info Zeitschrift für Metrologie / Journal de métrologie / Rivista di metrologia / Journal of Metrology 2/2010 Le rôle de la gravimétrie en science et dans la vie de tous les jours Labormedizin: Vergleichbare Messresultate dank Rückverfolgbarkeit Analyses médicales : Résultats de mesure comparables grâce à la traçabilité Balance de watt : Un chemin vers la nouvelle définition du kilogramme
Impressum METinfo Zeitschrift für Metrologie, Vol. 17, 2/2010 Journal de métrologie, Vol. 17, 2/2010 Rivista di metrologia, Vol. 17, 2/2010 Journal of Metrology, Vol. 17, 2/2010 1.09.2010 Herausgeber/Éditeur/Editore/Publisher Bundesamt für Metrologie METAS Office fédéral de métrologie METAS Ufficio federale di metrologia METAS Federal Office of Metrology METAS Lindenweg 50, CH-3003 Bern-Wabern Tel. +41 31 32 33 111, Fax +41 31 32 33 210 www.metas.ch Auf dem Gebiet der gravimetrischen Messungen trägt das METAS Wesentliches an internationale Projekten bei. Siehe den Fachartikel auf Seite 4. Dans le domaine de la mesure de la gravité, METAS contribue de manière significative à des projets de portée internationale. Voir l article spécialisé à la page 4. Il METAS fornisce contributi significativi ai progetti internazionali nel campo delle misurazioni gravimetriche. Vedasi l articolo tecnico a pagina 4. In the field of gravimetry, METAS contributes in an essential way to international projects. See technical article on page 4. Redaktionsleitung/Rédacteur responsable/ Redattore-capo/Editor-in-Chief Christian Antener Tel. +41 31 32 33 489 christian.antener@metas.ch Redaktion/Rédaction/Redazione/ Editorial Board Dr. Hans-Anton Ebener, Dr. Jacques Morel, Dr. Jürg Niederhauser, Dr. Philippe Richard, Dr. Markus Zeier Bildnachweis/Photos/Fonte delle immagini/pictures Marcus Burger, CH-3123 Belp Keystone, CH-8045 Zürich Hans Lehmann, METAS, CH-3003 Bern-Wabern Rudolf Wullschleger, CH-4303 Kaiseraugst Hinweis/Remarque/Nota/Note Die enthaltenen Beiträge müssen nicht notwendigerweise mit der Auffassung des Eidgenössischen Justiz- und Polizeidepartements (EJPD) oder des Bundesamts für Metrologie (METAS) übereinstimmen. Les contributions publiées ne correspondent pas nécessairement à l avis du Département fédéral de justice et police (DFJP) ou de l Office fédéral de métrologie (METAS). I contributi pubblicati non corrispondono necessariamente all opinione del Dipartimento federale di giustizia e polizia (DFGP) o a quella dell Ufficio federale di metrologia (METAS). The published contributions do not necessarily need to agree in opinion with either the Federal Department of Justice and Police (FDJP) or the Federal Office of Metrology (METAS). Copyright Nachdruck mit Quellenangabe gestattet, Belegexemplar erwünscht Reproduction autorisée avec indication de la source, justificatif souhaité Riproduzione con indicazione delle fonti ammessa, auspicato un esemplare Reproduction allowed under indication of source, copy of reprint desired Administration ISSN 1660-4733 ISSN 1660-6094 (Online-Edition) 08.10 4 500 860235568/2
Inhalt/Contenu Gesetzliches Messwesen 02 Editorial 04 Gravimétrie Le rôle de la gravimétrie en science, en métrologie et dans la vie de tous les jours Metrologische Rückverfolgbarkeit in der Labormedizin Traçabilité métrologique dans l analyse médicale 10 Inductance Réalisation de l échelle des inductances à METAS 15 Labormedizin Vergleichbare Messresultate dank Rückverfolgbarkeit 15 Analyses médicales Résultats de mesure comparables grâce à la traçabilité 20 Ernennungen und Auszeichnung METAS-Wissenschaftler sind auch international aktiv 21 Biocapteurs Mesure de l activité d électrolytes pour la traçabilité en laboratoire médical 25 Publikation «METAS-Porträt» erschienen 26 Balance de watt Un chemin vers la nouvelle définition du kilogramme Watt-Waage des METAS Balance de watt de METAS 30 METAS-Dienstleistungen Neue und verbesserte Messeinrichtungen 30 Prestations de METAS Dispositifs de mesure nouveaux ou améliorés 32 Veranstaltungen Agenda Im METAS entwickelte Maskenmessmaschine Machine à mesurer des masques développée à METAS METinfo Vol. 17 No. 2/2010 1
Editorial Liebe Leserin, lieber Leser, Wie immer erfahren Sie mit dem vorliegenden METInfo, welche Anstrengungen unternommen werden, um zuverlässige und rückverfolgbare Messwerte auf allen Gebieten zum Nutzen von Mensch und Umwelt zu erzielen. Auf allen? Sehen Sie sich den Beitrag auf Seite 15 etwas genauer an. In der Labormedizin und das ist nur ein Beispiel unter anderen aus der Chemie wird es akzeptiert, dass Sie unter Umständen drei verschiedene Angaben weit ausserhalb der erwarteten Messunsicherheit erhalten, wenn Sie drei Messgeräte verschiedener Hersteller zur Hand nehmen und mit ihnen den gleichen Blutbestandteil messen. Diese Situation ist etwa mit folgendem Beispiel vergleichbar: Stellen Sie sich vor, Sie möchten den Tank ihres Autos mit 60 Litern Kraftstoff füllen. Nun müssten Sie wissen, ob Sie bei Esso, BP, Total oder Shell tanken. Je nachdem müssten sie für die gewünschten 60 Liter 58, 67, 62 oder 56 Liter tanken. Nicht vorstellbar! Zum Glück sind die Nutzer labormedizinischer Analysegeräte hochgeschulte Ärzte, die mit der Anzeige der Analysegeräte etwas anzufangen wissen, auch wenn die Wertebereiche nicht mit jenen übereinstimmen, die sie als junge Medizinstudenten einmal auswendig lernen mussten. Für die Tatsache, dass die Rückverfolgbarkeit der Messwerte auf international abgestimmte Referenzwerte in der Labormedizin noch nicht realisiert ist, gibt es gute Gründe. Es geht hier nicht darum, den staatlichen Metrologieinstituten, den Regulatoren oder der Diagnostikgeräteindustrie eine Schuld zuzuweisen. Dass die fehlende «Traceability» aber grosse Kosten und Risiken verursacht, ist evident und mit verschiedenen Studien auch nachgewiesen worden. Die Fragestellung ist von vielen Stellen aufgenommen worden, und machbar ist bereits heute viel mehr, als in der Praxis umgesetzt wird. Der Beitrag über «Biocapteurs» auf Seite 26 berichtet über eine Arbeit, die am METAS läuft. Ich wünsche Ihnen viel Vergnügen bei der Lektüre. Chère lectrice, cher lecteur, Comme toujours, cette édition de METinfo vous informe sur les efforts entrepris pour obtenir des valeurs mesurées fiables et traçables dans tous les domaines, pour le plus grand bien de l être humain comme de l environnement. Vraiment dans tous les domaines? Examinez de plus près l article de la page 15. En chimie clinique, et il s agit là uniquement d un exemple parmi tant d autres du secteur chimique, on accepte l obtention potentielle de trois valeurs différentes situées bien en dehors de l incertitude de mesure escomptée lorsque trois appareils de mesure de divers fabricants sont utilisés pour mesurer le même composant sanguin avec chacun d eux. Cet état de fait peut être comparé à l exemple suivant : supposez que vous souhaitiez remplir le réservoir de votre véhicule avec 60 litres de carburant. À présent, selon que vous souhaitiez faire le plein chez Esso, BP, Total ou Shell, il faudrait que vous préleviez 58, 67, 62 ou 56 litres pour les 60 litres souhaités. Une situation inconcevable! Heureusement qu en chimie clinique, les utilisateurs des appareils d analyse sont des médecins experts sachant interpréter comme il se doit les résultats de ces appareils, même lorsque les plages des valeurs ne correspondent pas à celles apprises par cœur pendant leurs études de médecine. Il y a de bonnes raisons pour expliquer le fait que les valeurs mesurées ne soient pas encore traçables par rapport à des valeurs de référence convenues sur le plan international en chimie clinique. Il ne s agit pas ici de mettre quiconque en cause parmi les instituts de métrologie nationaux, les organismes de régulation ou bien l industrie des appareils de diagnostic. Mais il est évident que ce manque de «traceability» engendre des coûts et des risques importants, ce que diverses études ont mis en évidence d ailleurs. De nombreuses instances s intéressent à cette question et aujourd hui déjà, le domaine du possible dépasse notablement celui de la pratique. À la page 26, l article sur les «biocapteurs» fait le point sur un projet en cours chez METAS. Je vous souhaite bonne lecture. 2 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
