Chapitre III : les appareils de mesure

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1 République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعلیم العالي و البحث العلمي Ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique جامعة الوادي Faculté des Sciences et de la Technologie Département d Electronique Spécialité : Télécommunications Module : Méthodes de mesure et instrumentation Chapitre III : les appareils de mesure Introduction Dans la pratique, il est indispensable, pour assurer la maintenance et le dépannage des appareils et équipements électriques et électroniques de contrôler la continuité d un circuit et de vérifier le niveau d isolement d une installation. Selon leurs caractères d exploitation et l ordre de grandeur à mesurer, il est nécessaire de connaitre et d étudier chaque appareil de mesure afin de les utiliser convenablement. I. Le galvanomètre Un galvanomètre à cadre mobile est composé d un aimant fixe et d une bobine mobile (le cadre) qui évolue dans le champ magnétique de l aimant. Cette bobine mobile est solidaire d une aiguille. Elle est montée sur un axe muni de ressorts spiraux. Lorsqu un courant parcourt la bobine, il réagit en présence du champ magnétique de l aimant et crée un couple de rotation de la bobine. Ce couple s oppose à celui créé par les ressorts spiraux. A l équilibre, l angle de déviation de la bobine, donc de l aiguille, est proportionnel au courant qui traverse le cadre mobile. Un galvanomètre à cadre mobile est essentiellement un appareil de mesure de courant.

2 La caractéristique principale d un galvanomètre est sa sensibilité, exprimée par le courant entraînant sa déviation maximum (de 100 µa à 1 ma). De par sa construction, le fil de cuivre de la bobine possède une résistance faible (résistance interne). Des montages spécifiques permettent de transformer un galvanomètre soit en ampèremètre (mesure de courant supérieur au courant maximum applicable à la bobine), soit en voltmètre (mesure de tension plus grande que la tension maximum applicable aux bornes du galvanomètre). Les galvanomètres à cadres mobiles sont des appareils de mesure d intensité. Un galvanomètre est composé d un aimant fixe et d un cadre mobile pouvant effectuer une rotation de 90 au maximum. Le cadre contient une bobine et il est surmonté d une aiguille. En position initiale (notée 0 sur le cadran du schéma), le champ de l aimant est perpendiculaire à l axe de la bobine car un ressort, souvent en forme de spirale, ramène l aimant vers cette position initiale. Le champ magnétique généré par le courant traversant la bobine force celle-ci à se tourner dans l axe de l aimant. L aiguille fixée sur le cadre indique la déviation lue sur un cadran gradué. Le galvanomètre a une résistance interne propre (Ri) et une intensité de déviation maximum (Ig) à ne pas dépasser. Un galvanomètre ne peut lire que de faibles intensités (intensité de déviation maximale, de l ordre du milliampère, voire moins) ou de faibles tensions (Ri x Ig, soit quelques µv). Des montages spécifiques permettent de lire des tensions supérieures ou des intensités plus importantes. Le galvanomètre est alors monté en voltmètre ou en ampèremètre. Il y a trois régimes de fonctionnement qui caractérisent le mouvement de l équipage mobile du galvanomètre : périodique, apériodique ou apériodique critique. L équation du mouvement de l équipage mobile est donné par : dθ dt 2 2 dθ 2 + 2λ + ω θ = φ0 I dt Où est le coefficient total d amortissement; ω est le couple résistif ; φ0 est le flux magnétique dans l entrefer ; et I est le courant qui parcourt le circuit de l équipage mobile et produit ainsi la déviation. Il faut savoir faire la différence entre résistance interne g, résistance critique R c et la résistance du circuit extérieur du galvanomètre R ext

3 1- Régime oscillant : se produit quand le cadre a un mouvement oscillant plus au moins amorti. Ce régime s établit si la résistance du circuit extérieur vérifie la condition : (R ext > R c ) du galvanomètre. 2- Régime apériodique : se produit quand le cadre a un mouvement oscillant plus au moins amorti. Ce régime s établit si la résistance du circuit extérieur vérifie la condition (R ext < R c ) du galvanomètre. 3- Régime périodique critique : correspond à la situation d égalité entre la résistance du circuit extérieur et la résistance critique du galvanomètre (R ext = R c ). Dans ce cas, le mouvement de l équipage mobile est toujours apériodique, mais il est caractérisé par un temps minimal d établissement de la déviation d équilibre. II. Ampèremètre Un ampèremètre est un appareil de mesure de l'intensité d'un courant électrique dans un circuit. L'unité de mesure de l'intensité est l'ampère, symbole : A. II.1 Types d'ampèremètres II.1.1 Ampèremètres analogiques Ils sont de plus en plus remplacés par des ampèremètres numériques. Pourtant, en pratique, l'observation de leur aiguille peut fournir des informations sur les variations du courant mesuré que l'affichage numérique ne donne que difficilement. Il en existe plusieurs types : L'ampèremètre analogique le plus répandu est magnéto-électrique, il utilise un galvanomètre à cadre mobile. Il mesure la valeur moyenne du courant qui le traverse. Pour les mesures en courant alternatif, un pont redresseur à diode est utilisé pour redresser le courant mais ce procédé ne permet de mesurer avec précision que des courants sinusoïdaux.

