livre qualite de la mesure en production

Raliser une mesure nest pas un acte anodin, car elle permet de prendre une dcision technique et conomique. Les moyens de production ont une performance qui sest considrablement accrue ces dernires annes. Paralllement, suite une offre abondante du march, les exigences clients sont de plus en plus fortes pour une demande en technologie de pointe. De fait, la conformit des produits ne peut pas encore tre garantie directement sans mesure

En consquence, les entreprises utilisent un grand nombre de matriels de mesure, destins prouver la conformit finale des produits vis--vis des exigences clients (contrle de rception) et vrifi er la capabilit dun processus de production (en phase de mise au point et en suivi de production).

Cet ouvrage se propose dclairer le processus de mesure en abordant les thmes suivants :7 la comprhension des exigences de son client ;

7 le choix dun appareil bien adapt cette mesure ;

7 lassurance que les appareils utiliss ont bien la qualit mtrologique requise ;

7 lanalyse des sources derreurs potentielles pouvant infl uencer la mesure ;

7 la validation dun processus de contrle ;

7 lestimation de lincertitude de mesure associe au rsultat donn ;

7 enfi n, le maintien de cette qualit mtrologique au cours du temps.

Daniel DURET, docteur agrg de gnie mcanique, ancien lve de lENS CACHAN, est professeur au dpartement QLIO de lIUT dAnnecy. Il pratique la formation et le conseil industriel dans le domaine de la qualit. Son ouvrage est constamment enrichi de cette double exprience duniversitaire et de praticien.

Il a galement publi :

Code

di

teur

: G

5414

0IS

BN :

978-

2-21

2-54

140-

3

-:HSMC

LC=ZYV

YUX:

35

barb

ary-

cour

te.c

om

155 x 240 14,0 mm

Qua

lit

de la

mes

ure

en p

roduc

tion

Dan

iel D

URET

Qualit de lamesure enproduction

Daniel DURET 1

54140_duret_140.indd 154140_duret_140.indd 1 13/06/08 12:52:0613/06/08 12:52:06

Daniel D

URET

Qualit de la mesureen production

ditions dOrganisationGroupe Eyrolles

61, bd Saint-Germain75240 Paris cedex 05

www.editions-organisation.comwww.editions-eyrolles.com

Le Code de la proprit intellectuelle du 1

er

juillet 1992 interdit en effet expressmentla photocopie usage collectif sans autorisation des ayants droit. Or, cette pratiquesest gnralise notamment dans lenseignement provoquant une baisse brutale desachats de livres, au point que la possibilit mme pour les auteurs de crer des uvresnouvelles et de les faire diter correctement est aujourdhui menace.En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intgralement

ou partiellement le prsent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans autorisation de lditeurou du Centre Franais dExploitation du Droit de copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris.

Groupe Eyrolles, 2008ISBN : 978-2-212-54140-3

Introduction

7

G

roup

e Ey

rolle

s

Les moyens de production ont une performance qui sest considrable-ment accrue ces dernires annes (en facilit de rglage et en faibles dis-persions). Paralllement, du fait dune offre abondante du march, lesexigences des clients pour une demande en technologie de pointe sontde plus en plus fortes. En consquence, la conformit des produits nepeut pas encore tre garantie directement sans mesure. Pour ce faire, lesentreprises utilisent un nombre important de matriels de mesuredestins :

prouver la conformit finale des produits vis--vis des exigencesclients (contrle de rception) ;

vrifier la faisabilit dun processus de production (en phase demise au point et en suivi de production).

Raliser une mesure nest pas un acte anodin, car elle permet de prendreune dcision technique et conomique. Pour que cette dcision soitprise bon escient, il faut avoir foi dans sa mesure. Contrairement demauvaises habitudes, cette foi ne doit pas tre aveugle, il faut savoirgarder un esprit critique. Cet ouvrage se propose dclairer le processusde mesure en abordant les thmes suivants :

comprendre les exigences de mon client.

Cela suppose que nousutilisons un mme langage. Les normes de dfinition du produit(GPS

1

) ne seront pas abordes dans cet ouvrage. Par contre, le con-cept dunits talon sera expos avec quelques rappels historiques(chapitre 1) ;

tre capable de choisir un appareil bien adapt cette mesure.

Sans faire de la technologie mtrologique, cela ncessite de connatreles diffrents principes de mesure et le vocabulaire de description yaffrents (chapitre 2) ;

1. GPS : NF EN ISO 14253-1 mars 1999, Spcification gomtrique du produit (GPS) Vrification par la mesure des pices et quipements de mesure, Partie 1 : rgles dedcision pour prouver la conformit ou la non-conformit la spcification.

Qualit de la mesure en production

8

G

roup

e Ey

rolle

s

sassurer que les appareils utiliss ont bien la qualit mtrolo-gique requise.

Pour cela ils doivent tre identifis et accrdits parun service interne ou un organisme externe qui prouvera leur ratta-chement aux talons nationaux (chapitre 3) ;

analyser les sources derreurs potentielles pouvant influencer lamesure.

Dans lesprit dune analyse 5M

1

, nous chercherons mettreen vidence les diffrents acteurs perturbateurs de la mesure(chapitre 4). Nous mettrons laccent sur linfluence du posage quenous retrouvons dans beaucoup de mesurage et comment y remdier(chapitre 5) ;

valider un processus de contrle.

Pour cela nous devons quantifierlerreur de justesse et de fidlit (rptabilit et reproductibilit).Aprs quelques rappels de statistiques de base appliques la mesure(chapitre 6), nous prsenterons comment estimer la fidlit en rap-pelant la mthode industrielle du MSA

2

. Ensuite, nous prciseronscomment estimer lerreur de justesse et nous prsenterons une syn-thse avec lapproche incertitude inertielle , permettant de lier cesdeux concepts (chapitre 7) ;

estimer lincertitude de mesure associe au rsultat donn.

Nousrappellerons la mthode du GUM

3

permettant destimer une incerti-tude de mesure par expertises et statistiques. Nous lappliquerons auxmesures avec correction (chapitre 8) ;

maintenir cette qualit mtrologique au cours du temps.

Pourcela, on prsentera diffrentes mthodes de dtection de drive ven-tuelle. Cette surveillance du matriel sera aborde au chapitre 9.

1. Duret D., Pillet M.,

Qualit en production : de lISO 9000 Six Sigma

, Paris, ditionsdOrganisation, 2005.

2. MSA :

Measurement Systems Analysis

, manuel dvelopp sous la responsabilit de DaimlerChrysler Corporation, Ford Motor Company et General Motors Corporation(

www.carwin.co.uk/qs

).3. GUM :

Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement

(NF ENV ISO 14253-2dcembre 2002).

9

G

roup

e Ey

rolle

s

Sommaire

Introduction

..................................................................................................................................................................................................

5

Chapitre 1

Systme dunits

..........................................................................................................................

13

Le besoin dtalons

.......................................................................................................................................................................

15

Un peu dhistoire mtrologique

............................................................................................................................

16Lhritage de lAntiquit

...................................................................................................................................................

17La mtrologie et le pouvoir

............................................................................................................................................

17Le systme anglais

........................................................................................................................................................................

18La gense du systme mtrique dcimal

......................................................................................................

19La Confrence gnrale des poids et mesures

.....................................................................................

20

Le systme international dunits : SI

.........................................................................................................

22Units SI de base

...........................................................................................................................................................................

23Units SI drives

.........................................................................................................................................................................

24Prfixes des multiples et sous-multiples

.......................................................................................................

24Principales rgles dcriture

..........................................................................................................................................

25Units hors du SI

..........................................................................................................................................................................

25

Chapitre 2

Principes de mesure et terminologie

......................................

27

Principe physique de mesure

.....................................................................................................................................

29Mthode directe

.............................................................................................................................................................................

29Mthode indirecte

.....................................................................................................................................................................

30Mthode directe globale avec lecture indirecte locale

..............................................................

31

talons externes ou internes

.......................................................................................................................................

32Mesure par comparaison (talons externes)

............................................................................................

32Mesure autonome (talons internes)

................................................................................................................

33

Terminologie

.............................................................................................................................................................................................

34

Notions de chane de mesure

....................................................................................................................................

35Capteur

.......................................................................................................................................................................................................

36Amplificateur dinstrumentation

.........................................................................................................................

37


10

G

roup

e Ey

rolle

s

Traitement du signal de mesure

.............................................................................................................................

37

Affichage mmorisation de la mesure

................................................................................................

39

Chapitre 3

Gestion des moyens de mesure

...........................................................

41

Situer sa fonction mtrologie

.......................................................................................................................

43

La confiance dans la mesure

........................................................................................................................................

46Linstrument

.......................................................................................................................................................................................

46Le milieu

.................................................................................................................................................................................................

48La main-duvre et la mthode

..............................................................................................................................

