Cours Metrologie PDF [PDF]

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‫امجلهورية اجلزائرية ادلميقراطية الشعبية‬ République Algérienne Démocratique et Populaire ‫وزارة التــعليـــم العــالـي والبـحــث العلمــي‬ Ministre de l’Enseignement Supérieur et de La Recherche Scientifique

‫ا ألغواط‬- ‫جامعة عامر ثليجي‬ Université Amar Telidji-Laghouat ‫كـلــيــة الـتــكـنـــولـوجــــيـا‬ Faculté de Technologie

‫قسم العلوم التقنية‬ Département Sciences Techniques

‫ الس نة الثانية‬:‫مس توى‬ Niveau : 2eme S.T Section : K MODULE:‫مقياس‬

Métrologie

‫ عالء ادلّ ين قوقة‬.‫ د‬:‫اعداد‬ Réaliser par: Dr. ALAEddine KAOUKA 2010/2011

Dernière mise à jour : Septembre 2015.

Département : Sciences et Techniques Niveau : 2eme LMD S.T

Module : Métrologie

Enseignant : Dr. A. KAOUKA

PROGRAMME Chapitre I : GENERALITES SUR LA METROLOGIE 1.1 Définition des différents types de métrologie (Scientifique dite de laboratoire, légale, industrielle) ; 1.2 Vocabulaire métrologique, définition ; 1.3 Les institutions nationale et internationale de métrologie. Chapitre 2 : LE SYSTEME INTERNATIONAL DE MESURE SI 2.1 Les grandeurs de base et leurs unités de mesure ; 2.2 Les grandeurs supplémentaires ; 2.3 Les grandeurs dérivées. Chapitre 3 : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES APPAREILS DE MESURE 3.1 Erreur et incertitude (Justesse, précision, fidélité, répétitivité, reproductibilité d’un appareil de mesure ; 3.2 Classification des erreurs de mesure 3.2.1 Valeur brute ; 3.2.2 Erreur systématique ; 3.2.3 Valeur brute corrigée. 3.3 Erreurs fortuites ; 3.3.1 Erreurs aléatoires ; 3.3.2 erreurs parasites ; 3.3.3 Erreurs systématique estimées. 3.4 Intervalle de confiance ; 3.5 Incertitude technique ; 3.6 Incertitude de mesure totale ; 3.7 Résultat de mesurage complet ; 3.8 Identification et interprétation des spécifications d’un dessin de définition en vue du contrôle ; 3.9 Notions de base sur les calibres les jauges et les instruments de mesure simples. Chapitre 4 : MESURE ET CONTROLE 4.1 Mesure directe des longueurs et des angles (utilisation de la règle, du pied a coulisse, du micromètre et du rapporteur d’angle); 4.2 Mesure indirecte (utilisation du comparateur, des cales étalons); 4.3 Contrôle des dimensions (utilisation des tampons, des mâchoires,..); 4.4 Machines de mesure et de contrôle utilisées en atelier mécanique (utilisation du comparateur pneumatique, projecteur de profils et rugosimètre.

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Chapitre I : GENERALITES SUR LA METROLOGIE

1.1 Définition des différents types de métrologie

Métro

La métrologie est la science de la mesure. C’est l’ensemble des moyens techniques utilisés pour le contrôle dimensionnel des pièces, elle est associée à l’évaluation de son incertitude. Elle définit les principes et les méthodes permettant de garantir et maintenir la confiance envers les processus de mesure. Elle s'agit d'une science transversale qui s'applique dans tous les domaines où des mesures

Logie ??!!!!

quantitatives sont effectuées. Donc la métrologie est la science des mesurages et ses applications ; elle comprend tous les aspects théoriques et pratiques des mesurages, quels que soient l'incertitude de mesure et le domaine d'application ».

