de l'étalon (un nombre réel multipliant l'unité). On pourra citer comme exemple la mesure de distances (kilomètres, miles, lieues) ou la mesure du temps (secondes, heures). À la différence d'une quantité entière d'objets connue de manière exacte, chaque mesure physique est en réalité une estimation et possède donc une certaine incertitude. En sciences naturelles, l'acte de mesurer un objet implique de comparer une caractéristique de l'objet avec une unité-étalon en utilisant un instrument dédié. On pourra citer comme exemples d'instruments de mesure le thermomètre, le voltmètre, le dynamomètre, etc.. Afin d'effectuer une mesure physique avec précision, les instruments de mesure doivent être construits avec précaution et correctement étalonnés. Cependant, chaque mesure possède une incertitude associée, estimateur de la qualité de la mesure. Ceci signifie que, bien qu'une mesure soit donnée de manière usuelle par un nombre suivi d'une unité, elle possède en réalité trois composantes : l'estimation, l'incertitude et la probabilité que la mesure soit comprise dans un intervalle donné. La mesure se distingue habituellement du comptage. Une mesure est un nombre réel et n'est jamais exact. Un compte (ou dénombrement) est un entier naturel et peut être exact. On peut par exemple dire qu'il y a douze œufs dans un carton en les dénombrant. Cependant, certains groupes ne peuvent être facilement dénombrés, et estimer leur nombre par une approche statistique peut être similaire à effectuer une mesure physique. Ainsi par exemple, le dénombrement des étoiles appartenant à la Voie lactée possèdent des marges d'erreurs associées, et peuvent être considérées comme estimées plutôt que comme comptées de manière exacte. La mesure physique est fondamentale dans la plupart des champs scientifiques. La mesure physique est aussi essentielle à un grand nombre d'applications industrielles et commerciales allant de l'ingénierie à la production manufacturière, en passant par la production pharmaceutique ou l'électronique. Avant que les unités du système international soient adoptées dans le monde entier, il existait (de manière simultanée ou non) de nombreux systèmes, plus ou moins pratiques et plus ou moins généralisés en termes d'aires d'expansions, d'utilisations professionnelles ou autres. Il est parfois plus judicieux de choisir une unité non-standard pour mesurer certaines grandeurs physiques. Ce choix peut dépendre notamment de l'ordre de grandeur (il est plus aisé de compter les distances interstellaires en années-lumière, par exemple) ou de l'utilisation que l'on veut en faire. Donner deux grandeurs dans la même unité permet de comparer, et cela facilite l'interprétation des données, même si ça implique de donner un résultat dans une unité qui ne correspond pas à sa dimension. Pour certaines quantités physiques, l'obtention de mesures précises peut être difficile. L'exactitude absolue ne peut être atteinte : des mesures répétées vont varier en raison de différents facteurs comme la température, le temps, les champs électromagnétiques, et, évidemment, de la méthode de mesure. Des techniques statistiques sont appliquées sur des échantillons de mesure. L'une des caractéristiques principales de la mesure physique est l'incertitude qu'elle possède intrinsèquement et elle existe à toute échelle. (Principe d’incertitude d’Heisenberg)

 

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Étalon

Un étalon est une réalisation de la définition d'une grandeur donnée, avec une valeur déterminée et une incertitude de mesure associée, utilisée comme référence. Pour simplifier, un étalon est une matérialisation d'une grandeur donnée dont on connaît la valeur avec une grande exactitude. Un étalon sert à étalonner d'autres étalons ou des équipements qui mesurent la même grandeur. Par extension, le mot étalon est synonyme d'unité de mesure, même si celle-ci n'est pas basée sur un objet réel. Par exemple, l’étalon de la longueur est le mètre. On répertorie :

  • les étalons internationaux, reconnus par les signataires d'un accord international pour une utilisation mondiale
  • les étalons nationaux, reconnus par une autorité nationale pour servir, dans un état ou une économie.
  • les étalons primaires, établis à l'aide d'une procédure de mesure primaire ou créé comme objet par convention
  • les étalons secondaires, établis par l'intermédiaire d'un étalonnage par rapport à un étalon primaire d'une grandeur de même nature.
  • les étalons de référence, conçus pour l'étalonnage d'autres étalons de grandeurs de même nature dans une organisation donnée ou en un lieu donné.
  • les étalons de travail, utilisés couramment pour étalonner ou contrôler des instruments de mesure ou des systèmes de mesure.

Acteurs métrologiques internationaux

  • Le Bureau international des poids et mesures (BIPM)
  • Le Comité international des poids et mesures (CIPM) : la plus haute autorité mondiale en métrologie,
  • La Conférence générale des poids et mesures (CGPM)
  • L'Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML)
  • #CODATA (Committee on Data for Science and Technology)
  • IMEKO (International Measurement Confederation)

Acteurs métrologiques nationaux

  • Le LNE, Laboratoire national de métrologie et d'essai,
  • Le Bureau de la Métrologie de la DGCIS, organisme chargé de la métrologie légale,
  • Les laboratoires d'étalonnage accrédités.

