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Les Appareils de mesure:

(Chapitre 7 de la seconde partie de l'examen radio-amateur)

-1: Présentation 

-2: Les principes des appareils de mesure

-3: Mesures en courant continu:

        -3.1: Transformation d'un galvanomètre en voltmètre, ampèremètre ou ohmmètre

        -3.1.1: Construction d'un voltmètre

         -3.1.2: Construction d'un ampèremètre

         -3.1.3: Construction d'un ohmmètre simplifié

 

Définitions:

Un appareil de mesure est un appareil qui permet d'obtenir des informations avec plus ou moins de précision sur une grandeur physique que l'on souhaite connaître, comme par exemple la puissance d'une source (watt) ou la fréquence d'un signal (hertz).

Un appareil de mesure est caractérisé par sa fonction (la grandeur mesurée: voltmètre, fréquencemètre,...), par sa précision (en %), mais aussi par son influence sur la grandeur mesurée  (consommation, impédance). Un bon appareil de mesure doit être précis mais aussi ne pas modifier la grandeur mesurée.

Dans le cas de mesure de très grande précision, l'influence de l'appareil doit être prise en compte.

D'après les Normes Françaises, (NF C03-208), un appareil de mesure est représenté dans les schémas électriques ou électroniques par un cercle, à l'intérieur duquel est placé la lettre qui caractérise la grandeur mesurée:

 

Certains appareils complexes comme un multimètre ou un oscilloscope n'ont pas vraiment de représentation normalisée.

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Mesures en courant continu:

Certains de principes des appareils, décrits plus loin, sont liés au sens du courant. Un galvanomètre magnéto-électrique est dit polarisé car suivant le sens du courant, l'aiguille dévie dans un sens ou dans l'autre. Par contre, l'allongement du fil chauffé est indépendant du sens du courant ou l'échauffement d'un thermocouple est aussi indépendant du sens du courant. Ces deux derniers appareils ne sont pas polarisés.

Transformation d'un galvanomètre en Voltmètre, Ampèremètre ou Ohmmètre:

L'utilisation d'une des principes de fonctionnement décris plus loin (magnéto électrique, dynamique, ferrodynamique) permet de réaliser un galvanomètre. C'est un "moteur" qui permet de faire dévier une aiguille sur un cadran gradué proportionnellement à un courant ig. Le courant ig et la résistance Rg du moteur sont des paramètres de construction. Le courant ig est souvent de l'ordre de quelques dizaines de microampères et la résistance Rg de quelques centaines d'ohms. L'ajout de composants externes est nécessaire pour réaliser un voltmètre, un ampèremètre ou un ohmmètre.

Mesures de tension continue et de courant continu:

Pour commencer par le plus simple, un  courant se mesure avec un ampèremètre et une tension se mesure avec un Voltmètre. Un multimètre (ou contrôleur universel) est un appareil qui réuni plusieurs fonctionnalités en un seul appareil comme Voltmètre, ampèremètre, ohmmètre, capacimètre, etc.. Bien souvent, une seule fonction ne peut être utilisée qu'à la fois.

Le voltmètre mesure une tension ou différence de potentiel, il est placé en dérivation (en parallèle) de la tension à mesurer. Pour fonctionner, il dérive un petit courant (sa consommation) qui doit toujours être négligeable pour éviter d'influencer le circuit mesuré.

Exemple: si un voltmètre doit dériver ig = 10μA pour dévier au maximum et qu'il est en dérivation d'un circuit où il circule I = 1 A , le courant du circuit passera de 1 A à 0,999 990 A. La variation est négligeable.

Si ce même voltmètre est placé en dérivation d'un circuit où il passe I = 1mA, le courant passera de 1mA à 0,990 mA. C'est encore faible, mais déjà moins négligeable.

 Transformation  d'un galvanomètre en ampèremètre, voltmètre ou ohmmètre:

L'utilisation d'un des principes décrits plus loin permet de réaliser un "moteur" (galvanomètre) dont les caractéristiques de construction sont le courant ig (pour la déviation maximum) et la résistance Rg de l'ensemble mobile. L'ordre de grandeur de ces paramètres  sont pour ig de quelques dizaines de micro-ampères et pour Rg de quelques centaines d'ohms.

Industriellement, les galvanomètres sont construits pour avoir des caractéristiques connues comme par exemple: 100μA pour la déviation maximum, 1000 ohms de résistance interne Rg soit une différence de potentiel de 0,1 volt aux bornes de ce galvanomètre.

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Construction d'un voltmètre:

La construction d'un voltmètre à partir de ces valeurs exige la mise en série d'une résistance (dite additionnelle) pour s'adapter à la tension à mesurer.