4 L'ampèremètre ferro-magnétique utilise deux palettes de fer doux à l'intérieur d'une bobine. L'une des palettes est fixe, l'autre est montée sur pivot. Quand le courant passe dans la bobine, les deux palettes s'aimantent et se repoussent, quel que soit le sens du courant. Cet ampèremètre n'est donc pas polarisé. (Il n'indique pas de valeurs négatives). Sa précision et sa linéarité sont moins bonnes que celles de l'ampèremètre magnéto-électrique mais il permet de mesurer la valeur efficace de courant alternatif de forme quelconque (mais de fréquence faible < 1 khz). L'ampèremètre thermique est composé d'un fil résistant dans lequel le courant à mesurer circule. Ce fil s'échauffe par effet Joule, sa longueur variant en fonction de sa température, provoque la rotation de l'aiguille, à laquelle il est fixé. L'ampèremètre thermique n'est pas polarisé. Il peut être utilisé pour mesurer la valeur efficace des courants alternatifs jusqu'à des fréquences de plusieurs mégahertz. II.1.2 Ampèremètre numérique C'est en fait un voltmètre numérique mesurant la tension produite par le courant à mesurer dans une résistance (appelée shunt). La valeur du shunt dépend du calibre utilisé. En application de la Loi d'ohm, La tension U mesurée est convertie, en fonction de la valeur de résistance connue R du shunt, en une valeur A correspondant au courant. II.1.3 Ampèremètres spéciaux La pince ampèremétrique AC est une sorte de transformateur électrique dont le primaire est constitué par le conducteur dont on veut connaître le courant et le secondaire par un enroulement bobiné sur un circuit magnétique formé par les deux mâchoires de la pince. Elle sert à mesurer des courants alternatifs élevés sans insérer quoi que ce soit dans le circuit. Elle ne peut pas mesurer les courants continus. La pince ampèremétrique à capteur à effet Hall permet de mesurer des courants quelconque (même continu) et d'intensité élevée sans s'insérer dans le circuit. La pince est composée d'un circuit magnétique qui se referme sur une pastille semi-conductrice. Cette pastille va être soumise à l'induction générée par le fil (courant à mesurer). On mesure l'induction car celle-ci a l'avantage d'exister quel que soit le type de courant. La pastille semi-conductrice est soumise à un courant perpendiculaire à l'induction qui la traverse. Tout ceci pour provoquer grâce à la force de Lorentz un déplacement de charge dans la pastille qui va entrainer une différence de potentiel qui est proportionnelle au champ et donc au courant. Les ampèremètres à fibre optique : ils sont utilisés dans le domaine de la THT (Très Haute Tension) et lorsque la bande passante des capteurs à effet Hall est insuffisante (étude des régimes transitoires violents, ceux pour lesquels le di/dt est supérieur à 108 A/s). Cette technique de mesure utilise l'effet Faraday : le plan de polarisation de la lumière dans le verre tourne sous l'effet d'un champ magnétique axial. Cet effet ne dépend pas de la direction de propagation de la lumière mais dépend de celle de l'intensité. Les ampèremètres à effet Néel sont capables de mesurer des courants continus et alternatifs, avec une grande précision que ce soit pour des courants faibles ou forts. Ces capteurs sont constitués de plusieurs bobines et de noyaux réalisés en matériau composite nanostructuré présentant des propriétés superparamagnétiques, d'où

