1-GENERALITES:

La mesure joue un rôle de plus en plus important dans les domaines électriques et électroniques. On mesure avec pour but :-La vérification expérimentale d'un circuit ;-La modélisation, la mise au point ou le dépannage d'un montage ;

-La certification d'un procédé ou d'un produit, dans le domaine industriel ;

-La maintenance ou la réparation d'un dispositif électrique ou électronique.Dans le domaine électrique et électronique, on utilise plusieurs types d'appareils de mesure, tels que :

-Le voltmètre ( analogique et numérique) pour mesurer des tensions ;

-L'ampèremètre, pour mesurer des intensités ;

-Le wattmètre pour mesurer des puissances ;

-L'ohmmètre pour mesurer des résistances etc...

Le voltmètre, ampèremètre et ohmmètre sont souvent regroupés en un seul appareil qui s'appelle multimètre.

Le multimètre possède, en outre, dans la plus part des cas, un testeur de composants ( diodes et transistors ). Certains modèles sont dotés d'un capacimètre ( pour mesurer des capacités), d'un fréquencemètre, etc...

Compte tenu des difficultés spécifiques soulevées par la mesure de l'intensité dans un circuit, dés que l'ampérage dépasse quelques dizaines d'ampères, on utilise la pince ampèremétrique.

Parmi les autres appareils de mesure couramment utilisés par l'électricien ou électronicien, on doit mentionner l'oscilloscope, qui permet de visualiser la forme d'une onde et d'obtenir de nombreux renseignements ( amplitude, période,etc...).

2-POURQUOI MESURER ?

La mesure reste bien souvent, le seul moyen de vérifier le fonctionnement ou les performances d'un procédé industriel, grâce à des appareils de mesure très performants.

Il faut savoir que les laboratoires disposent maintenant d'appareils extrêmement sophistiqués, pilotés par ordinateurs. Par exemple on peut mesurer simultanément plusieurs paramètres d'un véhicule en marche à l'aide d'une unité d'acquisition reliée à un ordinateur.

3-LES GRANDEURS ELECTRIQUES ET LEURS UNITES.

Les principales grandeurs électriques qu'un électrotechnicien est amené à mesurer sont les suivants :

-La tension, ou ddp entre deux points ;

-L'intensité d'un courant dans une branche ;Chapitre 1

-La résistance d'un récepteur ;

-La capacité d'un condensateur ;

-La puissance dissipée dans un circuit ;

-La fréquence et la période d'un signal.

Les grandeurs et unités de base dans le système international sont donnés par le tableau suivant ( voir tableau 1).

Tableau 1: Grandeurs et unités de base

Les différentes unités peuvent être subdivisées en multiples et sous multiples ( voir tableau 2). 

Tableau 4: Equivalence des unités anglo-saxonnes

GENERALITES SUR LES APPAREILS DE MESURE

I-LES APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES:

Un appareil de mesure comprend généralement un ou plusieurs inducteurs fixes ( aimant permanant ou électroaimant) agissant sur un équipage à cadre mobile autour d'un axe fixe.I-1- Classifications des appareils à déviation :La classification usuelle des appareils à déviation utilise la nature du phénomène physique qui régit le fonctionnement de l'appareil. On distingue plusieurs types d'appareils, dont les principaux types sont :

L'inducteur fixe est un aimant fixe en forme de U, la déviation de l'aiguille est proportionnelle au courant moyen qui traverse une bobine placé à l’intérieur du champ magnétique crée par l'aimant fixe.  

Le principe de fonctionnement d'un appareil ferromagnétique est basé sur l'action d'un champ créer par un circuit parcouru par un courant sur une ou plusieurs pièces de fer doux et dont certaines sont mobiles. On distingue deux types d'appareils : à attraction ou à répulsion. 

 Pour le type d'appareil à attraction, le principe utilisé est l'action magnétique produite par une bobine fixe traversée par un courant sur une palette en fer doux ( organe mobile ) montée sur deux pivots. Cet équipage mobile est muni d'une aiguille et d'un dispositif d’amortissement .

Pour le type d'appareil à répulsion, le champ magnétique créer par la bobine fixe agit sur deux palettes placées dans ce champ qui subissent une aimantation de même sens. La répulsion des deux palettes fait dévier l'aiguille.Un appareil ferromagnétique est très simple à construire, robuste, utilisable en courant continu et en alternatif. La graduation de son échelle est non linéaire. 

