APPAREILS DE MESURE

Appareils de mesure
APPAREILS DE MESURE
L’objectif de cette manipulation est de prendre en main des appareils de mesure tels que des
voltmètres ou oscilloscopes, mais aussi d’évaluer leurs performances, leurs limites et surtout
d’interpréter leurs indications. En effet, savons-nous réellement ce qu’indique notre appareil,
pouvons nous faire confiance à la valeur indiquée dans tous les cas, et l’indication
correspond-elle à une grandeur physique ?
I Grandeurs électriques
Les grandeurs intéressantes en électricité au sens large (électronique, électrotechnique…) sont
les courants, les tensions, les puissances, les mesures de temps et de fréquences. Aussi les
appareils de mesure proposés sur le marché permettent de faire ce type de mesure, mais ont
des performances et donc coûts différents. Les courants et les tensions peuvent être des
grandeurs variables ou non dans le temps, leur évolution périodique ou non. On peut définir
plusieurs types de signaux :
• Les signaux continus, invariants dans le temps, sont caractérisés par leur valeur dite
continue.
• Les signaux périodiques sont caractérisés par leur fréquence, leur composante
continue et leur valeur efficace.
• Un signal s(t) quelconque peut se décomposer en une composante continue <s> et une
composante variable
)(
~ts
. Le signal peut alors s’écrire :
)(
~
)( tssts +
>=<
.
o La composante continue est définie comme la valeur moyenne du signal (1).
∫
∞→
>=<
θ
θ
θ
0)(
1
lim dttss
(1)
o La valeur efficace d’un signal est définie en électronique comme la valeur du
signal continu qui dissiperait la même puissance que le signal considéré. Cela
se traduit mathématiquement par (2).
∫
∞→
=
θ
θ
θ
0
2)(
1
lim dttsseff
(2)
Note : dans le cas des signaux périodiques, la valeur moyenne et la valeur efficace peuvent se
calculer sur une seule période T, les relations (1) et (2) deviennent respectivement (3) et (4).
∫
>=<Tdtts
T
s0)(
1
(3)
∫
=T
eff dtts
T
s0
2)(
1
(4)

Appareils de mesure
Travail de préparation
Les grandeurs les plus utilisées dans les études électroniques sont des signaux sinusoïdaux et
des signaux simples tels que les signaux rectangulaires ou carrés. Afin de connaître les
grandeurs caractéristiques de ce type de signaux, calculer les valeurs moyennes et efficaces
des signaux suivants : (On prendra des signaux de 1kHz dans tous les cas)
• Signal S1 sinusoïdal centré d’amplitude Vmax (évolution de +Vmax à –Vmax) (figure 1)
• Signal sinusoïdal S2 d’amplitude Vmax mais décalée de VC (figure 2).
V
max
-V
max
S
1
V
max
+ Vc
S
2
-V
max
+ V
c
V
c
figure 1 : signal sinusoïdal centré figure 2 : signal sinusoïdal avec décalage
• Signal carré S3 d’amplitude Vmax (évolution de +Vmax à –Vmax) (figure 3)
• Signal carré S4 d’amplitude Vmax décalé de Vc (évolution de +Vmax+VC à -Vmax+VC)
(figure 4).
V
max
-V
max
S
3
V
max
+ Vc
S
4
-V
max
+ V
c
V
c
figure 3 : signal carré centré figure 4 : signal carré avec décalage
II Appareils de mesure
Les appareils de mesure en électronique ont pour but de caractériser les signaux électriques.
Ils peuvent se classer en deux catégories, les appareils analogiques et les appareils
numériques. Le premier type d’appareil mesure directement la grandeur physique et la lecture
se fait par la déviation d’une aiguille. Le second utilise un processeur (convertisseur,
calculateur…), le résultat est donné par un affichage numérique.
II.1 Voltmètres analogiques
La plupart de ces appareils mesurent le courant passant dans une résistance connue. Le
courant est mesuré par un galvanomètre : une bobine située dans un champ magnétique
permanent subit une rotation en fonction du courant qui la traverse. Une aiguille fixée sur la
bobine permet la lecture du courant (et donc de la tension par proportionnalité). Dans le cas
d’une tension variant lentement dans le temps, la déviation fera de même. Par contre, pour des
variations plus rapides (>10 Hz), le dispositif mécanique (par son inertie) ne pourra suivre les
évolutions du signal. L’indication donnera donc une valeur moyenne : la composante continue
de la tension.