Cara lettrice, caro lettore, Con il presente numero di METInfo desideriamo aggiornarvi come di consueto sugli sforzi compiuti in ogni campo per ottenere misurazioni affidabili e riferibili a vantaggio dell uomo e dell ambiente. In ogni campo? Leggete con maggiore attenzione l articolo a pagina 15. In taluni casi la medicina di laboratorio tanto per citare uno dei vari esempi forniti dalla chimica ammette che si possano ottenere tre diversi dati ben lontani dalla tolleranza di misurazione prevista; tale deroga è concessa a patto che si utilizzino tre apparecchi di misura di costruttori diversi e si misuri lo stesso emocomponente. La circostanza si può in qualche modo paragonare alla seguente situazione: immaginiamo che vogliate rifornire il serbatoio della vostra auto con 60 litri di carburante. A quel punto dovreste sapere se vi rifornite da Esso, BP, Total o Shell. In base al fornitore dovreste poi pompare 58, 67, 62 o 56 litri dei 60 richiesti. Inconcepibile! Fortunatamente gli utenti di apparecchiature per analisi di laboratorio sono medici altamente qualificati, in grado di interpretare in modo corretto i dati visualizzati anche se i campi di misurazione non coincidono con quelli imparati sui libri quando erano giovani studenti di medicina. Esistono valide ragioni che spiegano il motivo per cui, nella medicina di laboratorio, le misurazioni non sono ancora riconducibili a valori di riferimento armonizzati a livello internazionale. Ma pur non volendo imputare alcuna colpa agli istituti nazionali di metrologia, ai regolatori o ai costruttori di apparecchiature diagnostiche, non possiamo negare il fatto che la mancanza di «traceability» generi costi e rischi elevati, come confermano anche diversi studi al riguardo. La problematica è stata affrontata da più parti e già oggi si potrebbe fare molto più di quello che in pratica sta avvenendo. L articolo sui biosensori a pagina 26 illustra un progetto attualmente in corso al METAS. Dear Reader, As always, you can read the current issue of METInfo to experience how we are working to facilitate reliable and traceable measurements, in every field, for the benefit of people and the environment. In every field? Please have a look at the article on page 15. In laboratory medicine to name just one possible example from chemistry no one is surprised at all to obtain three different measurement results that are well outside the expected measurement uncertainty range when using three measuring devices from different manufacturers to measure the same blood component. Here s a good analogy for this situation: Imagine you want to fill up your car with 60 litres of fuel. Now you need to choose whether to fill up at Esso, BP, Total or Shell. Depending on your choice, you might have to buy 58, 67, 62 or 56 litres of fuel to obtain the desired 60 litres. That is simply inconceivable! Fortunately, the highly trained doctors who use laboratory analysis equipment know how to go about interpreting the results even if the value ranges are not the same ones they memorised as young medical students. Of course, there are good reasons why it is not yet possible to realise traceability of measured values to internationally co-ordinated reference values in the field of laboratory medicine. We are not trying to assign any blame here to the national metrology institutes, the regulators or the diagnostics equipment industry. Nevertheless, this lack of traceability is associated with major costs and risks a fact that has been verified through various studies. This problem has been addressed by many authorities, and that which is currently feasible already well exceeds the current level of implementation. The article about biosensors on page 26 offers insight into the work that is currently underway at METAS. I hope you will enjoy reading this issue. Auguro a voi tutti una buona lettura. Dr. Ulrich Feller Stellvertretender Direktor / directeur suppléant / direttore supplente / Deputy Director Fachartikel Editorial METinfo Vol. 17 No. 2/2010 3
Article spécialisée Gravimétrie Le rôle de la gravimétrie en science, en métrologie et dans la vie de tous les jours La gravimétrie étude de l accélération de la pesanteur g fait partie de ce que l on pourrait appeler les sciences secondaires. Pourtant, elle est de la plus haute importance pour bon nombre de domaines comme les sciences de la terre et de l environnement, la géophysique, la géodésie, la métrologie ou la physique des particules. Les progrès dans ces domaines sont donc intimement liés à l évolution de la gravimétrie. Au cours des dix dernières années, METAS s est fortement impliqué dans le domaine de la gravimétrie afin d intégrer celle-ci aux grandeurs métrologiques reconnues et traçables aux grandeurs fondamentales : mètre et seconde. Cet effort, qui à la base était essentiellement motivé par la nouvelle définition du kilogramme et des expériences physiques qui lui sont associées, a permis à METAS de participer et de contribuer de manière significative à des projets de portée internationale. Henri Baumann, Sebastien Guillaume, Urs Marti Les avancées technologiques récentes ont significativement amélioré la mesure de g. Au cours des trente dernières années, cela s est traduit par une amélioration de près de trois ordres de grandeur [1]. Actuellement la valeur de g peut être déterminée avec une incertitude de l ordre de 1 µgal (1 10-8 m/s 2 ) ce qui a ouvert de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines. Les mesures de g La mesure absolue Les gravimètres absolus permettent la mesure directe de l intensité du champ de pesanteur. Il existe plusieurs manières de déterminer la valeur de g comme le pendule simple, le pendule réversible ou encore le gravimètre à atomes froids [2]. La méthode la plus répandue à ce jour reste toutefois la détermination de g basée sur la mesure du temps nécessaire à un mobile pour parcourir une certaine distance en chute libre dans le champ de pesanteur. Il peut s agir d une chute simple [3] ou d une chute précédée d un lancement [4]. Le gravimètre commercial FG5 #209 de METAS est un gravimètre balistique utilisant la chute libre d un corps dans le champ de pesanteur pour déterminer g (illustration 1). Le corps en chute libre est un coin de cube (Corner Cube) dont la position est mesurée à l aide d un interféromètre de type Michelson. Le faisceau laser (Laser Light) est séparé en deux faisceaux dont l un parcourt le bras fixe de l interféromètre avant d être réfléchi par le coin de cube de référence (Internal Reference Corner Cube). Celui-ci est isolé du bruit sismique environnemental par un filtre à deux étages constitué d un ressort (Main Spring) combiné avec un filtre électromagnétique (Servo Coil). Le second faisceau parcourt le bras de longueur variable et est réfléchi par le coin de cube en chute libre. Cet élément optique se trouve dans une enceinte à vide (Vacuum Chamber) de façon à s affranchir de l erreur systématique engendrée par le frottement du cube dans l air. Les deux faisceaux sont ensuite recombinés pour former le signal d interférence qui est converti en un signal électrique par une photodiode (Photo Detector). Le signal électrique (diagramme 2) est de la forme U(t) = u 0 cos(2kz(t)) où k = 2π λ z(t) = z 0 + v 0 t + 1 2 gt 2 + 1 6 yv 0t 3 + 1 24 ygt 4 (1) avec U(t) : Signal électrique mesuré; k : Nombre d onde; λ : Longueur d onde; g : Accélération de la pesanteur; z 0 : Position initiale; v 0 : Vitesse initiale; y : Gradient vertical de l accélération de la pesanteur (gradient à l air libre : ~3 (µgal/cm). En comptant les passages à zéro du signal électrique et en mesurant les temps entre ceux-ci, l équation du mouvement du corps en chute libre (1) peut être reconstruite, et de laquelle g peut être extrait. La mesure relative Les gravimètres relatifs sont des appareils qui ne peuvent mesurer qu une différence ou une variation de g. Dans la plupart des gravimètres relatifs, la force de gravité agissant sur une masse de test est contrebalancée par une force mesurable de façon à obtenir un équilibre. En général, des ressorts élastiques sont utilisés pour produire la contre force nécessaire à l équilibre. Depuis près de dix ans, METAS possède un gravimètre relatif Scintrex CG3M (illustration 3). La force gravitationnelle agissant sur une masse de test (Proof Mass) est contrebalancée 4 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
Vacuum Chamber Drag-free Chamber Drive Motor Laser Light Interferometer Main Spring Servo Coil 1 Gravimètre absolu FG5 #209 de METAS. Free-falling Corner Cube Ion Pump Photo Detector Support Springs Internal Reference Corner Cube Le principe de cette expérience a été décrit dans de nombreux articles [6]. Elle se décompose en deux phases qui permettent de comparer virtuellement la puissance mécanique à la puissance électrique : Phase statique (mode de pesée) Durant la phase statique, la force générée par une masse m plongée dans le champ de pesanteur gravitationnel g est contrebalancée par une force électromagnétique générée par une bobine immergée dans un champ magnétique constant B et parcourue par un courant I. Phase dynamique (mode d induction) Pendant la phase dynamique, la bobine se meut à une vitesse v dans le champ magnétique B ce qui produit une tension induite U mesurable aux bornes de la bobine. En partant de l hypothèse que lors des deux phases le champ magnétique ainsi que la forme et la position de la bobine sont les mêmes, la comparaison de la puissance mécanique avec la puissance électrique peut s écrire comme m g v = U I (2); par une force de ressort (Spring) et une force électrostatique. La position de la masse de test, qui est mesurée par un capteur capacitif (Variable Capacitor), est altérée par tout changement de l accélération de la pesanteur. Une boucle d asservissement (Feedback) permet d appliquer une tension aux bornes de la capacité afin de produire une force électrostatique qui permet de ramener la masse test dans sa position initiale. D autres approches sont possibles : comme, par exemple, le gravimètre à cordes vibrantes, qui permet de déterminer la variation de g sur la base du changement des fréquences propres des cordes vibrantes auxquelles sont suspendues les