49La matire (pice)

........................................................................................................................................................................

50

Chane nationale dtalonnage

..............................................................................................................................

50Le Comit franais daccrditation (COFRAC)

.............................................................................

50Laboratoire national de mtrologie et dessais (LNE)

.............................................................

51Les laboratoires accrdits

...............................................................................................................................................

52Choix dune stratgie dtalonnage

....................................................................................................................

53

La mesure, un tat desprit

..........................................................................................................................................

55

Mise en place dune gestion des moyens de mesures

................................................

56Identification et inventaire des appareils

..................................................................................................

56Indicateurs de qualit dun appareil

................................................................................................................

57talonnage ou vrification des appareils

...................................................................................................

58Cas de la sous-traitance (vrification externe)

....................................................................................

60Suivi du matriel

.........................................................................................................................................................................

60Formation du personnel

....................................................................................................................................................

62

Chapitre 4

Erreurs de mesurage

.........................................................................................................

63

Analyse des sources derreurs

.................................................................................................................................

65Recherche des influences par la mthode des 5 M

.....................................................................

66Comment lutter contre les grandeurs dinfluence

........................................................................

67

Influence du moyen de mesure

..............................................................................................................................

68Principe dAbbe

............................................................................................................................................................................

70Influence des efforts de contact

...............................................................................................................................

72Matrise des influences dues lappareil de mesure

....................................................................

73

Influence du milieu

........................................................................................................................................................................

73Exemples de grandeurs dinfluence dues au milieu

....................................................................

74Classer les grandeurs dinfluence lies au milieu

...........................................................................

75tude de linfluence de la temprature

.........................................................................................................

77

Chapitre 5

Matriser linfluence du posage

.............................................................

85

limination : amliorer lisostatisme du montage de contrle

....................

87Notions de degrs de libert

.........................................................................................................................................

88Optimisation de la position des points dappui

.............................................................................

89Optimisation de la localisation des points dappui

...................................................................

93

Sommaire

11

G

roup

e Ey

rolle

s

Insensibilisation

....................................................................................................................................................................................

95

Compensation

........................................................................................................................................................................................

97tude de lincidence du dplacement de ltalon dans la mesuredun rayon (exemple avec trois capteurs)

...................................................................................................

97

Correction

......................................................................................................................................................................................................

101Association dun lment gomtrique un ensemble de points

............................

102Analyse modale dune surface ou dune courbe

................................................................................

111

Chapitre 6

lments de statistiques appliqus la mesure

......................................................................................................................................................................................................

115

Estimation dune valeur vraie

....................................................................................................................................

117Estimation par une moyenne

....................................................................................................................................

117

Comparaison de deux estimations de moyennes

.................................................................

120Paramtrage du problme

................................................................................................................................................

120Test de comparaison

................................................................................................................................................................

121

Comparaisons dchantillons apparis

.....................................................................................................

122chantillon des diffrences............................................................................................................................................. 122

Recherche de linfluence dun facteur(analyse de la variance un facteur).............................................................................................................. 122

Influence du facteur identifi...................................................................................................................................... 122Test sur leffet suppos du facteur........................................................................................................................ 126

Recherche de linfluence de deux facteurs (analyse de la variance deux facteurs) ................................................................................................. 132

Convention dcriture des diffrentes moyennes ........................................................................... 133Modlisation ....................................................................................................................................................................................... 134Analyse de la variabilit........................................................................................................................................................ 134Test sur la validit de linfluence des facteurs ...................................................................................... 135

Rgression linaire ........................................................................................................................................................................ 137Estimation des paramtres............................................................................................................................................... 138Incertitudes sur les paramtres .................................................................................................................................. 139Intervalle de confiance de la correction........................................................................................................ 139

Chapitre 7 Valider un processus de contrle ...................................................... 143Concept de fidlit ....................................................................................................................................................................... 145

Mthode du GUM ..................................................................................................................................................................... 147Mthodes GRR ............................................................................................................................................................................. 148GRR type average and range method ....................................................................................................... 149GRR type ANOVA .......................................................................................................................................................... 155Capabilit dun processus de contrle............................................................................................................ 158Conformit de lappareil en production dans le cas dune capabilitdu processus leve..................................................................................................................................................................... 162Cas des contrles automatiques............................................................................................................................... 163


12

G

roup

e Ey

rolle

s

Concept de justesse ................................................................................................................................................................... 164Bornes dacceptation pour lerreur de justesse ................................................................................... 165

Capabilit du processus de contrle : approche inertielle ................................. 168Rappel sur les contraintes relatives aux dispersions .................................................................... 168Influence du dcentrage..................................................................................................................................................... 169Tolrancement inertiel ........................................................................................................................................................ 169Indice de capabilit Cpi...................................................................................................................................................... 170Couplage inertie du processus de contrle et inertie du processus de production .................................................................................................................................................................................. 172

Chapitre 8 Estimer lincertitude de mesure ........................................................... 175Prsentation de la mthode du GUM ........................................................................................................ 178

Exemple conducteur ............................................................................................................................................................... 178Modlisation du processus de mesure............................................................................................................ 179Loi de propagation de lincertitude ................................................................................................................... 181Risque d au dveloppement limit au premier ordre........................................................... 186Quantifier les incertitudes types u(xi) : valuation de type A ou de type B ........................................................................................................................... 186Incertitude largie ....................................................................................................................................................................... 190

Incertitude sur les corrections ............................................................................................................................... 191Correction locale .......................................................................................................................................................................... 192Correction globale...................................................................................................................................................................... 196

Chapitre 9 Maintenir la qualit mtrologique ................................................. 201Correction de la drive priodicit calendaire fixe .................................................... 204

Choix arbitraire dinitialisation de la priodicit ........................................................................... 205Principes de calcul des priodes de vrification................................................................................ 206Choix de la priodicit par la mthode Opperet ............................................................................ 207

Correction de la drive en utilisant les mthodes de la MSP......................... 212Rappel sur la MSP...................................................................................................................................................................... 212Application de la MSP au suivi de vrification................................................................................. 215

Conclusion ........................................................................................................................................................................................................... 221

Annexes .................................................................................................................................................................................................................... 225

Bibliographie ................................................................................................................................................................................................. 229

Index................................................................................................................................................................................................................................. 233

Chapitre 1

Systme dunits

Systme dunits

15

G

roup

e Ey

rolle

s

Le besoin dtalons

Mesurer, cest faire une division. Le numrateur reprsente une grandeur(longueur, masse) que lon veut quantifier. Le dnominateur reprsenteune certaine quantit, de mme nature physique, que lon a pu (ou quelon a su) bien dfinir. Cest la notion mme dtalon (qui corresponddans ce cas la grandeur unit

1

), que nous dvelopperons par la suite.

Illustrons ce concept avec un exemple didactique : mesurer un tas desable en nombre de brouettes.

Pour faire une mesure, il faut :

avoir une grandeur physique mesurer (ici un

volume

de sable) ;

choisir un domaine de cette grandeur comme talon de mesureappel galement grandeur unit (attention ce nest pas la brouettequi est ltalon, mais le volume contenu dans la brouette) ;

dnombrer la quantit retenir en prcisant le nombre (ou mesure)dunits dfinies par la quantit talon.

Figure 1.1 : Exemple didactique de mesure

1. Les termes spcifiques la mtrologie (comme grandeur ou unit) sont dfinis dans leVIM (

Vocabulaire international de la mtrologie

) PR NF ISO 99999 octobre 2006(VIM), 3

e

d.

Mesure =

Quantit mesurer(mesurande)

talon :volume contenudans la brouette


16

G

roup

e Ey

rolle

s

La mesure, en tant que rsultat de la division, sexprime par une gran-deur scalaire (un rel qui est estim par un entier et une partie fraction-naire).

Exemple

Pour mesurer le temps qui passe (chronomtrie), le choix de ltalon cor-respond la priode dun mouvement oscillatoire (du pendule lavibration dun atome). Il faut ensuite prvoir un systme de comptage.

Nous verrons par la suite que le choix de ltalon est quelque chose dedlicat. Sa dfinition et son appropriation ne sont pas toujours videntes.Cela a conduit une multitude dtalons concurrents pour une grandeurphysique donne. Cest pourquoi nous ferons toujours suivre le rsultatdune mesure par le type de ltalon retenu (par exemple : 2,35 mm).

Nous voyons apparatre deux sources derreurs potentielles :

une dfinition faible de ltalon (grandeur unit) ;

un dnombrement incorrect dans le rsultat de la division.

Un peu dhistoire mtrologique

On peut retenir quatre grands domaines dapplication ncessitant unemtrologie de qualit :

domaine commercial (sous-entendu, tre sr den avoir pour sonargent) ;

domaine architectural et cadastral (pyramides, cathdrales, palais) ;

domaine scientifique (changer et comparer ses rsultats pour validerun modle) ;

domaine industriel (passer de lunitaire la srie, avec la possibilitdinterchangeabilit).

