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Article

1 - SI : ORIGINES ET DÉVELOPPEMENT

  • 1.1 - Convention du mètre et création du BIPM
  • 1.2 - Premiers pas vers les unités naturelles et abandon des artefacts
  • 1.3 - Progrès majeurs en physique quantique et en métrologie après 1960
  • 1.4 - La nouvelle « révolution » de 2018, le SI et les constantes fondamentales

2 - TEMPS ET FRÉQUENCE

  • 2.1 - Références astronomiques et atomiques
  • 2.2 - Définition et réalisation de la seconde
  • 2.3 - Échelles de temps
  • 2.4 - Comparaisons d’horloges à distance et diffusion de références temps-fréquence

3 - LONGUEUR

4 - MASSE

5 - GRANDEURS POUR L’ÉLECTRICITÉ

6 - TEMPÉRATURE

7 - QUANTITÉ DE MATIÈRE

8 - GRANDEURS POUR LA PHOTOMÉTRIE

9 - GRANDEURS POUR LES RAYONNEMENTS IONISANTS

10 - CHAÎNES D’ÉTALONNAGE

11 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : R50 v3

Grandeurs pour la photométrie
Étalons métrologiques fondamentaux

Auteur(s) : Maguelonne CHAMBON, Bruno CHAUVENET, Richard DAVIS, Jimmy DUBARD, Françoise LE FRIOUS, Mohamed SADLI, Sophie VASLIN-REIMANN, Jean-Pierre WALLERAND

Date de publication : 10 mars 2021

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RÉSUMÉ

Le Système international d'unités (SI) qui a été adopté par la Conférence générale des poids et mesures en 1960 est l'aboutissement de plusieurs dizaines d'années de recherche fructueuses dans l'établissement d'un système logique d'unités de mesures. Le SI a été conçu afin que, en principe, chaque mesure d'une grandeur physique ou chimique puisse être exprimée par un nombre associé à une unité spécifique. Toute grandeur peut être exprimée par une combinaison de sept unités de base connues comme les unités de base du SI. Les définitions de ces sept unités de base sont présentées avec une courte description de la manière dont elles sont réalisées en pratique. De plus le cas particulier des unités pour les rayonnements ionisants est présenté ainsi que le principe des chaînes d'étalonnage.

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ABSTRACT

Fundamental Metrological Standards

The International System of Units (SI) adopted by the “Conférence générale des poids et mesures” in 1960 is the outcome of several decades of fruitful research in the setting-up of a consistent system of measurement units. The SI was designed so that in principle, any measurement of a physical or chemical quantity can be expressed as a number in some specified unit. Any quantity can be expressed by a combination of the seven base units of the SI. The definitions of the seven base units are presented with a short description of how they are used in practice. In addition, the particular case of units for ionizing radiation is presented, together with the principle of calibration chains.

Auteur(s)

INTRODUCTION

En métrologie, un étalon réalise la définition d’une grandeur pour une valeur déterminée dans un système cohérent d’unités et avec une incertitude de mesure associée. Il peut être un système de mesure, une mesure matérialisée ou un matériau de référence. L’étalon sert de référence pour l’obtention des valeurs mesurées et des incertitudes de mesure. Il permet de contrôler l’exactitude des résultats donnés par un appareil de mesure ou d’étalonner l’appareil. L’exactitude d’un résultat de mesure est l’étroitesse de l’accord entre la valeur mesurée et la valeur vraie de la grandeur mesurée.

La valeur d’un étalon primaire est obtenue sans se référer à un étalon d’une grandeur de même nature mais il peut se référer à des étalons d’autres grandeurs. Par exemple, une balance de pression, étalon primaire pour la pression, peut être traçable au mètre, par des mesures de surfaces mais pas par rapport à un autre étalon de pression.

Les origines du Système international d’unités (SI) remontent au XVIIIe siècle, avec la création du système métrique décimal qui donna une première base d’uniformisation des unités de mesure. Avec les évolutions scientifiques et technologiques, particulièrement à la fin du XIXe siècle et tout au long du XXe, un nombre important de chercheurs ont essayé de définir les unités de mesure à partir de constantes physiques de la nature, par essence plus universelles que celles issues de réalisations pratiques (comme le point triple de l’eau) ou d’artefacts matériels (tel que le prototype international du kilogramme étalon).

Cependant, même si la précision des unités ne cessait de s’améliorer, dans le cadre du SI, certaines définitions d’unités restaient difficilement réalisables voire impossibles à mettre en œuvre (l’ampère par exemple).