5 l'absence de rémanence magnétique sur un large gamme de température. Une bobine d excitation permet de détecter la présence de courant grâce à la modulation par effet Néel. Une bobine de contre-réaction permet de délivrer le courant de mesure, directement proportionnel au courant primaire et au rapport du nombre de spires primaire/secondaire. Le capteur de courant à effet Néel se comporte donc comme un simple transformateur de courant, linéaire et précis. II.2 Utilisation d'un ampèremètre Montage Un ampèremètre se branche en série dans le circuit. Cela veut dire qu'il faut ouvrir le circuit à l'endroit où l'on souhaite mesurer l'intensité et placer l'ampèremètre entre les deux bornes créées par cette ouverture du circuit. Pour que sa présence ne modifie pas l'intensité du courant à mesurer, sa résistance interne devrait être idéalement nulle. Sens de branchement et polarité Un ampèremètre mesure l'intensité circulant de la borne A (ou borne +) vers la borne COM (ou borne -) en tenant compte de son signe. En général, l'aiguille des ampèremètres analogiques ne peut dévier que dans un sens. Cela impose de réfléchir au sens du courant et impose de câbler l'ampèremètre de manière à mesurer une intensité positive : on vérifie alors que la borne + de l'ampèremètre est reliée (éventuellement en traversant un ou plusieurs dipôles) au pôle + du générateur et que la borne - de l'ampèremètre est reliée (éventuellement en traversant un ou plusieurs dipôles) au pôle - du générateur. Calibre On appelle calibre la plus forte intensité que peut mesurer l'ampèremètre. Tous les appareils modernes sont multi calibres : on change de calibre soit en tournant un commutateur, soit en déplaçant une fiche. Les appareils les plus récents sont autocalibrables (autorange en anglais) et ne nécessitent aucune manipulation. Lorsqu'on utilise un ampèremètre analogique, il faut éviter d'utiliser un calibre plus petit que l'intensité du courant. Cela impose de déterminer par le calcul un ordre de grandeur de cette intensité et de choisir le calibre en conséquence. Si on n'a aucune idée de l'ordre de grandeur de l'intensité que l'on va mesurer, il est souhaitable de partir du plus haut calibre, en général suffisant. On obtient ainsi une idée du courant circulant dans le circuit. Puis on diminue le calibre jusqu'à atteindre le calibre le plus petit possible, tout en gardant une valeur supérieure au courant mesuré. Lecture La lecture d'un appareil numérique n'a pas besoin d'être détaillée.

6 Pour l'ampèremètre analogique, l'aiguille se déplace sur une graduation commune à plusieurs calibres. L'indication lue ne représente qu'un nombre de divisions. Il faut donc déduire l'intensité à partir de ce nombre en tenant compte de la valeur du calibre en faisant un calcul, sachant que la graduation maximale correspond au calibre III. Voltmètre Le voltmètre est un appareil qui permet de mesurer la tension (ou différence de potentiel électrique) entre deux points, grandeur dont l'unité de mesure est le volt (V). La grande majorité des appareils de mesure actuels est construite autour d'un voltmètre numérique, la grandeur physique à mesurer étant convertie en tension à l'aide d'un capteur approprié. III.1 Les différents types de voltmètre III.1.1 Voltmètres analogiques Ils sont en voie de disparition, bien qu'encore utilisés comme indicateurs rapides de l'ordre de grandeur ou de la variation de la tension mesurée. Ils sont généralement constitués d'un milliampèremètre en série avec une résistance élevée. Toutefois cette résistance, de l'ordre de quelques k, est nettement inférieure à la résistance interne des voltmètres numériques, habituellement égale à 10 M. Pour cette raison, les voltmètres analogiques introduisent une perturbation plus importante dans les circuits dans lesquels ils sont introduits que les voltmètres numériques. Voltmètres magnétoélectriques Un voltmètre magnétoélectrique est constitué d'un galvanomètre, donc un milliampèremètre magnétoélectrique très sensible, en série avec une résistance additionnelle de valeur élevée (de quelques k à quelques centaines de k ). On réalise un voltmètre à plusieurs calibres de mesure en changeant la valeur de la résistance additionnelle. Pour les mesures en courant alternatif, un pont redresseur à diodes est intercalé mais ce procédé ne permet de mesurer que des tensions sinusoïdales. Ils ont toutefois un certain nombre d'avantages : ils ne nécessitent pas de pile pour fonctionner. Par ailleurs, à prix équivalent, leur bande passante est beaucoup plus large, autorisant ainsi des mesures en AC sur plusieurs centaines de kilohertz là où un