masses de test. Il faut également mentionner le gravimètre supraconducteur dont l avantage principal est sa très faible dérive temporelle. Dans ce type de gravimètre, une sphère en niobium est maintenue en équilibre dans le champ de pesanteur à l aide d une force magnétique générée par deux bobines parcourues par un courant variable. Une variation de g se traduisant par un changement de position de la sphère, celle-ci est ramenée dans sa position initiale en variant le courant qui traverse les bobines [5]. L évaluation de g dans le cadre de la balance de watt Actuellement, la définition du kilogramme se base sur le dernier des étalons matérialisés de la métrologie, le Prototype International du kilogramme, déposé au Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) à Paris (Sèvres). Le but de l expérience de la balance de watt est de créer une relation entre le kilogramme et la constante de Planck h. À l aide de cette relation, il sera alors possible d établir une nouvelle définition du kilogramme basée sur une constante physique et de s affranchir des problèmes liés à la définition en vigueur (voir photo 4 et l article à la page 21). U : Tension induite; I : Courant; v : Vitesse; g : Accélération de la pesanteur; m : Masse. De toutes les grandeurs qui doivent être mesurées afin de satisfaire l équation (2), seule l accélération de la pesanteur n est pas accessible de façon directe. Pour cette raison une méthode d évaluation de g à la position de référence de la masse de test a été développée [7]. 1.0 0.5 0-0.5-1.0 Electrical Signal 0 0.05 0.10 0.15 0.20 λ/2 λ/2 Position 2 Signal interférométrique électrique mesuré par la photodiode. t /s Gravimétrie METinfo Vol. 17 No. 2/2010 5
Article spécialisée Gravimétrie Vacuum Chamber Proof Mass Spring Temperature Sensor Control Circuit A/D Converter Variable Capacitor Feedback Voltage Tilt Sensors Gravity Sensor Module with Thermostatically Controlled Environment Data Acquisition and Control Unit with Microprocessor and Memory 3 Gravimètre relatif CG3M de METAS. Méthode d évaluation La méthode établie pour l expérience de METAS est basée sur une interpolation en trois dimensions s appuyant sur un réseau gravimétrique expérimental. La configuration expérimentale, notamment l enceinte à vide dans laquelle se trouve la balance de watt, nécessite un certain nombre de précautions. Effective ment, l utilisation de techniques d interpolations pour la description d un phénomène physique a pour condition implicite la continuité de la fonction à interpoler. Ceci n est définitivement pas le cas pour toutes les expériences qui se trouvent dans une enceinte à vide pour lesquelles il s agit d interpoler dans l enceinte «au travers» des parois de celle-ci. L approche retenue dans le cadre de la balance de watt de METAS est une méthode régulièrement utilisée en géodésie appelée «remove-restore». Cette méthode consiste à déterminer l effet gravitationnel de tous les éléments qui entourent le point géographique à l endroit duquel on désire connaître la valeur de g. Cet effet est retiré de l ensemble des points de mesure expérimentaux avant l interpolation. Une fois la valeur estimée, l effet gravitationnel est additionné pour obtenir finale ment la vraie valeur de g au point de référence. Cette méthode, qui peut s appliquer à n importe quelle ex périence physique nécessitant une connaissance précise de la valeur de la pesanteur, permet de déterminer la valeur de l accélération de la pesanteur à la position de la masse de référence m de la balance de watt de METAS avec une incertitude de 5 µgal ce qui satisfait pleinement les exigences requises pour l expérience. Collaboration internationale Actuellement, deux nouvelles expériences de balance de watt sont en cours de construction. La première au BIPM et la seconde au Laboratoire National d Essais français (LNE). La détermination de points de référence gravimétriques absolus dans les laboratoires respectifs qui accueilleront les balances est une tâche essentielle pour un bon fonctionnement des expériences. À cet effet, METAS a effectué deux campagnes de mesures dans les laboratoires susmentionnés dont les résultats sont en parfaite adéquation avec les modèles et les évaluations préliminaires [8]. Première comparaison clé au BIPM La comparaison clé ICAG 2009 (International Comparison of Absolute Gravimeters) finalise en quelque sorte une longue série de comparaisons qui a commencée au début des années 1980. Suite à l acquisition de son gravimètre absolu, METAS s est fortement impliqué dans la mise en place de comparaisons [9]. Ceci ce traduit par la participation à six comparaisons régionales et à trois comparaisons internationales ainsi que par l organisation, en temps que membre du comité de direction, de la première comparaison clé selon les règles de l arrangement de reconnaissance mutuelle (CIPM MRA). La gravimétrie absolue regroupe deux communautés scientifiques dont l intérêt pour de telles comparaisons est légèrement différent : les géophysiciens, qui proviennent essentiellement du domaine universitaire, et les métrologues, qui proviennent des laboratoires nationaux de métrologie ou de laboratoires associés. Du point de vue métrologique, l intérêt porté à la mesure de g résulte essentiellement des expériences de la 6 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
g balance de watt. Dans le cadre de cette application, il est extrêmement important de connaître l incertitude sur la valeur absolue de la mesure de l instrument impliqué dans l expérience. Une erreur systématique aurait une influence directe sur la détermination de la constante de Planck. En géophysique, les gravimètres absolus sont surtout utilisés pour surveiller des phénomènes géologiques de longues durées comme l élévation de chaînes de montagnes ou le rebond postglaciaire. Pour de telles applications, une erreur systématique sur les mesures absolues serait certes regrettable mais n aurait que peut d influence sur l application et l interprétation géophysique des résultats de mesure du fait qu il s agit de mesures relatives. Du fait que seul des instituts nationaux de métrologie ou instituts désignés signataires du CIPM MRA sont autorisés à participer à une comparaison clé, le projet ICAG 2009 a été décomposé en deux volets. Une étude pilote (Pilote Study, PS), à laquelle tous les participants peuvent prendre part, et la comparaison clé proprement dite (Key Comparison, KC), à laquelle seul les instituts de métrologie peuvent participer. Les résultats préliminaires de cette première comparaison clé sont représentés dans le diagramme 5. En tenant compte des incertitudes de mesure, le résultat obtenu à l aide du gravimètre FG5 #209 de METAS est en accord avec la valeur de référence de la comparaison. L accélérateur du futur au CERN (Compact Linear Collider, CLIC) Malgré le fait que le Large Hadron Collider (LHC) du CERN n est qu au début de son œuvre, les physiciens sont déjà en train d imaginer et d étudier le collisionneur du futur qui viendra compléter les recherches et les découvertes promises par le LHC. Actuellement, deux projets d accélérateurs électron-positron linéaires sont à l étude, le premier au CERN (CLIC ~50 km, 3 TeV) et l autre à FERMILAB (ILC ~30 km, 500 GeV) aux États-Unis. De part ses innovations technologiques, le CLIC est le plus ambitieux des deux. Parmi les nombreux défis qui doivent être 4 Expérience de la balance de watt de METAS. La flèche indique la position de référence, où la valeur de l accélération de la pesanteur doit être connue. encore relevés, il y a l alignement des différents composants de l accélérateur selon une parfaite ligne droite. En effet, ces derniers doivent être alignés avec une précision relative encore jamais atteinte de 10 micromètres sur 200 mètres. En comparaison, la contrainte d alignement du LHC était de 0.3 millimètres pour 110 mètres. Afin de pouvoir atteindre un tel niveau de précision, le géoïde (surface équipotentielle du champ de pesanteur) connu actuellement avec une incertitude de l ordre du centimètre doit pouvoir être déterminé avec une incertitude relative d au moins 10 micromètre sur 200 mètres, par rapport à une ligne droite. Deux méthodes de mesures peuvent être envisagées pour parvenir à cet objectif : l astrogéodésie et la gravimétrie. La combinaison de ces deux méthodes permet de déterminer très précisément le vecteur de l accélération de la pesanteur à la surface terrestre. À cet effet, un réseau gravimétrique de base a été établi dans l enceinte du CERN en 2009 à l aide du gravimètre absolu de METAS. Une première station de référence du réseau se situe proche d un des sites principaux du CERN, tandis que les deux autres se trouvent aux endroits du complexe qui présente une différence d altitude maximale. Ceci, afin d obtenir des variations 20 Déviation par rapport à la valeur de référence /µgall 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 -30 NMI 1 NMI 2 METAS NMI 4 NMI 5 NMI 6 NMI 7 NMI 8 NMI 9 NMI 10 NMI 11 Lab 12 Lab 13 Lab 14 Lab 15 Lab 16 Lab 17 Lab 18 Lab 19 Lab 20 Lab 21 5 Résultats préliminaires de la comparaison clé ICAG 2009 de gravimètres absolus : les points représentent la déviation entre la valeur mesurée par les différents participants et la valeur de référence. Les gravimètres des NMI 1 à NMI 11, METAS inclus, sont ceux des instituts nationaux de métrologie, qui participaient à la comparaison clé; les gravimètres des lab 12 à lab 21 sont des gravimètres d instituts universitaires, qui eux, participaient au projet pilote uniquement. Gravimétrie METinfo Vol. 17 No. 2/2010 7