Tous ces éléments ont conduit la communauté des métrologues à réfléchir à de nouvelles définitions des unités de mesure, fondées sur des constantes physiques. Entre 1967 et 1983, trois unités (la seconde, la candela et le mètre) ont été redéfinies par rapport à une constante physique. Puis, d’autres travaux de recherche menés sur plusieurs décennies à travers le monde ont permis cette nouvelle « révolution » de 2018, où le kilogramme, l’ampère, le kelvin et la mole se basent désormais également sur des constantes physiques de la nature. Ainsi les sept unités de base du SI ont été transformées, ouvrant de nouvelles perspectives pour accompagner les progrès technologiques. Après les évolutions du SI et sa dernière édition de 2018, l’article présente les principaux étalons primaires de mesure réalisés pour les grandeurs physiques et chimiques, en suivant l’ordre de définition des unités de base du SI.

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KEYWORDS

Reference measurement standard   |   base quantity   |   primary measurement standard   |   International System of Units (SI)

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-r50


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8. Grandeurs pour la photométrie

8.1 Candela : définition

La candela, unité de base du SI pour la photométrie, a été définie en 1946 (elle portait alors le nom de « bougie nouvelle ») et sa définition a été reprise en 1967 sous la forme suivante :

La candela est l’intensité lumineuse, dans la direction perpendiculaire, d’une surface de 1/600 000 mètre carré d’un corps noir à la température de congélation du platine sous la pression de 101 325 pascals.

Cette définition résultait de travaux entrepris vers 1930. À cette époque, où les mesures photométriques étaient faites visuellement, il fallait un étalon de lumière blanche, dont la couleur était analogue à celle des étalons plus anciens et des sources de lumière en usage. La mise en pratique de la candela basée sur cette définition (réalisation d’une source corps noir) est fastidieuse et ne permet pas de répondre aux besoins d’incertitude requis par l’industrie.

Les développements en radiométrie et en particulier l’amélioration des performances des détecteurs photoélectriques pour la mesure des caractéristiques photométriques des sources de lumière ont amené à reconsidérer la définition de la candela. Toutefois, il fallait que cette nouvelle définition soit consistante avec la précédente afin de garantir la continuité de l’échelle photométrique. C’est pourquoi la Conférence générale des poids et mesures, en 1979, a abrogé la définition fondée sur le corps noir et l’a remplacée par la définition suivante :

La candela est l’intensité lumineuse dans une direction donnée d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 1012 hertz et dont l’intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

Cela signifie que, pour cette radiation dont la longueur d’onde dans l’air dans les conditions normalisées est λ = 555,017 nm, à une intensité énergétique de 1 watt par stéradian correspond une intensité lumineuse de 683 candelas.

Cette définition s’applique dans le cas d’une vision photopique (œil adapté à des luminances moyennes de quelques candelas par mètre...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   -      -  CR 17e CGPM p. 97 (1983).

  • (2) - EVENSON (K.M.), WELLS (J.S.), PETERSEN (F.R.), DANIELSON (B.L.), DAY (G.W.) -   Appl. Phys.  -  Lett., 22, 192 (1973).

  • (3) - JONES (D.J.), DIDDAMS (S.A.), RANKA (J.K.), STENTZ (A.), WINDELER (R.S.), HALL (J.L.), CUNDIFF (S.T.) -      -  Science, 288, 635 (2000).

  • (4) -   -      -  CR 1re CGPM, p. 38 (1889).

  • (5) -   -      -  CR 7e CGPM, p. 49 (1927).

  • (6) -   Travaux et Mémoires du Bureau International des Poids et Mesures  -  11 237 p. (1895).

  • ...

1 Sites Internet

Documents du BIPM :

BIPM, Valeurs recommandées de fréquences étalons

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

BIPM, Recommendation S 2 (CCDS, 1970) Definition of TAI

http://www.bipm.org/en/committees/cc/cctf/ccds-1970.html

BIPM, FTP server of the Time Department

  http://www.bipm.org/en/scientific/tai/ftp_server/publication.html

Ce site donne accès à la Circulaire T et à des informations complémentaires concernant UTC, ainsi qu’au résultats de UTCr, et à TT (BIPM)  (ftp://tai.bipm.org/TFG/TT%28BIPM%29/).

BIPM, L’Arrangement de reconnaissance mutuelle (CIPM MRA)

http://www.bipm.org/fr/cipm-mra/

BIPM, Le système international d’unités – 9e édition. Annexe 2 – Réalisation pratique des principales unités

https://www.bipm.org/fr/publications/si-brochure

Autres

LNE-SYRTE, Références Nationales de Temps,  http://syrte.obspm.fr/tfc/temps/rnt.php. Donne des informations sur les références nationales, y compris le Bulletin H

http://syrte.obspm.fr/tfc/temps/outgoing_data/laboTAF/bulH/liste_bulh.php...

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