Appareils de mesure
Différents calibres sont accessibles en modifiant la résistance du voltmètre. Le calibre choisi
par l’utilisateur correspond à la tension donnant une déviation maximale de l’aiguille. Il est
donc impératif de ne jamais utiliser un calibre sous évalué, car l’aiguille se bloquerait à sa
valeur maximale, ce qui peut endommager les parties mécaniques de l’appareil. Il est
préférable lorsque la tension à mesurer n’est pas estimable, d’utiliser un calibre surévalué afin
d’avoir une première estimation de la tension à mesurer, et de diminuer ensuite le calibre pour
obtenir une meilleure précision.
II.1.1 Valeur moyenne
La mesure s’effectue en fonction du calibre maximal, et en lisant la déviation de l’aiguille.
Pour faire une mesure précise, l’aiguille doit être confondue avec son reflet dans le miroir du
cadran (diminution de l’erreur de parallaxe).
La valeur de la mesure sera alors :
maximaleDéviation choisi calibre * luedéviation
mesuréevaleur =
.
II.1.2 Valeur efficace
Pour mesurer la valeur efficace, le signal alternatif est tout d’abord redressé. L’appareil
mesure alors la valeur moyenne de ce signal puis applique un coefficient correcteur (figure 5)
de sorte que l’affichage indique la valeur efficace du signal.
Signal
alternatif
à mesurer
Signal redressé
Mesure de la
valeur moyenne
Coefficient
correcteur
Valeur
efficace
figure 5 : principe de mesure de la valeur efficace
Le coefficient correcteur permettant de passer de la moyenne du signal redressé à la valeur
efficace du signal mesuré dépend de la forme du signal. Or, le coefficient correcteur utilisé
dans les voltmètres est celui pour des signaux sinusoïdaux. Pour mesurer un signal non
sinusoïdal, l’utilisateur doit donc effectuer une correction supplémentaire, ce qui est possible
s’il connaît la forme du signal qu’il mesure.
Travail de préparation
• Exprimer la valeur moyenne d’un signal sinusoïdal redressé en fonction de la valeur
efficace de la sinusoïde d’entrée.
• Donner alors la valeur du coefficient correcteur pour obtenir une mesure de valeur
efficace.
• Donner la valeur affichée par l’appareil dans le cas d’un signal carré tel que S3 (figure 3).