Concernant le domaine scientifique, rappelons les propos de Lord Kelvin :

Si vous pouvez mesurer ce dont vous parlez, et lexprimer par un nombre,alors vous connaissez quelque chose de votre sujet. Si vous ne le pouvez,votre connaissance est dune bien pauvre espce et bien incertaine. [William Thomson (1824-1907), mieux connu en tant que Lord Kelvin.]

Systme dunits

17

G

roup

e Ey

rolle

s

A contrario

, ce nest pas parce que lon a retenu un systme de mesure,que lon connat parfaitement la grandeur mesurer (par exemple,les tests de mesure du quotient intellectuel proposs par Binet (1857-1911)).

Lhritage de lAntiquit

Lide de choisir

un domaine dune grandeur

[par exemple la lon-gueur] comme talon est naturel et trs ancien (le plus souvent li lamorphologie humaine). On peut citer par exemple, les systmesdunits et de leurs multiples et sous-multiples gyptiens, grco-romains, arabes et chinois. Ces derniers ont trs tt utilis un systmedcimal.

Figure 1.2 : La coude royale gyptienne

La mtrologie et le pouvoir

Pour quantifier les changes commerciaux, il fallait bien utiliser des ta-lons de mesures (par exemple, talons de volume pour la mesure descrales). Dans les transactions commerciales, il pouvait y avoir desachats dans une unit et des ventes dans une autre unit plus avanta-geuse. La lutte contre ces pratiques injustes relevait naturellement du

Palme

Paume

Coude royale gyptienne : = 7 paumes = 28 doigts = 1 corde / 100


18

G

roup

e Ey

rolle

s

garant de la justice dans le pays, cest--dire le roi lui-mme. Dans laplupart des pays, se trouvait un systme de poids et mesures placsous la haute autorit du roi.

En 1671, Colbert avait cherch rendre uniforme les poids et mesuresdans tous les ports et arsenaux de France

1

.

Notons que cette volont dunicit des diffrents talons intressait ga-lement les services de collecte des taxes et des impts.

Le systme anglais

Ce systme, fond sur des multiples qui ne nous sont plus habituels, esten fait trs ancien. Cest un des premiers exemples de normalisationtendue tout un royaume.

Par exemple, pour les longueurs, les multiples et sous-multiples sontconstruits partir du pied . Effectivement, cela correspond approxi-mativement la longueur dun pied humain (de grande taille), mais celapeut tre vu galement au sens dinstrument de mesure (comme pour unpied coulisse) (tableau 1.1).

Tableau 1.1 : Systme anglais pour les longueurs (exemples)

2

.

1. Hocquet J.-C.,

La Mtrologie historique

, Paris, PUF, 1995.

Nom anglais Nom franais Ratio/pied quivalence SI

Mile

Mille 5 280/1 1 609,344000 m

Yard

Verge 3/1 0,914000 m

Foot

Pied 1 0,304800 m

Inch

Pouce 1/12 25,400 mm

Point

Point 1/144 0,176388 mm

2.

http://fr.wikipedia.org

.

Systme dunits

19

G

roup

e Ey

rolle

s

La gense du systme mtrique dcimal

En France, on trouvait un systme dunits trs proche du systmeanglais. Le problme essentiel venait de la non-uniformit (dans les pro-vinces) de la dfinition du pied et dune base de division qui pouvaitvarier (par exemple, la toise et le pied ntaient pas diviss de la mmefaon).

Le besoin dunicit de ltalon

Bien que lide dunicit ait dj t propose, son application nepouvait se faire que suite une volont forte, de manire vaincre leshabitudes et linertie des usagers. Cependant, le dveloppement ducommerce, de la rgion vers linternational, va tre un vecteur de redfi-nition dun systme plus cohrent. Pour viter toutes querelles de natio-nalisme, lide dune dfinition universelle des talons, rattachs desconstantes physiques, a germ dans lesprit de la communaut scienti-fique.

La fin du

XVII

e

sicle voit saffronter deux coles. Lune propose de ratta-cher ltalon larc terrestre (Gabriel Mouton, 1618-1694), lautredfinit ltalon comme le tiers de la longueur dun pendule battant laseconde, appel pied universel (Jean Picard, 1620-1682).

Les deux coles coexisteront pendant prs dun sicle et donneront lieu diffrentes expriences (cela permettra daffiner la dfinition de ltalonsouhait). Notons que la dfinition partir du pendule crait un lienentre lunit de longueur et lunit de temps. Ce lien sera nouveaudactualit, quelque trois cents ans plus tard.

La ncessit dune volont politique

Promouvoir un nouveau systme de mesure ne doit pas uniquementtre une affaire de spcialistes. Cette promotion doit tre soutenue parune volont politique forte de changement et des moyens financiersassocis. Ds 1774, Turgot charge Condorcet (nomm inspecteur desMonnaies) de rflchir au choix dun talon et de son usage dans leroyaume partir de copies (on ne parle pas encore de chane dtalon-nage, mais le concept est n).


20

G

roup

e Ey

rolle

s

La Rvolution franaise, et sa soif de changement, sera un catalyseurpour promouvoir ce nouveau systme. Luniformisation des poids etmesures devient un enjeu national.

LAcadmie des sciences est charge de dfinir le nouvel talon de lon-gueur. La dfinition de ltalon laide dun pendule ou partir dun arcdu mridien terrestre sera lobjet de controverses importantes. Cest laseconde proposition qui lemportera. En effet, en 1791, lAssemblenationale accepte les termes du rapport de la commission compose deBorda, Lagrange, Laplace, Monge et Condorcet. La longueur du pen-dule battant la seconde est rejete au profit de la dix-millionime partiedu quart du mridien terrestre.

De la dfinition la matrialisation du mtre

Il y avait dj eu diffrentes mesures darcs de mridien terrestre partriangulation. Il a t dcid de mesurer par triangulation larc de mri-dien entre Dunkerque et Barcelone, deux villes situes 45 degrs delatitude environ. Le choix des villes donnait une dimension internatio-nale cette opration.

LAssemble nationale, en juin 1792, va charger deux astronomes, Jean-Baptiste Delambre pour la partie nord et Pierre Mchain pour la partiesud, de faire ces mesures. Dans le contexte historique difficile delpoque, ce fut une vritable pope

1

.

Le 22 juin 1799, ltalon mtre est consacr. Pour des raisons pure-ment pratiques, le mtre sera matrialis ensuite par une rgle de platine.

La Confrence gnrale des poids et mesures

Le systme mtrique dcimal du 22 juin 1799 reprsentant le mtre etle kilogramme mettra quelques annes simposer. Prsent lors desexpositions internationales, sa diffusion sera rapide au sein de la com-munaut scientifique mondiale (citons en particulier Gauss, Weber,Maxwell et Thomson).

1. Pour en savoir plus, lire

La Mridienne

et

Le Mtre du monde

de Denis Guedj.

Systme dunits

21

G

roup

e Ey

rolle

s

De ces diffrentes rencontres et associations internationales de scientifi-ques, naquit le Bureau international des poids et mesures (1876) qui tra-vaille sous lautorit de la Confrence gnrale des poids et mesures

1

(CGPM), rassemblant des dlgus des tats membres de la Conventiondu mtre et des tats associs la CGPM, et qui se runit Paris tous lesquatre ans.

En 1889, la premire CGPM adopte un nouvel talon du mtre, copiede lancien, mais de forme et dalliage plus robustes aux influences (demme pour le kilogramme). Il reprsente le mtre la

temprature de laglace fondante

. Un nouvel talon va tre adopt pour le temps : laseconde. Ces trois units de base vont former le systme MKS.

En 1901, Giorgi proposera dajouter une unit lectrique ce systme.Cela donnera le systme MKSA adopt en 1946.

En 1960 (onzime CGPM), ce systme sera complt par lintroductiondu kelvin et de la candela et prendra le nom de Systme internationaldunits (SI). La CGPM propose galement une nouvelle dfinition dumtre (en accord avec lancienne) :

Le mtre est la longueur gale 1 650 763, 73 longueurs donde dans levide de la radiation correspondant la transition entre les niveaux 2p10 et5d5 de latome de krypton 86.

La dfinition renoue avec la volont de ses crateurs, cest--dire essayerde le lier des constantes physiques.

En 1967, la treizime CGPM rattache la seconde au monde de latome :

La seconde est la dure de 9 192 631 770 priodes de la radiation corres-pondant la transition entre les deux niveaux hyperfins de ltat fonda-mental de latome de csium 133.

En 1971, la quatorzime CGPM lui ajoutera la mole.

En 1983, la dix-septime CGPM propose une autre dfinition du mtre :

Le mtre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumirependant une dure de 1/299 792 458 de seconde.

Le mtre et la seconde sont lis, nous retrouvons lesprit du pied uni-versel dfini partir du pendule battant la seconde.

