Les appareils de mesure électrique

 1.     Les appareils analogiques

1.1.            Les principales indications sur les appareils

Les principaux renseignements indiqués sur un appareil analogique sont les suivants :

a.       Régime d’utilisation : Il est précisé par la forme du courant (ou de tension) pour laquelle l’appareil est prévu.

Continu	Alternatif	Continu et alternatif

           b.      La tension d’isolement : Elle est inscrite dans une étoile. Elle indique la valeur maximale de la tension avec laquelle l’appareil à été testé sans subir de dommages. La valeur indiquée en kV. Si l’étoile ne porte aucun chiffre, cela indique que la tension d’isolement est de 500V. Par exemple :

   : tension d’isolement = 2 kV   ;    : tension d’isolement = 500 V

c.       Le mode de pose : qui indique la position d’utilisation de l’appareil :

                                                                 

      Horizontalement                    Verticalement              Obliquement.

d.      La classe de précision : peut être indiquée au-dessus du signe précédent ou du signe du régime d’utilisation (exemple précédent). Selon la classe les appareils sont :

Appareil	Étalon	De contrôle	industriel
Classe	0,1 et 0,2	0,5 et 1	1,5 et 2,5

Remarque : Si un appareil est utilisable en continu et en alternatif, classe est généralement plus grande en alternatif et celle-ci est le plus souvent indiquée en rouge.

e.       Le type de l’appareil : il est indiqué par un symbole conventionnel. Les principaux types sont les suivants :

Type de l’appareil	Symbole
Magnétoélectrique
Magnétoélectrique avec redresseur
Ferromagnétique
Electrodynamique
Thermique

f.       Le calibre : il indique la plus forte valeur mesurable par l’appareil.

1.2.            Les appareils magnétoélectriques

1.2.1.      Principe

L’élément de base des appareils de mesure à déviation (à aiguille) est le galvanomètre. Le galvanomètre à cadre mobile est dit magnétoélectrique ou mouvement d’Arsonval. Il est constitué d’une bobine monté sur un pivot baignant dans le champ magnétique d’un aimant fixe. Sur cette bobine est fixée l’aiguille de visualisation et un ressort chargé de rappeler l’équipage mobile dans la position indiquant le zéro. Le schéma de principe est donné par la figure suivante.

La bobine de faible impédance est branchée en série dans le circuit où circule le courant à mesurer. En présence du champ magnétique de l’aimant et du courant électrique qui la traverse, la bobine pivote sous l’effet des forces de Laplace.

1.2.2.      Propriétés

-          La déviation est proportionnelle au courant la graduation du cadran est linéaire.

-          Si on inverse le sens du courant, le sens de déviation s’inverse aussi. C’est pour cette raison qu’on dit que l’appareil est polarisé.

-          Cet appareil mesure la valeur moyenne du courant qui le traverse. Il n’est donc pas utilisé en courant alternatif.

-          En ajoutant un redresseur, on peut mesurer la valeur moyenne du courant sinusoïdal redressé. Dans le cas d’un courant sinusoïdal, cette valeur est :

      Dans ce cas l’appareil est gradué directement en valeur efficace souvent sur une deuxième échelle en rouge.

-          Cet appareil ne peut pas être utilisé en courant alternatif non sinusoïdal.

-          Par adjonction en série, on réalise un voltmètre.

-          Par adjonction de shunts (résistances en parallèle), on réalise un ampèremètre.

-          Il s’agit d’un appareil précis mais fragile et coûteux

1.3.            Les appareils ferromagnétiques

1.3.1.      Principe

Le schéma suivant illustre le principe de fonctionnement de l’appareil ferromagnétique à répulsion.

L’appareil comprend deux palettes en fer doux : l’une est solidaire de la bobine productrice du champ magnétique ; l’autre, mobile autour d’un axe, peut pivoter et entraîner l’aiguille devant le cadran. Lorsque la bobine est parcourue par le courant, les deux palettes s’aimantent avec les mêmes polarités. Il y a donc répulsion et déviation de la palette mobile.

