Précision d'un appareil de mesure numérique (AMN)

Importance de la résistance interne d'un AMN:

La résistance interne d'un AMN est souvent beaucoup plus élevée que celle d'un AMA. (facilement de l'ordre du Mohms). L'erreur induite lors de la mesure par ce type d'appareil n'est importante que pour des circuits à très grande impédance. La résistance d'entrée des AMN est constante quelle que soit l'échelle choisie.  

Erreurs de mesure des AMN   En ce qui concerne l'erreur de mesure proprement dite, elle se compose de deux types d'erreurs. Une dépendante de l'électronique d'affichage et l'autre sur la découpe du signal (lors de la transformation analogique - numérique). Elle est généralement donnée en % de la lecture ± une constante (exprimée en unités ou en digits).   Certain fabriquant la donne en % de l'échelle ± la constante. (ce qui cache souvent un mauvais appareil).   L'erreur constante (que nous donnerons en "unités") indiquant de combien le chiffre de poids le plus faible peut être faux. Le chiffre de poids le plus faible représente la résolution de l'appareil (pour une échelle de 100 [mV] et 2000 point de mesure, la résolution est de 0,1 [mV]).

on mesure 50 [mV] sur une échelle 200 [mV], 2000 points de mesure,

précision 0,1 % ± 1 unité

erreur de lecture: 0,001*200=0,2 [mV] erreur cste 100 [mV]

 

Erreur totale: = S des erreurs = 300 [mV] = 3 unités

  Remarque: si la somme des erreurs n'est pas un nombre entier d'unité, il faut prendre le nombre entier directement supérieur (cas le plus défavorable).

Réponse en fréquence

Ce problème se retrouve dans tous les appareils de mesure tant analogique que numérique. Seul un AMN du type TRMS peut se targuer de ne , pour ainsi dire, pas connaître ce problème. En effet tous les appareils ont une plage de fonctionnement en fréquence bien définie. Cela dépend du mode de fonctionnement de l'appareil. Sur la figure ci-contre, on voit la réponse en fréquence de deux multimètres différents. Pour l'un la bande passante est de 0 à 100 [kHz] et pour le deuxième le fabriquant l'a donnée de 40 [Hz] à 600 [Hz].

Nous voyons très nettement sur le graphique que dès que la mesure sort de la bande passante de l'appareil de mesure, le résultat (ici une mesure de 1 [V]) devient totalement faux.  

Autres sources d'erreur

  D'autres erreurs existent et sont malheureusement dues à des erreurs de manipulations.

• mauvaise position de l'appareil (la bonne position est indiquée sur le cadran)
• erreur de lecture (mauvaise interprétation de l'échelle choisie)
• erreur de parallaxe (lecture non perpendiculaire au plan du cadran)

Augmentation de la plage de mesure

Dans certains cas, le courant ou la tension à mesurer dépasse la valeur maximale mesurable avec notre contrôleur. Il faut donc artificiellement augmenter la plage de mesure du contrôleur.

L'ampèremètre:

Pour mesurer des courants plus élevés que ce que peut supporter l'appareil de mesure, il suffit de mettre une résistance en parallèle qui devra dévier le surplus de courant.   Notre ampèremètre (à cadre mobile) mesure au maximum 10 A. Il a une résistance interne de 3400[ohms] (donc une conductance de 0,294 [mS] et un courant max. de 50[µA] à travers la bobine mobile. Quelle est la résistance à mettre en parallèle pour mesurer une intensité de 20 A et de 100 [A] ?   Lorsque le rotacteur est sur l'échelle 10 [A], il branche déjà à l'intérieur de l'appareil une résistance en parallèle qui doit permettre le passage de 9, 99995 [A] soit avoir une conductance de 58,82 [S] ce qui nous donne une résistance équivalente interne de 0,017 [ohms]. Si l'on veut mesurer un courant de 20 [A], il faut mettre un shunt dont la résistance vaut également 0,017[ohms]. Si l'on veut mesurer un courant 100 [A], 9 fois plus de courant doivent passer par le shunt. Sa résistance sera 9 fois plus petite (1,889 [mohms]) ou sa conductance 9 fois plus grande (529,39 [S]). La conductance totale sera de 588.21 [S] ce qui nous donne une résistance de 0,0017 [ohms]. traversée par 100 [A]. La tension est toujours de 0,17 [V] aux bornes de notre bobine mobile.  

Pour mesurer des tensions plus élevées que ce que peut supporter l'appareil de mesure, il suffit de mettre une résistance en série comme diviseur de tension. Le même appareil sert comme voltmètre. Sur l'échelle 100 V, le rotacteur branche une résistance de 1996,6 [kohms] en série sur la bobine mobile (nous retrouvons nos 20 [kohms/V]) et présente une nouvelle résistance interne de 2 [Mohms]. Pour mesurer une tension de 200 [V], il faut donc une résistance de 2 [Mohms]. Pour mesurer une tension de 500 [V], il faut une résistance de 8 [Mohms].

Mesure en dB

Certains appareils ont une échelle exprimée en [dB]. C'est utilisé surtout pour comparer deux puissances différentes. On parle d'un rapport signal/bruit en télécommunication ou télévision. Le décibel est 10 fois plus grand que le Bell [B]. Ce dernier est le log. d'un rapport de puissance de signaux.   Le décibel [dB] vaut donc 10*log(P₂ / P₁). La puissance de référence P₁ est souvent exprimée en [mW].   Le rapport de puissance peut s'exprimer aussi par un rapport U₂/Z; ceci implique que le dB vaut donc 20*log (U₂/U₁) - bien sûr il faut que les impédances soient adaptées. Dans ce cas l'unité de la tension sera le [mV].  