1.

http://www.bipm.org/fr/convention/cgpm/

.


22

G

roup

e Ey

rolle

s

Dune manire gnrale, en fonction des connaissances physiques dumoment, on cherchera rattacher les units fondamentales des phno-mnes physiques

1

supposs invariants. Seule lunit de masse (pourlinstant) reste fidle sa premire dfinition.

Nous navons dcrit que quelques rsolutions des diffrentes conf-rences gnrales des poids et mesures. Pour plus dinformations, le lec-teur pourra se reporter au site du Bureau International des Poids etMesures (BIPM)

2

.

Le systme international dunits : SI

3

3

Il est divis en units SI de base et en units SI drives. Choisir lesunits de base juste ncessaires et indpendantes fait appel des connais-sances physiques de haut niveau et qui dpendent donc de lpoque oelles ont t dfinies, hritage de lhistoire, avec ses habitudes et soninertie face aux changements. Les sept units de bases seront considrescomme indpendantes et uniques. Le choix a forcment une part darbi-traire, comme lillustre la figure 1.3.

Figure 1.3 : Choisir ses units de base

1.

http://www.bipm.fr/fr/si/si_constants.html

.2.

http://www.bipm.org/fr/publications/resolutions.html

.3. Pour plus de dtails, le lecteur est invit tlcharger la notice Le systme interna-

tional dunits BIPM sur le site :

http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/general.html

.

Syst

me

1Sy

stm

e 2

Units de base

Longueur

Temps

Units drives

Vitesse

Exemple : m/s

Vitesse

Temps

Longueur

Exemple : 2 heures(sous-entendu : de marche)

Systme dunits

23

G

roup

e Ey

rolle

s

Units SI de base

Elles sont au nombre de sept. Leur mise en uvre pratique est dfiniesur le site Web du BIPM ladresse :

http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/appendix2/.

Tableau 1.2 : Units SI de base

m Le mtre (unit de longueur)

Le mtre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumire pendant une dure de 1/299 792 458 de seconde.

kg Le kilogramme (unit de masse)

Le kilogramme est lunit de masse ; il est gal la masse du prototype international du kilo-gramme.

s La seconde (unit de temps)

La seconde est la dure de 9 192 631 770 priodes de la radiation correspondant la transition entre les deux niveaux hyperfins de ltat fondamental de latome de csium 133.

A Lampre (unit de courant lectrique)

Lampre est lintensit dun courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire ngligeable et placs une distance de 1 mtre lun de lautre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force gale 2 10 7 newton par mtre de longueur.

K Le kelvin (unit de temprature thermodynamique)

Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la temprature thermodynamique du point triple de leau.

mol La mole (unit de quantit de matire)

1. La mole est la quantit de matire dun systme contenant autant dentits lmentaires quil y a datomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12.2. Lorsquon emploie la mole, les entits lmentaires doivent tre spcifies et peuvent tre des atomes, des molcules, des ions, des lectrons, dautres particules ou des groupements spcifis de telles particules.

cd La candela (unit dintensit lumineuse)

La candela est lintensit lumineuse, dans une direction donne, dune source qui met un rayonnement monochromatique de frquence 540 1 012 hertz et dont lintensit nergtique dans cette direction est 1/683 watt par stradian.


24

G

roup

e Ey

rolle

s

Units SI drives11

De nombre illimit, elles sont le plus souvent dfinies partir des unitsde base (par exemple, la vitesse exprime en m/s). Vingt-deux dentreelles ont reu un nom propre, le plus souvent correspondant au nomdun scientifique illustre (par exemple, la force exprime en newtons).Notons que deux units sans dimension (correspondant un rapport demme grandeur, comme pour un pourcentage) ont un nom propre, savoir le radian (angle plan) et le stradian (angle solide).

Prfixes des multiples et sous-multiples

La onzime CGPM (1960) a dfini des prfixes pour les multiples etsous-multiples des diverses units. Au-dessus du kilo et au-dessous dumilli, on retrouve une base en 103 (fig. 1.4).

Figure 1.4 : Choix des multiples et sous-multiples

Le kilogramme en tant quunit de base devrait avoir un nom propre(comme par exemple, la proposition historique du grave , qui a laissla place au gramme pour revenir au kilogramme ). En cons-quence, on crira un mg et non un kg. Il faut faire attention de ne pas

1. http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/chapter2/2-2/table3.html.

yotta zetta exa pta tra giga mga kilo hecto dci centi milli micro nano pico femto atto zepto yoctodca

Y Z E P T G M k h da d c m n p f a z y

24 2118

15 129

6 3 2 1 0 1 2 3 6 9

12 15 18

21 24

Prfixes SI

Nom & symbole

Puis

sanc

e de

10

Systme dunits

25

G

roup

e Ey

rolle

s

confondre les prfixes avec les units. Ainsi un mN correspond unmilli newton et non pas un couple, qui sexprimera, pour viter touteconfusion, en Nm .

Principales rgles dcriture

Les symboles dunits sont en minuscules sauf si elles drivent dunnom propre (par exemple, 1 A).

Le prfixe est sans sparateur (par exemple, 1 m). Lorsque lunit est crite compltement, elle doit tre en minuscule

comme un nom ordinaire (par exemple, 2 ampres).

Remarque : le litre peut scrire l ou L pour viter toute confusion avecle chiffre 1 (CGPM, 1979). Il ny a jamais eu de Monsieur Litre1.1

Units hors du SI

Par habitude, certaines anciennes units rsistent. Il est difficile desapproprier une nouvelle unit. Par exemple le radian, dans le langagecourant, a du mal simposer devant le degr. En revanche, la minutedangle commence laisser le pas au 1/10e et au 1/100e de degr (calcu-latrice oblige). La mesure du temps utilise toujours une base non dci-male (heure, minute, seconde). Dautres units comme lhectare, le litre,la tonne sont toujours utilises.

Les units prcites ont un usage accept par le SI.

Il existe un grand nombre dunits en dehors du systme SI. Certainessont tolres pour des raisons de commodit dusage, dautres par contrene sont pas recommandes et devraient donc disparatre progressive-ment (par exemple, le cheval remplac par une expression en watts)2.

1. http://www.student.math.uwaterloo.ca/~stat231/stat231_01_02/w02/section3/fi1.2.pdf.2. http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/chapter4/4-2.html.

Chapitre 2



29

G

roup

e Ey

rolle

s

Dans ce chapitre nous essayerons de classer les appareils de mesure sui-vant deux approches :

la premire sera base sur la ralisation physique de lappareil(mthode directe et mthode indirecte). Nous nous limiterons auxprincipes de base. Pour une approche plus technologique, le lec-teur est renvoy aux ouvrages spcialiss portant sur linstrumentalisa-tion ;

la seconde prcisera si lutilisation dtalons annexes est ncessaire(mthode par comparaison ou lecture autonome).

Comme pour toutes disciplines, le mtrologue doit utiliser un langagede communication si possible exempt de toute ambigut. Pour cela unminimum de normalisation est ncessaire. Nous dtaillerons quelquestermes utiliss dans ce chapitre en nous rfrant au Vocabulaire interna-tional des termes fondamentaux et gnraux de la mtrologie1. Ce docu-ment de synthse est lmanation de sept organisations mondiales(BIPM, CEI, FICC, ISO, OIML, UICPA, UIPPA).

De la valeur dentre (grandeur relle ou mesurande) la valeur de sortie(mesure), transitent des donnes intermdiaires qui peuvent prendrediffrentes formes physiques. Nous recenserons les lments qui peu-vent intervenir dans cette chane de mesures .

Principe physique de mesure

Mthode directe

Cest la mthode la plus ancienne et la plus naturelle. Par exemple, sinous mesurons la longueur dun objet avec un double dcimtre, nousobtenons directement une mesure de lobjet. Il ny a pas de transforma-tion physique de lentre (dplacement).

1. Les termes spcifiques la mtrologie sont dfinis dans le VIM (Vocabulaire internationalde la mtrologie) Projet de norme AFNOR X07-001PR (PR NF ISO 99999octobre 2006).


30

G

roup

e Ey

rolle

s

Exemples de mesures directes

Mesure partir dune rgle (en mtal grav, en verre avec dpt).

Mesure de masse (balance type Roberval ).

Mesure de volumes (pipette gradue).

etc.

Mthode indirecte

Cest la mthode la plus rpandue dans les appareils de mesure actuels.La grandeur dentre (mesurande) est transforme en une succession degrandeurs intermdiaires de nature physique diffrente jusqu la gran-deur finale de sortie qui sera quantifie (mesure).

Plus particulirement, cela permet de passer des grandeurs de typelectrique qui facilitent le transfert vers un traitement informatique.