Il existe une autre variante de ce type d’appareil dite à avalement. Elle comprend une seule palette qui s’aimante et se déplace sous l’action du champ de la bobine.

1.3.2.      Propriétés

-          La force de répulsion ou d’avalement est proportionnelle au carré de l’induction, donc aussi du courant. C’est pour cette raison que la graduation du cadran est quadratique (les graduations ne sont pas équidistantes).

-          Si le courant dans la bobine change de sens, l’induction est inversée mais les pôles des palettes de fer s’inversent en même temps. Le sens de répulsion ou d’avalement reste identique. Cet appareil convient donc pour la mesure des courants continus et/ou alternatifs quels que soient leur forme sinusoïdale ou non.

-          Comme la répulsion est proportionnelle au carré de l’induction, cet appareil est gradué directement en valeur efficace dans le cas de mesures en alternatif.

On rappelle que la valeur efficace se calcule comme suit :

-          Pour une bobine de gros fil comportant peu de spires, on fabrique alors un ampèremètre.

-          Pour une bobine de fil fin avec beaucoup de spires, on réalise un voltmètre.

-          Ces appareils sont sensibles au champ magnétique extérieur.

-          Ces appareils sont moins précis et consomment plus de puissance qu’un appareil magnétoélectrique.

-          Leurs principaux avantages sont leur out faible et leur robustesse.

1.4.            Les appareils électrodynamiques

1.4.1.      Principe

Le principe de ce type d’appareil est illustré par la figure suivante. On peut dire qu’il combine le principe des deux appareils précédents. Il est constitué d’une bobine fixe et d’une bobine mobile. Généralement, le bobinage fixe est traversé par l’intensité d courant à mesurer. La bobine mobile est alimentée par la tension à mesurer. L’action des flux produits par ces bobines crée un couple moteur proportionnel au flux de la bobine fixe et à l’intensité de la bobine mobile. La déviation est donc proportionnelle à la puissance. Ces appareils sont essentiellement des wattmètres. Le circuit courant (bobine fixe de gros fil) et le circuit tension (bobine mobile de fil fin) sont indépendants et accessibles par l’intermédiaire de 4 bornes.

1.4.2.      Propriétés

-          Si les bobines fixe et mobile sont raccordées en série, l’appareil est utilisé en ampèremètre.

-          Si les bobines sont raccordées en parallèle, l’appareil est utilisé en voltmètre.

-          Si les bobines sont indépendantes, l’appareil est utilisé en wattmètre.

-          L’appareil utilisé en courant alternatif dévie toujours dans le bon sens puisqu’à chaque changement d’alternance du courant, les flux s’inversent dans les deux bobines et le couple moteur garde le même sens. Il faut respecter les bornes d’entrée et de sortie des bobines pour des questions de déphasage.

-          En courant continu, il faut respecter des sens de courant convenables pour que la déviation se produise dans le sens convenable. L’appareil est donc polarisé en courant continu.

1.5.            Les appareils thermiques

1.5.1.      Principe

Dans ce type d’appareil (figure suivante), le courant à mesurer passe dans un conducteur tendu (alliage de platine et d’iridium). L’échauffement par effet joule (rI²) du conducteur produit un allongement qui est transformé en rotation de l’axe sur lequel est placée une aiguille indicatrice. Comme la déviation est proportionnelle au carré du courant, l’appareil mesure directement la valeur efficace d’une grandeur alternative. Dans certains appareils, l’échauffement du conducteur est détecté par un couple thermoélectrique qui alimente à son tour un appareil du type à cadre mobile.

1.5.2.      Propriétés

-          L’appareil fonctionne aussi bien en courant continu qu’en alternatif. Dans ce dernier cas, il affiche directement la valeur efficace.

-          Il peut fonctionner jusqu’à des fréquences élevées (10 MHz) et ce quelle que soit la forme du courant. Il est insensible au champ magnétique extérieur.