Article spécialisée Gravimétrie maximales sur les valeurs g, soit à la surface du puits d accès au LHC le plus proche du Jura pour l un et au fond de la caverne de l expérience LHCb pour le second. Surveillance de sites de stockage de déchets radioactifs Les expériences menées dans le laboratoire souterrain du Mont Terri ont pour but de récolter des informations sur les caractéristiques géologiques, hydrogéologiques, géochimiques et géotechniques d une roche argileuse : les argiles à Opalinus. Les conditions de recherche exceptionnelles ainsi que les excellents résultats obtenus au cours des dernières années ont suscité un intérêt international pour ce projet. Cela ce traduit par près de 14 expériences actives, opérées par des organisations provenant de nationalités différentes comme le Nuclear Waste Management Organization (NWMO) du Canada, le Gesellschaft für Reaktorforschung und Sicherheit (GRS) d Allemagne ou le Japan Atomic Energy Agency (JAEA) pour le Japon, sans oublier la Société coopérative nationale pour l entreposage de déchets radioactifs (NAGRA) en Suisse. Les caractéristiques des argiles à Opalinus sont d une grande importance pour juger la faisabilité et le degré de sûreté d un dépôt final pour des déchets radioactifs ou chimiques. La stabilité géographique d un tel site est de la plus haute importance et nécessite une surveillance à long terme de préférence dans un système de coordonnées absolues. À cet effet, L Office fédéral de topographie (swisstopo) a construit un réseau géodésique de haute précision qui peut être utilisé pour la détermination absolue de l élévation du site. Du fait que les mesures de hauteur peuvent physiquement être reliées à la pesanteur, des mesures absolues de l accélération de la pesanteur de haute précision sont utiles pour l analyse et l interprétation des variations de hauteurs. Dans cette optique, des mesures absolues de g ont été effectuées par METAS en juin 2009 et seront répétées à une cadence encore à définir. la nouvelle configuration expérimentale avec l incertitude requise. Au niveau international, la prochaine échéance sera la comparaison EURAMET qui devrait avoir lieu à Walferdange en 2011. La participation à des projets de recherche métrologique, soutenus par la Communauté européenne par le biais programmes spécifiques tel que l European Metrology Research Programme (EMRP), sera également évaluée. Références [1] J. E. Faller: Thirty years of progress in absolute gravimetry: a scientific capability implemented by technological advances, Metrologia, 39, 425, 2002. [2] C. J. Bordé: Interferometry and laser spectroscopy, Laser Spectroscopie X, World Scientific, pp. 239 45, 1991. [3] T. M. Nieubauer et al: A new generation of absolute gravimeters, Metrologia, 32, pp. 159 180, 1995. [4] G. D Agostino et al: A method to estimate the timeposition coordinates of a free-falling test-mass in absolute gravimetry, Metrologia, 42, pp. 233 238, 2005. [5] J. M. Goodkind et al: The superconducting gravimeter, Rev. Sci. Instrum. 70, 4131 (1999). [6] A. Eichenberger et al: Determination of the Planck constant by means of a watt balance, Eur. Phys. J. Special Topics. 172, pp. 363 383, 2009. [7] H. Baumann et al: Evaluation of the local value of the Earth gravity field in the context of the new definition of the kilogram, Metrologia 46, pp. 178 186, 2009. [8] S. Merlet, G. D Agostino, H. Baumann: Comparison of 3 absolute gravimeters based on different methods for the e-mass project, CPEM 2010. [9] P. Richard : Comparaison internationale de gravimètres absolus au BIPM, METinfo, Vol. 9, Nr. 3, pp. 17 18, 2002. [10] P. Richard, U. Marti : Un nouveau réseau gravimétrique en Suisse, METinfo, Vol. 12, Nr. 3, pp. 11 16, 2005. Plusieurs défis dans le futur La collaboration entre swisstopo et METAS, dont le but est le maintien du réseau gravimétrique en Suisse [10], va se poursuivre durant les prochaines années. Dans le cadre de cette collaboration, les 15 stations absolues, qui forment le réseau de base national et qui sont intégrés dans le réseau gravimétrique absolu international, sont mesurées de manière cyclique au rythme de trois par année. Une ligne d étalonnage entre Interlaken et le sommet du Jungfraujoch est un projet qui devrait se concrétiser dans un futur proche en collaboration avec le laboratoire de géodésie et de géodynamique de l ETH Zurich. Cette ligne d étalonnage, unique au monde, permettra de couvrir une dynamique de mesure de plus de 900 mgal et sera extrêmement utile pour l étalonnage de gravimètres relatifs. Dans le cadre du nouveau projet balance de watt de METAS, plusieurs travaux devront être réévalué afin d être en mesure de déterminer la valeur de l accélération de la pesanteur dans Dr. Henri Baumann, Chef de la section Mécanique, tél. direct +41 31 32 33 243, henri.baumann@metas.ch. Co-auteurs Sébastien Guillaume, Laboratoire de géodésie et de géodynamique, ETH Zurich, et CERN, Genève, sebastien.guillaume@cern.ch. Dr. Urs Marti, Développements géodésiques et mandats, Office fédéral de topographie swisstopo, tél. direct +41 31 963 23 78, urs.marti@swisstopo.ch. 8 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
Die Rolle der Gravimetrie in Wissenschaft, Metrologie und im Alltagsleben Die Gravimetrie also die Erforschung der Schwere g ist Teil der sogenannten Sekundärwissenschaften. Dennoch ist sie für die Umweltwissenschaften, Geo physik, Geodäsie, Metrologie und Teilchenphysik von grösster Bedeutung. Fortschritte auf diesen Gebieten sind daher eng mit der Weiterentwicklung der Gravimetrie verknüpft. Im Verlauf der letzten zehn Jahre hat sich das METAS sehr engagiert, um die Schwere g in die metrologisch anerkannten Grössen zu integrieren, die auf die Basiseinheiten Meter und Sekunde rückverfolgbar sind. Dieses Engagement, das nicht zuletzt durch die Arbeiten zur Neudefinition des Kilogramms und den damit verbundenen physikalischen Experimenten motiviert war, hat es dem METAS ermöglicht, an Projekten von internationalem Rang teilzunehmen und dazu einen wesentlichen Beitrag zu leisten. Experimentell lässt sich das Schwere - feld entweder mit Absolutgravimetern erschliessen, welche die direkte Messung der Feldstärke ermöglichen, oder mit Hilfe von Relativgravimetern, mit denen lediglich Differenzen oder Schwankungen von g erfasst werden können. Seit das METAS über ein Absolutgravimeter verfügt, nahm es an sechs regionalen und drei internationalen Messvergleichen teil. Zudem war das METAS als Mitglied des Lenkungsausschusses auch an der Organisation des ersten Schlüsselvergleichs (Key comparison) beteiligt, der entsprechend den im internationalen Abkommen zur gegenseitigen Anerkennung der nationalen Referenzmasse sowie der Kalibrier- und Messmöglichkeiten (CIPM-MRA) festgelegten Vorschriften durchgeführt wurde. Die vorläufigen Ergebnisse dieses ersten Schlüsselvergleichs können dem Diagramm 5 entnommen werden. Innerhalb der Messunsicherheit stimmen die mit dem Gravimeter FG5 #209 des METAS erzielten Ergebnisse mit dem Referenzwert des Vergleichs überein. Il ruolo della gravimetria nella scienza, nella metrologia e nella vita quotidiana La gravimetria, lo studio dell accelerazione di gravità g, fa parte di quelle che si possono definire scienze secondarie. Tuttavia, riveste un ruolo di fondamentale importanza in numerosi campi quali le scienze della Terra e dell ambiente, la geofisica, la geodesia, la metrologia o la fisica delle particelle. I progressi in questi ambiti sono pertanto strettamente legati agli sviluppi della gravimetria. Nel corso degli ultimi dieci anni METAS si è impegnata a fondo nel campo della gravimetria al fine di includer il g tra le grandezze metrologiche riconosciute e riferibili alle grandezze fondamentali: metro e secondo. Tale impegno, inizialmente motivato dalla nuova definizione di chilogrammo e dagli esperimenti fisici ad essa associati, ha consentito a METAS di partecipare e di contribuire in modo significativo a progetti di portata internazionale. L accesso sperimentale al campo di gravità avviene sia per mezzo di gravimetri assoluti, che consentono la misurazione diretta dell intensità del campo gravitazionale, sia tramite gravimetri relativi che possono misurare solo differenze o variazioni di g. A seguito dell acquisizione del suo gravimetro assoluto METAS ha partecipato a sei misurazioni comparativi regionali e a tre misurazioni comparativi internazionali, oltre che all organizzazione, in qualità di membro del comitato di direzione, della prima misurazione comparativa chiave secondo le regole definite dall accordo di mutuo riconoscimento (CIPM MRA). I risultati preliminari di questa prima misurazione comparativa chiave sono rappresentati nel diagramma 5. Tenendo conto delle incertezze di misurazione, il risultato ottenuto tramite il gravimetro FG5 #209 di METAS è conforme al valore di riferimento della misurazione comparativa. The