Un appareil électrodynamique est formé principalement par un circuit fixe ( généralement deux demi bobines ) créant un champ magnétique à l’intérieur du quel se déplace un cadre mobile de faible inertie monté sur deux pivots et entraînant une aiguille.

Les appareils électrodynamiques sont non polarisés. Ils sont utilisables en courant continu et en courant alternatif. Ils sont généralement utilisable pour la fabrication des wattmètres 

Ce type d'appareils est caractérisé par une force exercée par l'armature fixe d'un condensateur sur son armature mobile. Ce type d'appareils est toujours utilisée en voltmètre. Lorsqu'on applique une tension entre les deux plaques de cet appareil, l'une se charge positivement et l'autre négativement, ce qui produit une force d'attraction qui tend à faire tourner la plaque mobile qui est solidaire d'une aiguille. Ils sont utilisables en courant continu et en courant alternatif et possèdent une échelle non linéaire.

Le principe de fonctionnement de ce type d'appareils est basé sur la dilatation d'un fil conducteur qui s'échauffe lors du passage d'un courant électrique d'intensité I. Cet effet est la conséquence directe de la puissance dissipée par effet joule dans le fil à dilatation.

 Le fil à dilatation utilisée est généralement en bronze ou un alliage platine et argent.Le appareils thermiques sont non polarisés, utilisable en courant continu et en courant alternatif 

I-2- Symboles portés sur les cadrants des appareils de mesure analogiques :

Sur le cadrant d'un appareil de mesure analogique, le constructeur indique souvent , le type d'appareil, la nature du courant, la tension d 'épreuve diélectrique, la position de lecture, la classe de précision, la sensibilité etc...Dans le tableau 5, on résume les principaux symboles trouvés pour la plus part des appareils :

Tableau 5 : Principaux symboles portés sur le cadrant d'un appareil de mesure analogique

I-3- Sécurité des appareils de mesure :

Les appareils de mesure doivent être conformes aux normes de sécurité qui leur sont applicables et doivent porter le marquage CE qui atteste la conformité à la directive CEM et à la directive basse tension. Le marquage de l'appareil doit comporter :

  la valeur assignée de la tension phase - neutre,

  la catégorie d'installation,

  le degré de pollution.

CEM: signifie compatibilité électromagnétique.

Exemple :

Figure 1:  faces avant et arrière d'un multimètre 

L'appareil de l'exemple précédent est conforme à la norme IEC 1010 avec 

double isolation 

degré de pollution 2,

tension phase - terre 600 V.

II-LES APPAREILS DE MESURE NUMERIQUES:

II-1- Schéma synoptique d'un appareil de mesure numérique :

Le schéma synoptique général d'un appareil de mesure numérique est donnée par le schéma fonctionnel suivant : 

II-2- Vocabulaire propre aux techniques numériques :

Les appareils de mesure numériques sont de plus en plus utilisés du fait de leur fiabilité, leur précision, leur robustesse et leur facilité de lecture. Ils sont aussi de moins en moins onéreux et deviennent même compétitifs avec les appareils analogiques de bas de gamme. Les principaux définitions utilisées par les constructeurs des appareils numériques sont :

  Information: Ce terme désigne la donnée physique à l'entrée de l'appareil

  Signal: C'est la grandeur électrique ( courant ou tension) image de l'information.

  Capteur: C'est le dispositif qui saisit l'information et la transforme en un signal exploitable par l'appareil de mesure. ( exemple : le microphone est un capteur qui transforme le son en un signal électrique )

  Nombre de points: ( N ) 

 Il correspond au nombre de valeurs différentes que peut afficher l'appareil dans une gamme de mesure ( exemple : pour un appareil à 4 afficheurs, le nombre de points de mesure est N = 10 puissance 4).

  Pas de quantification: ( q ) la plus petite valeur différente de 0 dans la gamme de mesure ( exemple : pour un appareil de mesure à 4 afficheurs, utilisé dans la gamme de 10 V, le pas de quantification est q = 10/N = 1 mV ).

  Digit: Désigne le dispositif qui affiche tous les chiffres de 0 à 9 de même poids dans un nombre.  

II-3- Vocabulaire propre aux techniques numériques :

  Résolution: C'est la valeur du pas de quantification dans la gamme. Elle correspond à la plus petite variation de la valeur de la grandeur que l'appareil peut détecter dans une gamme. Résolution = gamme de mesure / nombre de points N. ( Exemple : la résolution d'un appareil de 100000 points dans la gamme de 1 V est égale à 10 V.