-          Il est sensible aux surcharges.

-          Etant basé sur un principe thermique, il est plus lent à réagir.

-          Il est sensible à la température extérieure et nécessite donc une compensation thermique lors de sa fabrication.

 1.6.            Utilisation des appareils analogiques magnétoélectriques

On considère ici les mesureurs usuels (voltmètre, ampèremètre, ohmmètre) réalisés à partir de l’appareil magnétoélectrique (mesure en courant continu). Le principe de réalisation reste le même pour les autres types d’appareils.

1.6.1.      Ampèremètre

L’appareil magnétoélectrique de base (galvanomètre ou mouvement d’Arsonval) ne permet de mesurer des courants intenses. Et il ne serait pas pratique de le construire avec une bobine à gros fil. On contourne la difficulté en plaçant en parallèle avec le galvanomètre un conducteur de très basse résistance appelé shunt. De cette façon, la plus grande partie du courant à mesurer passe par le shunt et une fraction constante du courant total est déviée dans l’instrument de mesure.

a.       Schéma de principe : Le schéma suivant illustre la réalisation d’un ampèremètre constitué d’un galvanomètre (milliampèremètre) en parallèle avec un shunt. Le galvanomètre a une résistance interne R_G. Son aiguille fait une déviation maximale lorsque R_G est parcourue par un courant I_G.

b.       Les shunts ampèremétriques  : La figure suivante montre deux shunts de 100 A et de 2000 A. ils sont constitués de deux blocs de cuivre portant des vis de serrage et reliés par plusieurs lames de manganine. Ce matériau est utilisé car sa résistance demeure rigoureusement constante quelle que soit la température.

c.       Chute de tension : Traversé par un courant I, l’ampèremètre provoque une chute de tension  aux bornes u = r_a×I. La résistance interne (constitué de l’ensemble bobine et shunt) dépend du calibre. Le constructeur fournit la chute de tension maximale pour chaque calibre.

d.       Construction d’un ampèremètre à plusieurs calibres

Pour obtenir plusieurs calibres (gammes de mesures), on commutera plusieurs shunts. Deux montages sont possibles :

       -  Soit on commute les shunts avec un commutateur comme le montre la figure suivante:

       -  Soit on utilise le montage suivant dit à shunt universel.

1.6.2.      Voltmètre

a.  Schéma de principe : On obtient un voltmètre en plaçant une résistance élevée en série avec un galvanomètre (milliampèremètre) comme le montre la figure suivante.

b.       Résistances additionnelles : Intégrées à l’appareil, elles permettent d’avoir plusieurs calibres. Parfois, pour des tensions élevées, le constructeur prévoit des résistances extérieures.

c.   Résistance spécifique : La résistance interne R_v du voltmètre dépend du calibre choisi. Le constructeur donne alors la résistance spécifique S (en Ω/V). la résistance correspondant à un calibre déterminé U_m est :

Le courant maximal consommé pour un calibre donné est :

Les résistances spécifiques des voltmètres analogiques s’échelonnent de 1000 Ω/V à 200 kΩ/V.

d.       Construction d’un voltmètre à plusieurs calibres

      Pour obtenir plusieurs calibres (gammes de mesures), on commutera plusieurs résistances additionnelles. La commutation peut se faire de deux manières différentes :

- Soit par un commutateur:

- Soit par déplacement de la connexion:

1.6.3.      Ohmmètre

      Un ohmmètre analogique peut être construit à partir d’un milliampèremètre en série avec une résistance et une source de tension continue comme le montre le schéma suivant. 

L’échelle est calibrée de 0 à l’infini. Lorsque les deux bornes sont court-circuités, l’appareil est réglé pour indiquer la valeur zéro. Lorsqu’aucune résistance n’est connectée, aucun courant ne circule et l’aiguille est à sa position extrême indiquant une valeur infinie.

