1.2 Le Système international et les étalons depuis 2019

Une pièce usinée en France, montée en Allemagne et contrôlée au Japon doit avoir la même cote pour tous. Cela suppose que le millimètre soit le même partout, et qu'il le reste dans le temps. C'est la raison d'être du Système international d'unités, le SI.

Son origine est un traité : la Convention du Mètre, signée en 1875. Elle a créé le Bureau international des poids et mesures (BIPM), installé à Sèvres, près de Paris, qui coordonne encore aujourd'hui la métrologie mondiale. Les décisions sur les unités sont prises par la Conférence générale des poids et mesures (CGPM), qui réunit les États membres. Le fonctionnement de ces instances est détaillé au chapitre 1.3.

Le texte de référence du SI est la Brochure sur le SI, publiée par le BIPM et téléchargeable gratuitement. Sa 9e édition, datée de 2019, correspond au SI révisé. C'est elle qui fixe les définitions, les symboles, les préfixes et les règles d'écriture présentées plus bas.

Pour l'atelier, l'intérêt pratique est simple : toute grandeur mesurée, qu'il s'agisse d'une longueur, d'un couple de serrage ou d'une pression, s'exprime dans des unités dont la définition est commune et stable. C'est la condition pour que la traçabilité métrologique, vue plus bas, ait un sommet unique.

Le SI révisé ne définit plus une unité en décrivant un objet ou une expérience. Il fixe, une fois pour toutes, la valeur numérique exacte de sept constantes. Les unités se déduisent de ces valeurs : si la vitesse de la lumière vaut exactement 299 792 458 mètres par seconde, et si la seconde est connue, le mètre l'est aussi.

Ces valeurs ne sont pas arbitraires. Elles ont été choisies à partir des meilleures mesures disponibles avant la révision, de sorte que le mètre, le kilogramme ou le kelvin d'après 2019 aient la même grandeur qu'avant. La révision a changé la façon de définir les unités, pas leur taille.

La seconde, définie à partir du césium, joue un rôle central : le mètre, le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la candela utilisent tous, dans leur définition, la seconde. La maîtrise du temps et des fréquences est donc au sommet de presque toutes les chaînes de mesure.

La révision a été adoptée par la 26e CGPM en novembre 2018 et elle est entrée en vigueur le 20 mai 2019, date anniversaire de la signature de la Convention du Mètre. Elle a redéfini quatre unités de base qui dépendaient encore d'un objet ou d'une convention matérielle : le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la mole.

Pendant 130 ans, le kilogramme a été, par définition, la masse d'un objet unique. Le VIM le cite d'ailleurs encore comme exemple d'étalon international et d'étalon primaire « créé comme objet choisi par convention » (VIM 5.2 et 5.4, exemples). Cette situation avait deux défauts : l'objet pouvait évoluer, et personne ne pouvait le vérifier par rapport à autre chose que lui-même ; toute l'échelle des masses dépendait d'un accès à un seul cylindre.

Désormais, le kilogramme peut être réalisé, en principe, dans tout laboratoire qui maîtrise les méthodes adaptées, comme la balance de Kibble ou le comptage d'atomes dans une sphère de silicium. Le prototype reste un objet historique ; il n'est plus la définition.

Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde. Cette définition découle directement de la valeur fixée de c, 299 792 458 m/s. Le mètre n'a donc pas été modifié en 2019 : il était déjà rattaché à la vitesse de la lumière, et la révision a seulement reformulé sa définition dans le cadre des constantes.

Une définition n'est pas un instrument. Pour s'en servir, il faut la réaliser. Le VIM cite l'emploi de lasers stabilisés en fréquence pour construire un étalon du mètre (VIM 5.1, note 3). En pratique, les laboratoires nationaux réalisent le mètre par interférométrie laser, puis transfèrent la longueur vers des étalons matériels plus commodes.

Chaque étape ajoute une incertitude, et c'est normal. Plus on descend dans la chaîne, plus l'incertitude grandit, tout en restant documentée à chaque maillon. Les cales étalons et leur emploi au quotidien sont présentés au chapitre 2.2.

Un étalon est, selon le VIM, la « réalisation de la définition d'une grandeur donnée, avec une valeur déterminée et une incertitude de mesure associée, utilisée comme référence » (5.1). Un étalon n'a donc pas de sens sans son incertitude. Le VIM classe les étalons selon deux logiques qu'il ne faut pas mélanger.

Dans une entreprise, la distinction utile est celle de l'usage. Le jeu de cales rangé au laboratoire, étalonné à l'extérieur et réservé à l'étalonnage d'autres cales, est l'étalon de référence de l'organisation. Les cales sorties chaque semaine pour vérifier les micromètres sont des étalons de travail, habituellement étalonnés par rapport à l'étalon de référence (VIM 5.7, note 1). Le VIM ajoute qu'un étalon de travail servant à la vérification est aussi appelé « étalon de contrôle ».

Cette cascade n'a de valeur que si elle est ininterrompue. C'est la définition de la traçabilité métrologique : la « propriété d'un résultat de mesure selon laquelle ce résultat peut être relié à une référence par l'intermédiaire d'une chaîne ininterrompue et documentée d'étalonnages dont chacun contribue à l'incertitude de mesure » (VIM 2.41). La façon d'organiser ce raccordement est comparée à l'étalonnage et à la vérification dans l'article étalonnage, vérification et raccordement en industrie.

Au-delà des longueurs, un service métrologie gère des clés dynamométriques, des manomètres, des thermomètres, des dynamomètres. Leurs unités sont des unités dérivées du SI, construites à partir des unités de base.

Le couple et l'énergie ont la même expression en unités de base, mais ce ne sont pas les mêmes grandeurs. On exprime un couple de serrage en N·m, jamais en joules. De même, le symbole s'écrit N·m (ou N m) : « Nm » collé, ou « mN », qui désignerait le millinewton, sont des erreurs fréquentes.

Le bar, très présent sur les manomètres, ne fait pas partie du SI ; par définition, 1 bar = 100 000 Pa (10⁵ Pa), soit 0,1 MPa. Quand un plan, une notice et un certificat n'emploient pas la même unité, la conversion doit être écrite et vérifiée, jamais faite de tête au moment du contrôle.

Un rapport de contrôle se lit par d'autres : le client, l'auditeur, le collègue qui reprend le dossier. La Brochure sur le SI fixe des règles d'écriture qui évitent les ambiguïtés. Elles ne relèvent pas de la coquetterie : « 5 mm » et « 5 Mm » diffèrent d'un facteur un milliard.

En français, le séparateur décimal est la virgule. Dans un tableau qui mélange des sources, « 1,000 » peut se lire « un » en français et « mille » en anglais : c'est précisément pour lever ce doute que la Brochure interdit le point et la virgule comme séparateurs de milliers.

Même rigueur pour le nombre de décimales : écrire 25,0 mm ou 25,000 mm n'est pas équivalent, car le nombre de chiffres signale la résolution de la lecture. On arrondit un résultat en cohérence avec son incertitude, notion introduite au chapitre 1.1 et développée au module 4.