Exemples de mesures indirectes pour les longueurs

Le dplacement (entre) pourra tre transform par exemple :

en rotation (micromtre1) : bien que lutilisateur ait limpression delire directement un dplacement, il compte en ralit un nombre detours et en dduit indirectement le dplacement du fait du pas de lavis micromtrique (fig. 2.1) ;

Figure 2.1 : Entre-Sortie du micromtre

en grandeurs lectriques (capteurs inductifs, capteurs capacitifs,variations de rsistances lectriques) ;

1. Connu galement sous le nom de son inventeur Jean-Louis Palmer (1848).

Entre

Sortie

Micromtre dtendue0-25 mm


31

G

roup

e Ey

rolle

s

en ondes sonores (par exemple la conformit dimensionnelle dunepale de turbine sera donne suite lanalyse du spectre du son pro-voqu par sa vibration) ;

en variations de pression (analyse des pressions des fuites dair, fonc-tion du jeu entre lappareil et la pice mesurer) ;

etc.

Certaines mesures de grandeurs ncessitent une mthode indirectecomme par exemple :

la mesure des forces (dynamomtre de type peson , jauge de con-traintes, anneau de dformation avec mesure de pression dair, cap-teur pizolectrique) ;

la mesure des tempratures (dilatation de liquide, solide ou gaz,variation de rsistance lectrique, thermocouple, effet photovol-taque, rayonnement).

Mthode directe globale avec lecture indirecte locale

En mtrologie dimensionnelle, la lecture directe par rgle est trsemploye. Il suffit de compter directement un nombre de pas. Il reste leproblme de mesurer une fraction de pas. Cette fraction peut tremesure directement par des moyens de grossissement (type micros-cope) ou en utilisant une lecture par amplification gomtrique de typevernier1 (fig. 2.2) ou franges de Moir.

Figure 2.2 : Exemple dune lecture (30,80 mm) avec vernier au 1/50e

1. Invent par le gomtre franais Pierre Vernier (1580-1637).


32

G

roup

e Ey

rolle

s

Lors de lutilisation de rgles optiques, on peut compter le nombre depas (rseau de traits distants de 0,25 10 m environ, correspondant des couches de mtal sur un support en verre ou en cramique) et dter-miner la fraction de pas complmentaire par analyse du signal lectriquecorrespondant.

talons externes ou internes

Mesure par comparaison (talons externes)

Cest le type mme de lappareil utilis en grande srie. En effet, dans cecas particulier, lappareil sera utilis toujours pour la mme tche. Onlui demandera de permettre lestimation dcarts par rapport une picesuppose connue (talon de travail), sensiblement de mme dimension(voisinage de mesure). Ltalon de travail peut tre une pice particulirede la production que lon a retenue et promue au rang dtalon aprslavoir mesure finement, ou une pice de forme gomtrique plussimple (cales-talons, cylindres talons).

En ralit, lappareil a de fait un talon embarqu (interne), mais il estde faible tendue. Il doit simplement permettre de couvrir ltendue descarts par rapport ltalon de travail. Ces appareils sont souventappels comparateurs . Par exemple, dans un comparateur mca-nique dtendue de mesure denviron 10 mm, la crmaillre taille dansla tige joue ce rle dtalon interne.


33

G

roup

e Ey

rolle

s

Figure 2.3 : Exemple de mesure de la longueur dune pice avec un comparateur mcanique et une cale-talon

Dans lexemple de la figure 2.3, lincertitude sur le rsultat de la mesureva dpendre entre autres de la qualit de la cale-talon et du compara-teur.

Mesure autonome (talons internes)

Dans ce cas de mesure, lappareil devra fournir un rsultat seul. Celancessite un systme dtalons propres, embarqu dans la structure delappareil. Ce systme doit permettre de couvrir ltendue de mesuredutilisation de lappareil.

Exemples

Pied coulisse (rgle grave).

Micromtre (vis micromtrique).

Machine mesurer tridimensionnelle (rgle optique).

0,1

talon

50Pice


34

G

roup

e Ey

rolle

s

Terminologie

Nous prciserons simplement quelques termes utiliss rgulirementdans cet ouvrage. Pour la dfinition normalise des diffrents termes, lelecteur est renvoy au Vocabulaire international des termes fondamentauxet gnraux de la mtrologie1.

Mesurande : valeur vraie de la grandeur mesurer (par dfinitioncette valeur ne sera jamais exactement connue).

Mesure : valeur estime du mesurande suite un mesurage.

Mesurage : activits permettant dobtenir une mesure.

talon : entit physique cense reprsenter en un lieu donn, lemieux possible, une fraction de lunit de base. Au niveau de lentre-prise, on distinguera : les talons de rfrence : matrialisant la plus haute qualit

mtrologique de lentreprise (gnralement situs en mtrologiecentrale),

les talons de travail : utiliss pour talonner ou vrifier les appa-reils utiliss sur les sites de production. Ils sont eux-mmes ta-lonns par rapport aux talons de rfrence (ou aux talons detransfert quand il y a plusieurs niveaux dtalons).

Intervalle de mesure : correspond lensemble des valeurs que peutprendre la grandeur mesurer. Par exemple, pour un thermomtre[ 20 C, + 80 C], cela donne une tendue de mesure de 100 C.

Rptabilit : si la mesure est rpte plusieurs fois par le mme op-rateur, dans les mmes conditions (mme appareil et mme labora-toire), dans un laps de temps court, lestimation de la variance partir des rsultats permet de quantifier ce concept de rptabilit.

Justesse : la justesse dune mthode de mesure est estime par la dif-frence entre une valeur vraie de la grandeur mesure et la moyennedes diffrents rsultats de mesure, elle est exprime en termes debiais.

1. VIM (Vocabulaire international de la mtrologie) Projet de norme AFNOR X07-001PR(PR NF ISO 99999 octobre 2006).


35

G

roup

e Ey

rolle

s

Sensibilit : la mesure S (sortie) est fonction du mesurande E(entre). Soit S = f (E) la fonction correspondante. La sensibilit sera

gale la drive de cette fonction : s = . Si s est une constante,

lappareil aura un comportement linaire.

Chane de mesure : suite des lments de lappareil conduisant lesignal de mesure de lentre (capteur) jusqu la sortie (communica-tion avec lutilisateur).

Rsolution : la plus petite diffrence dindication dun dispositif affi-cheur qui peut tre perue de manire significative (VIM). La rsolu-tion est un indicateur de qualit de lappareil, mais il ne faut pas sefocaliser uniquement sur cet aspect et regarder le rapport rsolution/tendue (pouvoir de rsolution). Nous obtenons par exemple :

pied coulisse : ,

micromtre : ,

comparateur mcanique (course 10 mm) : .

Notions de chane de mesure

Lappareil peut trs bien tre utilis sans que lon sache comment esttrait le signal de mesure. On ne soccupe alors que de la fonction detransfert entre lentre et la sortie (fig. 2.4).

Figure 2.4 : Lappareil de mesure considr comme une bote noire

dSdE-----

0,02150--------- 1,3 10

4

=

0,0125

--------- 4 10 4

=

0,0110

--------- 1 10 3

=

Fonctionde transfert

Grandeur dentre Grandeur de sortie

Rsultat de mesureMesurande


36

G

roup

e Ey

rolle

s

La mesure nest quune interprtation subjective de la ralit (mesu-rande). Pour tre conscient de cette subjectivit (et ventuellement trecapable desprit critique), il est souhaitable davoir une vue delensemble des composants de la chane de mesure. Cette dernire peuttre illustre par les composants suivants (fig. 2.5).

Figure 2.5 : Exemples dlments dune chane de mesure

Capteur

Cest llment clef de la chane de mesure qui donne le signal de base.Les variations du mesurande doivent tre captes de manire signifi-cative afin dtre interprtes par la suite. Cette saisie dinformationsne peut se faire souvent quavec un apport dnergie extrieure (

nergiedactivation

). Par exemple, avec un pied coulisse, il faut exercer unepression au niveau des becs pour garantir une bonne saisie. Cet apportdnergie est ncessaire, mais peut galement tre nfaste en perturbantle mesurande que lon veut quantifier (chapitre 4).

Mesurande

nergie dactivation

Source dnergieextrieure

Capteur

Amplificateur

Mesure

Filtrage Convertisseur A/N Analyse et agrgation des donnes de base Affichage/mmorisation


37

G

roup

e Ey

rolle

s

La conversion physique de la nature du signal commence souvent auniveau du capteur, par exemple convertir une grandeur mcanique enune grandeur lectrique (fig. 2.6).

Figure 2.6 : Capteur LVDT (

Linear Variable Differential Transformer

)

Amplificateur dinstrumentation

Le niveau nergtique dans lenvironnement du capteur est souvent trsfaible et fortement influenc par les perturbations. Pour pouvoir com-muniquer avec lutilisateur (enregistrement graphique, indicateur),cela ncessite un seuil nergtique minimal. Lamplificateur doit fournirun nouveau signal le plus fidle possible loriginal. Ce gain dnergieest souvent obtenu laide du rseau lectrique ou pneumatique dispo-nible dans lentreprise.

