2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9

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 appa- Figure 2.1 Appareils de mesure analogique et numérique (General Motors)
reil 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.
;aeslgjh jgbj
gbjg sg hhhf hjkoop;y
gbjgbbs hhfhhjkoop ;y
gjhlkj j
;aesl
;aeslgjhlkjg gbjgbbs gh fhhj
koop;y
bjgbbsghh hjkoop;y dpi
gj gbjg
;aesl
;aeslgjhlk bjgbjgb hhfhhj koop
;y
;aeslgj gbjgbj bsghh hfhh op;y
;aeslgjhlkj jgbbsghh hfhhjko op;y
; a es
h
hlkjgbj bbsg h hjkoop;y dpi
j jgbjgbj bbsghhhf hhjkoop;y
;aeslg
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
APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES
CHAPITRE 2
Figure 2.2 Mouvements causés par la réaction entre champs magnétiques (General Motors)
Aimant
permanent
Aimant
permanent
Champ magnétique
variable et mobile
Pivot
Aimant
permanent
Ressort en
spirale
Champ
magnétique
constant et
immobile
Dans la réalité, à l’intérieur des appareils, c’est un Figure 2.3 Éléments essentiels d'un appareil analogique
(General Motors)
aimant en forme de fer à cheval qui crée le champ
magnétique constant et immobile (figure 2.3). Le
Échelle
champ magnétique variable et mobile provient de
graduée
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
N
fait dévier l’aiguille jusqu’au maximum de
l’échelle, théoriquement, un courant de 0,0005 A
N
S
S
placera l’aiguille au centre de l’échelle. En pratique, le courant nécessaire au déplacement de la
bobine est habituellement inférieur à 50 µA
Aimant en forme Bobine
(1 microampère (µA) = 1 ampère (A)/1 000 000).
de fer à cheval
mobile
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
50 000 Ω/V (I = E/R -> 1/50 000 = 0,000 02 A) soutire moins de courant qu’un instrument de
25 000 Ω/V (I = E/R ->1/25 000 = 0,000 04 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.
Module 9
Mécanique automobile
2.3
CHAPITRE 2
APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES
Figure 2.4 Composants d'un mouvement d'Arsonval (General Motors)
Échelle
graduée
Aiguille
Butée droite
de l'aiguille
Butée gauche
de l'aiguille
Aimant
permanent
Vis de réglage à
zéro de l'aiguille
Ressort
en spirale
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 Figure 2.5 Lecture de mesures analogiques
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
2.4
Mécanique automobile
Module 9
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
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 2.1
1. 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
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 Figure 2.7 Multiple et sous-multiples de
l’ampère
dans le circuit auquel il est raccordé. L’unité de mesure de
base est l’ampère. Pour faciliter la lecture de valeurs imporUnité
A
Ampère
tantes ou faibles, certains appareils possèdent des échelles
× 1 000
kA Kiloampère
graduées en multiples et en sous-multiples de cette unité
÷ 1 000
mA Milliampère
(figure 2.7).
÷ 1 000 000
µA
Microampère
Construction
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 pré- Figure 2.8 Branchement interne d'un ampèremètre (General
Motors)
cision, 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
Shunt
Fil raccordé à
sur une échelle de 0 à 10 A avec une préciFil raccordé à
une pointe de
une pointe de
sion de ±0,1 A.
vérification
vérification
Module 9
Mécanique automobile
2.7
CHAPITRE 2
APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES
Un ampèremètre de qualité à plusieurs Figure 2.9 Schéma interne d'un ampèremètre à six échelles de
lecture
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 séPointe de
lecteur d’échelle permet de diriger le courant
vérification (+)
vers un shunt dont la valeur est déterminée en
fonction de l’échelle de lecture choisie. En
Sélecteur d'échelle
fait, plus l’échelle de l’ampèremètre est élevée,
plus la résistance du shunt est faible. Souve100 A
1 mA
Résistances de
nez-vous que le courant dans la bobine doit
10 A
10 mA
dérivation – shunts
demeurer le même, peu importe l’échelle. La
100 mA
figure 2.9 montre que pour des valeurs infé1A
rieures à 1 mA, la totalité du courant passe
par la bobine mobile, car elle supporte cette
intensité.
Raccordement de l’ampèremètre
Comme la totalité du courant du circuit doit
traverser l’appareil, l’ampèremètre se raccorde toujours en série. Le raccordement de
Pointe de
vérification (–)
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
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
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2.9