2.     Les appareils numériques

2.1.            Définition

Les appareils de mesure numériques sont des dispositifs utilisant des circuits de l’électronique (convertisseurs, amplificateurs, compteurs,…). Une source de tension continue est nécessaire pour faire fonctionner ces circuits.

Les appareils les plus courants permettent de faire des mesures de différentes grandeurs : tension, courant, résistance, capacité, fréquence, période,…

2.2.            Vocabulaire propre aux appareils numériques

-          Nombre de points : il correspond au nombre de valeurs distinctes que peut afficher l’appareil dans une gamme de mesure (exemple : un appareil à 4 afficheurs a un nombre de points égal à 10⁴).

-          Digit : Il désigne le dispositif qui affiche tous les chiffres  de 0 à 9 de même poids dans un nombre.

-          Résolution : C’est la plus petite variation de la valeur  affichée (exemple : un appareil de 10000 points utilisé sur le calibre 1000V a une résolution de 0,1 V).

-          Cadence de lecture : Elle indique le nombre de mesures qu’effectue l’appareil en une seconde.

-          Réjection des interférences : Elle caractérise l’affaiblissement par l’appareil des signaux parasites issus du secteur.

2.3.            Principe de fonctionnement

Le schéma suivant présente l’organisation d’un appareil de mesure numérique.

La première étape consiste à convertir la grandeur x à mesurer (tension, courant,  résistance, fréquence,…) en une tension continue u à l’aide d’un circuit convertisseur ou de mise en forme. Cette tension est ensuite amplifiée (ou atténuée selon le cas) de manière à exciter convenablement les circuits de calcul. La tension obtenue est numérisée au moyen d’un convertisseur analogique/numérique (CAN). Enfin, le circuit d’affichage permet de convertir le mot binaire issu du CAN en une valeur lue.

2.4.            Conversion de la grandeur à mesurer en une tension

Dans le cas ou le signal étudié n'est pas une tension, on va dans un premier temps le convertir en une tension qui lui est proportionnelle.

2.4.1.      Cas d’un courant 

Le principe consiste à mesurer la tension aux bornes d'une résistance connue, traversée par le courant à mesurer. Cette résistance doit être le plus faible possible pour ne pas perturber le circuit étudié.

2.4.2.      Cas d’une résistance

Le principe de l'ohm-mètre, consiste à faire circuler un courant constant connu dans la résistance à mesurer. On mesure alors la tension entre ses bornes.

2.5.            Obtention de la valeur moyenne

Le principe consiste à filtrer le signal pour ne conserver que sa composante continue. Le principal problème sera de réaliser un filtre suffisamment sélectif pour éliminer intégralement la partie variable du signal. Le schéma fonctionnel est donné par la figure suivante.

2.6.            Obtention de la valeur efficace

On distingue deux types d'appareils :

-          Les appareils qui donnent la valeur efficace pour des tensions sinusoïdales seulement.

-          Les appareils qui déterminent la vraie valeur efficace (True RMS) quel que soit la forme de la tension.

2.6.1.      Obtention de la valeur efficace pour des tensions sinusoïdales

Le signal à l'entrée de l'appareil est redressé puis filtré à fin d'obtenir la valeur moyenne du signal redressée. La valeur obtenu est multiplié par un coefficient constant (K=1,11 pour le redressement à double alternance ou K=2,22 pour le redressement à simple alternance) puis envoyé vers le bloc d'affichage selon le schéma fonctionnel suivant.

En pratique, les appareils de ce type ne donnent une valeur efficace que pour des signaux sinusoïdaux sans composante continue. Ils sont principalement utilisés pour faire des mesures sur le réseau électrique à 50 Hz.

2.6.2.      Obtention de la vraie valeur efficace (TRMS)

Dans ce type d'appareils on réalise chacune des étapes permettant de calculer la valeur efficace d'après sa définition.

Le schéma de principe de ces appareils est donné par la figure suivante.

En pratique on utilise très souvent le circuit intégré de mesure de la valeur efficace vraie, le AD636 de « Analog devices ».