Chaque pays a son propre organisme de normalisation fédéré par l’ISO (Organisation internationale de normalisation).

  • l' Association française de normalisation, AFNOR en France,
  • le American National Standards Institute, ANSI aux États-Unis,
  • le Deutsches Institut für Normung, DIN en Allemagne,
  • l'Institut belge de normalisation, IBN en Belgique,
  • le British Standards Institution, BSI au Royaume-Uni,
  • l' Office fédéral de Métrologie, METAS en Suisse, etc.

Notons que ces organismes nationaux sont, dans leur grande majorité, privés (l'Afnor par exemple est une association type loi 1901) et que les normes qu'ils éditent sont payantes.

 

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Étalonnage

Opération qui concerne les appareils de mesure ou de restitution de données. Deux appareils différents, de conception différente, mais aussi deux appareils de la même gamme (même marque, même modèle), ne réagissent pas exactement de la même manière. Il faut donc une procédure permettant d'obtenir le même résultat à partir de la même situation initiale. On utilise aussi l'anglicisme calibration. Le terme étalonnage est également utilisé en gestion d'entreprise. Il s'agit alors de la traduction de l'anglais benchmarking. Pour les instruments de mesure, l'étalonnage est un réglage ou une caractérisation de la réponse de l'appareil. Pour cela, dans certains cas on utilise un étalon. De manière générale, un appareil de mesure transforme un paramètre physique en une donnée analogique (lecture sur un cadran, tracé d'un feutre sur un papier) ou un signal électrique, qui peut ensuite être converti en données numériques. L'étalonnage vise à s'assurer que les appareils donnent bien le même résultat de mesure. La première application a été dans le domaine économique. En effet, lors d'une transaction, il faut s'assurer que le produit correspond bien à ce qui est annoncé par le vendeur : aire d'un terrain, volume de liquide, masse de matériau, … Il faut donc définir une unité de mesure, et étalonner les appareils de mesure, mètres pour mesurer les longueurs, récipient de contenance déterminée pour vérifier les doseurs, masses étalon pour les balances. La méthode générale consiste à utiliser l'appareil de mesure sur un étalon, et à vérifier que la mesure produite correspond bien à la valeur attendue ; si ce n'est pas le cas, on corrige le réglage de l'appareil (calibrage). C'est l'étalonnage dit « à un point ».

 

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Unité de mesure

Étalon nécessaire pour la mesure d'une grandeur physique. Les systèmes d'unités, définis en cherchant le plus large accord dans le domaine considéré, sont rendus nécessaires par la méthode scientifique dont un des fondements est la reproductibilité des expériences (donc des mesures), ainsi que par le développement des échanges d'informations commerciales ou industrielles. Différents systèmes d'unités existent, mais le système d'unités le plus utilisé est le système international d'unités (SI), dans lequel il y a sept unités de base.

 

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Unités de mesure anglo-saxonnes (Système impérial britannique)

Unités de mesure originaires d'Angleterre et encore utilisées dans certains cas dans les pays anglo-saxons, en particulier au Royaume-Uni. Le pied anglais (environ 30,48cm), dérivé du pied romain, fait son apparition en Angleterre qu'après la Bataille d'Hastings en 1066. Il fut donc probablement introduit par Guillaume le Conquérant. Le ratio de 28:30 entre le pied anglais et le pied français ancien plaide également en faveur de l'hypothèse des intermédiaires normands. Ce système anglais est attesté depuis l'époque de Henri Ier, fils de Guillaume. Il fut confirmé par la Magna Carta en 1215. Le « système impérial d’unités » date de 1824. Il était destiné à l’usage de l’ensemble de l’Empire britannique. Ce système a redéfini les valeurs des unités traditionnelles sans en créer de nouvelles. Les unités anglaises de longueur furent exceptionnellement bien préservées tout au cours de leur histoire. La plupart des unités anglo-saxonnes sont maintenant légalement définies par rapport aux unités SI. Les anglo-saxons utilisent couramment le pouce, le pied, la verge (en : yard) et le mille terrestre (en : mile).

 

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Unités de mesure américaines