Traitement du signal de mesure

Nous nous limiterons dans ce chapitre indiquer deux modes detraitement : le filtrage et la conversion analogique/numrique. Pour plusde dtails, le lecteur est convi se reporter des ouvrages spcialiss.Lanalyse et le traitement mathmatique des donnes seront repris dansles chapitres suivants.

PrimaireTension V

Secondaire 1Tension V1

Noyau mobile(capteur de dplacement)

Secondaire 2Tension V2


38

G

roup

e Ey

rolle

s

Filtrage

Le filtrage est ncessaire lorsque le signal de mesure fourni est trop riche.Ce surplus dinformation peut tre vu comme une pollution vis--vis delobjectif recherch. Il sera alors ncessaire de trier linformation fournie.Parfois, cest linverse qui se produit, des informations utiles sont igno-res par le capteur qui ne les peroit pas.

La mesure de la rugosit illustre bien cet aspect. La surface relle palpecomporte des dfauts de forme (premier ordre), des dfauts dondula-tion (deuxime ordre), des dfauts de rugosit (troisime ordre) et pourfinir, des dfauts dordre suprieur (arrachements par exemple). La tech-nologie employe va engendrer de fait un filtrage. Par exemple, un pal-page mcanique est tributaire de la forme du palpeur (rayon de pointe)et du type dexploration de la surface (palpage avec ou sans patin). Enfonction du critre que lon veut mesurer (rugosit par exemple), celancessitera de choisir le filtre le plus adapt (par exemple : emploi dunfiltre gaussien surfacique ISO 16610-61) (fig. 2.7).

Figure 2.7 : Exemple de reprsentation de rugosit

Convertisseur analogique numrique

Le plus souvent le capteur traduit le signal dentre physique (dplace-ment, pression, temprature) en un signal lectrique de faible puis-sance sous forme analogique (signal continu). Pour des raisonsdaffichage, de stockage dinformation, de traitement par un calculateuril sera ncessaire de transformer cette grandeur analogique en une gran-deur numrique laide dun codage (par exemple, code binaire naturel,code de GRAY, code DCB) (fig. 2.8).

m

420

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15mm

2 4 6 8

10 12 14


39

G

roup

e Ey

rolle

s

Figure 2.8 : Exemple de conversion analogique/numrique

Affichage mmorisation de la mesure

Lappareil de mesure peut communiquer avec lutilisateur sous diff-rentes formes.

La mesure est du type grandeur scalaire : un affichage aiguille ounumrique est suffisant.

La mesure est multi-composantes : affichage plusieurs cadrans (type multi-cotes), affichage sous forme de graphe (diagramme de circularit sous

forme de coordonnes polaires, rugosit), affichage sous forme de zones (relev de temprature par thermo-

graphie), criture sous forme de fichier (fichier de points sur machine

mesurer tridimensionnelle) avec traitement informatique associ.

Les enregistrements (physiques ou informatiques) permettent de conserverune mmoire de cette information et de permettre un traitement ult-rieur.

Sortie(numrique)

00000001

00100011

01000101

01100111

10001001

10101011

110011011110

1111

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Entre (analogique)

Chapitre 3


43

G

roup

e Ey

rolle

s

Les entreprises utilisent beaucoup dappareils pour garantir la confor-mit de leurs produits et pour valuer la performance de leurs processus(conception et production). Pour cela, il faut avoir confiance dans lesmesures obtenues. Les rfrentiels de systmes qualit, de type ISO9001, exigent que les appareils soient vrifis rgulirement pour pou-voir assurer cette qualit de mesure. Cela demandera une gestion admi-nistrative et technique du parc dappareils de contrle.

La mise en uvre de la gestion et de la matrise des moyens de mesure,doit saccompagner dune rflexion plus globale de la fonctionmtrologie , portant sur la stratgie de suivi (gestion externe ouinterne) et, dune manire plus gnrale, sur limportance dune culturemtrologique dans lentreprise.

Situer sa fonction mtrologie

Pour cette rflexion, il est souhaitable de rpondre aux questions sui-vantes.

Est-ce que la qualit requise est bien spcifie par mon client ?

Des disparits trs fortes peuvent se rencontrer. On trouve des secteursindustriels o le produit est dfini avec une grande rigueur. Parexemple, dans le secteur automobile o lon peut avoir plusieurs four-nisseurs (de langue et de culture diffrentes) pour un mme produit,cela ncessite de prciser les variations de qualit acceptables en utilisantle mieux possible les normes internationales. Dans les entreprises detaille moyenne, o les tudes et la production cohabitent, il y a risquedutiliser un langage de dfinition interne, pseudo-normalis, engen-drant des ambiguts. Enfin lextrme, il reste des secteurs o la des-cription de la qualit relve du bon usage. Ce dernier cas est dangereux,car il engendre une subjectivit de dcision de conformit, source dunevariabilit importante.


44

G

roup

e Ey

rolle

s

Est-ce que je comprends les exigences de mon client ?

Cela sous-entend que lon parle le mme langage et que celui-ci est suffi-samment riche pour tre le plus explicite possible. En toute rigueur, unedfinition de domaine de conformit ne devrait pas conduire deuxinterprtations diffrentes. Par exemple, la lecture des spcificationsgomtriques du produit1 ncessite de bien connatre la normalisationse rapportant ce sujet. Lexigence vrifier doit conduire au choix dunappareillage de mesure appropri. Dans lexemple suivant, la mesuredune cale prsentant deux dfauts angulaires 1 et 2, ne donnera pas lemme rsultat suivant la technique de mesure utilise. La dcision deconformit exige de bien savoir ce que lon veut rellement mesurer etne pas se contenter de prendre lappareil disponible (fig. 3.1).

Figure 3.1 : Extraction de longueur avec machine mesurer monodimensionnelle et colonne de mesure

Quels moyens de mesure retenir et qui sera charg de faire ces mesures (dispo-nibilits, comptences) ?

La mesure napporte pas de valeur ajoute physique au produit. courtterme, cela peut tre peru comme un investissement non prioritaire

1. NF EN ISO 14253-1 mars 1999, Spcification gomtrique du produit (GPS) Vri-fication par la mesure des pices et quipements de mesure Partie 1 : Rgles de dci-sion pour prouver la conformit ou la non-conformit la spcification.

L1

L 2

12


45

G

roup

e Ey

rolle

s

(souvent lev) par rapport des ressources de production. Cest un peucomme une assurance, linvestissement en ressources humaines et mat-rielles doit tre mis en regard avec le risque de dtection de produit nonconforme chez le client. Cest un investissement rentable long terme,cependant il faut viter toute surenchre. Parfois, cest le client, du faitde son poids conomique, qui exigera tel ou tel moyen de contrle.Dans le cas de transactions concernant les domaines du commerce, de lasant, de la scurit et de lenvironnement, les autorits publiques exi-gent une garantie de la qualit de la mesure, on parlera alors de mtro-logie lgale1.

Bien rpondre cette question est une source dconomie importante.

Comment sassurer de la performance requise pour ces appareils, dans leurcontexte de mesure ?

Il sagit de valider un processus de mesure. La performance du moyensera tributaire des composantes humaine et technique et perturbe parles influences du milieu dans lequel la mesure se ralise. Le rsultat demesure nest quune image de la ralit. Pour que les dcisions dcoulantde cette mesure soient fondes, il faut avoir une perception de la robus-tesse de cette dernire.

Comment vrifier quils ne se dgradent pas dans le temps ?

Comme dans tout processus, des drives en fonction du temps risquentdapparatre. Il sera ncessaire de dfinir une frquence de surveillancepour garantir que la performance de lquipement ne sest pas dgrade.

Commet grer cette information ?

ces questions techniques, il faut rajouter la partie administrative rela-tive la matrise des enregistrements pour prouver que ces vrificationsont bien eu lieu et ont t ralises par un personnel comptent et accr-dit.

Tout cela dans un environnement conomique souvent difficile. Il fautle juste ncessaire pour viter toute surqualit.

1. Organisation internationale de la mtrologie lgale (OIML : www.oiml.org).


46

G

roup

e Ey

rolle

s

La confiance dans la mesure

La qualit de la mesure est dfinie par une approche de type 5M (cetteanalyse sera reprise en dtail au chapitre suivant) (fig. 3.2).

Figure 3.2 : Exemple de dmarche 5M pour une mesure de rugosit

Le MSA1 retient une arborescence lgrement diffrente, mmorise laide de lacronyme : SWIPE (Standard, Work Piece, Instrument,Person/Procedure, Environment).

Linstrument

Par instrument, il faut comprendre lappareil, les quipements et lesmontages associs ainsi que les talons utiliss.

