2.1 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES

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1 ;aeslgjh jgbjgbjg ;aeslgjhlk bjgbjgb ;aeslgj sghhhf hhfhhj gbjgbj bsghh hfhh ;aeslgjhlkj jgbbsghh hjkoop;y koop;y op;y hfhhjko op;y ;aeslgj jgbjgbbs gbjgbjgbbsghh hhfhhjkoop hjkoop;y ;y ;aes hlkjgbj bbsghh hjkoop;y dpi ;aeslgj jgbjgbj bbsghhhf dpi hhjkoop;y CHAPITRE 2 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES Introduction Dans le chapitre précédent, vous avez acquis des connaissances générales sur l électricité et les unités de mesure utilisées. Vous avez aussi appris le rôle de chacun des appareils de mesure et découvert les motifs qui justifient leur mode de branchement. Dans ce chapitre divisé en deux sections, vous approfondirez ces notions en étudiant le fonctionnement et la manipulation des appareils de mesure analogiques et numériques. L apprentissage de l utilisation de ces instruments s effectuera sur des circuits fonctionnels. Extérieurement, la différence entre un appareil analogique et un appareil numérique s observe surtout au regard du mode d affichage des résultats (figure 2.1). L appareil analogique exploite la position d une aiguille sur un cadran gradué. Si la valeur est élevée, la position de l aiguille sur le cadran est élevée; si la valeur est faible, l aiguille pointe vers le bas. La position de l aiguille est donc similaire, ou analogue, à la valeur mesurée. Les appareils à affichage numérique communiquent directement, par un nombre, la valeur juste du paramètre mesuré. Figure 2.1 Appareils de mesure analogique et numérique (General Motors) ;aeslgjhlkjg gbjgbbsgh fhhj koop;y ;aeslgjhlkj 2.1 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES Bien qu elle soit en baisse, l utilisation d appareils de mesure analogiques demeure à la base de l apprentissage de l électricité. Les mesures relevées ainsi que les techniques de raccordement sont identiques à celles des appareils numériques. De plus, leur fonctionnement interne plus concret facilite la compréhension des raisons qui justifient les différents branchements. Dans cette section, vous apprendrez le fonctionnement et le raccordement des appareils de mesure analogiques. Vous apprendrez aussi à interpréter les résultats. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Le fonctionnement de tous les appareils de mesure analogiques à courant continu repose sur la réaction entre champs magnétiques. Vous savez, comme le montre la figure 2.2, que des pôles semblables se repoussent et que des pôles contraires s attirent. Le mouvement contrôlé de l aiguille provient essentiellement de la réaction entre un champ magnétique constant et immobile et un autre, mobile et variable. 2.2 Mécanique automobile Module 9