Système d'unités anglo-saxonnes utilisé aux États-Unis. De nombreuses unités des États-Unis sont pratiquement identiques à leurs homologues impériales, mais le United States customary units a été élaboré à partir des unités anglaises en usage avant le système impérial qui a été normalisé en 1824. Ainsi, il y a plusieurs différences numériques avec le système impérial. La grande majorité des unités américaines ont été définies à partir du mètre et du kilogramme depuis l'ordonnance de Mendenhall 1893 (et, dans la pratique, depuis de nombreuses années avant cette date). Ces définitions ont été affinées en 1959. Les États-Unis est le seul pays industrialisé à ne pas utiliser principalement le système métrique dans ses activités commerciales, bien que le système international d'unités (SI) soit couramment utilisé dans les forces armées des États-Unis et dans les domaines relatifs à la science, et de plus en plus en médecine, dans l'aviation, par le gouvernement, ainsi que dans divers secteurs de l'industrie. Le système américain d'unités est semblable au système impérial britannique. Les deux systèmes dérivent de l'évolution des unités locales au cours des siècles, à la suite d'efforts de normalisation au Royaume-Uni. Les unités locales remontent elles-mêmes la plupart à l'empire romain et aux unités anglo-saxonnes. Aujourd'hui, ces unités sont définies à partir du système international (SI). Dans l'Omnibus Trade and Competitiveness Act de 1988, le gouvernement des États-Unis a désigné le système métrique comme le système privilégié des poids et mesures pour le commerce et les affaires des États-Unis. La loi stipule que le gouvernement fédéral a la responsabilité d'aider l'industrie quand l'utilisation du système métrique est volontaire. Ce processus de la législation et la conversion est connue sous le nom de metrication (en français : « métrification »). Aux États-Unis il est particulièrement présent dans les exigences d'étiquetage sur les produits alimentaires, où les unités SI sont presque toujours présentés aux côtés des unités américaines. Le système de mesure de longueur est basé sur le pouce, le pied, le yard et le mile. Ils sont les quatre seules unités de mesures de longueur en usage dans l'utilisation quotidienne. Depuis 1959, ils ont été définis sur la base de 1 yard = 0,9144 m, sauf pour certaines applications en arpentage. Cette définition a été convenue avec le Royaume-Uni et d'autres pays du Commonwealth. Lorsque le système international a été introduit dans les pays anglo-saxons, le système géodésique utilisé en Amérique du Nord était le North American Datum de 1927 (NAD27) ayant été construit par triangulation basée sur la définition du pied dans le Mendenhall Order de 1893 (1 pied = 1200/3937 mètres). Cette définition a été retenue pour les données provenant de NAD27, mais rebaptisée le U.S. survey foot pour le distinguer du pied international. Pour la plupart des applications, la différence entre les deux définitions est négligeable - un pied international est exactement 0,999998 d'un pied américain, pour une différence d'environ 1/8 de pouce (3 mm) par mile - mais elle affecte la définition des systèmes State Plane Coordinate System (SPCS), qui peuvent s'étirer sur des centaines de miles.

L'unité de surface la plus utilisée avec un nom étranger à toute unité de longueur est l'acre. Le National Institute of Standards and Technology (institut national des normes et de la technologie) soutient que des unités de surface coutumières sont définies en fonction du square survey foot, pas du pied carré international. Les facteurs de conversion sont basés sur Astin (1968) et le National Institute of Standards and Technology (2008).

 

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Unité de mesure chinoise

Unités coutumières et traditionnelles de mesure utilisées en République populaire de Chine. En Chine, les unités ont été re-standardisées vers la fin du XXe siècle pour les rendre approximativement métriques (SI). Beaucoup d'unités étaient anciennement basées sur le nombre 16 au lieu de 10. À Hong Kong, le système impérial britannique a été utilisé conjointement avec les unités de mesure de Hong Kong, qui étaient traditionnelles chinoises pour les poids et mesures, et dorénavant, les unités traditionnelles chinoises et les unités impériales sont utilisés parallèlement au système métrique, qui a été introduit par une loi en 1976 en tant que système étalon officiel des poids et mesures. Le nom chinois de la plupart des unités SI est basé sur celui de l'unité traditionnelle la plus proche. Quand il est nécessaire de souligner quel système est utilisé, les mots « marché » (shi), pour les unités traditionnelles, ou « communes / standard » (Falun), pour les unités SI, peut être ajouté devant le nom. Le SI est le système officiel d'unités, mais les unités traditionnelles sont encore omniprésentes dans la vie quotidienne.

 

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Système d’unités

Ensemble d'unités de mesure couramment employées dans des domaines d'activité humaine, présentant des caractères de cohérence qui en facilitent l'usage entre les organisations d'une société humaine.

 

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Système de mesure ancien

Le système de mesure ancien comprend différents systèmes de différents pays, mais généralement reliés entre eux avec des ratios simples. Ils furent conçus bien avant l’invention du système arithmétique positionnel décimal. Dans la plus haute antiquité, les poids et mesures de l'Asie et de l'Égypte étaient universellement en usage dans tout le continent, en Europe, en Asie, en Afrique, et spécialement en Espagne.

 

-Les unités de mesure dans l'Égypte antique nous proviennent de la grande quantité de documents égyptiens d'ordre comptable, qui nous sont parvenus. Rien d'étonnant pour cette civilisation bureaucratique ou les scribes avaient comme tache principale de comptabiliser les récoltes (pour calculer les impôts) et de refaire l'arpentage et le bornage des terres agricoles que la crue du Nil effaçait chaque année. La coudée de Nippur, attestée en Mésopotamie depuis la fin du quatrième millénaire avant notre ère, fut reprise par les Égyptiens anciens sous l'appellation de petite coudée. La valeur conventionnelle de cette coudée de 24 doigts est d'environ 45 centimètres. Les Égyptiens utilisèrent 28 doigts de la division sumérienne pour définir la coudée royale ancienne de 52,5 cm. Ceci jusqu'après le Nouvel Empire car une réforme de la XXVIe dynastie (Basse époque égyptienne) officialisa la coudée royale nouvelle à 52,9 cm.

