TP 1 : Métrologie. =R infinie I = 0A. Figure 1 :Exemple de branchement d un volmètre III.2 Remarques sur les appareils à aiguilles.

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1 TP 1 : Métrologie I Avertissement Les pince ampéremétriques ne sont pas des castagnettes.les pièces mobiles sont fragiles.pensez y! L électricité est dangereuse.tout comportement déviant verra l exclusion du TP de l étudiant concerné. En fin de TP les fils seront rangés par longueur et par couleur sur les supports prévus. II But du TP Appréhender les mesures de tension, courant et puissance. Découvrir ou se remémorer les caractéristiques et l utilisation des appareils de mesure de ces grandeurs. III Manipulations III.1 Branchement d un voltmètre III.1.1 Rappels Une tension se mesure à l aide d un voltmètre. Un voltmètre présente en théorie une résistance infinie. En pratique il présente une résistance finie : 10 MΩ pour les voltmètres numériques et quelques centaines de kω pour les voltmètres à aiguille. On connectera toujours un voltmètre en parallèle 230 V V I = 0A =R infinie Figure 1 :Exemple de branchement d un volmètre III.2 Remarques sur les appareils à aiguilles. III.2.1 Leur fonctionnement Un appareil à aiguille peut être comparé à une bobine générant un champ magnétique proportionnel à l intensité la traversant. Si on fixe une aiguille traversée par un axe sur un aimant, lui-même attiré de façon proportionnelle au champ magnétique (donc au courant), on a ainsi constitué un appareil de mesure, l aiguille déviant proportionnellement au courant traversant la bobine. 1

2 B Aiguille Axe I F Aimant Bobine Figure 2 : Fonctionnement d un appareil à aiguille Il ne faudrait pas croire que les appareils à aiguilles soient démodés : ils présentent en effet beaucoup d avantages : Pas d alimentations ce qui peut être utile dans des lieux peu visités (armoires techniques etc.) Lisibilités accrues par rapport aux afficheurs à cristaux liquides : le temps de réaction d un opérateur est beaucoup plus rapide sur une aiguille en butée et une surveillance globale de plusieurs appareils à aiguilles en est grandement facilitée. III.3 Mesure d une tension grâce à un voltmètre à aiguille Votre appareil se présente sous la forme suivante : Classe de l appareil Tension de claquage de l appareil 1,5 1 Appareil utilisable en alternatif Figure 3 :Voltmètre Appareil utilisable Verticalement Image 1 : Voltmètre Examiner le voltmètre et déterminer si l appareil doit être lu en position verticale ou horizontale. Horizontale Verticale Figure 4 :Position Image 2:Position 2

3 N oubliez pas que l on a affaire à un système mécanique qui a été équilibré pour une position précise Déterminer si l appareil mesure du continu = ou de l alternatif ou les deux. Déterminer la technologie de l appareil : Magnétoélectrique Ferromagnétique Figure 5 :Technologie et classe Image 3:Technologie et classe Le ferromagnétique présente l avantage de donner la valeur efficace d un signal 1 T 2 Veff = v( t) dt même si celui ci n est pas sinusoïdal. T 0 1 T Ne pas confondre avec la valeur moyenne Vmoy = v( t) dt T 0 Ici v(t) = sin( ω t) car Veff. 2 = Vcrete pour un signal sinusoïdal V moy est nulle pour un signal sinusoïdal. V eff représente l action qu aurait une même tension ou courant continu : Si on alimentait un radiateur avec une alimentation continue de 230V ce radiateur chaufferait autant que si on l alimentait sous une tension sinusoïdale de 230V efficace!! Déterminer la classe de l appareil. C est le chiffre au-dessus de l indicateur de position de lecture. Il donne la précision de l appareil : pour chaque mesure, l incertitude classe x calibre absolue est donnée par. Cette incertitude est constante pour un calibre 100 donné. Sur la figure du voltmètre Figure 3 :, la classe de l appareil est de 1,5.Le calibre est de 250V et l aiguille s arrête sur 150 V.L incertitude absolue est donnée par 250x1,5 = 3,75V.Nous lirons donc 150+/- 3,75V. 100 Autre exemple, sur l Image 3:Technologie et classe la classe est de 1,5 Ainsi moins l aiguille dévie et moins la précision est bonne d où la recherche de la plus grande déviation possible pour accroître la précision relative de lecture. Si l aiguille dévie peu (une division par exemple) on peut arriver à des lectures aberrantes : 1 V + / - 4 V!! Montage hors tension, effectuer le branchement à l aide du voltmètre à aiguille: 3

