INTERNET : Réseau des Mesures Modèles et Incertitudes

Introduction

En France, la communauté scientifique qui s’intéresse à la science des mesures en tant que telle (méthodes, étalons, appareils de mesure), ou en tant qu’outil pour un système (caractérisation, optimisation, dimensionnement) est variée et souvent issue de différentes disciplines (physique, chimie, matériaux, biologie...). En pratique, tous les résultats liés à un dispositif de recherche expérimentale doivent d’une part pouvoir être chiffrés par des valeurs numériques de grandeurs exprimées dans des unités définies, maîtrisées et garanties, et d’autre part être significatifs pour valider la reproductibilité des phénomènes observés. L’incertitude sur le résultat est le moyen privilégié pour évaluer quantitativement ce caractère significatif. Les chercheurs, ingénieurs et techniciens impliqués dans ce type de démarche ont rarement l’opportunité et/ou la possibilité d’échanger leurs compétences et savoir-faire. Il existe donc une méconnaissance des travaux et du potentiel existant au sein de la communauté, que nous espérons combler par la mise en place d’un réseau sur la métrologie et sa méthodologie. Ce « Réseau de Métrologie » concerne toutes les technologies et compétences liées à la maîtrise du processus de mesure : élaboration et caractérisation (expérimentale et numérique) de moyens de mesure, garantie de la traçabilité des résultats, ainsi que développement des applications en métrologie. Il a pour finalité de favoriser les échanges des compétences et moyens au sein de la communauté concernée.

Etat de l’art et état des lieux

La métrologie couvre de nombreux domaines avec différents niveaux d’impact. Les avancées en métrologie fondamentale sont susceptibles d’affecter un ensemble considérable de laboratoires, alors que certains développements plus appliqués intéressent un nombre limité de chercheurs. Nous rappelons ici les principaux acteurs du domaine et leur rôle, que ce soit au niveau de la recherche, du transfert de technologie, de l’accréditation de laboratoire, de la normalisation de méthode ou encore de la formation, afin de mieux délimiter le champ d’application du Réseau de Métrologie.

La métrologie fondamentale

Avec l’extension du volume des transactions commerciales au cours du XVIII e siècle et le développement de la science et des techniques vers le milieu du XIX e siècle, allait se faire impérativement sentir la nécessité d’assurer l’unité des mesures. Compte tenu des besoins liés à l’étude des problèmes métrologiques et des constantes physiques, diverses unités et étalons ont été mis au point, comme les unités électriques, photométriques ou encore les étalons de mesure pour les rayonnements ionisants. C’est en 1945 puis en 1960 que formellement fut créé le Système International d’Unités (SI) fut créé afin de rapporter toutes les unités de mesure à un petit nombre de définitions de bases, permettant la mise en place d’étalons fondamentaux. Dès la mise en œuvre de la Convention du mètre (traité diplomatique), en 1875, une organisme international a été créé , le Bureau international des poids et mesures (BIPM), pour le pilotage de la métrologie au niveau mondial, pour la dissémination du SI et promouvoir son utilisation, mais aussi pour anticiper et promulguer l’évolution des définition des unités du SI.

L’amélioration de la définition des unités et de leur matérialisation des étalons fondamentaux est menée par différents laboratoires nationaux de métrologie. En Europe, c’est principalement La PTB-Allemagne [40% de l’effort dans l’UE], NPL-Grande Bretagne [20%], le LNE-France [10%] et l’INRIM-Italie [10 %]. Les autres acteurs majeurs, hors Europe sont le NIST-USA, le NRC-Canada, le KRISS – Corée, le NMIJ- Japon.… Notons aussi des pays dont l’effort en métrologie s’est particulièrement accru ses 5 dernières années comme le CENAM-Mexique ou encore l’INMETRO-Brésil. Le Comité international des poids et mesures (CIPM), ses Comités Consultatifs (CC), et son laboratoire exécutif (le Bureau International des Poids et Mesures - BIPM, Sèvres) assurent la coordination des travaux, dont les comparaisons inter-laboratoires. Une coordination européenne très forte des études a été mise en place récemment au travers d’un financement lourd (200 M€/7 ans) via l’article 169.