1.2 Vocabulaire métrologique, définition On peut distinguer, artificiellement, différents aspects de la métrologie pour faciliter sa compréhension : 

la métrologie fondamentale, ou scientifique, qui garantit tous les aspects généraux théoriques et pratiques relatifs aux unités de mesure, aux étalons de mesure, aux méthodes et résultats de mesure (calculs d’erreurs et incertitude);



la métrologie industrielle, la plus fréquente, qui permet de garantir les mesures, par exemple d'un processus de fabrication dans une entreprise, souvent dans le cadre d'un contrôle qualité lié à un système de management de la qualité , gestion des instruments de mesure, procédures de vérification /étalonnage (traçabilité des mesures) ;



la métrologie légale, ensemble des règles et exigences légales et réglementaire imposées par l’Etat concernant le système national d’unités : unités légales, la fabrication et l’utilisation des instruments de mesure utilisés dans le domaine du commerce, de la santé, de la sécurité et la protection de l’environnement ;



En plus, une métrologie traditionnelle quantitative, certains parlent de « métrologie molle », concernant les mesures sans dimensions physique et qualitatives. Ceci semble

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être un abus de langage ; il s'agirait plutôt de contrôles qualité spécifiques. Pour l'instant aucune référence d'autorité ne parle de « métrologie molle »  Un mesurage est un processus qui permet d'obtenir une ou plusieurs valeurs que l'on peut raisonnablement attribuer à une grandeur ou mesurande. Exemple grand-public : soit à mesurer le poids d'une personne avec un pèse-personne du commerce, une seule montée sur la balance donne 75,6 kg, ici la grandeur à mesurer ou le mesurande est le poids de l'individu et le mesurage donne la valeur unique de 75,6 kg. Si l'opération est reprise quatre fois, on aura au final cinq valeurs (avec la première) qui pourraient être les suivantes : 75,6 ; 75,9 ; 76 ; 75,6 ; 75,4 ;  l'incertitude de mesure, succinctement, est la dispersion des valeurs attribuées à une grandeur mesurée ou mesurande. Dans l'exemple précédent, on peut dire en première approche que l'étendue de la dispersion est de 76 - 75,4 (différence entre la valeur maximum et la valeur minimum de l'expérience), soit 0,6 kg ;  le domaine d'application concerne toute entité susceptible d'effectuer des mesures quantitatives. On peut y trouver la biologie médicale, la chimie pure et appliquée, l'électronique, la physique pure et appliquée… et bien sûr les organismes de métrologie.

1.3 Les institutions nationale et internationale de métrologie Les institutions de la qualité couvrent plusieurs fonctions : la normalisation, la certification, l’accréditation et la métrologie. Ci‐après, une brève présentation des institutions de la qualité en Algérie. Les institutions de la qualité qui couvrent plusieurs fonctions : la normalisation, la certification, l’accréditation et la métrologie, concourent à l’établissement des entreprises compétitives.

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Chapitre 2 : LE SYSTEME INTERNATIONAL DE MESURE SI 2.1 Les grandeurs de base et leurs unités de mesure Une grandeur est une caractéristique d’un phénomène, d’un corps ou d’une substance, qui est susceptible d’être distingué qualitativement par un nom (distance, angle...) et déterminé qualitativement par une valeur. Le Système International d’unités, le SI, est constitué de sept unités de base (voir le tableau) : le mètre (m), le kilogramme (kg), la seconde (s) l'ampère (A), le kelvin (K), la candela (cd), la mole (mol).

2.2 Les grandeurs supplémentaires Pour pouvoir exprimer toutes les unités SI, il est nécessaire d'ajouter 2 unités supplémentaires, qui sont purement géométriques : le radian (angle plan) et le stéradian (angle solide). 2.3 Les grandeurs dérivées Les unités dérivées sont nombreuses et viennent compléter les unités de base. Elles peuvent avoir des noms spéciaux (hertz, pascal, becquerel, ...) mais peuvent toujours être exprimées à partir des unités de base. Il existe aussi des unités dérivées sans dimension. Il est aussi à noter que ces unités sont reliées entre elles pour former un système cohérent. Enfin, chaque grandeur peut avoir à couvrir une vaste étendue de valeurs. Pour éviter d'avoir à utiliser des facteurs multiplicatifs ou des valeurs avec un grand nombre de zéros, on a recourt à des préfixes. Ces derniers vont permettre de couvrir une gamme allant de 1024 à 10-24 fois l'unité.

Remarque : Il convient de distinguer grandeur et unité. Une grandeur représente quelque chose qui peut être mesuré ou estimé ; une unité est un étalon de cette grandeur. Par exemple : une longueur est une grandeur, le mètre peut-être une unité choisie pour sa mesure.

Exemple : pouce (inch): 1 in = 2,54 cm ; pied (foot): 1 ft = 12 in= 30,48 cm ; mile (miles) = 5280 ft = 1,609 km. livre (pound) : 1 lb = 0,454 kg ; cheval vapeur (horsepower) : 1 hp = 0,736 kW = 1 CV .