La mesure « stade » est d'origine grecque. Elle fut introduit tardivement sous les Ptolémées.

 

-Dans l’Antiquité romaine, on utilisait douze unités de mesure : le doigt, l'once (ou pouce), la paume, le pied, la coudée, le pas, le double pas, la perche (ou decempeda), la longueur d’arpent, le stade, le mille et la lieue. Pour des mesures plus petites que le doigt, les Romains parlaient d’un demi-doigt, d’un tiers de doigt, d’un quart de doigt, etc. Le simple pas fut peu utilisé. La perche était généralement équivalente à dix pieds (decempeda). Vers la fin de l’Antiquité, les arpenteurs utilisaient aussi une perche de treize pieds romains et demi (216 doigts) ou d’une perche de douze pieds à 18 doigts, avec toujours 216 doigts. Les Grecs appelaient « pygme » (l'avant-bras: de la coudée jusqu'au poignet) un « pied » de 18 doigts. Il s’agit en fait du « pied » dit de Charlemagne (18 × 18,525 mm = 333,45 mm), connu et utilisé plusieurs siècles avant la naissance de celui-ci. Cette attribution est donc seulement légendaire. Aussi dans ce même texte de la fin de l’Antiquité, on peut citer : « Ulna habet pedes IIII ». Il s’agit précisément de l’aune de François Ier (1540), qui valait quatre pieds romains. (4 × 29,64 cm = 118,56 cm). L’arpent, ou plus précisément une longueur d’arpent, servait essentiellement pour calculer les mesures agraires. Le stade est le huitième du mille. La lieue gauloise (« leuga gallica », de 2 223 m) et la lieue gallo-romaine ont aussi coexisté avec le mille. La valeur traditionnelle de 296 mm pour le pied romain est certainement une bonne approximation. Dans la pratique, la longueur du pied romain historique différait très légèrement selon les époques et les provinces. Un même étalon pouvait, selon les types de report et son usure, donner des différences dans les pieds qui prenaient modèle sur lui, avec une erreur « normale » de ±0,17 %.

 

-Les unités de mesures anciennes en France, du temps des premiers rois, les poids et mesures étaient aussi uniformes. Les magistrats étaient chargés, par des ordonnances, non-seulement d'en entretenir l'uniformité dans toutes les provinces, mais encore de les vérifier d'après les étalons qui, pour la garantie publique, étaient alors gardés soigneusement dans le palais du roi. Vers la fin du règne de Charlemagne (qui introduisit la livre de 12 onces) et pendant celui de Charles II, de 840 à 877, cette uniformité commença à s'altérer. Les seigneurs suzerains, profitant alors des troubles de l'État, introduisirent des usages conformes à leurs intérêts, en créant des mesures plus grandes ou plus petites que le prototype. Bientôt chaque ville, chaque village eut ses poids et ses mesures particuliers ; il y avait même des cantons (comme en Bretagne), où l'on était obligé d'avoir jusqu'à six mesures différentes dans le même grenier. Ce qui donnait lieu à des injustices et à des procès qui ruinaient souvent les habitants des campagnes. On en comptait 490, souvent contradictoires, et presque autant de poids et de mesures que de lieux. Vers le milieu du règne de Louis XVI, un système décimal de poids et de mesures fut proposé et devait enfin rendre cette uniformité depuis si longtemps désirée, lorsque de nouveaux troubles empêchèrent le roi de mettre ce projet à exécution, projet qui fondait toutefois déjà l'idée du futur nouveau système métrique unique qui allait perdurer jusqu'à nos jours. Les cahiers de doléance rédigés lors de la Révolution de 1789 réclamaient une mesure universelle pour s'affranchir de l'arbitraire des unités de mesure seigneuriales. Une commission est instituée en 1791 pour définir cette unité universelle. Elle est composée de Jean-Charles de Borda, Nicolas de Condorcet, Pierre-Simon de Laplace, Joseph-Louis de Lagrange et Gaspard Monge. Le choix est fait sur la longueur du quart du méridien terrestre le 26 mars 1791, date de création du mètre qui est défini comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. Le système métrique décimal est alors institué le 18 germinal an III (7 avril 1795) par la loi « relative aux poids et mesures », mais il faudra attendre la loi de 1837, sous le ministère de François Guizot, pour que le système métrique décimal en France soit adopté de manière exclusive.