Toutes les entreprises nont pas le besoin (ni les moyens) dtre auniveau de la dfinition du mtre talon. Une copie de bonne qualitdun sous-multiple, sous une forme physique plus accessible (bote decales par exemple), est suffisante, sous rserve quelle soit garantie par unorganisme mandat.

Lentreprise doit sassurer que la matrise de la mesure est dclinejusque sur les sites de production. Chaque site na pas forcment besoin

1. Measurement Systems Analysis : manuel dvelopp sous la responsabilit de Daimler ChryslerCorporation, Ford Motor Company et General Motors Corporation (www.carwin.co.uk/qs).

Mthodes Milieu Main-duvre

Machine(instrument)

Matire

Choixdu filtre

Vibrationsdu sol

Absenceformation

Palpeur Zonede palpage

Mesure


47

G

roup

e Ey

rolle

s

des mmes performances mtrologiques. Il suffit quelles soient en ad-quation avec la qualit requise par la dfinition du produit (sauf silentreprise possde lappareil et dsire tout simplement le rentabiliser).

Pour cela on utilise des appareils spcifiques ou standard qui devront, une frquence donne, tre compars aux talons de rfrence (cest laplus haute qualit mtrologique existante dans lentreprise). Si la qualitmtrologique exige au niveau de lappareil de mesure en productionnest pas trs grande, on peut se contenter de le tester laide dtalonsintermdiaires, sous rserve quils soient vrifis par rapport aux talonsde rfrence. Ces talons sont appels talons de travail . On utiliseparfois des talons de transfert comme maillon secondaire dans lacomparaison avec les talons de rfrence. La gestion et la mise en placede ces tests et comparaisons constituent une chane de mesure interne(fig. 3.3).

Exemple

Imaginons une grande entreprise, implante sur plusieurs sites. Elle pos-sde une mtrologie centrale au service des autres sites, une mtrologiegnrale et des mtrologies datelier dans chaque site respectif(fig. 3.3). Le raccordement aux talons nationaux sera dvelopp auparagraphe suivant (chane nationale dtalonnage).

Figure 3.3 : Notion de chane dtalonnage interne

ENTREPRISEMtrologie centrale

talon de rfrence

Site de production A Site de production B

talon de transfert A

Mtrologie datelier

talon de travail

Appareils de mesure

talon de transfert B

Mtrologie datelier

talon de travail

Appareils de mesure

talonsnationaux


48

G

roup

e Ey

rolle

s

Toutes les entreprises nont pas les moyens techniques et financiers pourmettre en place une chane de mesure aussi consquente. Elles peuventfaire vrifier (ou talonner) tout ou partie de leurs appareils de mesurepar un fournisseur de prestations mtrologiques apportant les garantiesncessaires de liaison aux talons nationaux. Rappelons le paragraphe adu chapitre 7.6 Matrise des dispositifs de surveillance de mesure dela norme ISO 90011 :

[] Lorsquil est ncessaire dassurer des rsultats valables, les quipe-ments de mesure doivent tre :

a) talonns ou vrifis intervalles spcifis ou avant leur utilisation, parrapport des talons de mesure relis des talons de mesure internatio-naux ou nationaux (lorsque ces talons nexistent pas, la rfrence utilisepour ltalonnage doit faire lobjet dun enregistrement) ;

[]

Le milieu

Avec linstrument, cest le second facteur qui vient spontanment lesprit, lorsque lon rencontre des problmes de qualit de mesure. Enparticulier, en cas de problmes de mtrologie dimensionnelle,linfluence de la temprature est souvent perue comme la causemajeure, alors que la contribution des autres M est peut-tre plusimportante et nettement moins coteuse corriger.

Linfluence du temps peut engendrer une augmentation de la dispersiondes mesures, mais galement une drive (fig. 3.4). Elle est galementappele constance ou stabilit.

1. Reproduction faite avec lautorisation dAFNOR.


49

G

roup

e Ey

rolle

s

Figure 3.4 : Influence du temps (constance)

La main-duvre et la mthode

Ces deux M nous semblent insparables. En plus de laptitude phy-sique (dextrit, sens exprimental), une formation scientifique et tech-nique est ncessaire pour faire des mesures de qualit. Elle sappuie surdes connaissances technologiques et normatives. En effet, si lon estcens valider une conformit, cela va de soi que lon comprend ce quedemande le client (par exemple avec lemploi des normes GPS).

Lauto-matrise dans un processus de production impose de normaliserle sous-processus de mesure (appel galement protocole de mesure).Dans bien des secteurs, souvent avec une main-duvre trs comp-tente, ce point est nglig, car cela semble faire offense aux oprateurs.Pourtant suite des tudes GRR (chapitre 7), on constate que des diff-rences de comportement mineures, a priori sans influence, engendrentune variabilit de mesure forte. Do limportance de la communicationentre les diffrents oprateurs sur les mthodes de mesure retenues (ru-nions, supports visuels, instructions).

Cible

Temps


50

G

roup

e Ey

rolle

s

La matire (pice)

Lincidence de la pice peut provenir de :

ses qualits physiques (par exemple de la souplesse du matriau) ;

de linteraction oprateur-matire . Par exemple, un oprateurrecherchera systmatiquement le diamtre maximum pour une piceovalise, et ceci de faon intuitive ;

de sa dfinition de conformit lorsque des caractristiques sont lies.

Il est dangereux de chercher quantifier sparment linfluence dechaque M . Une dmarche type Analyse de la variance peut treretenue pour voir sil y a des interactions (chapitre 6).

Chane nationale dtalonnage

La traabilit des raccordements, fruit de deux organismes, permet :

de retrouver les enregistrements dtalonnage diffrents niveaux, delentreprise au niveau national, cest la garantie du COFRAC ;

de garantir le lien physique avec les talons nationaux, cest le rle duLNE.

Le Comit franais daccrditation (COFRAC1)1

Le rle du COFRAC est daccrditer les organismes dlivrant des certifi-cations. Laccrditation dun laboratoire est la reconnaissance dune cer-taine comptence dans un domaine prcis (par exemple, vrification destampons filets de diamtre 5 mm 20 mm) et lassurance de la pren-nit de cette comptence par un organisme faisant lui-mme autorit enla matire (par exemple, systme de management de la qualit suivant lerfrentiel NF EN ISO/CEI 17025 : septembre 20052 pour le labora-toire accrdit).

1. http://www.cofrac.fr.2. NF EN ISO/CEI 17025 septembre 2005, Exigences gnrales concernant la comp-

tence des laboratoires dtalonnages et dessais.


51

G

roup

e Ey

rolle

s

En simplifiant, on peut dire que laccrditation COFRAC apporte lagarantie que les laboratoires retenus (possdant cette accrditation) sontfournisseurs de prestations de qualit car ils possdent une technologie ad-quate et quils mettent en uvre un suivi documentaire prouvant le lienmtrologique des talons du client aux talons nationaux. Cette accrdita-tion nest pas impose par lISO 9001, cela simplifie laudit1 pour lapartie mtrologie.

Il existe une reconnaissance mutuelle entre divers organismes daccrdi-tation2, cest--dire que lon estime que les carts constats entre ceslaboratoires ne sont pas significatifs.

Laboratoire national de mtrologie et dessais (LNE3)3

Pour assurer la confiance dans lappareil utilis, celui-ci doit tre ta-lonn. Cet talonnage se fera souvent lintrieur de lentreprise en rf-rence aux talons de la mtrologie centrale (talons de rfrence).

Cette confiance ne sera totale que si lon peut valider les talons delentreprise. Le LNE a mis en place les structures et procdures permet-tant dassurer la valeur technique et scientifique des talonnages et defournir une garantie officielle.

Le Laboratoire national de mtrologie et dessais (LNE) remplacedepuis le 27 janvier 2005 le Bureau national de mtrologie (BNM),organisme interministriel, qui avait t cr en 1969. Fdrant les labo-ratoires de recherche dtenant les talons nationaux, le LNE a une mis-sion de soutien technique et scientifique lindustrie et au monde de larecherche. Il contribue galement au dveloppement des programmesde mtrologie europens et internationaux.

Les quatre laboratoires nationaux sont :

LNE (Laboratoire national de mtrologie et dessais) ;

LNHB (rattach au Commissariat lnergie atomique) ;

1. Pour plus de dtails, le lecteur pourra consulter LAudit de la mtrologie dans le cadre descertifications de systmes de management, Collge franais de mtrologie, septembre 2005.

2. www.european-accreditation.org.3. www.lne.fr.


52

G

roup

e Ey

rolle

s

INM (rattach au Conservatoire national des arts et mtiers) ;

SYRTE (rattach lObservatoire de Paris).

Les laboratoires accrdits

Des organismes intermdiaires sont chargs de divulguer la mtrologie diffrents niveaux. Cela permet une approche plus efficace et plus co-nomique.