 Exemple:

Question d'examen:

Soit à construire un voltmètre capable de mesurer une tension de 100 volts en peine échelle (déviation maximum).

Schéma de réalisation:

 

La résistance additionnelle aura 100v - 0,1 volt à ses bornes (soit 99,9 volts) et elle sera traversée par le courant ig du galvanomètre soit 100μA. Elle aura donc pour valeur:

Ra= 99,9/100 .10-6

soit 999 000 ohms

Remarque: Une fois construit la résistance totale de l'appareil fera: 999 000 + 1 000 = 1 000 000 ohms pour le calibre de 100v soit 10 000 ohm/volt. Cette caractéristique indique une certaine qualité de l'appareil. Plus cette résistance par volt sera élevée moins le voltmètre dérivera de courant et donc moins il influencera le circuit sur lequel il sera branché.

Un très bon voltmètre pourra faire 100 000 ohms/volt. Un voltmètre dit électronique peut faire 1 000 000 d'ohms/volt (1MΩ/v). Actuellement, les voltmètres ont une résistance interne constante de 100 MΩ quelque soit le calibre du fait d'une conception différente.

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Construction d'un ampèremètre:

La construction d'un ampèremètre nécessite la mise en place d'une résistance en parallèle, dite shunt, avec le galvanomètre pour dériver le surplus de courant.

Question d'examen:

Soit à construire un ampèremètre de calibre 1 A à partir du galvanomètre décrit plus haut (100 μA, 0,1v, 1 000 Ω).

Schéma de réalisation:

 

La résistance du shunt aura la même tension à ses bornes que le galvanomètre, soit 0,1 volt. Elle sera parcouru par le courant Is = I - Ig soit 1A - 100μA = 0,999 900 A

La valeur de la résistance du shunt sera donc de 0,1/ 0,999 9 = 0,100010001 Ohm

soit (≈ 0,10001 Ω)

C'est une valeur précise, on ne peut pas s’accommoder d'une valeur trop approchée.

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Construction d'un Ohmmètre (principe simplifié):

Un Ohmmètre est construit à partir d'un ampèremètre mis en série avec une pile (générateur de tension continue) et une résistance de réglage du courant maximum, suivant le schéma suivant:

 

 L'étalonnage de l'appareil consiste à mettre les deux bornes en court-circuit (Rx = 0) et de régler P pour obtenir la déviation maximum sur le galvanomètre. L'échelle indiquera 0 ohm.

En intercalant la résistance Rx à mesurer, le courant mesuré diminue suivant une loi mathématique définie par:

La valeur de la résistance est alors donnée par:


 

L'échelle de l'appareil est graduée en conséquence et la lecture s'effectue très simplement. Remarquez l'échelle graduée de la droite vers la gauche.

 

 

 

Un ohmmètre électronique plus récent est construit différemment. Le générateur de tension est remplacé par un générateur de courant constant. Une fonction "voltmètre" mesure la tension aux bornes de la résistance et indique directement la valeur de la résistance.

 

 

 

Ce principe est aussi utilisé pour la fonction "diode". Un courant constant, généralement 1 mA, parcourt la diode (en direct!!) et la fonction "voltmètre" mesure la tension aux bornes de la diode.

 

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Les mesures en courant alternatif sinusoïdal:

Pendant longtemps, pour leur linéarité, leur précision et leur sensibilité, les galvanomètres magnéto-électriques étaient utilisés pour réaliser les voltmètres et ampèremètres. Mais ils sont polarisés. Il est donc nécessaire d'ajouter un redresseur pour les utiliser en alternatif. Il est aisé de montrer que dans ce cas, la déviation de l'appareil est liée à la valeur moyenne du signal. Une correction de l'échelle est alors nécessaire (échelle différente en continu et en alternatif). Plus précisément, cette correction est faite pour un courant alternatif sinusoïdal.

Redressement une alternance:

 

La tension aux bornes du galvanomètre a cette forme:

 

La valeur moyenne est donnée par :

Vmes = Vmax/π

Redressement deux alternances:

 

 La tension aux bornes du galvanomètre a cette forme:

 

 La valeur moyenne indiquée par le galvanomètre est:

Vmes= 2xVmax/π

Dans ces deux cas, c'est l'inertie mécanique du galvanomètre qui permet la mesure de la valeur moyenne de la tension.

 

 

 

Quelques principes utilisés:

- le fil chauffant (n'est plus utilisé depuis longtemps)

Le courant électrique parcourant un conducteur l'échauffe par effet Joule, le conducteur s'allonge. L'allongement est plus ou moins proportionnel au courant qui traverse le conducteur.