La mise à jour périodique des valeurs recommandées pour les constantes fondamentales et des facteurs de conversion de la physique et de la chimie est sous la responsabilité du comité international CODATA. Ces activités touchent tous les domaines scientifiques et technologiques, puisqu’il faut pouvoir évaluer, comparer, étalonner, chiffrer des grandeurs et même quelques fois définir ou redéfinir des unités de mesures et assurer leur traçabilité, appropriées aux domaines d’application ou de développement des laboratoires de recherche industriels et/ou académiques.

La science des mesures est un élément essentiel dans l’infrastructure des laboratoires de recherche. Elle permet la reconnaissance mutuelle des mesures et des essais mais aussi et surtout la comparaison des résultats de mesure. Le succès de la plupart des laboratoires scientifiques relève de manière critique de la bonne exécution des expériences, condition dans laquelle la confiance que l’on peut accorder aux résultats de mesures (la « qualité » des mesures) joue un rôle clef. C’est l’objectif de la métrologie. Elle est cependant l’enfant pauvre de la recherche et elle reste une thématique peu attractive pour les chercheurs, qui exige du temps, des compétences transverses, et occasionne peu de publications. Formellement, bien peu de laboratoires font appel à des organismes accrédités pour le suivi de leurs instruments. Pourtant, les notions de reproductibilité d’expérience, les méthodes rigoureuses de calcul numérique, la validation des modèles physico-mathématiques sont des pratiques éprouvées dans les laboratoires. L’utilisation de la bibliométrie, de sources laser dites « attoseconde », de systèmes de références spécifiques, de temps de vie d’une molécule biologique… sont courantes. La plupart des équipes ont une démarche qualité implicite ou explicite pour la conduite des projets, en étant respectueuses des systèmes d’unités et si besoin des normes en vigueur.

Il y a pourtant un ensemble de problèmes commun à tous les laboratoires liés à la métrologie, auxquelles ils se heurtent.

• Vérifications de la conformité des résultats.
• Etalonnage des équipements de mesure.
• Besoins spécifiques en métrologie.
• Nouvelles grandeurs associées, traçabilité et raccordement aux étalons nationaux.
• Sécurité des installations, des personnes et prévention de l’environnement.
• Stratégie en méthodologie et décision pour le développement d’expériences et de projets
• Veille normative
• Calcul des incertitudes de mesure par différentes méthodes
• Caractérisation et validation des expériences virtuelles

Cette dernière problématique tend à prendre de plus en plus de place. En effet depuis la fin des années 1970 et l’apparition des nouvelles méthodes numériques de calcul, la modélisation et la simulation d’expériences peuvent être envisagées comme une aide à la décision pour le choix du développement de certains projets ou technologies. Ces « expériences virtuelles » permettent souvent d’économiser de nombreuses et coûteuses expériences de laboratoire. Dans le cadre de cette nouvelle approche, l’incertitude associée au résultat virtuel pourrait être évaluée par une voie statistique ou même probabiliste. La « métrologie » doit donc être associée à la méthodologie de telles expériences. Elle impose des limitations, suppose de formuler ou d’accepter des hypothèses ; elle exige que soit imaginée un processus garantissant la traçabilité des résultats… L’indispensable confrontation théorie-expérience n’a de sens que si l’incertitude associée aux résultats obtenus après de nombreuses itérations d’un code de calcul est maîtrisée. Quelle démarche doit-on – et peut-on — mettre en place au sein des laboratoires de la communauté française (et internationale) impliquée ? Comment – en résumé – maîtriser le processus de mesure virtuel ?

Les publications concernant la mesure sont très dispersées, à l’exception de celles qui assurent la traçabilité internationale des mesures. Elles figurent dans des revues souvent très spécialisées :

• Metrologia (revue pilotée par le BIPM)
• Measurement Science and Technology
• Analytical Chemistry, Review of Scientific Instruments
• Journal of Physical and Chemical Reference Data
• Journal of Instrumentation, Measurement, Radiation measurement
• Accreditation and quality assurance
• IEEE
• Revue française de métrologie (RFM, revue éditée par la métrologie française (LNE))

Le remarquable site du Bureau international des poids et mesures (www.bipm.org) fait figure de référence. Il ouvre sur l’ensemble des laboratoires nationaux de métrologie des différents pays. Le site de la métrologie française (www.metrologiefrancaise.fr) présente les actions des laboratoires nationaux coordonnées par le LNE)

Le réseau pourrait maintenir une interface web avec tous ces médias.