 

-En Espagne, les unités de mesures anciennes sont déduites des unités de mesure dites « rhénanes », cohérentes avec les unités de mesure en vigueur à l'époque en Europe de l'ouest, dans les territoires correspondant à la France et l'Allemagne d'aujourd'hui. Cette cohérence était notamment assurée par les relations monarchiques et commerciales. La vara de Burgos est attestée depuis 1348. En 1568, sous le règne de Philippe II d'Espagne, fils de Charles Quint, elle devint la verge de toute l'Espagne.

 

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Système international d’unités (SI)

Le SI, inspiré du système métrique, est le système d’unités le plus largement employé au monde. Il s’agit d’un système décimal (on passe d’une unité à ses multiples ou sous-multiples à l’aide de puissances de 10) sauf pour la mesure du temps. C’est la Conférence générale des poids et mesures, rassemblant des délégués des États membres de la Convention du Mètre, qui décide de son évolution, tous les quatre ans, à Paris. La norme internationale ISO 80000 de 2009 décrit les unités du Système international et les recommandations pour l’emploi de leurs multiples et de certaines autres unités. Le Système international compte sept unités de base ou fondamentale : le mètre, le kilogramme, la seconde, l’ampère, le kelvin, la mole et la candela, censées quantifier des grandeurs physiques indépendantes. Chaque unité possède son symbole (respectivement : m, kg, s, A, K, mol et cd). De ces unités de base on déduit des unités dérivées, par exemple l'unité dérivée de vitesse est le mètre par seconde (m/s). Il existe également des préfixes officiels permettant de désigner les unités multiples et sous-multiples d'une unité. Cela simplifie la manipulation des mesures qui ont des rapports élevés d'unité. Par exemple, le sous-multiple du mètre valant 0,01 m est appelé centimètre (symbole cm) puisque le préfixe correspondant à 10-2 est centi-.

Les principes de l'écriture des nombres, des grandeurs, des unités et des symboles forment ce que l'on peut appeler la « grammaire » de ces moyens d'expression. Les références normatives sont le Bureau international des poids et mesures, la norme internationale et les normes de l'AFNOR.

La première tentative notable d'établir des unités universelles est celle de John Wilkins, un scientifique anglais membre de la Royal Society, qui définit en 1668 une longueur puis un volume universel et enfin une masse universelle (celle de la quantité d'eau de pluie contenue dans un cube de côté valant la longueur universelle). La longueur universelle vaut ainsi 38 pouces de Prusse (993,7 mm) soit environ celle d'un pendule simple dont la demi-période est d'une seconde. Vers 1670 Gabriel Mouton, religieux lyonnais, propose une unité de longueur en se basant sur la mesure d'un arc de méridien terrestre. Il définit aussi le système décimal. En 1675, le savant italien Tito Livio Burattini renomme la mesure universelle de John Wilkins mètre et en prend pour définition exacte celle du pendule précédemment décrit aboutissant ainsi à une longueur de 993,9 mm. Cette valeur dépend cependant de l'accélération de la pesanteur et varie donc légèrement d'un lieu à l'autre. En 1790, au lendemain de la révolution, l’Assemblée nationale constituante se prononce, sur proposition de Talleyrand, lui-même conseillé par Condorcet, pour la création d'un système de mesure stable, uniforme et simple, et c'est l'unité de Burattini qui est choisie comme unité de base. Avec le mètre sont définies les unités de volume et de masse : on crée ainsi le système métrique décimal, permettant de convertir plus aisément les unités puisque désormais, pour passer d'une unité à ses multiples, il suffit de déplacer la virgule. La Convention nationale prévoit ainsi la création d'étalons pour le mètre et le grave (nom original du kilogramme). La définition choisie est définitivement adoptée le 18 Germinal an III (7 avril 1795) par décret de la Convention nationale française. Ce système métrique est alors désigné par le sigle MKpS, pour mètre, kilogramme-poids, seconde. Les étalons du mètre et du grave prévus par les décrets de la Convention nationale sont déposés aux Archives nationales de France le 4 Messidor an VII (22 juin 1799), ce qui est parfois considéré comme l’acte fondateur du système métrique. Introduit par la loi du 1er vendémiaire an IV (23 septembre 1795), le système métrique a été rendu obligatoire en France à l’occasion de son cinquième anniversaire par l'arrêté du 13 brumaire an IX (4 novembre 1800), l'emploi de tout autre système étant interdit.

