Le kilogramme est encore défini à partir d’un objet matériel, le prototype international du kilogramme sanctionné par la 1re CGPM en 1889. Il présente trois inconvénients majeurs : disponible en un seul lieu, non pérenne en termes de masse physique et non universel puisque basé sur un artefact. La définition de l’unité de masse pourrait être changée au plus tôt en 2011 et serait alors basée sur une valeur fixée exactement d’une constante fondamentale de la nature. Ainsi, la possibilité de redéfinir le kilogramme en fonction d’une réelle invariance naturelle est en discussion depuis environ 30 ans. Dans ce contexte, la métrologie française a entrepris depuis 2002 la réalisation d’une expérience de balance du watt dont l’objectif est de raccorder le kilogramme à la constante de Planck. L’adoption d’une nouvelle définition du kilogramme basée sur une constante physique fondamentale ou atomique devra prendre en compte sa dissémination en évitant tout bouleversement dans la pratique des laboratoires accrédités et de la plupart des utilisateurs. Mais elle aura inévitablement des conséquences sur les étalons de transfert utilisés par les laboratoires nationaux de métrologie.

La conception d’une expérience de balance du watt fait appel à des compétences pluridisciplinaires et nécessite de nombreuses études sur chaque élément qui la constitue. Un exemple d’une telle étude est présenté dans cet article. Afin de concentrer, en un point unique, les points d’application de deux forces à comparer (un poids et une force électromagnétique équilibrant ce poids), un système à liaisons élastiques monobloc à lames flexibles a été réalisé en alliage de cuivre-béryllium. Il permet l’articulation des suspensions de la masse et de la bobine engendrant la force électromagnétique selon quatre axes coplanaires qui se coupent en un seul point (centre virtuel de rotation). Les caractéristiques statiques d’élasticité des lames en termes de raideur et de limite d’élasticité ont été étudiées. De plus, l’étude du comportement dynamique sous vide de ce dispositif a été effectuée en termes de fréquence de résonance, d’amortissement dû aux frictions internes et de couplage entre les deux systèmes d’articulation.

La vitesse d’air est une grandeur souvent utilisée pour définir des spécifications des processus industriels ou du confort thermique. Dans ces applications, la vitesse d’air est généralement inférieure à 1 m·s^-1, la température peut être différente de la température ambiante et la direction de l’écoulement peut être quelconque. Pour atteindre des incertitudes de mesure les plus faibles possibles, une incertitude d’étalonnage minimale ainsi qu’un étalonnage dans des conditions les plus proches possibles des conditions d’utilisations sont nécessaires. Pour répondre à ces besoins, le CETIAT a construit un nouveau banc d’étalonnage d’anémomètres. Son évaluation en termes de stabilité, d’homogénéité en humidité, champs de température et vitesse est présentée ainsi que la meilleure incertitude élargie associée.

Le plus petit étalon de masse commercialisé jusque là était d’un milligramme. Or l’émergence de nouveaux besoins a conduit le Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM à développer plusieurs séries de nouveaux étalons de valeurs nominales inférieures au milligramme, descendant jusqu’à une valeur de 100 µg. Après la qualification de ces nouveaux étalons et après une première exploitation de ceux-ci pour mieux caractériser les comparateurs de meilleur niveau métrologique, une étude de stabilité a été entreprise. Cette étude a été conduite sur deux ans à partir de cinq étalonnages successifs. Malgré la fragilité évidente des étalons, l’étude démontre que les précautions d’utilisation et de stockage retenues sont pertinentes car il n’est pas observé de dérive significative. Enfin pour valoriser ce développement, le laboratoire a obtenu une extension de son accréditation pour les étalonnages de masses permettant ainsi d’étendre la limite basse de la portée d’accréditation de 1 mg à 100 µg.

Le raccordement des mesures d’accélération de l’industrie aux étalons nationaux est assuré en France par le LNE. Cette traçabilité aux étalons nationaux est nécessaire pour les industriels ayant des processus où la connaissance des paramètres liés à l’accélération est primordiale en termes de qualité et de sécurité, comme les domaines de l’armement, du nucléaire, de l’aérospatiale ou de l’automobile. Ainsi, les étalonnages des accéléromètres de référence des industriels et autres laboratoires sont réalisés sur le site de Trappes du LNE depuis 2006 par méthode absolue mettant en oeuvre un interféromètre laser de Michelson selon la norme ISO 16063. Cependant, le banc utilisé, présenté dans l’article « Transfert du banc de référence en accélérométrie du CEA/Cesta au LNE» (RFMn° 10, 2007), est de conception ancienne et un programme de rénovation a été défini et engagé au moment du transfert. Cet article présente la remise à niveau de ce banc et les améliorations apportées. Les caractéristiques des éléments constitutifs du banc sont exposées. Il s’agit de l’interféromètre laser, de l’excitateur et du système d’acquisition et d’analyse. Pour couvrir les besoins de raccordements primaires pour les fréquences de vibrations inférieures à 10 Hz, un excitateur spécifique pour les basses fréquences a été approvisionné. La qualification métrologique du banc a été prononcée à partir de la cohérence entre les résultats d’étalonnage d accéléromètres obtenus à l’aide du banc dans sa configuration finale et ceux obtenus avec le banc d’origine ainsi qu’à partir des comparaisons interlaboratoires.