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Chapitre 3 : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES APPAREILS DE MESURE 3.1 Erreur et incertitude (Justesse, fidélité, répétitivité, reproductibilité d’un appareil de mesure L'incertitude est un indicateur de la qualité d'un résultat de mesure, l'objectif de toute mesure est d'essayer d'obtenir des résultats "justes". L'incertitude doit donc inclure une composante liée à la justesse. Justesse (ex : tarage d’une balance). En toute rigueur, le métrologue doit corriger tous les effets systématiques en appliquant des corrections, il reste alors à prendre en compte dans l'évaluation de l'incertitude du résultat l'incertitude sur les corrections. Quand le métrologue décide de ne pas appliquer de correction, l'incertitude sur le résultat est bien plus grande. Fidélité : Une méthode est fidèle lorsqu’elle donne toujours le même résultat ou des résultats voisins si on la répète sur le même échantillon... Répétabilité : On l’obtient par étalonnage ou vérification sur une référence (détermination du facteur de correction). Fidélité sous des conditions de répétabilité Reproductibilité : Fidélité sous des conditions de reproductibilité (même méthode dans différents laboratoires, avec différents opérateurs et utilisant des équipements différents. L’étalonnage : est l'opération qui permet d’effectuer des mesures de grandeurs connues avec l'instrument de mesure donnant les valeurs. On établit alors une courbe donnant les écarts entre les valeurs données par l'appareil et les valeurs des grandeurs connues. On distingue deux types d’étalonnage : L’étalonnage de l’appareillage : qui correspond au test du paramètre physique mesuré par l’appareil. L’étalonnage de la méthode : qui permet d’établir la relation signal la quantité de substance. Ce dernier doit être réalisé avec des étalons et des matériaux de références adaptés. 3.2 Classification des erreurs de mesure 3.2.1 Valeur brute ; La valeur brute est la valeur déterminée par l’instrument de mesure. Une erreur brute justifierait le résultat obtenu pour la valeur calculée et le signe algébrique d'une éventuelle erreur brute. 3.2.2 Erreur systématique ;

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L'erreur systématique est la moyenne qui résulterait d'un nombre infini de mesurages du même mesurande, effectués dans les conditions de répétabilité, moins une valeur vraie du mesurande. Ce sont des erreurs reproductibles reliées à leur cause par une loi physique, donc susceptible d'etre eliminees par des corrections convenables. 

L'erreur systématique est égale à l'erreur moins l'erreur aléatoire.

3.3 Erreurs fortuites ; L'exploitation des mesures entachées d'erreurs fortuites est le problème posé par des séries importantes d'observations portant sur une grandeur x, compte tenu du fait que les erreurs systématiques supposées connues ont été éliminées. Il ne reste donc que des erreurs qu'on peut qualifier d'accidentelles, ou aléatoires, présentant une dispersion régie par les lois du hasard, et sur lesquelles on ne fait pour le moment aucune hypothèse. 3.3.1 Erreurs aléatoires ; Elle se répartit de part et d'autre de la valeur moyenne (variance, écart- type). Les erreurs aléatoires sont relatives à la précision (Fidélité). Elle varie toujours dans le même sens par rapport à la moyenne, c’une erreur qui reste constante pour des mesures effectuées dans des conditions. Ce sont des erreurs, non reproductibles, qui obeissent a des lois statistiques. En plus, nous avons les erreurs accidentelles qui résultent d'une fausse manœuvre, d'un mauvais emploi ou de fonctionnement de l'appareil. Elles ne sont généralement pas prises en compte dans la détermination de la mesure.

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3.4 Intervalle de confiance Il devient donc indispensable d’évaluer l’incertitude de mesure pour assurer la fonctionnalité du produit, en donnant un intervalle de confiance (généralement de 95 à 99,7%) à l’intérieur duquel la probabilité de trouver la valeur vraie est importante. 3.5 Incertitude technique L’incertitude technique est rencontrée dans la conception et la fabrication de produits ou même dans leurs usages par les entreprises, les organisations publiques civiles et militaires ou les consommateurs. Il s’agit d’une expérience commune, qui ne se limite pas au temps présent, loin de là. Elle peut entraîner des catastrophes et déboucher sur des remises en cause organisationnelles, industrielles ou scientifiques. Les recherches récentes réalisées par des historiens aux États-Unis apportent des éclairages très neufs sur l’opacité délibérée de certains dispositifs techniques et ses dimensions politiques, sur la distinction entre incertitude technique cognitive, matérielle et prospective et sur les pratiques adoptées face à elle : de la sociabilité locale au partage des ressources intellectuelles à l’échelle nationale, à la coopération avec les universités et à l’élaboration d’outils probabilistes. 3.6 Incertitude de mesure totale Une incertitude de mesure « caractérise la dispersion des valeurs attribuées à un mesurande, à partir des informations utilisées ». 