  Précision: La précision d'un appareil dépend de la résolution de l'appareil, de la qualité des composants, la précision des références de tension et de temps etc... La précision d'un appareil numérique est généralement donnée en pourcentage de la lecture pour chaque gamme. Cette précision peut être très grande pour certains appareils ( exemple 0.0005% pour le modèle 7075 d'Enertec Schlumberger pour la gamme de 10 V). Les appareils portatifs courants ont des précisions variant de 0.1% à 1% de la lecture suivant la gamme et la grandeur mesurée, et dans la plus part des cas à une ou deux unités ( ou digits) prés. ( Exemple : gamme 2 V ; Résolution 1 mV ; précision plus ou moins 0.1% + 2 dgt ; lecture 1V. La précision de cette mesure sera plus ou moins 0.1%*1V + 2*1mV = 3 mV ).Choix de la gamme de mesure Circuit de mise en forme Convertisseur Analogique /Numérique Décodage et affichage Grandeur à mesurer

  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. Ils fausseraient la mesure s'ils n'étaient pas filtrés.I

II-COMPARAISON ENTRE LES APPAREILS NUMERIQUES ET ANALOGIQUES:

Les appareils numériques sont de plus en plus utilisés. Ils ne faut pas s'imaginer que les appareils analogiques vont disparaître complètement. Dans la pratique, le technicien aura à sa disposition durant plusieurs années les deux types d'appareils. En général leur coût est moins élevé que celui de leurs homologues numériques. Enfin un certains nombre d'utilisateurs préfèrent l'affichage par aiguille que par valeur numérique.

LES APPAREILS A DEVIATION EN COURANT CONTINU ( LES APPREILS MAGNETOELECTRIQUES)

I-PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :

Le principe de fonctionnement d'un appareil magnéto-électrique est basé sur les forces agissant sur un conducteur porteur de courant et placé dans un champ magnétique B uniforme. 

Un conducteur parcouru par un courant I, crée autour de lui un champ magnétique dont les lignes sont circulaires et concentriques. 

Figure 3: lignes de champ crées par un conducteur parcouru par un courant rentrant 

Champ magnétique uniforme créer par un aimant en U. Les lignes de champ sont rectilignes et dirigés du pole nord vers le pole sud. 

Figure 4: lignes de champ magnétique crées par un aimant en forme de U 

Superposition du champ magnétique du conducteur avec celui de l'aimant : - Au dessus du conducteur, les lignes de champ ont la même direction, et par conséquent la densité du flux F augmente. - Au dessous du conducteur, les lignes de champ sont opposées, et par conséquent la densité du flux diminue.

Figure 5: Force agissant sur un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique uniforme B

Le fil conducteur, porteur de courant I, qui est placé dans un champ magnétique uniforme est soumis à une force F = B.I.l avec 

 I : Intensité du courant dans le fil conducteur.[A]

 l : longueur du fil conducteur qui règne dans le champ magnétique B.[m] 

 B : Intensité du champ magnétique créer par l'aimant.[T] 

Lorsqu'on place deux conducteurs ( deux cotés d'une boucle ) F porteurs d'un même courant, dans un champ magnétique B uniforme , il y a apparition de deux forces directement opposées F et distante d'une distance d dont le couple mécanique est : 

C = F.d = B.I.l.d 

 Si la boucle comporte N spires, alors    C = N. B.I.l.d 

Figure 6: couple mécanique généré par un courant électrique

Si on associe à ce dispositif une aiguille , un ressort spiral de rappel et une échelle graduée , on obtient un appareil de mesure élémentaire dont la déviation de l'aiguille est proportionnelle au courant qui traverse la bobine ( boucle à N spires ) appelé équipage à cadre mobile ( ECM). 

II-SCHEMA EQUIVALENT D'UN EQUIPAGE A CADRE MOBILE

Si on note 

  Ig : Le courant maximal qui fait dévier l'aiguille de l'ECM à sa pleine échelle.