L'allongement étant proportionnel à la température du fil, l'appareil mesure donc une valeur efficace quelque soit la forme du signal.

- Le thermocouple:

C'est une "variante" du fil chauffant. Le fil parcouru par le courant à mesurer est thermiquement lié à un thermocouple.

                       

 

Le thermocouple est un ensemble de deux métaux différents liés par une soudure. La température provoque alors une différence de potentiel mesurable par un appareil sensible comme un galvanomètre (voir plus loin). En réalité, la différence de potentiel existe entre la soudure chaude et la soudure froide qui sert de référence.

 

 

Exemple de thermocouple Guerpillon TC101

- Le galvanomètre magnéto-électrique (effet "boussole qui perd le nord")

doc Pierron

 

Dans les premières expériences sur les piles électriques, Volta met en évidence l'action d'un courant électrique  sur une aiguille aimantée. Le passage du courant dans un conducteur placé près d'une aiguille aimantée la fait quitter sa position tournée vers le nord. Le sens du courant agit sur le sens de déplacement de l'aiguille.

 

 

La mise en œuvre de se principe s'appelle galvanomètre magnéto-électrique ou à cadre mobile.

 

Le courant à mesurer est amené par des ressorts spiraux (S) dans un cadre mobile (B) monté sur pivots (P). Une aiguille (G) solidaire de l'axe du cadre se déplace sur un cadran gradué (C). Le cabre mobile est monté dans l'entrefer d'un aimant permanent (A). Le courant circule dans le cadre et réagit avec le champ magnétique de l'aimant en créant un couple moteur proportionnel au courant. Les ressorts spiraux créent un couple résistant proportionnel à l'angle de déviation. A l'équilibre, l'angle de déviation de l'aiguille est proportionnel au courant traversant le cadre.

 

Du fait de l'inertie mécanique de l'ensemble mobile, le déplacement de l'aiguille est lié à la valeur moyenne du courant traversant le cadre.

 

-Le voltmètre électrostatique (électromètre):

 

 

Un électromètre permet de récupérer des charges électrostatiques par simple contact. Ces charges recueillies sur des feuilles d'or provoque une répulsion de ces feuilles du fait de la présence de charge de même signe sur les deux feuilles. L'écartement des feuilles indique la quantité de charges récupérées par l'électromètre.

 

 

Un voltmètre électrostatique est constitué de deux ensembles de plaques conductrices qui sont portées aux potentiels à mesurer. Les charges accumulées tendent à faire rapprocher les deux plaques. Un ressort produit un couple antagoniste afin d'obtenir une déviation proportionnelle à la différence de potentiel.

Cet appareil est utilisé pour mesurer les très hautes tensions et sa consommation est tout à fait négligeable.

- l'effet électromagnétique (tube cathodique):

Un électron ou un faisceau d'électrons qui passe à proximité d'un champ magnétique (aimant ou électro-aimant) ou qui passe dans un champ électrique (plaques de déviation du tube cathodique) est dévié de sa trajectoire. Sa déviation est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique ou du champ électrique.

Exemple pour le tube d'un téléviseur ancien. Le faisceau électronique (3)  produit par la cathode chauffée (2) est dévié par le champ magnétique crée par la bobine de déviation (4). Le faisceau est accéléré jusqu'à sa rencontre avec l'écran où il provoque l'apparition d'un spot lumineux (5).

 

 

Dans un tube cathodique pour oscilloscope, le faisceau produit par la cathode chauffée par le filament est accéléré et concentré par le Whenelt et les anodes. Le faisceau est dévié par deux jeux de plaques pour la déviation verticale (mesure) et horizontale (base de temps). La rencontre du faisceau électronique et de l'écran produit le point lumineux appelé "spot".

 Les oscilloscopes numériques actuels relèvent du fonctionnement des appareils électroniques  avec un affichage sur écran plat (voir la suite).

 

- l'effet électrodynamique:

Un "galvanomètre" électrodynamique est constitué de deux bobines, une fixe et l'autre mobile, solidaire de l'aiguille. Lorsqu'un courant parcourt une bobine, il crée un champ magnétique qui réagit avec le courant traversant l'autre bobine, et inversement. Il s'en suit un couple moteur proportionnel au produit des deux courants. Des ressorts spiraux antagonistes produisent un couple moteur proportionnel à l'angle de déviation. Au final l'angle de déviation est proportionnel au produit des deux courants. Il s'en suit que cet appareil indique une valeur efficace, indépendante de la forme des signaux. C'est ce principe qui était utilisé pour réaliser des wattmètres industriels (u x i) ainsi que les compteurs d'énergie électromécanique.