considérée comme une dispersion, elle fait appel à des notions de statistique ;



les causes de cette dispersion, liées à différents facteurs, influent sur le résultat de mesurage, donc sur l'incertitude ;



elle comprend de nombreuses composantes qui sont évaluées de deux façons différentes : o

certaines peuvent être évaluées par une évaluation dite de type A, par une analyse statistique.

o

les autres composantes, peuvent être évaluées par une évaluation dite de type B par d'autres moyens.

3.7 Résultat de mesurage complet Le mesurage complet est un ensemble de valeurs attribuées à un mesurande complété par toute information pertinente disponible. Une expression complète du résultat du mesurage comprend des informations sur l’incertitude de mesure qui permet d’indiquer quel est l’intervalle des valeurs probables du mesurande. En métrologie, on appelle souvent m la mesure de la valeur de la grandeur (un nombre), et M le résultat de la mesure, c’est à dire l’expression complète du résultat (un intervalle de valeurs).

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Un mesurage n’étant jamais parfait, il y a toujours une erreur de mesure. L’erreur de mesure est la différence entre la valeur mesurée d'une grandeur et une valeur de référence. Si la valeur de référence est la valeur vraie du mesurande, l’erreur est inconnue. 3.8 Identification et interprétation des spécifications d’un dessin de définition en vue du contrôle Utilisateur sera chargé de prendre des décisions :  Acceptation ou refus d’un produit suite à l’établissement d’une conformité / nonconformité à une spécification ;  Validation d’une hypothèse dans le cadre d’un développement ;  Réglage d’un paramètre dans le cadre du contrôle d’un procédé de fabrication ;  Définition des conditions de sécurité d’un produit ou d’un système ;  Diagnostic médical ;  Protection de l’environnement…etc. La qualité du résultat de mesure conditionne essentiellement la fiabilité et la pertinence des décisions prises qui concourent à la qualité du produit ou du service. Satisfaire un client, au sens de la métrologie, c’est lui fournir le produit qu’il attend, au juste prix, avec une fiabilité maximale. L’esprit de cette réglementation permet d’atteindre les objectifs suivants : • en termes de protection des consommateurs L’information du consommateur de la quantité proposée par la réglementation de la déclaration du contenu (étiquetage). • en termes d’avantages pour les professionnels Les règlementations du contenu net et les contrôles réguliers par des vérificateurs neutres (agents de l’État) garantissent les mêmes conditions de concurrence à l’industrie et au commerce. Rappel : Mesurer, c’est attribuer à une grandeur une valeur numérique en la comparant directement ou indirectement à un étalon

.

3.9 Notions de base sur les calibres les jauges et les instruments de mesure simples La plupart des moyens de contrôle que nous étudions et réalisons effectuent des mesures par comparaison par rapport à des étalons de cotes connues. Nous étudions, réalisons et certifions ces étalons standards et spéciaux.

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Ceux-ci permettent d’étalonner ces moyens et de contrôle, si nous livrons deux étalons aux maxi et mini de la tolérance, l’amplification de la chaîne de mesure. Ces étalons peuvent être fabriqués en acier traité de haute qualité, ou encore en acier HSS, en carbure de tungstène, et en céramique. Leur dureté est variable selon l'acier utilisé. De 59 à 64 HRC pour de l'acier trempé. Quand au revêtement, nous proposons du chrome, TIN, TICN et autres. Leurs microdureté est également variable, de 940 HV pour le chrome à 2300 HV pour le TIN ou à 3300 HV pour le TiAIN. Nous sommes en mesure de fabriquer des jauges et calibres spéciaux. Nous les étudions à partir des dessins de la pièce à mesurer. Sur demande, chaque pièce de référence sera certifiée en laboratoire de métrologie et livrée dans un coffret avec son rapport de contrôle.