Le kilogramme reste encore aujourd’hui la seule des sept unités de base du Système  international (SI) définie par un étalon matériel appelé le prototype international du kilogramme. Ce prototype est un cylindre constitué d’un alliage de platine iridié (90%Pt-10%Ir) faisant par définition 1 kg exactement. Ce prototype ainsi que tout autre étalon de masse sont exposés à de nombreuses sources de contamination faisant évoluer leur masse malgré les précautions mises en oeuvre. Cette définition pose donc le problème de la pérennité et de l’universalité de l’unité de masse. C’est pourquoi de nouvelles pistes de recherche essayent de relier l’unité de masse à une constante physique fondamentale. Ces expériences pourraient conduire à une nouvelle définition. Ainsi, depuis 2000, le projet français « Balance du watt » a été lancé afin de relier l’unité de masse à la constante de Planck. Parmi les options retenues pour réaliser le dispositif expérimental, le choix du matériau de la masse de transfert est particulièrement important puisque celle-ci sera très proche d’un circuit magnétique délivrant une induction de 1 T. Par conséquent, ce matériau doit non seulement avoir une susceptibilité magnétique volumique la plus faible possible (de l’ordre de 10^-5) mais aussi présenter toutes les propriétés indispensables aux matériaux de la métrologie des masses (bonne dureté, forte masse volumique, alliage homogène...). Certains alliages comme l’or-platine ou des matériaux comme l’iridium pourraient satisfaire ces critères. Afin de comparer les « performances » de ce nouveau matériau, le platine iridié a été choisi comme alliage de référence. Pour comprendre les mécanismes d’évolution de la masse en tenant compte de l’état de surface, du nettoyage et des conditions de conservation de ces étalons, il est indispensable de caractériser l’état de surface par des méthodes rugosimétriques, d’évaluer la stabilité par des méthodes de comparaisons de masse, et de caractériser les contaminants de surface par des méthodes spectrométriques. Dans le cadre de ces travaux de recherche, nous avons utilisé des techniques déjà présentes au sein de l’Institut National de Métrologie comme la technique de l’effet mirage pour l’étude de l’adsorption de solvants de nettoyage, un rugosimètre optique pour caractériser l’état de surface et le polissage, un comparateur de masse de 100 g pour étudier la stabilité après nettoyage mais aussi un nouveau dispositif de spectrométrie de masse de thermodésorption pour l’étude des molécules physisorbées.

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L'unité de masse, le kilogramme, est la dernière unité de base du système international à être définie par un étalon matériel. Sa définition, datant de 1901, se trouve limitée par la stabilité du matériau formant le prototype international. Des dérives allant jusqu'à 2 μg par an sont d'ailleurs observées au niveau des copies du prototype international en platine iridié. Pour tenter d'améliorer la précision sur la détermination de l'unité de masse, différentes expériences ont débuté afin de relier le kilogramme à une constante fondamentale de la physique. L'un de ces programmes a pour nom « balance du watt » et vise à établir un lien entre des mesures mécaniques et des mesures électriques. Cette voie se présente à l'heure actuelle comme l'expérience la plus prometteuse. Dans le dispositif expérimental français, l'utilisation de l'alliage de Pt-Ir n'est pas envisageable comme étalon de masse de référence. Les recherches se sont alors orientées vers des alliages en or platiné et autres métaux précieux.

En parallèle la dissémination de l'unité de masse aux multiples et sous multiples du kilogramme de 1 g à 10 kg s'effectue généralement à l'aide d'étalons en acier inoxydable. Si la stabilité de la masse du prototype international n'est pas assurée, ce phénomène est encore plus accentué au niveau de ces étalons secondaires. Pour profiter de l'amélioration attendue de la conservation de l'unité de masse, il faut améliorer la stabilité de ces étalons. La caractérisation de nouveaux alliages métalliques pour réaliser des étalons et l'étude de leur stabilité devient donc nécessaire.