En 1977, on avait prcis les maillons intermdiaires de la chane dta-lonnage entre le BNM et les entreprises en crant :

des centres dtalonnage agrs ;

des services de mtrologie habilits.

Dans le souci dune harmonisation europenne, il ny aura plus de labelCEtA ou SMH, mais simplement des laboratoires accrdits par leCOFRAC. Ces laboratoires, en situation concurrentielle, doivent faire lapreuve que leur niveau dincertitude est bien en conformit avec lesprestations quils fournissent (de petits laboratoires peuvent atteindre,dans un domaine particulier, un savoir-faire mtrologique trs pointu).Ils doivent pour cela tre raccords un laboratoire accrdit dincerti-tude plus faible. Si ce nest pas possible, ils se raccordent alors directe-ment aux laboratoires nationaux ou aux laboratoires associs.

En simplifiant, on peut illustrer la dissmination de la mtrologie laide de la figure 3.5.

Figure 3.5 : volution des incertitudes

IncertitudesNiveau 1 : laboratoires nationaux(talon primaire)

Niveau 2 : laboratoires associs(talon secondaire)

Niveau n 1 : laboratoires locaux(talon de transfert)

Niveau n : entreprise(talon de rfrencede lentreprise)


53

G

roup

e Ey

rolle

s

Lobjectif de cette chane de mesure est de quantifier la croissance delincertitude de ltalon primaire ltalon de rfrence de lentreprise.

Choix dune stratgie dtalonnage

Le rattachement aux talons nationaux1 ncessite partir dun certainseuil une externalisation des talonnages. Reste le problme de savoir quel niveau la faire. En simplifiant, on peut envisager deux solutions(fig. 3.6).

Figure 3.6 : Exemples de chanes dtalonnage

1. http://www.metrologiefrancaise.fr.

Bureau international des poids et mesures (BIPM)

NIST(USA)

LNE(talons nationaux)

Autrespays europens

Laboratoireaccrdit

(incertitude trs faible)

Laboratoireaccrdit

(incertitude trs faible)

Laboratoire accrditintgr

(possibilit de fairede la sous-traitance

en mesurepour lentreprise A)

Laboratoire accrditindpendant

(public ou priv)

Entreprise B Entreprise C

Regroupement EURAMET e.V.


54

G

roup

e Ey

rolle

s

En dehors de laspect stratgique de conserver ou non un savoir mtro-logique dtalonnage, ce choix peut tre dict par des considrationsconomiques :

raccordement externe (facturation de lordre de vrification, cotdabonnement) ;

raccordement interne (formations et salaires, cot des quipements,locaux adapts, veilles normatives).

Les laboratoires (internes ou externes) peuvent tre considrs commedes fournisseurs. Ils fournissent une prestation mtrologique. Pourgarantir la satisfaction du client (au niveau organisation et comptencetechnique), il doivent mettre en place une dmarche qualit. Cettedmarche sappuiera sur un rfrentiel de systme qualit reconnu ayantfait ses preuves. De nombreuses normes et guides concernent les labora-toires, on peut citer en particulier :

NF EN ISO/CEI 17025 (septembre 2005) : Exigences gnrales concernant la comptence des laboratoires dtalonnages et dessais

Btir son systme qualit sur cette norme, permet de garantir :

lefficacit du management du laboratoire (dans lesprit de lISO 9001 :20001) ;

la comptence scientifique et technique (qualit des ressourceshumaines et matrielles ainsi que des mthodes retenues).

Avoir son systme qualit construit en accord avec ce rfrentiel sera uneaide prcieuse pour se faire accrditer.

NF EN ISO 10012 (septembre 2003) : Exigences pour les processus et les quipements de mesure

Au sein de lentreprise, la norme ISO 9001 : 2000 prconise un mana-gement de lentreprise par une approche processus, avec la volont desatisfaire le client aprs avoir bien compris ses exigences. Lide gnraleest dappliquer la mme mthodologie aux processus de mesure quauxautres processus. On retrouve les mmes chapitres que dans la norme

1. NF EN ISO 9001 dcembre 2000, Systmes de management de la qualit Exigences.


55

G

roup

e Ey

rolle

s

ISO 9001, seul le chapitre 7 est rintitul Confirmation mtrologiqueet mise en uvre des processus de mesure . On retrouvera entre autresdans ce chapitre 7, des recommandations sur la priodicit dtalon-nage, la matrise des quipements et logiciels, la conception des appa-reils, lestimation des incertitudes, etc.

La mesure, un tat desprit

Le concept mesure ne concerne pas uniquement loprateur mtro-logue. Ce concept doit tre intgr de la conception llaboration duproduit. En particulier :

le bureau dtudes ne doit pas dfinir des paramtres ou des caract-ristiques non quantifiables. Il doit aussi estimer le mieux possible lesvariations acceptables, compatibles avec un fonctionnement correctdu mcanisme (fonction perte de Taguchi). Cette distribution destolrances doit tre faite avec laide dexperts en production. Citonsdans cet esprit la dmarche GPS (spcification gomtrique des pro-duits) qui a comme objectif dtre un langage unique (cohrence desdiffrentes normes) pour tous les services, des tudes au contrlefinal ;

le service mthodes doit vrifier la compatibilit entre les valeurs dedfinition et les capacits des moyens de production et de contrle(notion de capabilit). Suite cette analyse, les cotes de fabrication risques devront tre bien rpertories et clairement indiques surles plans de surveillance en fabrication. Les autres cotes pourront trecontrles avec une frquence beaucoup plus faible ;

les mtrologues de terrain doivent garder un esprit critique (cons-tructif) pour lutilisation des moyens de contrle et savoir estimerleur incertitude de mesure. Tout constat de drives ou de rebut levdoit tre rpertori et linformation retourne aux services de concep-tion et de production concerns ;


56

G

roup

e Ey

rolle

s

le service mtrologie doit squiper (achat ou construction) dunmatriel compatible avec les exigences de qualit requises mais envitant un degr de prcision de mesure excessif (besoin rel). Gros-sirement, le cot des appareils de mesure est une fonction puissancede linverse de la rsolution.

Mise en place dune gestion des moyens de mesures

Dans ce paragraphe, nous tudierons laspect purement gestionnaire.Laspect matrise de laptitude lemploi (notion de conformit) desquipements de contrles, de mesures et dessais sera trait dans les cha-pitres suivants.

Identification et inventaire des appareils

Rappelons que la norme ISO 90011 demande de :

dterminer [] les dispositifs de surveillance et de mesure ncessairespour apporter la preuve de la conformit du produit aux exigencesdtermines .

A priori, tous les appareils ont une incidence, ils ont t achets dans unbut bien prcis qui a toujours un lien plus ou moins direct avec le pro-duit.

Pour cette identification, on peut faire des classes correspondant aurisque encouru sur le produit en cas dinformation errone dans lamesure. Par exemple, un ohmmtre, destin la maintenance dans uneindustrie de sous-traitance mcanique, ne demande pas un suivi attentif.Les appareils non identifis sont considrs comme des indicateurs (parexemple, un rglet pour un prrglage de machine). Lidentificationpeut se rsumer un point de couleur prcisant que ces appareils ne sontpas suivis.

1. Reproduction faite avec lautorisation de lAFNOR.


57

G

roup

e Ey

rolle

s

Le code didentification contient plus ou moins dinformations (sitedaffectation, type, service). Il permet didentifier lappareil (inscrip-tion indlbile sur lappareil si possible) et davoir accs la fiche de vieet au dossier le concernant (par exemple : PC 011 pour le 11e pied coulisse achet).

Linventaire des appareils de mesure de lentreprise reprsente unesomme de travail importante. Dans certaines entreprises, lappareil demesure est peru comme un bien prcieux et personnel dans lequel on aune confiance parfois aveugle. En plus de laspect technique, il fautexpliquer le bien-fond de la dmarche pour lever toute rticencedidentification.

Cette tche permet de bien cerner les besoins mtrologiques de lentre-prise et ventuellement dviter des doublons pour les acquisitionsfutures. En particulier, on pourra tudier lvolution en analysant lesdates dacquisition.

Cet inventaire donne galement la possibilit de faire du tri. On con-serve parfois des appareils pour une hypothtique et peu probable utili-sation. Cela cote cher en immobilisation et est contraire la mthodedes 5S.

Il arrive que des appareils peu utiliss doivent tre maintenus car on netrouve pas une prestation identique sur le march. De plus, certainesentreprises pensent quil est stratgique de garder une comptencemtrologique importante. Comme nous lavons dj signal, il peut treopportun alors de fournir des prestations mtrologiques pointues laide de ce matriel des tiers.

Indicateurs de qualit dun appareil

La performance mtrologique est quantifie par les notions de justesse etde fidlit. Lcart de justesse sera estim par lopration dtalonnage ouborn par lopration de vrification1. La fidlit, pa

livre qualite de la mesure en production

Documents