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Chapitre 4 : MESURE ET CONTROLE Les contrôles en mécanique générale, la métrologie des fabrications s’intéresse ; Au contrôle des pièces exécutées ou en cours d’usinage. Au contrôle, sur machine de la position de la pièce par rapport à l’outil. À la vérification géométrique des machines : Outils au contrôle statistique des performances possibles sur chaque machine à outil. En maintenance, la métrologie s’intéresse aux contrôles des organes mécaniques pouvant subir une usure ou une déformation due au fonctionnement. Exemple : Les plaquettes ou disque de frein d’un camion. 4.1 Mesure directe des longueurs et des angles (utilisation de la règle, du pied à coulisse, du micromètre et du rapporteur d’angle) En métrologie, on trouve différents appareils de mesure tels que : Le calibre ou pied à coulisse ; Le pied ou jauge de profondeur Le micromètre ou palmer Le comparateur Le calibre à coulisse Cet appareil de mesure directe, entièrement en acier inoxydable, peut-être de dimensions variables, en fonction de sa longueur et de la forme de ses becs. Certaines versions très modernes sont équipées de cadran numérique électronique facilitant la mesure.

Utilisation du pied à coulisse

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4.2 Mesure indirecte (utilisation du comparateur, des cales étalons)  Pour un déplacement de la grande aiguille de 1 graduation, la touche du comparateur se déplace de un centième de millimètre.  Pour un déplacement de la petite aiguille de 1 graduation, la touche du comparateur se déplace de un de millimètre, soit un tour complet de la grande aiguille.

Utilisation du comparateur Exemple :

Les cales étalon sont des parallélépipèdes généralement en acier dont la longueur entre deux des faces (appelées mesurandes) est parfaitement connue. Les cales étalons sont utilisées pour étalonner ou régler des appareils de mesure de longueur.

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4.3 Contrôle des dimensions (utilisation des tampons, des mâchoires,..) Les calibres à limites sont des outils de contrôle utilisés dans l'industrie mécanique permettant de vérifier de façon simple le respect des exigences fonctionnelles des pièces après usinage. Ils sont utilisés en cours de processus de production ou de réception.  La lecture du calibre à pied coulisse -Le vernier au 1/10 possède 10 graduations, et mesure 0,9 mm

Le vernier au 1/20possède 20 graduations, et mesure 1,9mm.  La tenue du pied à coulisse

Attention : Si l’on souhaite mesurer une côte intérieure tel que le diamètre intérieur d’une bague, on doit ajouter 10 mm à la côte lue.

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d= 76,88 mm

21 + 0,42 = 21,42mm Le micromètre ou ‘’palmer’’ est un calibre réglable par vis qui permet la mesure de cotes au centième de mm (1/100 de mm). Les déformations de l’appareil sont négligeables, le corps pouvant avoir une section suffisante pour rendre toute flexion impossible.

d=16 mm

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Références bibliographiques :  Manuel de technologie mécanique, Guillaume SABATIER, et al Ed. Dunod.  Memotech : productique matériaux et usinage BARLIER C. Ed. Casteilla Sciences industrielles MILLET N. ed. Casteilla.  Memotech : Technologies industrielles BAUR D. et al , Ed. Casteilla  Métrologie dimensionnelle CHEVALIER A. Ed. Delagrave  Perçage, fraisage JOLYS R et LABELL R. Ed. Delagrave  Guide des fabrications mécaniques PADELLA P. Ed. Dunod  Technologie : première partie, Bensaada S et FELIACHI d. Ed. OPU Alger.  ‫تكنولوجيا عمليات التصنيع ديوان المطبوعات الجامعية‬  -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-‫يأأىب هللا العصمة اال لكتابه‬« Un cours n’était jamais parfait ». Merci de me signaler des oublies et/ou d’éventuelles erreurs. N’hésitez pas de me contacter à : [email protected]

:‫نصيحة لطلبيت ا ألعزاء‬ ."‫ لكن اعمل أأ ّن العمل تعطيه لكّك ليعطيك بعضه‬.‫اجهتد أأكرث فقط‬...‫ وفرصة النجاح متوفرة للجميع‬،‫"املعرفة ال ميلكها أأحد‬ Conseil à mes étudiants : « Gardez le moral ! Travaillez assez dur, le Succès n’est pas loin!...». Alaeddine KAOUKA