Estampe de 1800 montrant l’usage de six nouvelles unités de mesure et leur équivalence avec les mesures anciennes

Dans ses mémoires de Sainte-Hélène, Napoléon pris conscience de la difficulté d'acclimatation à de nouvelles unités. Après la Restauration française en 1814, le système métrique est aboli en France. C'est le Royaume-Uni des Pays-Bas qui le ré-adopte le premier en 1816, sous l'impulsion de son souverain Guillaume Ier des Pays-Bas, quatorze ans avant la révolution française de 1830 qui signe sa réintroduction en France. En France, la loi de 1837, a rendu obligatoire l'usage du système métrique à partir de 1840. En 1832, Gauss travaille pour l'application du système métrique comme système d'unités cohérent en sciences physiques. Il établit des mesures absolues du champ magnétique terrestre en utilisant un système d’unités fondé sur les unités centimètre, gramme et seconde parfois appelé « Système de Gauss ». Dans les années 1860, Maxwell et Thomson s’impliquent au sein de la British Association for the Advancement of Science (BA), fondée en 1831, pour la mise en place d'un système d'unités composé d'unités de base et d’unités dérivées. Ceci aboutit en 1874 à la création du système CGS (centimètre, gramme et seconde). Dans les années 1880, la BA et le Congrès international d’électricité, ancêtre de la Commission électrotechnique internationale, s’accordent sur un système d’unités pratiques, parmi lesquelles l’ohm, le volt et l’ampère. La Convention du Mètre est créée en 1875 et instaure le Bureau international des poids et mesures (BIPM), le Comité international des poids et mesures (CIPM) et la Conférence générale des poids et mesures (CGPM). La 1re CGPM a lieu en 1889 et adopte de nouveaux prototypes pour le mètre et le kilogramme. Le système d'unités consacré est donc le « système MKS » (mètre, kilogramme et seconde). En 1901, le physicien Giorgi avait montré qu'il était possible de combiner les unités électriques à celles du système MKS en ajoutant à ce dernier une unité électrique. La discussion de cette proposition par des organisations internationales parmi lesquelles l'Union internationale de physique pure et appliquée (IUPPA) et la Commission électrotechnique internationale aboutit en 1946 à l'adoption par le CIPM du « système MKSA », fondé sur le mètre, le kilogramme, la seconde et l'ampère. En 1954, après une enquête du BIPM ayant commencé en 1948, la CGPM entérine l'adoption des unités de base supplémentaires que sont l'ampère, le kelvin et la candela. Il reste alors peu d'étapes avant l'achèvement du système métrique tel que nous le connaissons. Tout d'abord, lui donner son nom actuel (Système international d'unités avec comme abréviation internationale SI). C'est chose faite en 1960. Ensuite, lui adjoindre comme dernière unité la mole, ce qui est fait en 1971. La plupart des pays du monde ont fait du système international leur système officiel d'unités. Cette action (passer officiellement d'un système d'unités national au système métrique) s'appelle métrification.

Carte montrant l'année d'adoption du système international. Les pays en noir ne l'ont pas encore officiellement adopté.

En 2008, seuls trois pays dans le monde n'ont pas officiellement adopté le système international : les États-Unis, le Libéria et la Birmanie. Cependant, aux États-Unis, l'usage du système métrique est de plus en plus répandu parmi les scientifiques, la médecine, le gouvernement, et plusieurs secteurs de l'industrie. Au Royaume-Uni, l'usage du système métrique est obligatoire depuis 1897; mais dans certains domaines - le commerce, la santé publique, la sécurité, l'administration, la signalisation routière et la vente de métaux précieux l'équivalent en unités impériales est toléré. La plupart des unités de mesures non-métriques sont définies à partir des unités du Système international. Par exemple, le National Institute of Standards and Technology édite une table des définitions des unités de mesure anglo-saxonnes à partir des unités métriques.

 

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Liste des unités de mesure

  • Unité de longueur

 

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Convention du Mètre

Traité international signé le 20 mai 1875 à Paris par dix-sept États dans le but d'établir une autorité mondiale dans le domaine de la métrologie. Elle succède ainsi à la commission internationale du mètre mise en place en 1870. Pour ce faire, trois structures ont été créées. La Convention délègue ainsi à la conférence générale des poids et mesures, le comité international des poids et mesures et le bureau international des poids et mesures l'autorité pour agir dans le domaine de la métrologie, en assurant une harmonisation des définitions des différentes unités des grandeurs physiques. Ces travaux ont finalement mené à la création du Système international d'unités (SI).

-La conférence générale des poids et mesures (CGPM) est l'organe décisionnel de la convention du Mètre, chargé de prendre les décisions en matière de métrologie et en particulier en ce qui concerne le système international d'unités (SI). Comme la Convention du Mètre, elle a été créée en 1875. La conférence rassemble des délégués des États membres de la Convention du Mètre et États associés. La conférence se réunit tous les quatre ans, la dernière réunion datant de 2011. La première conférence a eu lieu en 1889, celle de 2011 étant la 24e du nom. La conférence se réunit dans les locaux du Bureau international des poids et mesures (BIPM), au Pavillon de Breteuil, à Sèvres. Lors de chaque conférence générale, les membres se basent sur le ou les rapports du Comité international des poids et mesures (CIPM) relatant les travaux accomplis. Ils prennent alors les dispositions adéquates pour l'extension et/ou l'amélioration du Système international d'unités (SI), ainsi que des dispositions et des recommandations générales concernant la métrologie. Sont également discutées les décisions administratives relatives au fonctionnement du BIPM.

