Mai 2003 - n°78

Visite au cœur des Laboratoires Nationaux de Métrologie !

En mars dernier, notre premier article sur le Bureau National de Métrologie vous était présenté dans la Gazette du Laboratoire. Vous pouviez y découvrir son organisation, ses missions et ses axes de recherche prioritaires.

C’est aujourd’hui au sein des Laboratoires Nationaux de Métrologie, dont le secrétariat permanent du BNM coordonne les activités, que nous vous invitons à nous suivre. Au cœur de leur mission ? La réalisation des étalons pour les unités de base du Système International d’unités (SI) et pour la plupart des unités dérivées.
Une mission qui repose sur un large programme d’études et de recherche dans le domaine de la métrologie fondamentale et appliquée :
- des recherches fondamentales dans le cadre de la mise en œuvre des unités du SI,
- la réalisation de bancs d’étalonnage et d’instruments de transfert,
- des travaux de maintien à niveau des références nationales actuelles et d’amélioration des incertitudes de mesure.
Ces activités sont développées au sein des quatre LNM, mais aussi en collaboration avec les huit laboratoires associés au BNM et également en partenariat avec certains organismes extérieurs.
Ainsi chaque domaine métrologique est étudié, qu’il s’agisse d’Electricité-Magnétisme, de Longueur et Métrologie dimensionnelle, de Masse et grandeurs apparentées, de Quantité de Matière, de Radiométrie-Photométrie, de Rayonnements ionisants, de Température et grandeurs thermiques ou encore de Temps-Fréquences… Intéressons nous plus précisément à certains d’entre eux…

La quantité de matière

La chimie a pour grandeur de base, la mole. Mais, au vu du très grand nombre de composés chimiques existants, il est impossible de développer, pour chacun, une référence nationale.
Le Laboratoire national BNM-LNE (Laboratoire National d’Essais), en charge des références liées au domaine de la chimie, a donc choisi d’approfondir conjointement deux voies d’investigation :
Æ le développement de méthodes primaires de mesure, comme les analyses statiques ou dynamiques de mélanges de gaz, la spectrométrie de masse avec dilution isotopique ou encore le titrage, afin d’assurer le raccordement des mesures aux grandeurs de base du système SI,
Æ la préparation et la certification de matériaux de référence.
L’ensemble des activités couvertes par le BNM-LNE sont : l’analyse de gaz, l’analyse électrochimique, l’analyse organique et l’analyse inorganique. Elles concernent des domaines tels que la surveillance de l’environnement (qualité de l’air et de l’eau) ou la protection des consommateurs, et apportent leur aide aux pouvoirs publics en fonction des besoins exprimés par l’Etat et les autres collectivités.

La longueur

C’est au Laboratoire national BNM-INM (Institut National de Métrologie, au Conservatoire National des Arts et Métiers) que revient la mission de réaliser l’unité de longueur, le mètre. Ce dernier, par définition depuis 1983, est directement lié à la vitesse de la lumière.
Le BNM-INM réalise des sources de référence, dans les domaines du visible et du proche infrarouge, stabilisées sur des raies spectrales d’atomes ou de molécules pour la mise en pratique du mètre. En collaboration avec le BNM-SYRTE (Systèmes de Référence Temps Espace, à l’Observatoire de Paris), des sources lasers stabilisées, dans le domaine optique, sont déterminées avec une grande exactitude en fréquence.

Ajoutons que le BNM-INM conçoit et développe par ailleurs des méthodes et des instruments nouveaux pour assurer la comparaison de longueurs d’ondes, et améliorer la qualité du transfert des références de longueur, en particulier dans le domaine de la réfractométrie.
Précisons enfin que le raccordement des interféromètres laser à comptage de franges et la réalisation des techniques d’étalonnage pour les étalons matérialisés de longueur sont assurés par le BNM-LNE. A l’actif de ce laboratoire, également : le développement et la mise en place d’un plateau de référence angulaire dans le domaine de la métrologie des angles.