  Rg : résistance totale de la bobine à N spire .On peut modéliser un équipage à cadre mobile ( ECM ) suivant le schéma simplifiée suivant :

Figure 7: Schéma équivalent d'un ECM 

I = Ig si l'aiguille de L'ECM dévie à sa pleine échelle 

III-CARACTERISTIQUES DES APPREILS MAGNETO-ELECTRIQUES

Les appareils magnéto-électriques ne sont utilisables qu'en courant continu. En effet, en courant alternatif et pour des fréquences dépassant quelques dizaines de Hz , l'inertie de l'équipage mobile est trop grande pour que celui ci suit les variations du coupe mécanique exercé sur la bobine.-Les appareils magnéto électriques sont des appareils polarisées.-Les appareils magnéto électriques ont des graduations d'échelle linéaires.-Le champ magnétique créer par l'aimant permanent est important, ce qui rend l'effet des champs magnétiques externes et négligeables

IV-UTILISATION DES APPAREILS MAGNETO-ELECTRIQUES

La plus part des appareils magnéto-électriques est utilisés en : Ampèremètres, voltmètres et ohmmètres

IV-1- Utilisation en ampèremètres :

L'ECM est un ampèremètre qui mesure des courants inférieurs à Ig. Ce courant Ig est limité par les dimensions de la bobine et du ressort de rappel. Pour obtenir un ampèremètre qui mesure des courants supérieurs à Ig, on lui adjoint des résistances additionnelles ( appelées shunts ) en parallèle avec l'ECM, qui doivent être précises et assez faibles.

Deux cas de figures sont possibles :

Figure 8: Schéma de principe d'un ampèremètre multigamme à deux calibres.

En écrivant la loi d'ohm entre les deux bornes de l'appareil pour chaque calibre , on peut calculer les valeurs de R1 et R2. 

En effet : 

Figure 9: Schéma de principe d'un ampèremetre universel à deux calibres.

Les résistances R1 et R2 sont déterminées en écrivant la loi d'ohm entre les bornes d'utilisation de l'appareil. En effet : 

La caractéristique principale d'un ampèremètre est la chute de tension que peut introduire dans un circuit. Un ampèremètre est aussi caractérisé par sa résistance interne notée Ra. 

 En pratique on doit choisir un ampèremètre dont sa résistance Ra est beaucoup plus faible que l'impédance du circuit de mesure. 

IV-2- Utilisation en voltmètres :

Un ECM seul est un voltmètre qui mesure des tensions inférieurs à Rg.Ig. Pour obtenir un voltmètre qui mesure des tensions supérieurs à Rg.Ig, on doit ajouter des résistances additionnelles en série qui doivent être assez grandes, insensibles aux variations de la température ambiante. Ces résistances sont généralement fabriquées en manganite ou en constantin.

Deux cas de figures sont possibles

Figure 10: Schéma de principe d'un voltmètre multigamme à deux calibres.

Les résistances R1 et R2 sont déterminées en écrivant la loi d'ohm entre les bornes d'utilisation de l'appareil. En effet : 

Les résistances R1 et R2 sont déterminées en écrivant la loi d'ohm entre les bornes d'utilisation de l'appareil. En effet : 

La caractéristique principale d'un voltmètre est la chute de courant que peut introduire dans un circuit. Un voltmètre est aussi caractérisé par sa résistance interne notée Rv. 

En pratique, on doit choisir un voltmètre dont sa résistance interne Rv est beaucoup plus élevée que l'impédance du circuit aux bornes du quel il est branché.

IV-3- Utilisation en ohm-mètre :

Un ohm-mètre mesure la résistance d'un circuit ou d'un composant. Le schéma simplifié d'un ohm-mètre est constitué par une pile qui fournit le courant à la résistance à mesurée à travers l'ECM, selon la figure 11

Avant de mesurer Rx, il faut :

  débrancher toute source de tension,

  déconnecter le composant dont on veut mesurer sa résistance Rx,

  mettre les deux bornes de l'appareil en court circuit, afin d'obtenir une déviation pleine échelle,

  enlever le court circuit,

connecter la résistance Rx ( à mesure ) entre les bornes de l'ohm-mètre et lire la déviation de l'aiguille.

La résistance Rx est inversement proportionnel au courant I qui circule dans l'ECM, de ce fait l'échelle de l'ohm-mètre est donc non linéaire et une faible résistance conduit à un déplacement maximale de l'aiguille de l'ECM

IV-4- Utilisation en multimètre :

Dans un multimètre, qui combine plusieurs fonctions ( ampèremètre, voltmètre, ohm-mètre ) en un seul, le passage d'une fonction à l'autre se fait en agissant sur un commutateur pour sélectionner la fonction et le calibre désiré.