2 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES CHAPITRE 2 Figure 2.2 Mouvements causés par la réaction entre champs magnétiques (General Motors) Aimant permanent Champ magnétique variable et mobile Ressort en spirale Aimant permanent Pivot Aimant permanent Champ magnétique constant et immobile Dans la réalité, à l intérieur des appareils, c est un aimant en forme de fer à cheval qui crée le champ magnétique constant et immobile (figure 2.3). Le champ magnétique variable et mobile provient de la circulation du courant à l intérieur d une bobine. La bobine mobile, appelée cadre, est constituée de plusieurs tours de fil très fin enroulé sur un tambour. Des fils souples relient la bobine mobile au circuit interne de l appareil. L importance du courant dans la bobine détermine directement l intensité du champ magnétique et, par conséquent, la position de l aiguille sur le cadran gradué. À titre d exemple, si le champ magnétique produit par un courant de 0,001 A fait dévier l aiguille jusqu au maximum de l échelle, théoriquement, un courant de 0,0005 A placera l aiguille au centre de l échelle. En pratique, le courant nécessaire au déplacement de la bobine est habituellement inférieur à 50 µa (1 microampère (µa) = 1 ampère (A)/ ). Figure 2.3 Éléments essentiels d'un appareil analogique (General Motors) L intensité du courant requis pour faire dévier l aiguille jusqu à la limite supérieure de l échelle est un critère important d évaluation des instruments analogiques. Cette information figure dans la fiche descriptive des appareils; elle est présentée, par exemple, sous la forme suivante : 18 µa aiguille à la limite de l échelle. Cette donnée influe sur un autre élément qui caractérise les appareils analogiques : l impédance. Exprimée en ohms par volt (Ω/V), l impédance correspond à la valeur du courant dévié par l appareil pour assurer son propre fonctionnement. À titre d exemple, un instrument d une impédance de Ω/V (I = E/R -> 1/ = 0, A) soutire moins de courant qu un instrument de Ω/V (I = E/R ->1/ = 0, A). Un instrument à basse impédance prélève donc un courant relativement élevé du circuit à l essai pour déplacer son aiguille comparativement à un instrument à forte impédance. L ensemble composé de l aimant permanent, du cadre mobile et du ressort en spirale porte le nom de mouvement d Arsonval (figure 2.4). La position de l aiguille et la précision des résultats reposent entièrement sur la réaction entre les champs magnétiques et l opposition offerte par le ressort. Les appareils de qualité possèdent des masses d équilibrage et le cadre pivote sur des paliers antifriction, souvent nommés «pierres», identiques à ceux des mouvements d horlogerie. N Aimant en forme de fer à cheval Échelle graduée N S Bobine mobile S Module 9 Mécanique automobile 2.3

3 CHAPITRE 2 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES Figure 2.4 Composants d'un mouvement d'arsonval (General Motors) Échelle graduée Aiguille Butée gauche de l'aiguille Aimant permanent Ressort en spirale Butée droite de l'aiguille Vis de réglage à zéro de l'aiguille Noyau Masses d'équilibrage Bobine mobile En plus de s opposer au champ magnétique, le ressort ramène l aiguille contre sa butée au débranchement des pointes de vérification. À l usage, la tension du ressort peut changer; les appareils possèdent donc habituellement une vis de réglage à zéro de l aiguille. Comme le montre la figure 2.4, la vis de réglage agit directement sur une extrémité du ressort; sa rotation permet de situer l aiguille vis-à-vis du zéro lorsque l appareil est inactif. La direction du courant dans la bobine doit respecter la polarité prévue, puisque l inversion du champ magnétique change la direction du cadre. L aiguille s appuie alors avec force contre sa butée, ce qui risque de fausser l appareil. Afin d éviter de telles erreurs, les fabricants identifient les pointes de vérification par des couleurs conventionnelles : noir pour la pointe négative, blanc ou rouge pour la pointe positive. Ce type d appareil n est conçu que pour mesurer des courants continus (c.c.). Un courant alternatif fait dévier l aiguille vers le haut de l échelle pendant un demicycle, et vers le bas de l échelle durant le demi-cycle suivant; l aiguille vibre sans indiquer de valeurs significatives. PARALLAXE L aiguille demeure un moyen simple et efficace d indiquer différentes valeurs. Lorsqu ils sont réglés et interprétés correctement, les appareils à aiguille (analogiques) donnent des résultats satisfaisants. Le niveau de précision dépend en partie de la perception et du jugement de l utilisateur. À titre d exemple, la figure 2.5 montre deux lectures analogiques dont une interprétation rapide risque de fausser la précision. À la partie «a» de cette figure, l aiguille est postée entre le 2 et le 3, légèrement en Figure 2.5 Lecture de mesures analogiques 2.4 Mécanique automobile Module 9