role of gravimetry in science, metrology and everyday life Gravimetry the study of gravitational acceleration g forms part of what could be termed the minor sciences. Yet in a wide range of fields, such as earth and environmental sciences, geophysics, geodesy, metrology and particle physics, it is of primary importance. Progress made in these fields is, therefore, intrinsically linked to the evolution of gravimetry. Over the past decade, METAS has been closely involved in the field of gravimetry in order to incorporate the gravity g into the system of recognised metrological quantities traceable to the base units metre and second. This endeavour, motivated in essence by the search for a new definition of the kilogram and the associated physics experiments, has enabled METAS to participate in and significantly contribute towards projects on an international scale. Experimental methods of measuring the gravitational field use either absolute gravimeters, which enable the strength of the gravitational field to be measured directly, or relative gravimeters, which are only able to measure a difference or a variation in g. Since acquiring an absolute gravimeter, METAS has participated in six regional and three international comparisons as well as the organisation, as a member of the Management Committee, of the first key comparison in accordance with the rules defined in the Mutual Recognition Arrangement (CIPM MRA). The preliminary results of this initial key comparison are shown in diagram 5. Taking account of measurement uncertainties, the result obtained using the METAS FG5 #209 gravimeter agrees with the comparison reference value. Gravimétrie METinfo Vol. 17 No. 2/2010 9
Article spécialisée Inductance Réalisation de l échelle des inductances à METAS Afin de garantir un service de qualité, METAS a développé un système de mesure permettant l étalonnage des étalons d inductances à partir du ohm et de la seconde et devient ainsi primaire dans ce domaine. Il en résulte une diminution d un facteur allant jusqu à 10 de l incertitude proposée à nos clients pour l étalonnage des inductances de 1 µh à 10 H. De plus, la gamme de fréquence de mesure est maintenant étendue de 50 Hz à 20 khz. Frédéric Overney V t Parmi les composants électroniques passifs, l inductance est certainement le plus simple à réaliser puisqu un simple fil conducteur formant quelques boucles permet d obtenir une inductance de quelques microhenry le henry étant l unité de mesure de l inductance. S t Z t V w D Lorsqu un courant alternatif circule dans une inductance, une tension apparait aux bornes de celle-ci avec un déphasage de 90 degrés. Cette propriété est largement utilisée dans les circuits électroniques de radio fréquence; que ce soit pour réaliser des oscillateurs, des filtres ou encore comme antenne. S b Z b V b 2 Schéma simplifié du pont de mesure. SI Lorsqu il existe un couplage magnétique entre deux circuits inductifs, on parle alors de transformateur, et leur utilisation est multiple, notamment dans tous les réseaux de distribution d énergie électrique. A Une autre application importante des circuits inductifs est la réalisation de capteur de proximité sans contact, robuste et d une grande fiabilité. De tels capteur sont largement utilisés dans le domaine de l automation ainsi que dans l industrie automobile et aéronautique. 1 Chaîne de traçabilité des mesures d inductance : les ponts de mesure (B) utilisés dans l industrie sont étalonnés à l aide d inductances de référence (A) dont la traçabilité aux unités SI est garantie par METAS. Des mesures d inductance interviennent dans le développement de differents produits industriels (C). B C Traçabilité des mesures d inductance. Dans le domaine industriel, la mesure des inductances est généralement réalisée à l aide d un pont de mesure RLC (illustration 1). Afin de garantir la fiabilité des résultats, ces ponts RLC doivent régulièrement être étalonnés en mesurant différents étalons d inductance pour lesquelles la traçabilité des valeurs de références aux unités SI est garantie. Pour ce faire, METAS possède un jeu d étalons couvrant la gamme d inductance allant de 1 µh à 10 H. Jusqu à il y a quelques années, ces étalons étaient régulièrement envoyés au National Physical Laboratory (NPL), UK, pour y être étalonnés et ainsi garantir la traçabilité aux unités SI. En plus des risques de dommage liés au transport de ces étalons à travers l Europe, des frais élevés d étalonnage et de l augmentation de l incertitude liée au drift des valeurs de référence entre deux étalonnages, cette procédure générait de longues périodes d indisponibilité de notre base d inductance et donc, aucun étalonnage ne pouvait être réalisé pour nos clients. 10 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
Afin de remédier à cette situation et de garantir un service de qualité, il a été décidé de développer un système de mesure permettant l étalonnage des inductances de référence à METAS. Cet article décrit ce nouveau système et précise les nouvelles possibilités de mesure des inductances de 1 µh à 10 H à des fréquences allant de 50 Hz à 20 khz. Réalisation du henry Jusqu à la fin des années cinquante, le point de départ pour la réalisation des unités d impédance était une inductance étalon dont la valeur était calculée à partir de ces dimensions géométriques [1]. L utilisation de ponts coaxiaux permettait ensuite d obtenir le farad à partir du henry et finalement le ohm à partir du farad. Avec le développement de condensateurs calculables [2] et ensuite avec la découverte de l effet Hall quantique [3, 4], le farad et l ohm ont pu être obtenu avec une plus grande précision; la chaine de réalisations des unités d impédances est maintenant inversée et le henry est généralement réalisé à partir du farad. Les ponts de mesure de type Maxwell-Wien ou autre ponts de résonance [5] permettent la comparaison d un condensateur à une inductance avec une relativement grande précision. Toutefois, la mise en œuvre de tels ponts est souvent complexe, leur utilisation est plutôt chronophage et ils sont généralement spécifiés pour une gamme restreinte d inductances et de fréquences. D un autre coté, les ponts de mesure commerciaux permettent la mesure automatique d inductances à des fréquences allant de quelques dizaines de Hz au MHz. Toutefois, l incertitude relative de tels ponts n est que rarement inférieure à 0.05 % et ils ne conviennent donc pas à l étalonnage de précision des inductances étalons. Stratégie utilisée à METAS Le principe de mesure du système développé à METAS est représenté par le schéma simplifié de l illustration 2. Il s agit en fait de comparer l impédance d un étalon d inductance, Z b, à celle d un étalon de résistance de référence, Z t. Pour ce faire, deux convertisseurs numérique-analogique (DAC), S b et S t, L utilisation d un convertisseur analogique-digitale (ADC) permet la transformation d un signal analogique (continu) en un signal numérique (discret) qui peut par la suite être enregistré, analysé et traité par un ordinateur. On trouve actuellement sur le marché des convertisseurs qui permettent des fréquences d échantillonnage élevées (200 ks/s et plus) tout en garantissant une résolution extrême de l ordre de 24 bits; c est-à-dire une résolution inférieure à 0.2 µv pour un signal de 1 V d amplitude. Dans notre cas particulier, le signal de sortie d un commutateur à deux canaux est échantillonné durant un certain intervalle de temps à une fréquence multiple de la fréquence du signal mesuré (échantillonnage synchrone). Au milieu de cet intervalle, la commutation entre le premier canal et le deuxième canal est réalisée. La figure ci-dessous représente le signal échantillonné, V ADC, durant une séquence de mesure. Il est formé par la tension V t durant la première partie et par la tension V b durant la deuxième partie. Après l élimination de quelques périodes au début et à la fin de la séquence ainsi que avant et après la commutation, on ne retient qu un nombre entier de période de chaque signal (représenté par les symboles sur la figure). Comme les deux tensions sont mesurées avec le même convertisseur, l erreur de gain du convertisseur n a aucun effet sur le rapport des tensions. De plus, puisque les deux signaux sont échantillonnés durant la même séquence de mesure, la relation de phase entre les deux tensions est conservée. Une analyse de Fourier discrète (DFT) de ces deux ensembles de données permet finalement de déterminer le rapport des amplitudes ainsi que le déphasage des deux tensions V t et V b. 1.5 V ADC /V Commutation entre canal #1 et canal #2 V b DFT (V b ) f = = A + jb V t DFT (V t ) f 1.0 0.5 0-0.5-1.0-1.5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 t /ms où DFT (V) f représente la composante fondamentale de l analyse de Fourier discrète du signal V de fréquence f. Avec le système de mesure actuellement utilisé, il est possible de mesurer la partie réelle, A, et imaginaire, B, d un rapport de deux tensions avec une incertitude de type A inférieure à 10-6. 3 Principe de la mesure synchrone par échantillonnage. Inductance METinfo Vol. 17 No. 2/2010 11