En ce qui concerne les enseignements en métrologie :

• au niveau ingénieur les plus connus sur le plan académique sont :
  • En formation initiale Ceux délivrés à l’école des Mines de Douai et son antenne « Ecole Supérieure de Métrologie » ouverte au monde francophone, ou à l’Ecole Supérieure des Ingénieurs du Mans.
  • En formation professionnelle continue tout au long de la vie et en formation continue Conservatoire National des Arts et Métiers que ce soit à Paris ou dans son réseau de centres régionaux
• au niveau technicien supérieur.
  • Ce sont dans les DUT (Mesures Physiques) ou dans les BTS que la métrologie est abordée.
  • Divers opérateurs comme l’ENSAM de Bordeaux ou le CNAM-Paris ont développé des formations par alternance Bac+3 en métrologie (CQPN, Licences Pro).
  • le CETIM-AFPI de la vallée de l’Oise forme, lui, des opérateurs en métrologie (mécanique)

De très nombreux organismes dispensent des formations de courte durée : LNE, CNAM, INSTN, laboratoires accrédités par le COFRAC (Comité FRAnçais d’ACcréditation), centres techniques (CETIAT), centres de formation intégrés aux grandes entreprises, écoles d’ingénieurs, organismes de formations pour adultes, et sociétés spécialisées privées...

Le réseau pourrait servir d’intermédiaire pour cibler des formations correspondant aux besoins des laboratoires, participer à l’ingénierie de formations spécifiques adaptées et suivre l’offre.

Ce réseau concerne la technologie et les compétences liées à la maîtrise des processus de mesure, de caractérisation (expérimentale ou numérique) des performances de ceux-ci, et le développement d’analyses ou d’essais. Les compétences en métrologie se trouvent dans un grand nombre d’équipes appartenant à des laboratoires de taille et de thématiques très variées. Nous mènerons plusieurs actions : recenser les moyens et les compétences nationaux, sauvegarder et transmettre les acquis technologiques, coordonner les compétences, assurer une veille technologique et contribuer à l’identification de besoins émergents nouveaux.

La phase de recensement des moyens et compétences technologiques des laboratoires dans le domaine de la métrologie sera initiée avec la préparation d’un questionnaire, diffusé auprès des directeurs d’unités. Ce questionnaire s’adressera aux équipes de recherche et aura pour but de recenser les moyens et compétences technologiques des différentes équipes (selon les axes définis ci-dessus), leurs spécificités, et les applications de la métrologie qu’elles développent. Dans le cadre du présent projet, il serait souhaitable que les résultats de cette enquête soient publiés sur le site Web du réseau métrologie en accès intranet ou extranet contrôlé. Ceux-ci pourront servir de base à une banque de données permettant de trouver rapidement les compétences et les moyens pouvant être mis à la disposition d’autres laboratoires. Enfin, dans l’optique du développement de nouveaux procédés en métrologie, il est intéressant que la communauté étudiant la métrologie et sa méthodologie interagisse avec d’autres communautés comme celles des sources ultra-brèves, des microscopistes, des documentalistes, des plasmas froids..., en bref avec une grande majorité des réseaux technologiques concernés de la MRCT, ce qui signifie aussi une ouverture du réseau à des laboratoires dont l’activité est à la frontière de la métrologie.

Avec le renouvellement important des personnels des laboratoires ces dernières années, il apparaît vital pour le développement futur d’expériences en France de resserrer les liens entre les différents acteurs de cette communauté. Le réseau se donne donc pour objectif la sauvegarde des compétences par la mise en place de formations spécifiques et/ou thématiques. De telles formations pourraient par exemple concerner la méthodologie, les techniques, étalons ou équipements abordés en métrologie et aider à conserver les acquis sur « la méthodologie métrologique ». Les recueils des cours correspondants seront diffusés sur le site web du réseau. De même, les normes actuelles, les ouvrages et fiches techniques en rapport avec la métrologie pourraient être consultables sur un site web avec accès intranet. Outre l’aspect « conservation des acquis », le réseau a pour objectif de faciliter la diffusion d’informations relativement générales (activités organisées par le réseau mais aussi des informations sur les publications, congrès, sujets de stages, thèses proposées par les équipes du réseau…) via des listes de diffusion.