Appareils de mesure
II.2 Voltmètres numériques
Les appareils numériques ont différentes technologies.
• Pour certains, seul l’affichage est numérique. Le traitement du signal avant affichage
peut alors être identique au traitement des appareils à aiguille : la valeur efficace est
mesurée par redressement du signal.
• La plupart des voltmètres récents mesurent directement la tension via un convertisseur
analogique / numérique. Ces appareils peuvent alors mémoriser des points de mesure
de la tension. Des calculs permettent alors de connaître la valeur efficace du signal à
partir du signal numérisé et de la relation (2). La performance de l’appareil dépend de
sa rapidité de calcul et du nombre de points de calcul. Dans ce cas, la tension efficace
mesurée est juste quelque soit la forme du signal utilisé.
D’un point de vue pratique, on peut connaître le type de mesure de valeur efficace utilisé
grâce à ce qui est inscrit sur l’appareil.
• Pour les appareils dont rien n’est précisé, la valeur efficace est en général mesurée par
rapport à un signal sinusoïdal (figure 5).
• Certains appareils sont dits RMS ou TRMS ((True) Root Mean Square : mesure de la
valeur efficace (vraie)). Ils mesurent en général la valeur efficace réelle (quelque soit
la forme du signal), mais uniquement sur la composante alternative du signal.
• D’autres appareils (T)RMS AC+DC tiennent en plus compte de la composante
continue.
II.3 Cas de l’ampèremètre
Le rôle d’un ampèremètre est de mesurer le courant dans un circuit électrique.
• Les ampèremètres analogiques fonctionnent sur le principe du galvanomètre décrit
précédemment
• Les ampèremètres numériques utilisent une mesure de tension numérique : la mesure
de courant se fait en insérant une résistance Rs en série (résistance shunt) dans le
circuit électrique. La tension mesurée subit une correction de 1/Rs.
L’ampèremètre ainsi constitué présente l’imperfection d’ajouter une résistance Rs dans le
circuit de mesure. La résistance Rs doit être négligeable par rapport à l’impédance totale du
circuit. En règle générale, pour des mesures de forts courants (appareils destinés à
l’électrotechnique ou à l’électronique de puissance) Rs est très faible. En électronique par
contre, les résistances sont en général plus élevées car les courants sont très faibles, et une
résistance plus importante permet d’obtenir une tension plus élevée aux bornes de Rs.
II.4 Incertitudes de mesure
Les constructeurs des appareils garantissent la précision de la mesure avec une certaine
incertitude. Ces valeurs apparaissent dans la documentation de l’appareil considéré.
Travail de préparation
• En vous aidant du fascicule « méthodes de mesures », relevez les incertitudes des
différents appareils en mode AC et DC et complétez les cases concernées dans le tableau
récapitulatif « fiche d’appareil de mesure ».

Appareils de mesure
III Description des mesures
L’objectif de la manipulation est de déterminer les performances des différents appareils de
mesure. On comparera des voltmètres à aiguille alternatif (type voltmètre électronique
PM2454 ou PM2554 AC ), différents voltmètres numériques en modes continu (DC) et
alternatif (AC) (Fluke 45 ou TTI, Fluke 187 et Velleman), ainsi que les mesures données par
un oscilloscope.
III.1 Mesure de tension : signal sinusoïdal
Fixer sur le GBF une tension sinusoïdale d’amplitude environ 10V crête à crête. Ajouter une
tension de décalage d’environ 2V. Se placer à une fréquence de 1kHz. Afin d’optimiser les
manipulations, on utilisera le double affichage quand cela sera possible.
Pour les différents appareils de mesure :
• Mesurez systématiquement les valeurs données par les différents appareils en mode DC,
AC, puis AC+DC (lorsque c’est possible). Reportez vos résultats dans le tableau.
• Précisez ce que mesurent les appareils en DC, AC et en AC+DC ?
• Comparer les valeurs relevées aux valeurs efficaces et à la composante continue du signal.
• En conclusion, donner la valeur efficace et la valeur moyenne du signal fourni par le GBF
avec la meilleure précision possible. Vous pouvez vous aider d’une représentation
graphique des plages de valeurs données par chacun des appareils.
III.2 Mesure de tension : signal carré
Placer en entrée des différents voltmètres un signal carré d’amplitude environ 10V crête à
crête et d’offset 2V, toujours à une fréquence de 1kHz.
• Relever les valeurs données par les différents appareils en mode DC, en mode AC et
AC+DC ?
• Comparer les valeurs mesurées par les différents appareils aux valeurs continues et
efficaces du signal. Pour chaque appareil, justifier les valeurs mesurées et expliquer si
nécessaire comment retrouver la valeur efficace réelle du signal.
• Conclure sur le type de mesure effectué par chaque appareil : RMS ou TRMS.
III.3 Mesure des impédances d’entrée
Les appareils de mesure n’étant pas parfaits, ils prélèvent une certaine puissance sur le circuit
étudié. Ils présentent donc une impédance d’entrée. Plus cette impédance est importante (pour
un voltmètre), plus l’appareil est de bonne qualité (l’idéal serait une impédance infinie).
Nous allons estimer les impédances d’entrée des appareils de mesure par la méthode
approchée de la résistance moitié. Le principe est de mettre en série avec l’appareil, une
résistance variable, et de faire varier cette résistance pour obtenir Rg = Re (figure 7).
Re
Ve
Ie
Rg
Vg
figure 7 : méthode de la résistance moitié