  • 1re (1889) - Sanction des prototypes internationaux du mètre et du kilogramme.
  • 2e (1897) - (aucune résolution)
  • 3e (1901) - Définition du litre comme volume occupé par la masse de 1 kilogramme d'eau pure, à son maximum de densité et sous la pression atmosphérique normale ; affirmation que le terme de poids désigne une force et définition de l'accélération normale de la pesanteur terrestre à 980,665 cm/s2.
  • 4e (1907) - (aucune résolution)
  • 5e (1913) - (aucune résolution)
  • 6e (1921) - (aucune résolution)
  • 7e (1927) - Précision sur la définition du mètre par le prototype international
  • 8e (1933) - Décisions concernant divers prototypes du mètre et du kilogramme ; institution du Comité consultatif de photométrie ; substitution des unités électriques absolues aux unités dites « internationales » ; réflexion en vue de l'établissement d'un étalon de lumière.
  • 9e (1948) - Réflexion en vue d'une nouvelle définition ; instauration du joule comme unité de quantité de chaleur et utilisation du point triple de l'eau comme échelle thermodynamique à un seul point fixe ; définition des symboles des unités en vigueur.
  • 10e (1954) - Définition de l'échelle thermodynamique de température avec le point triple de l'eau et du kelvin ; définition de l'atmosphère normale ; réflexion en vue d'une nouvelle définition de la seconde ; définition des unités de base du système international.
  • 11e (1960) - Réflexion en vue de définir unités et notions utilisées dans le domaine des radiations ionisantes ; nouvelle définition du mètre par un multiple d'une longueur d'onde de la radiation entre deux niveaux excité du krypton 86 ; nouvelle définition de la seconde comme fraction de l'année tropique 1900 ; définition du système international d'unités, de ses unités de base, ses unités supplémentaires et ses unités dérivées, ainsi que les multiples (jusqu'à Téra) et sous-multiples (jusqu'à pico) de celles-ci ; myria- et myrio- sont retirés.
  • 12e (1964) - Réflexion en vue d'une nouvelle définition de la seconde par des processus atomiques ; nouvelle définition du litre comme étant un décimètre cube exactement ; définition des sous multiples femto et atto ; réflexion en vue de réviser l'échelle internationale pratique de température de 1948.
  • 13e (1967) - Nouvelle définition de la seconde comme 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 ; le degré Kelvin devient le kelvin ; redéfinition de la candela ; abandon des unités micron et bougie nouvelle.
  • 14e (1971) - Réflexion en vue d'obtenir une définition du temps atomique international ; définition de la mole comme 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.
  • 15e (1975) - Réflexion en vue d'une nouvelle définition de l'ampère ; approbation de l'échelle internationale pratique de température de 1968 amendée en 1975 ; définition du becquerel et du gray comme unité pour les rayonnements ionisants ; adoption des préfixes Peta et Exa.
  • 16e (1979) - Redéfinition du candela comme 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 ; définition du sievert comme unité d'équivalent de dose.
  • 17e (1983) - Le mètre redéfini à partir de la vitesse de la lumière.
  • 18e (1987) - Invitation à adopter des valeurs conventionnelles pour les constantes de Josephson, KJ, et von Klitzing, RK ; directives pour l'adoption d'une nouvelle échelle internationale de température.
  • 19e (1991) - Adoption des valeurs conventionnelles de la constante de Josephson et de von Klitzing à KJ-90 = 483 597,9 GHz/V et RK-90 = 25 812,807 W ; approbation de l'échelle internationale de température de 1990 ; adoption des préfixes zetta, yotta et zepto, yocto.
  • 20e (1995) - Recommandation visant à obtenir à terme une nouvelle définition de l'unité de masse fondée sur des constantes fondamentales ou atomiques ; abandon de la classe des unités supplémentaires radian et stéradian, qui deviennent des unités dérivées.
  • 21e (1999) - Réflexion en vue d'une nouvelle définition de l'unité de masse à l'aide de constantes fondamentales ; réflexion en vue d'une extension de l'échelle internationale de température aux basses températures (en dessous de 0,65 K) ; adoption du katal comme unité de mesure de l'activité catalytique.
  • 22e (2003) - Réaffirmation de la virgule et du point décimal comme séparateurs décimaux.
  • 23e (2007) - Clarification de la définition du kelvin.

-Le comité international des poids et mesures (CIPM) est constitué de dix-huit représentants de pays membres de la Convention du mètre. Sa principale mission consiste à promouvoir l'uniformisation mondiale des unités de mesure. Il assure cette mission par des interventions directes auprès des gouvernements ou en soumettant des propositions auprès de la CGPM. Le CIPM a récemment centré son action sur l'établissement d'un Arrangement de reconnaissance mutuelle, accord-cadre de reconnaissance partagé des études métrologiques effectuées dans les divers états membre de la Convention du mètre. Le CIPM tient une réunion annuelle au BIPM. Il approuve les rapports présentés par ses divers comités consultatifs. Il publie annuellement, à l'intention des gouvernements membres de la Convention du mètre un rapport moral et financier sur le BIPM.