- l'effet ferrodynamique:

 

Deux palettes (I et II) de matériau ferro-magnétique (comme le fer doux) sont placées au centre d'une bobine parcourue par le courant à mesuré. Les deux palettes s'aimantent et se repoussent. Une palette est fixe l'autre est mobile et est liée à l'aiguille qui se déplace sur le cadran.

 

- absorption: L'ondemètre de F3LG

A la résonance, le courant est maximum dans un circuit série RLC. Ce maximum est mis en évidence par l'éclairement de la lampe. A cet instant, en connaissant les valeur L et C, il est aisé de déterminer la fréquence en appliquant la formule de Thomson:

f = 1/(2π √ (L C))

Cet ondemètre est constitué de bobines interchangeables (L) suivant les gammes de fréquence, d'un condensateur variable étalonné pour chaque gamme  en fréquence et d'une lampe à incandescence qui met en évidence le maximum de courant. C'est un appareil rustique, peu précis et pas très sensible. Il est facilement améliorable en  remplaçant l'ampoule par un indicateur plus sensible.

 

 

- les appareils dits "électroniques" ou à Conversion analogique/numérique:

  Un convertisseur analogique/numérique (CAN) est un circuit électronique complexe qui transforme une grandeur d'entrée fixe en une donnée numérique faite de 1 et de 0 et capable d'être interprétée par un calculateur numérique. Il existe diverse technique de conversion.  Un technique simple est celle qui consiste à charger un condensateur à partir de la tension à mesurer. Un compteur de temps mesure le temps nécessaire pour passer d'une tension V1 à une tension V2. Le nombre d'impulsions recueillies donne l'image de la tension à mesurer.

Si la tension est variable il est nécessaire, d'intercaler avant le convertisseur, un "échantillonneur-bloqueur" qui maintient la tension constante pendant la période de mesure. On recueille ainsi plusieurs données qu'il est nécessaire d'interpréter par calcul pour donner le résultat attendu.

 - Oscilloscope:

Un oscilloscope est essentiellement un voltmètre qui utilise comme indicateur un tube cathodique (oscilloscope analogique) ou un afficheur LCD (oscilloscope numérique). Il permet ainsi de visualiser la forme du signal en cours de mesure. Remarquez bien sur l'écran, la graduation verticale est en volts ou millivolts alors que la graduation horizontale est en secondes (milliseconde, microseconde ou nanoseconde).

Observation d'un signal sinusoïdal 10volts max, 1 Mégahertz:

 

Sur cette première image, la sinusoïde est visible sur deux périodes. La valeur maximum est de 10 volts soit 20volts crête à crête. La période est de 1 microseconde (soit F= 1MHz).

- Analyseur de spectre: un analyseur de spectre est aussi un appareil du type voltmètre, mais son fonctionnement est très différent de celui d'un oscilloscope. L'affichage de l'information se fait par le même type d'indicateur que pour l'oscilloscope (écran cathodique ou écran LCD). La graduation verticale est en volts (millivolts ou microvolts) ou en décibels. L'échelle horizontale est graduée en fréquence. Un analyseur de spectre ne permet pas de voir (directement) la forme du signal mesuré, mais permet de voir les composantes fréquentielles du signal en cours de mesure. Il est possible ainsi d'évaluer par exemple la distorsion d'un signal (fondamental et harmoniques), la largeur de bande de fréquence occupée par une émission ou encore le rapport signal/ bruit d'un récepteur.

Observation du signal ci-dessus (1 MHz, 10 volts max) avec un analyseur de spectre:


Ces deux images ont été obtenues à partir d'un simulateur PSpice. 

Sur la deuxième image, le sommet du pic correspond à la tension maximum. Sur l'axe horizontal, ce pic est centré sur la fréquence 1 MHz.
 En complément voici un signal sinusoïdal "redressé une alternance" vu à l'aide d'un oscilloscope puis à l'aide de l'analyseur de spectre:

- oscilloscope:

 

Le signal sinusoïdal initial (10Volts crête, 1MHz) passe par une diode.

L'amplitude du signal est diminuée de 0,7 volts environ.

La période est toujours de 1 microseconde.

 

- analyseur de spectre:

 

L'analyseur de spectre montre que le signal précédent:

a une valeur moyenne (f= 0Hz) de 2,75 volts possède des composantes de plusieurs fréquences

- 1 MHz (fondamental) = 4,5 volts

- 2MHz (harmonique 2) = 2 volts

- 4MHz (harmonique 4) = 0,4 volts

- quelques résidus de fréquences supérieures

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