Actuellement, pour la plus part des applications, les appareils à aiguilles ont été supplantés par des appareils à affichage numérique, généralement moins chers, plus robustes et plus précis. Ceux ci ne sont pas basés sur un équipage à cadre mobile (ECM), mais sur des circuits électroniques comportant des composants permettant une mesure directe de différence de potentiel. Les autres échelles ( ampèremètres et ohmmètres ) sont obtenus à partir de ce voltmètre par des opérations analogues à celles à base de l'ECM. 

LES APPAREILS DE MESURE EN COURANT ALTERNATIF

I-PARAMÈTRES CARACTÉRISTIQUES D'UN SIGNAL ALTERNATIF :

Un signal alternatif est caractérisé par sa forme ( sinus, carré, dent de scie,...), sa période ( fréquence ou pulsation ) et son amplitude. On peut aussi attribuer à un signal alternatif, deux autres paramètres, qui sont : valeur moyenne et valeur efficace.

I-1- Valeur moyenne :

La valeur moyenne d'un signal périodique s(t) est définie par :

Figure 15: signal sinusoïdal redressé double alternance 

I-2- Valeur efficace :

 La valeur efficace Seff d'un signal périodique s(t) est définie de la façon suivante :

Il s'agit du racine carré de la valeur moyenne du carré du signal ( RMS : Root Mean Square )

La valeur efficace étant liée aux effets énergétiques, en effet, elle représente la valeur de la même grandeur en courant continu qui à les mêmes effets énergétiques que le signal alternatif pendant la même durée.

Exemples : 

II-LES APPAREILS MAGNÉTOÉLECTRIQUES EN COURANT ALTERNATIF 

D'après le principe de fonctionnement de ces appareils, le dispositif qui fait dévier l'aiguille est sensible à la composante continue du signal. La déviation de l'aiguille de ces appareils est proportionnel à la valeur moyenne du signal.

On peut schématiser ce type d'appareils par le schéma synoptique suivant

Figure 19: schéma synoptique d'un appareil magnétoélectrique en courant alternatif

III-LES APPAREILS MAGNÉTOÉLECTRIQUES AVEC REDRESSEUR.

Le symbole de la diode , caractérise l'existence d'un montage redresseur à l'intérieur de l'appareil de mesure. Ce type d'appareils, réalise le redressement du signal à mesurer ( redressement simple alternance ou double alternance), puis l'aiguille dévie proportionnellement à la valeur moyenne du signal redressé. Le dispositif magnétoélectrique mesure la valeur moyenne du signal mesuré .Comme en courant alternatif, on a besoin souvent de la valeur efficace du signal mesuré. Les fabricants de ce type d'appareils, utilisent un facteur correctif dans les graduations de l'échelle de l'appareil pour avoir une correspondance entre la valeur mesurée par le dispositif et la valeur que doit lire l'utilisateur, en effet

IV-LES APPAREILS FERROMAGNÉTIQUES :

En se basant sur le principe de fonctionnement de ce type d'appareils, on remarque que la déviation de leurs aiguilles est rigoureusement proportionnelle à la vraie valeur efficace de la grandeur mesurée. Ce type d'appareils est classé en appareils TRMS ( True RMS ) quelque soit la forme du signal mesuré.

La déviation de l'aiguille est proportionnelle à la vraie valeur efficace du signal mesuré, donc l’échelle de ce type d'appareils est non linéaire.

V-PRINCIPE DES MULTIMÈTRES A AFFICHAGE NUMÉRIQUES :

La plus part des multimètres numériques, peuvent permettre de mesurer des intensités et des tensions ( moyennes et efficaces ) ainsi que des résistances, mais dans tous les cas, le système va dans un premier temps transformer l'information ( tension, intensité ou résistance ) en une tension, transformée par la suite en tension continue. Cette dernière sera numérisée au moyen d'un convertisseur analogique- numérique ( CAN) en un mot binaire. Un circuit électronique, convertit ce mot binaire en une valeur lue.

V-1- Conversion du signal mesuré en 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.

 cas d'un courant: Le principe consiste à mesurer la tension aux bornes d'une résistance connue, traversée par le courant à mesuré. Cette résistance doit être le plus faible possible pour ne pas perturber le circuit étudié. Le circuit électronique qui permet de faire cette conversion est donné par la figure suivante ( figure 22).