Article spécialisée Inductance La photo 4 représente la place de mesure avec au premier plan l inductance à étalonner, la résistance de référence sur la gauche et le système de mesure sur la droite. Le composant principal du système de mesure et le convertisseur analogiquedigital (ADC) utilisé pour l échantillonnage synchrone des deux tensions. Il s agit d un produit commercial ayant une résolution de 24 bits et une fréquence d échantillonnage maximum de 204.8 ks/s. Les deux convertisseurs digitalanalogiques sont également des produits commerciaux avec la même résolution et la même fréquence maximale d échantillonnage. 4 Place de mesure des inductances à METAS. déterminent les courants qui circulent dans les deux étalons. Le rapport des amplitudes ainsi que la phase relative de ces deux sources sont ajustés de manière à ce que la tension, V W, du point milieu du pont soit zéro. Dans ces conditions, le rapport des impédances est directement donné par la mesure du rapport des tensions : Z b Z t = V b V t La mesure précise de ce rapport de tension est obtenue par une méthode d échantillonnage synchrone décrite dans l encadré 3. Cette méthode d échantillonnage permet non seulement d obtenir le rapport des amplitudes mais également la déphase relatif de ces deux tensions. L inductance série et la résistance série de l étalon d inductance sont ainsi déterminés par la mesure du rapport de tension et la connaissance de la résistance de référence. Le système de mesure est entièrement piloté par ordinateur via une interface optique, ce qui permet d éviter tout problème de boucle de terre. De plus, un programme LabView a été développé afin d automatiser l équilibre du pont ainsi que la répétition des mesures. Validation du nouveau système de mesure Afin de garantir l exactitude des étalonnages réalisés avec ce nouveau système de mesure, toute une série de tests ont été effectués en comparant différents étalons de différentes valeurs à différentes fréquences. De plus, les valeurs de référence obtenues avec ce nouveau système sont cohérentes avec celles obtenues lors des étalonnages antérieurs réalisés au NPL. Comme le montre le diagramme 5, il y a une continuité dans l évolution temporelle des valeurs mesurées à 1 khz au NPL et à METAS. Finalement, METAS a participé en 2007 à une comparaison internationale des possibilités de mesure des inductances de 100 mh à 1 khz (EUROMET.EM-S26). Seize instituts nationaux ont participé et les résultats obtenus par METAS sont en bon accord avec ceux obtenus par les autres instituts. ΔL/L /(µh/h) 3700 3600 3500 Les étalons d inductance et leur dépendance en fréquence Comme illustré par la figure 6, un étalon d inductance est simplement formé de plusieurs boucles d un fils conducteur (A). Le nombre de spire, le diamètre du fils ainsi que la géométrie du dispositif déterminent la valeur de l inductance. Afin de garantir une bonne stabilité de l inductance, le fils est enroulé 3400 1 H (GenRad S/N 9863) -350-400 -450-500 -550-600 100 mh (Sullivan S/N 3662) 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Dates d étalonnage Étalonnages réalisés au NPL Étalonnages réalisés à METAS A B C 5 Comparaison de l étalonnage d inductances de 1 H et 100 mh à 1 khz réalisés au National Physical Laboratory (NPL), UK, et à METAS entre 1990 et 2010. 6 A : une inductance est simplement formée par quelques spires de fils. B : étalon de type Sullivan-Grifiths. C : étalon de type GenRad. 12 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
ΔL/L /(µh/h) 100 10 1 7 Mesure de la variation relative d une inductance de 100 mh en fonction de la fréquence entre 50 Hz et 20 khz. 10 2 10 3 10 4 Fréquence /Hz autour d un support fait dans un matériau présentant un faible coefficient de dilatation thermique (B). Dans ce cas, le champ magnétique généré par le courant circulant dans les spires s étend librement autour de l inductance et peut interagir avec des champs magnétiques extérieurs ou des matériaux conducteurs environnants; ce qui peut modifier d une manière significative la valeur de l inductance mesurée. Afin de s affranchir de ces perturbations extérieures, le tout peut être monté dans un boiter métallique (C). Le diagramme 7 représente la dépendance en fréquence de l inductance d un étalon de 100 mh mesuré entre 50 Hz et 20 khz. Il y a principalement deux phénomènes responsables de la dépendance en fréquence mesurée. Le premier, qui intervient aux fréquences élevées, est simplement lié à la capacité, distribuée entre les différentes spires de la bobine, qui forme un circuit résonnant avec l inductance. Ainsi, l inductance apparente, mesurée aux borne de l étalon croit avec le carré de la fréquence. Le deuxième phénomène qui intervient aux basses fréquences est lié aux courants de Foucault qui circulent dans les parties métalliques environnantes, et qui induisent une dépendance en fréquence inversement proportionnelle à la racine carrée de la fréquence. Finalement, il a été montré [6] que la dépendance en fréquence d une inductance peut être modélisée par l équation suivante : L mesuré = L 0 + L 1 ω 1 ω 2 L 0 + L 1 ω C où le trois paramètres L 0, L 1 et C suffisent à décrire, dans une bonne approximation, la dépendance en fréquence d une inductance entre 50 Hz et 20 khz. 8 Incertitude étendue en µh/h (k = 2) avec laquelle METAS peut étalonner les inductances allant de 1 µh à 10 H à des fréquences allant de 50 Hz à 20 khz. L incertitude liée à l effet de la tempé rature sur l inductance mesurée n a pas été prise en compte dans ce tableau. Fréquence /Hz 50 100 400 1000 5000 10 000 15 000 20 000 1 µh 36000 7200 3600 2400 1800 10 µh 66000 34000 9000 3600 720 360 240 200 100 µh 6600 3400 880 360 70 46 62 100 1 mh 660 340 86 36 66 44 62 100 10 mh 66 34 54 22 22 38 66 120 100 mh 42 34 22 22 50 120 240 440 1 H 42 34 22 24 260 1600 10 H 42 34 22 100 Inductance METinfo Vol. 17 No. 2/2010 13
Article spécialisée Inductance Service d étalonnage des inductances et budget d incertitude L utilisation de ce nouveau système de mesure à permis l extension de l offre actuelle d étalonnage des inductances aux fréquences allant jusqu à 20 khz. De plus, un nouveau service est maintenant disponible pour les clients qui requièrent une plus petite incertitude d étalonnage. Le tableau 8 résume l incertitude étendue (k = 2) avec laquelle METAS peut étalonner les inductances allant de 1 µh à 10 H à des fréquences allant de 50 Hz à 20 khz. Il faut noter que les étalons d inductance ont généralement un coefficient de température de l ordre de 30 10-6 / C. Par conséquence, si la température de l étalon n est pas stabilisée, les valeurs indiquées dans le tableau 8 doivent être majorées afin de tenir compte de ce coefficient de température relativement élevé. Constant Based on Quantized Hall Resistance, Phys. Rev. Lett., Vol. 45, No. 6, pp. 494 497, 1980. [4] B. Jeckelmann, B. Jeanneret: The Quantum Hall Effect as an Electrical Resistance Standard, Rep. Prog. Phys., Vol. 64, No. 12, pp. 1603 1656, 2001. [5] B. Hague, T. Foord: Alternating Bridge Methods, Pitman Publishing, Sixth ed., 1971. [6] R. Hanke, K. Dröge: Calculated Frequency Characteristic of GR1482 Inductance Standards between 100 Hz and 100 khz, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 40, No. 6, pp. 893 896, 1971. [7] F. Overney, B. Jeanneret: Realization of an Inductance Scale Traceable to the Quantum Hall Effect Using an Automated Synchronous Sampling System, soumis pour publication dans Metrologia, 2010. Pour les lecteurs intéressés, une description complète du système de mesure ainsi que du budget d incertitude est fournie dans [7]. Références [1] A. Campbell: On a Standard of Mutual Inductance, Proceeding of the Royal Society, Vol. 79, pp. 428 435, 1907. [2] A. M. Thompson and D. G. Lampard: A new Theorem in Electrostatic and its Application to Calculable Standards of Capacitance, Nature, Vol. 177, p. 888, 1956. [3] K. von Klitzing, G. Dorda, M. Pepper: New Method for High-Accuracy Determination of the Fine Structure Frédéric Overney, Laboratoire de métrologie quantique, tél. direct +41 31 32 33 296, frederic. overney@metas.ch. Realisierung der Induktions-Skala im METAS In der Industrie wird die Induktion mit Hilfe von RLC-Messbrücken gemessen. Um die Zuverlässigkeit der Resultate zu gewährleisten, ist es unabdingbar, diese Messbrücken regelmässig mit Referenznormalen zu kalibrieren, die auf das Internationale Einheitensystem rückverfolgbar sind. Um solche Kalibrierungen durchzuführen, hat das METAS ein System aufgebaut, mit dem RLC-Messbrücken rückverfolgbar auf den elektrischen Widerstand Ohm und die Zeiteinheit Sekunde gemessen werden können. Als Primärlabor ist das METAS nun in der Lage, Induktionsmessungen von 1 µh bis 10 H mit zehnmal kleinerer Messunsicherheit anzubieten. Zudem ist der Frequenzbereich von 50 Hz bis 20 khz erweitert worden. Realizzazione della scala di induttanza presso il METAS Nel campo industriale, le misure dell induttanza sono generalmente eseguite mediante un ponte di misura RLC. Al fine di garantire l affidabilità dei risultati, i ponti RLC vengono confrontati periodicamente con diversi campioni di induttanza la cui riferibilità dei valori di riferimento alle unità SI è garantita. A tale scopo, METAS ha sviluppato un sistema di misura che permette di tarare campioni di induttanza a partire dall Ohm e dal secondo. L Ufficio è diventato quindi primario in questo ambito. Ne risulta una diminuzione di un fattore fino a 10 dell incertezza di misura proposta alla nostra clientela per la taratura delle induttanze da 1 µh a 10 H. Inoltre, il campo di frequenza è stato allargato da 50 Hz a 20 khz. Implementation of inductance standards at METAS In the industrial sector, inductance is generally measured using an RLC bridge. In order to ensure reliable results, such RLC bridges require regular calibration, which involves measuring diverse inductance standards with guaranteed traceability of the reference values to SI units. To this end, METAS has developed a measurement system that enables calibration of inductance standards based on the ohm and the second, and is now primary in this field. As a result, the uncertainty we can offer to our customers has decreased by a factor of up to 10 for calibration of inductance between 1 µh and 10 H. Moreover, the frequency range has now been expanded to cover frequencies between 50 Hz and 20 khz. 14 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