4 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES CHAPITRE 2 deçà du centre; cette position devrait être interprétée comme valant environ 2,4. À la partie «b», l aiguille pointe une valeur entre le 7 et le 8, légèrement au-delà du centre; le résultat est d environ 7,6. La précision de l interprétation dépend aussi de l angle de visée adopté par l observateur. Comme le montre la figure 2.6, des angles de visée divergents donnent des relevés différents. Cette source d erreur de lecture est dite erreur de parallaxe. Seule une visée perpendiculaire à l appareil analogique permet des lectures correctes. Dans le but d éliminer les erreurs de parallaxe, plusieurs instruments analogiques possèdent une bande miroir parallèle à l échelle graduée. La lecture des résultats doit alors s effectuer lorsque l aiguille et son reflet se superposent, ce qui élimine les risques d erreurs. Figure 2.6 Influence de l'angle de visée sur la lecture d un appareil analogique PRÉCISION DES APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES En plus des erreurs d interprétation, d autres facteurs dus autant à la qualité des appareils qu à leur manipulation influencent, à divers degrés, la précision des résultats. La variation de la résistance de la bobine du mouvement est un exemple de facteur qui augmente l imprécision des indications de l appareil. On indique généralement la précision d un appareil en pourcentage de la valeur maximale de la lecture. Un appareil de qualité a habituellement un taux d erreur de l ordre de 2 à 3 % pour une mesure prélevée dans le tiers supérieur de l échelle; ce taux passe de 5 à 10 % pour un appareil de qualité inférieure. Dans certains cas, une telle marge d erreur est intolérable. Comme exemple, voici les résultats prélevés au moyen d un appareil de 0-10 A offrant une précision de 3 % à la déviation maximale de l aiguille, aussi appelée à pleine échelle. Une déviation à pleine échelle indique donc un courant de 10 A ±0,3 A, soit 9,7 A ou 10,3 A. Toutefois, lorsque le résultat est de 1 A, la valeur exacte peut être de 1,3 A ou 0,7 A, ce qui représente une erreur de 30 %, puisque la précision des lectures effectuées dans la zone inférieure de l échelle est très faible. D autres facteurs influent sur la précision des appareils. Ils sont normalisés et leur importance permet de juger de la qualité d un appareil. Ces facteurs sont les suivants : la reproductibilité, laquelle indique la constance de l aiguille à se placer au même endroit à la suite de mesures répétées d une même valeur. Elle varie en fonction de la robustesse du mouvement et du frottement entre le pivot du cadre et les «pierres»; Module 9 Mécanique automobile 2.5

5 CHAPITRE 2 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES le coefficient de température inscrit sur les appareils, lequel précise l influence de la température sur la résistance de la bobine. Selon la valeur de l échelle choisie, les variations peuvent devenir importantes; la position de l appareil durant sa manipulation, laquelle risque d influer sur la déflexion (déviation) de l aiguille. Pour répondre aux spécifications, certains appareils doivent être placés verticalement, et d autres, horizontalement. Exercice Quel est le principe à la base du fonctionnement de tous les appareils de mesure analogiques? 2. Quel est l élément qui crée un champ magnétique variable et mobile? 3. Comment exprime-t-on l impédance d un appareil analogique? 4. Lequel des instruments suivants est préférable : à basse impédance ou à haute impédance? 5. Quel nom donne-t-on à l ensemble formé d un aimant permanent, d un cadre mobile et d un ressort en spirale? 6. Quelles sont les trois forces qui déterminent la position de l aiguille sur le cadran d un appareil analogique? 7. Quel est l effet, sur l aiguille, de l inversion du sens du courant dans la bobine mobile? 8. Quel est le rôle de la bande miroir parallèle à l échelle graduée sur certains appareils analogiques? 9. Le niveau de précision d un appareil analogique demeure-t-il constant sur l ensemble du parcours de l aiguille? 10. Quelle est la signification de la reproductivité lorsqu elle s applique à un appareil de mesure? 2.6 Mécanique automobile Module 9