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Les laboratoires de métrologie acoustique utilisent en général des microphones de haute qualité comme étalon de référence pour leurs appareils de mesures acoustiques. Ces microphones, appelés étalons de laboratoire, doivent eux-même être étalonnés avec une grande précision. Depuis plusieurs décennies, la méthode usuelle (normalisée) pour étalonner ces microphones, c'est-à-dire pour déterminer leur efficacité en pression, est la méthode de réciprocité. Cette méthode nécessite l'usage de deux microphones couplés acoustiquement par une cavité close généralement de forme cylindrique, fermée par des parois latérales rigides et aux extrémités par les membranes des microphones, l'un étant utilisé en émetteur, l'autre en récepteur. Le produit des efficacités des microphones est déduit de mesures électriques et du calcul analytique de l'admittance acoustique de transfert du système.

Les équipements et les techniques de mesures actuels permettent d'atteindre une précision dans les mesures électriques de l'ordre du centième de décibel. Une précision du même ordre de grandeur est alors recherchée dans le calcul de l'admittance acoustique de transfert, qui repose sur la modélisation du champ acoustique dans la cavité de couplage. Il est donc nécessaire que cette modélisation soit aussi complète et précise que possible. Les modèles actuellement en usage ne paraissent pas aujourd'hui, de ce point de vue, présenter toutes les « garanties » nécessaires pour accéder à un étalonnage dont la précision est compatible avec la précision de la mesure électrique. Ainsi, l'objet de cette étude est d'établir des modèles analytiques plus complets pour le champ de pression dans la cavité de couplage, prenant en compte les effets de couches limites visqueuses et thermiques et la structure fine de la répartition spatiale du champ acoustique.

Au-delà des résultats qui doivent conduire à la révision des normes actuellement en vigueur, les résultats obtenus portent l'espoir de mener à une méthode de mesure fine des caractéristiques d'entrée des petits composants acoustique qui fait défaut à l'heure actuelle et de mener à terme à des ouvertures sur la métrologie des micro-composants acoustiques (attendus dans le cadre de la caractérisation des oreilles artificielles et de la miniaturisation des capteurs).

Enfin, des développements futurs portant sur de nouvelles modélisations de capteurs microphoniques, qui prendraient en compte les effets de déformées réalistes des membranes et corrélativement la répartition spatiale des mouvements acoustiques dans les micro-cavités et micro-conduits qui constituent ces capteurs, permettront aux modèles proposés de donner leur « pleine mesure » en terme de finesse de mesure et de caractérisations de capteurs et mini-composants acoustiques.

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http://cyberdoc.univ-lemans.fr/theses/2005/2005LEMA1021.pdf

Dans le Système international d’unités (SI), le kilogramme est l’unité de masse, qui est définie comme étant égale à la masse du prototype international du kilogramme en platine iridié. Le contrôle des étalons de masse est essentiel vis-à-vis, entre autres, des industries qui doivent garantir une production calibrée. Ce travail est consacré à l’étude en champ proche et en champ lointain des surfaces des étalons de masse métalliques, en lien avec différents instituts, laboratoires nationaux et internationaux de la métrologie. Nous avons mené deux types de mesures : mesures de type shear force pour déterminer la topographie locale de la surface et mesures en champ proche optique pour approfondir l’analyse de la surface par mesure optique localisée à haute résolution. Une analyse de l’évolution de la topographie des surfaces des étalons de masse et de la structure du champ proche optique diffracté par les défauts de ces surfaces a été menée au cours de ce travail de thèse.

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L’augmentation de l’incertitude tout au long de l’échelle de viscosité étant le principal inconvénient de la viscosimétrie capillaire, un viscosimètre absolu à chute de bille a été développé, qui permet de couvrir une large gamme de viscosité tout en gardant une faible incertitude. La mesure de viscosité repose alors sur la mesure de la vitesse limite de chute de la bille. Un banc expérimental a été développé afin d’atteindre une incertitude relative de l’ordre de 10^-3. Il permet d'observer la trajectoire de la bille à l’intérieur d’un tube cylindrique rempli du liquide étudié et d’obtenir l’évolution de la vitesse. La caractérisation métrologique de ce banc expérimental est présentée en utilisant tout d’abord la loi de propagation des incertitudes et ensuite la simulation numérique de Monte-Carlo. Enfin, les mesures de viscosité et les incertitudes obtenues avec le viscosimètre à chute de bille sont confrontées à celles obtenues avec un viscosimètre capillaire.

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