-Le bureau international des poids et mesures (BIPM) a pour mission d'assurer l'uniformité mondiale des mesures et leur traçabilité au Système international d'unités (SI).

Il travaille sous l'autorité de la convention du Mètre et exerce son activité avec l'aide d'un certain nombre de Comités consultatifs, dont les membres sont des laboratoires nationaux de métrologie des États membres de la convention du Mètre, et par son travail de laboratoire. Le BIPM effectue des recherches liées à la métrologie. Il organise ou participe à des comparaisons internationales d'étalons nationaux de mesure et effectue des étalonnages pour les États membres. Le BIPM a aussi pour mission de maintenir le Temps atomique international (TAI) et le Temps universel coordonné (UTC), qui sont les échelles de temps à partir desquelles les fréquences de référence et les signaux horaires sont disséminés de manière coordonnée dans le monde. L'origine du BIPM vient de la décision d'utiliser le système décimal prise sous l'impulsion de Gaspard Monge.

La Convention a été modifiée en 1921. En 2013, elle regroupe 55 États membres et 37 États associés à la conférence générale, comprenant la majorité des pays industrialisés.

 

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Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML)

Organisation intergouvernementale créée en 1955 et dont l'objectif général est la coordination et l'harmonisation à l'échelon international des règlements administratifs et techniques sur les mesures et les instruments de mesures promulgués par les divers pays. L'OIML compte 59 Etats membres et environ 54 membres correspondants. L'OIML est reconnue comme organisme de normalisation internationale par l'Organisation Mondiale du Commerce. Le but de cette harmonisation est de faciliter le commerce entre les pays non seulement en ce qui concerne les instruments de mesure mais aussi pour toutes les opérations qui impliquent des mesures. Pour cela l'OIML élabore des recommandations internationales. L'OIML fonctionne avec le Bureau International de Métrologie Légale (BIML).

 

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IMEKO (International Measurement Confederation)

L’association IMEKO a été fondée en 1958. C’est une fédération de sociétés de métrologie et d’universités qui se sentent concernées par tout types de mesures (scientifiques, technologiques et/ou industrielles). Actuellement IMEKO regroupe 36 pays membres. L'objectif d'IMEKO est de :

  • promouvoir les échanges sur l'information scientifique et technologique dans le domaine des mesures ;
  • faciliter la coopération entre scientifiques ;
  • organiser des conférences internationales dont le "IMEKO World Congress" qui a lieu tous les trois ans, et des conférences par thèmes telles que Flowmeko, Tempmeko, etc.

Afin de couvrir le plus largement possible les problématiques liées aux mesures qui peuvent être effectuées dans les laboratoires, IMEKO s'est organisé en comités techniques : les TC. A l'heure actuelle 24 TC ont été créés. Le Collège Français de Métrologie (CFM) est le membre français d'IMEKO, et à ce titre participe au Comité Général (General Council). Le CFM a également des représentants dans certains des comités techniques d'IMEKO.

 

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CODATA (Committee on Data for Science and Technology)

Le Comité de données pour la science et la technologie, créé en 1966, est un comité interdisciplinaire du Conseil international pour la science (ICSU) regroupant 21 pays, 16 unions scientifiques internationales, 2 organisations scientifiques co-optées et 13 organisations partenaires (Industrie, Gouvernement et Universités). Son objectif est d'améliorer la collection, l'évaluation critique, et l'accès aux données scientifiques et technologiques majeures au bénéfice de la société civile. CODATA préconise une liste de valeurs des constantes physiques fondamentales.

 

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LNE (Laboratoire national de métrologie et d'essai)

Le Laboratoire national de métrologie et d'essais, anciennement Laboratoire national d'essais (LNE), est un organisme français chargé de réaliser les mesures et essais de produits de toutes sortes en vue de leur certification pour leur mise sur le marché. Son siège est situé dans le 15e arrondissement de Paris, et il fonctionne sous le régime d'un Établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC). Le LNE possède deux filiales à l'international. L'une à Washington pour la certification du matériel médical, sous la marque G-Med. L'autre, dénommée LNE Asia, à Hong Kong et Shanghai, sous la forme d'une coentreprise avec CMA-Testing, au sein de laquelle le LNE est majoritaire. Depuis 2008 il a créé un bureau de représentation à Shanghai dont les missions consistent à promouvoir les activités du LNE pouvant intéresser les entreprises internationales implantées en Chine et/ou les entreprises chinoises. Créé en 1901 comme département du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM), le LNE a d'abord effectué des essais physiques sur les matériaux puis s'est intéressé à la sécurité des produits de consommation : sécurité d'emploi, protection de l'utilisateur. En 1978, il devient un EPIC et regroupe différents centres techniques chargés d'essais de différents produits industriels (emballages, matériels médicaux, etc). En 2005, il intègre les activités de métrologie du Bureau national de métrologie et devient le Laboratoire national de métrologie et d'essais.

 

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