7 modèle numérique standard se cantonne à quelques centaines de hertz. C'est pour cette raison qu'ils sont encore très utilisés en test sur du matériel électronique fonctionnant à des fréquences élevées (HI-FI) Voltmètres ferroélectriques Un voltmètre ferroélectrique est constitué d'un milliampèremètre ferroélectrique en série avec une résistance additionnelle de valeur élevée (de quelques centaines d' à quelques centaines de k ). Comme les ampèremètres du même type le font pour les courants, ils permettent de mesurer la valeur efficace de tensions de forme quelconque (mais de fréquence faible < 1 khz). III.1.2 Voltmètres numériques Ils sont généralement constitués d'un convertisseur analogique-numérique double rampe, d'un système de traitement et d'un système d'affichage. III.2 Mesure des valeurs moyennes de tensions continues La tension à mesurer est appliquée à l'entrée du convertisseur analogique-numérique à travers une résistance dont la valeur dépend du calibre choisi, puis l'organe de traitement, tenant compte de ce calibre, permet d'afficher la valeur moyenne de cette tension. III.3 Mesure des valeurs efficaces des tensions alternatives Voltmètre «bas de gamme» Il n'est utilisable que pour la mesure des tensions sinusoïdales dans le domaine de fréquence des réseaux de distribution électrique. La tension à mesurer est redressée par un pont de diodes puis traitée comme une tension continue. Le voltmètre affiche ensuite une valeur égale à 1,11 fois la valeur moyenne de la tension redressée. Si la tension est sinusoïdale, le résultat affiché est la valeur efficace de la tension ; si elle ne l'est pas, il n'a aucun sens. Voltmètre «efficace vrai» La majorité des appareils commercialisés effectuent cette mesure en trois étapes : 1. La tension est élevée au carré par un multiplieur analogique de précision. 2. L'appareil réalise la conversion analogique-numérique de la moyenne du carré de la tension 3. La racine carrée de cette valeur est ensuite effectuée numériquement. Le multiplieur analogique de précision étant un composant coûteux, ces voltmètres sont trois à quatre fois plus chers que les précédents. La numérisation quasi totale du calcul permet de réduire le coût tout en améliorant la précision. D'autres méthodes de mesure sont également utilisées, par exemple :

8 Conversion analogique-numérique de la tension à mesurer, puis traitement entièrement numérique du calcul de la «racine carrée du carré moyen». Égalisation de l'effet thermique engendré par la tension variable et de celui engendré par une tension continue qui est ensuite mesurée. On distingue deux types de voltmètres «efficace vrai» : TRMS (True Root Mean Square = Vraie racine carrée du carré moyen) - Il mesure la véritable valeur efficace d'une tension variable. RMS (Root Mean Square = Racine carrée du carré moyen) - La valeur RMS est obtenue grâce à un filtrage qui élimine la composante continue (valeur moyenne) de la tension, et permet d'obtenir la valeur efficace de l'ondulation (valeur efficace RMS ou AC) de la tension. III.4 Résistance interne La mesure avec un voltmètre s'effectue en le branchant en parallèle sur la portion de circuit dont on désire connaître la différence de potentiel. Ainsi en théorie, pour que la présence de l'appareil ne modifie pas la répartition des potentiels et des courants au sein du circuit, aucun courant ne devrait circuler dans son capteur. Ce qui implique que la résistance interne du dit capteur soit infinie, ou du moins soit la plus grande possible par rapport à la résistance du circuit à mesurer. IV. Ohmmètre Le schéma de principe de l Ohmmètre analogique (à aiguille) est donné par la figure suivante : Comme le montre la figure ci dessus, l ohmmètre à aiguille est constitué par : un équipage à cadre mobile ( Rg ), une résistance ajustable r ( pour le réglage externe du zéro ), une pile interne de force électromotrice Eg alimentant le circuit. Rx : résistance à mesurer qui se branche entre les deux bornes de l appareil.

9 Le principe de fonctionnement consiste à mesurer la diminution du courant dans la boucle de mesure lorsqu on introduit la résistance à mesurer Rx. En effet, le courant I parcourant le circuit à pour expression : I=Eg/(Rg+r+Rx) Remarques : Le zéro de l échelle d un ohmmètre correspond à la déviation maximale de l aiguille ( cas d un court circuit ), La déviation nulle de l aiguille correspond à une résistance infinie ( les deux bornes de l appareil sont à l air libre ). Mode opératoire : La mesure se fait en deux étapes : On court-circuite les deux bornes de l appareil et on agit sur la borne de réglage du zéro ( résistance r ) jusqu'à obtenir une déviation maximale c est a dire l aiguille se place devant la graduation zéro de l échelle de l ohmmètre. On enlève le court-circuit et on branche la résistance à mesurer aux bornes de l ohmmètre et on lit la déviation de l aiguille qui correspond à la valeur de la résistance à mesurée. La précision de cette méthode dépend intrinsèquement de la précision des composants internes de l appareil ( Eg, Rg et r ) qui est généralement entre 3% et 5%.