6 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES CHAPITRE 2 FONCTIONNEMENT DES APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES L étude du principe de fonctionnement des appareils de mesure analogiques a démontré que l aiguille réagissait aux changements d intensité d un courant. Toutefois, à la suite de modifications simples au circuit interne de l appareil, un mouvement d Arsonval sert à mesurer l intensité en ampères, la tension en volts ou la résistance en ohms. AMPÈREMÈTRE Rôle L ampèremètre sert à mesurer l intensité totale du courant dans le circuit auquel il est raccordé. L unité de mesure de base est l ampère. Pour faciliter la lecture de valeurs importantes ou faibles, certains appareils possèdent des échelles graduées en multiples et en sous-multiples de cette unité (figure 2.7). Construction Figure 2.7 Multiple et sous-multiples de l ampère Unité A Ampère ka Kiloampère ma Milliampère µa Microampère L élément principal de l ampèremètre est un mouvement d Arsonval. Vous savez que la résistance élevée de la bobine limite le courant à des valeurs inférieures à un milliampère (1 ma). Il est donc impossible d imaginer que la totalité du courant à mesurer passe par la bobine avant de compléter le parcours du circuit. La solution passe par le raccordement de la bobine aux extrémités d une résistance de dérivation, aussi appelée shunt. Un shunt d ampèremètre est une résistance très précise branchée en dérivation, donc en parallèle avec le cadre. La valeur de sa résistance est fixée de façon à dévier, vers le mouvement, une fraction déterminée du courant du circuit. Les pointes de vérification de l instrument sont donc raccordées aux extrémités du shunt. La figure 2.8 montre les éléments essentiels et le branchement interne d un ampèremètre simplifié. Pour être fonctionnel et offrir plus de précision, un ampèremètre compte souvent plusieurs échelles de lecture. À titre d exemple, un même ampèremètre peut mesurer successivement un courant de 80 A, débité par un alternateur, puis un courant de 3,4 A, requis par son circuit d excitation. Un tel ampèremètre permet la lecture sur une échelle de 0 à 100 A avec une précision de ±2 A, suivie d une lecture sur une échelle de 0 à 10 A avec une précision de ±0,1 A. Figure 2.8 Fil raccordé à une pointe de vérification Branchement interne d'un ampèremètre (General Motors) Shunt Fil raccordé à une pointe de vérification Module 9 Mécanique automobile 2.7

7 CHAPITRE 2 Un ampèremètre de qualité à plusieurs échelles peut même mesurer des millièmes d ampère (ma). La figure 2.9 montre le schéma du raccordement interne d un ampèremètre à six échelles. Vous voyez qu un sélecteur d échelle permet de diriger le courant vers un shunt dont la valeur est déterminée en fonction de l échelle de lecture choisie. En fait, plus l échelle de l ampèremètre est élevée, plus la résistance du shunt est faible. Souvenez-vous que le courant dans la bobine doit demeurer le même, peu importe l échelle. La figure 2.9 montre que pour des valeurs inférieures à 1 ma, la totalité du courant passe par la bobine mobile, car elle supporte cette intensité. Figure 2.9 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES Schéma interne d'un ampèremètre à six échelles de lecture Pointe de vérification (+) Sélecteur d'échelle Résistances de dérivation shunts 100 A 10 A 1 A 10 ma 100 ma 1 ma Raccordement de l ampèremètre Pointe de vérification ( ) Comme la totalité du courant du circuit doit traverser l appareil, l ampèremètre se raccorde toujours en série. Le raccordement de l ampèremètre en série implique le débranchement d au moins un fil du circuit. La rupture produite par le débranchement crée deux points sur lesquels se branche chacune des pointes de vérification. Un ampèremètre raccordé en parallèle sera instantanément détruit, en plus de causer le grillage probable d une partie du circuit. La figure 2.10 montre la façon de raccorder un ampèremètre dans le circuit à vérifier. 2.8 Mécanique automobile Module 9

8 APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES CHAPITRE 2 Figure 2.10 Étapes de raccordement en série de l'ampèremètre Circuit à vérifier Ouvrir le circuit. Débrancher le fil de la lampe. Respecter la polarité de l'appareil. Fil débranché de la lampe Souvenez-vous qu un ampèremètre possède une résistance interne très faible et qu il est IMPÉRATIF de ne jamais le raccorder au pôle positif d une part et à la masse d autre part, car cela est l équivalent d un COURT-CIRCUIT. Module 9 Mécanique automobile 2.9