Compte tenu de la multiplicité des outils, de validation en métrologie, de leur sophistication et du fort investissement (en temps et/ou financier) qu’ils requièrent, aucun laboratoire n’est à même de les développer tous. Il apparaît donc nécessaire de faciliter les échanges de ces outils et/ou des compétences associées. Ces échanges peuvent par exemple se concrétiser dans différentes situations :

• Lorsqu’une équipe souhaite mettre en place une démarche métrologique, nouvelle pour elle mais bien connue d’autres équipes, le réseau pourra l’aider à choisir la méthode la mieux adaptée à ses conditions, puis l’aider à mettre en œuvre les moyens retenus et lui transmettre les connaissances de base nécessaires.
• Si une équipe a développé une méthode ou une technique novatrice ou très spécifique, elle pourra la présenter et la faire connaître rapidement à l’ensemble de la communauté et éventuellement la tester dans de nouvelles conditions.
• Selon les besoins exprimés par les membres du réseau, des ateliers ou journées thématiques pourront être organisées sur une méthode, technique expérimentale ou numérique.
• Enfin, il arrive que plusieurs équipes, travaillant sur des projets a priori différents, rencontrent un même problème. La mise en place de mini forums de discussion sur le site web du réseau pourrait permettre à chacun des membres d’interroger et/ou apporter des réponses aux autres membres du réseau.

Le Réseau de Métrologie étudiera les méthodes, techniques et moyens destinés à des développements d’applications bien définies dans nos laboratoires. Le réseau aura donc de ce fait, un rôle à jouer en tant qu’interface entre la recherche liée à la métrologie et le transfert de technologie, ce qui signifie une action de veille technologique. Il s’agira notamment de faire le point des technologies émergentes (procédés, moyens de calcul…). Ce nouveau réseau devra pouvoir assurer une interface entre les organismes nationaux reconnus pour la métrologie et les laboratoires de recherche ainsi qu’un grand nombre de réseaux technologiques existants où la démarche métrologique est spécifique à une communauté. Ceci signifie que le réseau constitué devra plus apparaître comme un réseau d’experts et de conseillers que comme un réseau d’utilisateurs d’outils métrologiques et méthodologiques. Bien qu’un échange entre l’expertise et le besoin soit et se doive d’être encouragé pour le développement de projets, l’interaction doit pouvoir être constructive pour l’innovation technologique de la recherche académique.

Actuellement il y a déjà de nombreux laboratoires du CNRS, autre que ceux cités en tant que laboratoire nationaux, qui travaillent sur la thématique métrologie avec les Laboratoires de la métrologie française et pour certains depuis de très longues années. A titre d’exemple nous pouvons citer :

• Laboratoire Kastler Brossel UMR 8552
• Laboratoire de physique des lasers UMR 7538
• Laboratoire de physique et métrologie des oscillateurs UPR3203
• Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes UMR 8001
• Laboratoire de photonique et de nanostructures UPR 20
• Laboratoire d’acoustique de l’université du Maine UMR 6613

Organisation du réseau

L’organisation du système est assurée par un responsable de réseau, un comité de pilotage, des animateurs d’ateliers thématiques et des groupes de travail. Les premiers ateliers auront une mission d’évaluation concernant les thèmes suivants à déterminer. Des liens avec la métrologie française, pilotée par le LNE, et d’autres organismes de métrologie sont également nécessaires.

La métrologie n’est ni une mode, ni une lubie de certains métrologues. Elle est nécessaire pour la maîtrise des mesurages, pour vérifier la conformité des résultats expérimentaux et pour assurer la sécurité des biens, des personnes ou encore pour préserver l’environnement. Mais également pour maîtriser l’aptitude à l’emploi de tous les équipements de mesures utilisés dans les laboratoires académiques qui peuvent avoir une influence sur la qualité des résultats produits. Pour cela, le réseau fédérera les compétences et accompagnera les laboratoires dans leur réflexion sur leur besoin en métrologie ou sur les processus de maîtrise des mesures. Le réseau aura aussi un rôle d’initiateur en lançant des projets technologiques, pour permettre de lever des verrous technologiques, ou encore d’effectuer des mutualisations de ressources matérielles ou informatiques. Mais également en organisant des forums, formations, journées thématiques le réseau anticipera sur les évolutions de la discipline pour permettre à nos laboratoires d’être à la pointe de la recherche. L’intérêt de créer pour la métrologie un réseau technologique transverse, inter-catégoriel, interdisciplinaire et inter-établissements s’avère être incontournable pour notre dispositif de recherche. Le réseau s’appuiera nécessairement sur une vaste communauté scientifique appartenant aux différents instituts du CNRS, au CEA, au CNES ainsi qu’aux laboratoires coordonnés par le LNE.