Fachartikel / Article spécialisé Labormedizin / Analyses médicales Vergleichbare Messresultate dank Rückverfolgbarkeit Résultats de mesure comparables grâce à la traçabilité Labormedizinische Messungen liefern Resultate, die Ärztinnen und Ärzten als Grundlage für (lebens-)wichtige Entscheidungen dienen. Ziel jeder Messung ist es, einen Wert zu erhalten, der mit Werten gleichartiger Messungen vergleichbar ist. Das setzt voraus, dass diese Resultate auf international harmonisierte Normale (englisch: Standards) rückverfolgbar sind und die Messunsicherheiten angegeben werden. Les résultats de mesures des laboratoires d analyses médicales servent de base aux médecins pour des décisions d importance vitale. Le but de chaque mesure consiste à obtenir une valeur comparable à celles d autres mesures analogues. Cela suppose que les résultats obtenus soient traçables à des étalons (anglais: Standards) harmonisés au niveau international et que leurs incertitudes de mesure soient indiquées. Samuel Wunderli, Hanspeter Andres Messergebnisse, die über eine Kette von Messvergleichen mit bekannter Messunsicherheit auf den Wert eines Normals zurückverfolgt werden können, werden als metrologisch rückverfolgbar bezeichnet. Dabei sind alle bekannten und bedeutenden Einflussfaktoren und deren Unsicherheiten zu berücksichtigen. Messergebnisse der gleichen Messgrösse müssen innerhalb ihrer Unsicherheiten übereinstimmen (Diagramm 2). Die Problematik fehlender Rückverfolgbarkeit Die sinnvolle Verwendung analytisch-chemischer Messresultate in der Labormedizin scheitert oft an der fehlenden Rückverfolgbarkeit. Problematisch ist es, wenn nicht vergleichbare Analyseresultate für Diagnosen und die daraus abgeleiteten Therapien verwendet werden. Beziehen sich die Resultate nicht auf international vereinbarte, rückverfolgbare Messwerte, besteht die Gefahr, dass sich die therapeutischen Massnahmen auf falsche Annahmen abstützen. Das kann schwer wiegende Konsequenzen haben: Leben wird gefährdet oder die Therapie wird nicht die bestmögliche Wirkung entfalten. In Diagramm 3 sind die Messergebnisse eines nationalen Messvergleichs für Glukose in Serum dargestellt. Alle Messresultate wurden für jeden der zehn Messgerätetypen (1 bis 10) separat ausgewertet. Es ist ersichtlich, dass die Resultate verschiedener Gerätetypen meist nicht vergleichbar sind. Einen geräteunabhängigen, auf ein gemeinsames Normal bezogenen Referenzwert gibt es nicht! Les résultats de mesure traçables à un étalon par l intermédiaire d une chaine continue de comparaisons, toutes réalisées avec des incertitudes bien déterminées, sont désignées comme métrologiquement traçables. Il convient ici de prendre en considération tous les facteurs d influence connus et importants avec leurs incertitudes (diagramme 2). Problématique de l absence de traçabilité L utilisation significative des résultats de mesure analytico-chimiques en laboratoire médical se heurte souvent à l absence de traçabilité. Utiliser des résultats d analyse non comparables et appuyer une thérapie sur la base de tels résultats est problématique: si les résultats ne se réfèrent pas à des grandeurs traçables convenues au niveau international, les mesures thérapeutiques choisies risquent d être basées sur des données erronées, ce qui est lourd de conséquences : la vie du patient est compromise et l effet de la thérapie n est pas optimal. Le diagramme 3 présente les résultats de mesure d une comparaison de mesure nationale pour le glucose dans le sérum humain. Tous les résultats de mesure ont été évalués séparément pour chacun des dix types d appareils de mesure (1 à 10). Il en est ressorti que la plupart des résultats de divers types d appareils ne sont pas comparables. Il n existe pas de valeur de référence rattachable à un étalon commun! Tenir compte des influences systématiques! Pour une grandeur déterminée, la traçabilité peut dépendre du type d appareil de mesure utilisé, mais les résultats doivent rester comparables. Si l on utilise des appareils de mesure reposant sur METinfo Vol. 17 No. 2/2010 15
Fachartikel / Article spécialisé Labormedizin / Analyses médicales différents principes, divers influences systématiques peuvent entrer en jeu et se répercuter différemment sur le résultat de la mesure. Le résultat devra être corrigé en conséquence. Des influences systématiques non décelées ou non corrigées ont des effets déterminants sur les résultats de mesure qui peuvent alors présenter des écarts inexplicables. On parle d écarts de mesure systématiques (anglais : bias). Le but suprême consiste, pour la même grandeur de mesure, à obtenir des résultats indépendants du principe de mesure et du type d appareil choisis, se situant de surcroît à l intérieur d un domaine de mesure accepté. 1 Die patientennahe Labordiagnostik erlaubt eine dezentrale Diagnostik mit sehr kurzen Antwortzeiten zwischen Probenahme und Ausgabe des Analysenergebnisses. Diese vorteilhafte Arbeitsweise bedingt jedoch einen höheren Aufwand bei der Qualitätssicherung und dass die eingesetzten Messgeräte robust gebaut und einfach zu bedienen sind. 1 Les diagnostics de laboratoire personnalisés permettent un diagnostic décentralisé avec un temps de réponse très court entre le prélèvement de l échantillon et l émission du résultat de l analyse. Cette méthode de travail avantageuse implique toutefois un travail plus intensif pour l assurance de la qualité et nécessite des appareils de mesure solides et faciles à manier. Systematische Einflüsse berücksichtigen! Die Rückverfolgbarkeit kann für eine bestimmte Messgrösse zwar abhängig vom verwendeten Messgerätetyp sein, die Resultate müssen jedoch vergleichbar bleiben. Setzt man Messapparaturen ein, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen, ist zu erwarten, dass verschiedene systematische Einflüsse im Spiel sind, die unterschiedliche Auswirkungen auf das Messresultat haben. Diese sind im Ergebnis entsprechend zu korrigieren. Le diagramme 4 indique comment on peut détecter les écarts systématiques : toutes les grandeurs de mesure pour la créatinine dans le sérum humain dont l incertitude de mesure des résultats ne concorde pas avec la valeur de référence et son incertitude de mesure, présentent des écarts systématiques. D après la comparaison de mesures, on reconnaît les laboratoires participants qui doivent analyser et éliminer leurs écarts systématiques. Avantages des résultats de mesure traçables Comme il est d usage en science et en technique, il convient aussi d assurer la traçabilité des résultats de mesure en laboratoire médical et de déterminer leur incertitude de mesure. Des résultats comparables ne sont possibles que lorsque ces exigences sont remplies. Les études scientifiques en recherche et développement nécessitent des résultats comparables. Les résultats comparables apportent en outre une sécurité, réduisent les risques liés aux erreurs de mesure et réduisent les coûts car ils permettent d éviter des mesures inutiles. Les résultats de mesures comparables favorisent en outre les échanges scientifiques, l efficacité de la recherche et la comparabilité à long terme et permettent ainsi d établir des diagnostics plus exactes. Messresultate in Bezug zum Referenzwert des Normals Résultats de mesure par rapport à la valeur de référence de l étalon Messwert mit Messunsicherheit Valeur de mesure avec son incertitude de mesure Referenzwert mit Messunsicherheit Valeur de référence avec son incertitude de mesure A und B: rückverfolgbar und übereinstimmend C und D: weder rückverfolgbar noch übereinstimmend E und F: rückverfolgbar und mit dem Referenzwert übereinstimmend G: rückverfolgbar, aber nicht übereinstimmend mit H H: nicht rückverfolgbar und weder mit dem Referenzwert noch mit G übereinstimmend A B C D E F G H Messungen Mesures A et B : traçables et concordants C et D : ni traçables, ni concordants E et F : traçables et concordant avec la valeur de référence G : traçable, mais ne concordant pas avec H H : non traçable et ne concordant pas avec la valeur de référence ni avec G 2 Messwerte, die auf ein gemeinsames Normal rückverfolgbar sind, stimmen innerhalb der angegebenen Messunsicherheit mit dem Referenzwert überein. 2 Les grandeurs traçables à un étalon commun concordent avec la valeur de référence à l intérieur de l incertitude de mesure. 16 METinfo Vol. 17 No. 2/2010
