Chapitre III : les appareils de mesure

République Algérienne Démocratique et Populaire
‫وزارة اﻟﺗﻌﻠﯾم اﻟﻌﺎﻟﻲ و اﻟﺑﺣث اﻟﻌﻠﻣﻲ‬
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
‫ﺟـﺎﻣـﻌـﺔ اﻟـوادي‬
Faculté des Sciences et de la Technologie
Département d’Electronique
Spécialité : Télécommunications
Module : Méthodes de mesure
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 d e connait re et d ’ét ud ier chaq u e
app are il d e mesure afin de les ut iliser co nvenab lement .
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.
et
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 :
dq 2
dt
2
+ 2l
dq
+ w 2q = f 0 I
dt
Où λ est le coefficient total d’amortissement; w est le couple résistif ; f 0 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 θ.
Il faut savoir faire la différence entre résistance interne g, résistance critique Rc et la résistance
du circuit extérieur du galvanomètre Rext
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 :
(Rext> Rc) 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 (Rext< Rc) du galvanomètre.
3- Régime périodique critique : correspond à la situation d’égalité entre la résistance du
circuit extérieur et la résistance critique du galvanomètre (Rext= Rc). 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.
·
·
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
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.
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 kΩ, est nettement inférieure à la résistance interne des voltmètres numériques,
habituellement égale à 10 MΩ. 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 kΩ à quelques centaines de kΩ). 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
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'Ω à quelques centaines
de kΩ). 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 :
·
·
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.
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
composants internes de l’appareil ( Eg, Rg et r ) qui est généralement entre 3% et 5%.
des