4 Interrupteur Figure 6 : Mesure d une tension Image 4 : Mesure d une tension Mettre le montage sous tension.notez la valeur de la tension et comparer avec vos voisins. Conclusion? EDF garantit-elle la valeur de la tension? En vous aidant de la classe de l appareil, déterminer l erreur absolue de lecture ainsi qu un encadrement de la tension mesurée.en réalité, EDF garanti la tension entre 220 et 240 V. III.4 Mesure d une tension à l aide d une pince multifonction numérique III.4.1 Introduction Hors tension, on remplacera le voltmètre à aiguille par la pince ampèremétrique. III.4.2 Avertissement On vérifiera que la pince est réglée sur 50Hz et non 60 Hz, fréquence utilisée aux états unis par exemple. (Commutateur placé sur la tranche de l appareil) Image 5 Inter Figure 7 :Mesure d une tension Image 6 :Mesure d une tension Mettre le montage sous tension en commutant le curseur sur ~V et lire la tension. 4

5 Comparer avec la valeur lue précédemment avec le voltmètre à aiguille. Appuyer 5 fois sur la touche Func et lire la valeur de la fréquence du secteur. Comparer avec celle trouvée par vos camarades.. Quelles en sont les applications dans la vie courante? Conclusion? III.5 Mesure d un courant III.5.1 Rappels Un courant se mesure à l aide d un ampèremètre ou d une pince ampèremétrique. Un ampèremètre présente en théorie une résistance nulle. En pratique il présente une résistance finie de quelques fractions d ohms. On connectera toujours un ampèremètre en série. On utilisera ici les ampèremètres à aiguille et une pince wattmétrique. III.5.2 Etude préliminaire Déterminer en théorie la valeur du courant traversant la lampe sachant que P=V.I et que la puissance est notée sur la lampe. III.5.3 Manipulations avec l ampèremètre. On veut mesurer le courant qui circule dans le circuit précédent. Montage hors tension, effectuer le branchement à l aide de l ampèremètre 500 ma à aiguille en série ma 2 1 Figure 8 : Mesure d une intensité Image 7:Mesure d une intensité Encadrez la valeur lue avec la classe de l appareil. Que se passe-t-il si on connecte un ampèremètre en parallèle? Ne pas le faire!!!. Quelles en seraient les conséquences sur le montage? III.5.4 Utilisation d une pince ampèremétrique. Les pinces ampèremétriques permettent de mesurer un courant sans avoir à ouvrir le circuit électrique ce qui peut être très utile sur des lignes hautes tensions. C est l instrument typiquement employé sur un chantier. Un peu de théorie Il existe deux grandes familles de pinces ampèremétriques : les pinces à effet Hall et les pinces transformateurs. Les pinces à effet Hall Soit un conducteur parcouru par un courant I créant un champ magnétique B. Pour contrebalancer les forces magnétiques (F=qvB) se crée une force qe due au champ électrique E induit. Il se crée alors une tension V=E/a proportionnelle à B donc à I, intensité parcourant le conducteur. 5

6 Les pinces à effet Hall sont en fait des voltmètres captant cette tension V. Figure 9 :Effet Hall Les pinces transformateurs. Un fil parcouru par un courant I crée un champ magnétique B proportionnel à I. La pince, constituée d un certain nombre de spires, va enserrer le fil. Il va donc être créé dans la bobine de la pince une tension induite proportionnelle au courant I traversant le fil. Tout se passe comme si on avait un transformateur avec une spire au primaire (le fil dont on veut déterminer l intensité) et n spires au secondaire (les spires de la pince). Conducteur I Pince Figure 10 III.5.5 Manipulations Effectuer les montages suivants : 6

7 Inter Figure 11 : Mesure du courant dans une lampe Image 8 : Mesure du courant dans une lampe Inter Figure 12 : Mesure du courant dans une bobine Image 9 : Mesure du courant dans une bobine Mettre le curseur sur ~ma ou sur ~A si la valeur affichée dépasse 0,6A Lire la valeur du courant I Lampe ainsi que I Bobine Faire deux, trois, quatre tours de fils autour de la pince.lire la valeur du courant à chaque fois. Image 10:Trois tours de fil Image 11:Un seul tour Conclusion? Quel est l utilité de cette manipulation dans le cas de courant faibles? Mettre la pince déconnectée, dans l axe de la bobine. 7

8 Inter Figure 13 Image 12 Quelle est la lecture du courant??explication du phénomène?? III.6 Mesures de puissance active en monophasé Les puissances se mesurent avec une pince wattmétrique. Il faut connecter les deux fils de tensions (mesure de V) ainsi que la pince autour d un fil (mesure de I). Inter Figure 14 : Mesure de puissance d une lampe Image 13 : Mesure de puissance d une lampe Inter Figure 15 : Mesure de puissance d une Bobine Image 14 : Mesure de puissance d une Bobine Hors tension, connecter la pince de façon à mesurer la puissance consommée par la lampe et la bobine Vérifier votre montage avant de mettre sous tension. Commuter le curseur sur la position ~mw Mesurer la puissance active P consommée par la lampe et par la bobine. Vérifier vos valeurs avec celles portée sur la lampe. Effectuer le produit VxI. Conclusions? 8