Bleiben relevante systematische Einflüsse unentdeckt oder werden sie nicht korrigiert, hat das massgebliche Auswirkungen auf die Messresultate. Diese können unerklärbare Abweichungen aufweisen. Man spricht hier von systematischen Messabweichungen (englisch: Bias). Oberstes Ziel muss sein, für die gleiche Messgrösse Resultate zu erhalten, die unabhängig vom Messprinzip und dem jeweiligen Gerätetyp sind und zudem innerhalb eines akzeptierten Messwertebereichs liegen. Diagramm 4 zeigt, wie systematische Abweichungen erkannt werden können: Alle Messwerte für Kreatinin im menschlichen Serum, die innerhalb ihrer Messunsicherheit nicht mit dem Referenzwert und seiner Messunsicherheit übereinstimmen, weisen systematische Abweichungen auf. Nach dem Messvergleich ist erkenntlich, welche teilnehmenden Laboratorien ihre systematischen Abweichungen zu analysieren und zu eliminieren haben. Die Vorteile rückverfolgbarer Messresultate Wie in Wissenschaft und Technik üblich, ist es auch in der Labormedizin nötig, die Rückverfolgbarkeit der Messergebnisse sicherzustellen und die Messunsicherheiten zu bestimmen. Nur wenn diese Anforderungen erfüllt werden, sind vergleichbare Resultate möglich. Wissenschaftliche Studien in Forschung und Entwicklung verlangen vergleichbare Resultate. Vergleichbare Resultate geben Sicherheit, reduzieren Risiken durch Fehlmessungen und sparen Kosten, weil unnötige Messungen vermieden werden. Zusätzlich ermöglichen rückverfolgbare Messresultate den wissenschaftlichen Austausch und eine effiziente Forschung ebenso wie langfristige Vergleichbarkeit und damit genauere Diagnosen. Rückverfolgbare Messresultate ermöglichen Ärztinnen und Ärzten, Labordaten sicher zu interpretieren und Medikamente richtig zu dosieren; Laborwerte mit Kolleginnen und Kollegen auszutauschen; Laborwerte über längere Zeit hinweg zu beurteilen, auch wenn das Mess- oder Analysegerät zwischendurch ersetzt wird; Laborwerte mit publizierten Daten zu vergleichen. Forscherinnen und Forschern, Messresultate zu publizieren, die ihre Fachkolleginnen und -kollegen verstehen und nachprüfen können, auch wenn sie andere Mess- oder Analysegeräte verwenden. den Gesundheitsbehörden, labormedizinische Werte in die Gesundheitskarten aufzunehmen. Patientinnen und Patienten, mit anderen Betroffenen über ihre Laborwerte zu sprechen und diese zu vergleichen. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Messgerätetyp Type d appareil de mesure 5.0 5.7 6.4 7.1 7.8 8.5 9.2 9.9 10.6 11.3 12.0 Molarität von Glukose /(μmol L -1 ) Molarité du glucose /(µmol L -1 ) 3 Die Messergebnisse für Glukose in Serum wurden für jeden Messgerätetyp separat ausgewertet. Nur die Resultate sind übereinstimmend, deren Verteilungen überlappen. Es gibt zwar «Zielwerte» für jeden Typ, aber keinen rückverfolgbaren Referenzwert, der unabhängig vom Messgerätetyp ist. Gerätespezifische Ziel werte haben keine metrologische Grundlage (Quelle: www.mqnet.ch 2009-4). 3 Les résultats obtenus pour le glucose présentes dans le sérum ont été interprétés séparément pour chaque type d appareil de mesure. Uniquement les résultats, dont la répartition se recoupe, sont comparables. Il existe des «valeurs cible» pour chaque type, mais aucune valeur de référence traçable indépendante du type d appareil de mesure. Les valeurs cible spécifiques n ont pas de base métrologique (source : www.mqnet.ch 2009-4). La traçabilité des valeurs mesurées permet aux médecins, d interpréter correctement les données de laboratoire et de bien doser les médicaments; d échanger des valeurs de laboratoire avec des collègues; d apprécier les valeurs de laboratoire à long terme, même lorsque l appareil de mesure ou d analyse est remplacé entre temps; de comparer des valeurs de laboratoire avec des données publiées. aux chercheurs, de publier des résultats de mesure compréhensibles par leurs collègues, même lorsqu ils utilisent d autres appareils de mesure ou d analyse. aux autorités sanitaires, d intégrer des valeurs médicales de laboratoire dans la carte de santé de leurs patients. aux patients, de discuter avec d autres intéressés de leurs valeurs de laboratoire et de les comparer. Labormedizin / Analyses médicales METinfo Vol. 17 No. 2/2010 17
Fachartikel / Article spécialisé Labormedizin / Analyses médicales 4 Kreatinin in menschlichem Serum: Die meisten Ergebnisse dieses internationalen Messvergleichs stimmen mit dem Referenzwert und untereinander nicht überein (Quelle: Material 1, IMEP-17, JRC-IRMM, Geel, Belgien, Trace and minor constituents in human serum). Die Situation ist noch unbefriedigend und zurzeit typisch Verbesserungen sind mehrheitlich anzustreben. 104.4 96.9 89.5 82.0 74.6 Konzentration c /(µmol L -1 ) Concentration c /(µmol L -1 ) Abweichung vom zertifizierten Referenzwert /% Écart à la valeur étalon certifié /% 40 30 20 10 0 4 La plupart des résultats de cette comparaison de mesure internationale ne concordent pas avec la valeur de référence ni entre eux (source : Matériel 1, IMEP-17, JRC-IRMM, Geel, Belgien, Trace and minor constituents in human serum). La situation actuelle, typique, reste insatisfaisante des améliorations sont nécessaires à plusieurs égards. 67.1 59.7 Zertifizierter Referenzwert: 74.57 ± 0.57 (µmol L -1 ), Vertrauensbereich 95 % Valeur étalon certifié : 74.57 ± 0.57 (µmol L -1 ), intervalle de confiance 95 % Messungen Mesures -10-20 Internationales Engagement des METAS Das Bewusstsein um den Mehrwert vergleichbarer labormedizinischer Resultate ist bei Ärzten, Forschern, Gesundheitsbehörden und nicht zuletzt bei den Patienten noch zu wenig vorhanden. Von der Einführung metrologischer Prinzipien in der Labormedizin werden sie aber alle profitieren (Bild 1). Engagement de METAS au niveau international La valeur ajoutée des résultats comparables en laboratoire médical est encore méconnue des médecins, des chercheurs, des autorités sanitaires, ainsi que des patients. Mais dès que les principes métrologiques auront été introduits dans les laboratoires médicaux, tous en profiteront (photo 1). Das 2002 geschaffene Joint Committee for Traceability in Laboratory Medicine (JCTLM) hat sich zum Ziel gesetzt, metrologisch korrekte Referenzmesssysteme in der Labormedizin zu entwickeln und zu fördern. Dadurch wird das Gesundheitswesen verbessert und der nationale und internationale Handel von In-vitro-Diagnostika gefördert. Träger des JCTLM sind das Internationale Büro für Mass und Gewicht (BIPM), die Inter national Federation for Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (IFCC) und die International Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC). Créé en 2002, le Joint Committee for Traceability in Laboratory Medicine (JCTLM) s est fixé pour but de développer et de promouvoir des systèmes de mesure de référence en labo ratoire médical corrects au plan métrologique. Le but visé est d améliorer la santé et de promouvoir le commerce national et international de dispositifs médicaux de diagnostics in vitro. Le JCTLM a été fondé par le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), la Inter national Federation for Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (IFCC) et par la International Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC). Innerhalb des Joint Committee for Traceability in Laboratory Medicine (JCTLM) setzen sich Metrologen, klinische Chemiker und Mediziner sowie Akkreditierer weltweit für vergleichbare Messwerte in der Labormedizin ein [1 5]. Auch das METAS ist in zwei Arbeitsgruppen des JCTLM beteiligt, die a) neue Referenzmaterialien und -methoden in der Labormedizin und b) vorgeschlagene Dienstleistungen labormedizinischer Referenzlaboratorien bewerten. Die akzeptierten Referenzmaterialien und -methoden sowie Dienstleistungen werden in einer zentralen Datenbank beim BIPM aufgeführt (www.bipm.org/jctlm/). Als Fachbehörde des Bundes für das Messen ist das METAS dafür verantwortlich, dass Messergebnisse in der Schweiz vergleichbar sind. In der Labormedizin stellt das METAS Referenzwerte für physiologisch wichtige Substanzen zur Verfügung. Au sein du Comité Commun pour la Traçabilité en Médecine de Laboratoire (JCTLM), des métrologues, des biologistes médicaux, des médecins et des accréditeurs travaillent au niveau mondial sur des valeurs de mesure comparables en laboratoire médical [1 5]. METAS est également présent dans les deux groupes de travail du JCTLM qui visent d une part à évaluer des matériaux et des méthodes de référence nouveaux et d autre part à évaluer des services proposés des laboratoires de référence. Les matériaux et méthodes de référence acceptés ainsi que les prestations sont inscrites dans une base de données centrale auprès du BIPM (www.bipm.org/jctlm/). En tant qu autorité fédérale compétente en matière de métrologie, METAS veille à assurer la comparabilité des résultats de mesure en Suisse. METAS met à disposition aux laboratoires d analyses médicales des valeurs de référence pour des substances physiologiquement importantes. 18 METinfo Vol. 17 No. 2/2010