La masse et les grandeurs apparentées

Autre champ d’investigation du Laboratoire national BNM-INM : les recherches fondamentales relatives à l’unité de masse, le kilogramme.
Le BNM-INM est chargé d’assurer la première étape du transfert de cette unité vers la chaîne d’étalonnage. Il a conçu, à ce titre, un comparateur de kilogrammes monoplateau de haute exactitude et mène des recherches concernant la réalisation de nouveaux étalons de masse pour améliorer le transfert. La réalisation des multiples et sous-multiples du kilogramme ainsi que leur transfert auprès des utilisateurs sont ensuite assurés par le Laboratoire national BNM-LNE.
De nombreuses grandeurs apparentées à la masse sont couvertes dans le périmètre du BNM : la pression, la force, le couple, la visosité, la masse volumique, le volume, l’acoustique aérienne et le débit gaz sont couverts au BNM-LNE. Le BNM-INM met en œuvre la référence nationale pour l’étalonnage en pression des microphones.
Plusieurs laboratoires associés au BNM, interviennent en parallèle pour couvrir certaines grandeurs apparentées à la masse :
- le LADG (Laboratoire Associé de Débitmétrie Gazeuse), pour la réalisation et le transfert vers l’industrie des références nationales en débitmétrie gaz haute pression,
- le Laboratoire de débitmétrie liquide du CETIAT (Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques), pour la mise en place des références nationales en débitmétrie liquide (eau) et pour le transfert aux utilisateurs,
- le Laboratoire d’étalonnage en accélérométrie du CEA-CESTA (Centre d’Etudes Scientifiques et Techniques d’Aquitaine), qui met en œuvre et assure le transfert des références nationales en accélérométrie,
- le Laboratoire de métrologie dynamique de l’ENSAM-Paris (Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers), pour réaliser le transfert des références nationales en pression dynamique.

La température et les grandeurs thermiques

La réalisation des références nationales de température est elle aussi de la responsabilité du Laboratoire national BNM-INM. Les références ne sont pas la matérialisation directe de l’unité de température, le kelvin, mais la matérialisation d’une échelle de température. Le BNM-INM est donc chargé de la mise en place et la diffusion des échelles de température en vigueur.
Une mission qui implique des travaux de métrologie fondamentale (température thermodynamique) et de métrologie appliquée pour la réalisation pratique des références en thermométrie et en pyrométrie optique (points fixes de température et instruments spécifiques pour le transfert).

Précisons d’autre part que le Laboratoire national BNM-LNE met en place un ensemble de bancs, raccordés au BNM-INM, pour permettre l’étalonnage de points fixes, de corps noirs, de thermomètres et de pyromètres, et assurer le transfert des références nationales vers les utilisateurs.
Concernant les propriétés thermophysiques des matériaux, il effectue aussi des travaux d’étude dans le but de développer ou d’améliorer les moyens de mesure de référence et d’étalonnage pour différentes grandeurs : conductivité thermique, diffusivité thermique, capacité thermique massique et émissivité.
Ajoutons, enfin, que le Laboratoire d’hygrométrie du CETIAT, laboratoire associé au BNM, a la charge de réaliser et de transférer vers l’industrie les références nationales en hygrométrie.

Le temps et les fréquences

Le Laboratoire National BNM-SYRTE établit et diffuse les références nationales de temps et de fréquences en accord avec les recommandations internationales.
Saviez-vous que le temps légal français est établi par des horloges fondées sur les propriétés du césium qui définissent la seconde ? Cette grandeur de base est accessible par l’horloge parlante et la réception de signaux radiofréquences.
Le BNM-SYRTE a développé plusieurs étalons de fréquences, caractérisant la seconde et le hertz avec la meilleure incertitude au monde : étalon à jet de césium et fontaines atomiques ! Il contribue au développement d’une horloge qui sera embarquée sur la station internationale et développe une horloge optique.
En tant que laboratoire associé, l’Observatoire de Besançon réalise le transfert vers les utilisateurs. Il effectue des comparaisons de temps par satellites, des mesures de fréquences, de stabilité et de dérive de fréquence. Le LPMO (Laboratoire de Physique et Métrologie des Oscillateurs) assure, quant à lui, le transfert de densité spectrale de fluctuations de phase et également des mesures de fréquences.

Les rayonnements ionisants

C’est au Laboratoire National BNM-LNHB que revient la mission de réaliser les références dans ce domaine. Il y a d’une part le becquerel pour les mesures de radioactivité et d’autre part le gray pour les mesures de dose qui sont, par exemple, utilisées dans le domaine de la radiothérapie ou pour le traitement de produit par ionisation.
Les autres domaines couverts par ces grandeurs touchent aussi bien la recherche que la surveillance de l’environnement, la médecine nucléaire ou de nombreuses applications industrielles.

SD