9 En appuyant successivement sur le bouton «FUNC» mesurer dans les deux cas la valeur de la puissance apparente S=V.I en V.A de la puissance réactive Q=V.I.sin(Φ) ainsi que celle du facteur de puissance ou cos(φ),noté PF (Power Factor, et enfin le déphasage Φ entre le courant et la tension. Déterminer la valeur de l inductance en Henrys. Sachant qu une lampe peut être assimilée à une résistance pure, ces résultats vous semblent ils cohérents? Recommencer les mesures précédentes avec trois tours de fils dans la pince. Quelles opérations faut-il effectuer pour retrouver les résultats précédents? On ajoute une bobine en parallèle sur la lampe. On souhaite mesurer le courant I Total1 traversant l ensemble lampe+bobine. Inter Image 15 : Mesure de courant I Total1 Figure 16 : Mesure de courant I Total1 Hors tension réaliser le branchement de la bobine et de la pince ampèremètrique. Avec la pince mesurer le courant traversant l ensemble I Total1 À l aide d un compas et d une règle tracer le diagramme de Fresnel des intensités. En déduire le facteur de puissance de l ensemble et de la bobine à l aide d un rapporteur. I L Φ Φ B V T + I T I B Figure 17 Mesurer la puissance active P, la puissance réactive Q le facteur de puissance cos(φ B) de l ensemble. Comparer avec la valeur trouvée précédemment sur le diagramme. QT Vérifiez la relation = Tan( ΦT ) P T On veut relever ce facteur de puissance à au moins cos(φ T )= 0,92 soit Tan(Φ T )=0,4. PTotale ( Tan( φt ) 0,4) Calculer la valeur de la capacité à connecter sachant que C =. 2 V.2. π. f Placer cette capacité : 9

10 Figure 18 Image 16 Relever le nouveau facteur de puissance cos(φ T ). Sa valeur est-elle en accord avec la théorie? Ic Calculer l intensité théorique I C traversant la capacité sachant que V = 2. π.f.c. Mesurer l intensité traversant la capacité. Comparer avec la valeur théorique. Tracer le diagramme de l intensité totale (lampe + bobine + condensateur). I c est déphasé de 90 par rapport à I Lampe. I L Φ T avec cos Φ T =0.92 Φ B I T + I B I c =V.C.ω Figure 19 Retrouver le facteur de puissance cos(φ B ) de 0,92 sur le diagramme. En faisant varier C de 0 au maximum, tracer I T =f(c) ainsi que cos(φ T ) =f(c). III.7 Circuit RLC série On va maintenant placer la lampe, la bobine ainsi qu une capacité de 5 µf en série : Figure 20 Image 17 Mesurer la tension aux bornes de la lampe V Lampe, la tension aux bornes de la capacité V Capacité ainsi que la tension aux bornes de la bobine, V Bobine. En se servant de Φ B trouvé précédemment tracer V=V Lampe + V Bobine+ V Capacité. Conclusion? III.8 Mesure de puissance en triphasé 10

11 III.8.1 Mesure en triphasé équilibré Vous disposez d une maquette triphasée déjà câblée. Dans le cas d un montage triphasé équilibré on a deux méthodes de mesure : Soit on effectue trois fois une mesure en monophasé pour chacune des phases.(voir figure ci dessous) Figure 21 Image 18 Mesurer à trois fois les puissances actives et réactives, le courant ainsi que le facteur de puissance entre phase 1 et le neutre, phase 2 et le neutre ainsi que phase 3 et le neutre Faire la somme des puissances. Soit on effectue la mesure en une seule fois en triphasé. Le commutateur de la pince est sur 3Φ afin de configurer l appareil en triphasé. On connecte les deux fils de la tension sur deux phases et la pince prends le courant sur la troisième phase. Figure 22 : Mesure directe en mode triphasé Image 19 : Mesure directe en mode triphasé Mesurer les puissances actives et réactives, le courant en ligne ainsi que le facteur de puissance. Retrouvez les résultats de la mesure précédente du III

12 III.8.2 Mesure en triphasé déséquilibré La seule façon est de mesurer la puissance dans chaque phase. L appareil sera configuré en monophasé. Il faut donc se référer au montage de la Figure 21. A l'aide de la pince wattmétrique mesurer la puissance active de chaque phase P 1, P 2, P 3, les facteurs de puissance de chaque phase cosφ 1, cosφ 2, cosφ 3 ainsi que les puissances réactives Q 1, Q 2, Q 3 Figure 23:Mesure de P 3 Image 20 : Mesure de P 1 12