LA MESURE DES PRISES DE TERRE

Pour mesurer des prises de terre, l'on peut utiliser directement un telluromètre.   Pour faire la mesure, on plante en un triangle dont les sommets sont distants de 20 [m] deux sondes raccordées sur S et HE et l'on raccorde la sortie E sur la mise à terre (découplée).   L'on peut également aligner les sondes avec 40 [m] entre la sonde HE et la prise de terre et en plaçant le sonde S au milieu.

Si l'on ne peut pas respecter la distance de 20 [m] entre chaque sonde, il faut faire plusieurs mesures.

Il est également possible de déterminer cette résistance à l'aide d'un ohmmètre, en prenant 3 mesures

de E à S (RE-S)

de S à HE (RS-HE)

de E à HE (RE-HE) puis de faire le calcul suivant:

RE = (R_E-S + R_S-HS - R_E-HE) / 2

CONTROLEUR DE TENSION DE DÉFAUT:

MESURE D'ISOLEMENT

Le but de cette mesure est de vérifier qu'il y a plus qu'une certaine valeur de résistance entre le conducteur de protection et les autres (habituellement 500 [kohms]). Cette mesure doit s'effectuer en 2 parties bien distinctes:  

• vérification de la continuité du conducteur de protection
• contrôle de la résistance d'isolement.

Pour pratiquer cette mesure, on doit mesurer une très petite résistance entre l'électrode de terre, les alvéoles de protection des prises réseaux, les objets conducteurs raccordés au PE.

On peut se servir d'un ronfleur, d'une lampe de poche ou mieux d'un ohmmètre pour faire ce contrôle.

Résistance d'isolement

Pour cette mesure il faut

1 déclencher les conducteurs polaire
2 ouvrir le sectionneur de neutre
3 voir s'il n'y a pas d'appareil électronique raccordé

Si non:                                               si oui:
4 mesurer PE - N                             4 ponter N, L1, L2,L3
5 mesurer PE - L1                            5 mesurer PE - N;L1, L2, L3
6 mesurer PE - L2                               attention, il peut tout de même y avoir des
7 mesurer PE - L3                               dégâts, il vaut mieux découpler ces appareils.

8 refermer le sectionneur
9 remettre en service les conducteurs polaires

Dans une installation neuve ou ancienne, la première mesure se fait au point de connexion N - PE. Si la mesure est bonne à cet endroit, on peut en déduire qu'elle sera bonne également plus loin dans l'installation et s'abstenir de faire d'autres mesures d'isolement. Si on continue toutefois à faire cette mesure de manière systématique groupe après groupe, on pourra trouver un éventuel mélange de groupes (fréquent avec les circuits de commande).  

MESURE DU COURANT DE BOUCLE

Le but de cette mesure est double:   •

Le premier est de vérifier que le courant qui s'établira lors d'un court-circuit sera coupé suffisemment rapidement par les coupe-surintensité. Pour cela vous pouvez vous référer soit aux tabelles des fabriquants de fusibles ou de disjoncteurs, soit utiliser la liste ci-dessous qui donne une assez bonne approximation. Vous constaterez que l'intensité nécessaire pour faire fondre un fusible lent en 5 secondes correspond à environ 5 fois l'intensité nominale et pour un fusible rapide le rapport est de 4. Le courant minimum sera celui ou la résistance de boucle est la plus grande, soit à l'objet le plus éloigné de la source. • Le deuxième but est de contrôler si la puissance de coupure des coupe-surintensité est suffisante pour interrompre le courant de court-circuit. Sa puissance sera maximale lorsque le courant le sera aussi donc lorsque le court-circuit (ou la mesure) sera le plus en amont des fusibles ou des disjoncteurs.  

Beaucoup d'appareils existent pour faire cette mesure. La plupart des appareils à disposition sur le marché permettent non seulement de mesurer le courant de boucle mais également la résistance de boucle (touche Rschl sur le M5012).  

En faisant ces mesures vous aurez la désagréable surprise de constater que les mesures faites en aval des lignes raccordées à des disjoncteurs à courant de défaut occasionnent le déclenchement de ces derniers. Mais ce problème n'est pas insurmontable.  

Problème du DDR   Lorsqu'on fait la mesure du courant de boucle, on utilise le conducteur PE comme conducteur de courant pendant quelques alternances, ce qui a pour effet de faire fonctionner le FI. Pour palier à cet inconvénient, il faut:

• soit ponter le DDR pendant la mesure
• soit faire la mesure entre phase et neutre (mesure légèrement fausse)
• soit utiliser un appareil type ZEROFI-B qui neutralise le DDR pendant la mesure

note : de plus en plus, les appareils modernes sont déjà équipés d'un moyen de neutraliser le DDR durant la mesure.    

LE TEST DU DDR

Un des contrôles obligatoires à faire selon l'OIBT est le test du DDR. Ce test se fait en 2 temps:  

• 1) Presser sur le bonton test (test à répéter semestriellement ou plus souvent selon les informations du fabricant) Le DDR doit déclencher
• 2) utiliser un testeur de DDR agréé pour les contrôles d'installation

Rappel du contrôle du champ tournant.

L'oscilloscope

Il sert d'abord à visualiser la forme d'une tension (ou l'image d'un courant si raccordé sur une résistance en série). Les modèles les plus courants ne sont pas très précis pour mesurer la basse tension. En montrant le signal au cours du temps, il permet de visualiser les valeurs de crêtes, les harmoniques, les charges et décharges de condensateurs, le déphasage courant - tension, etc. En permettant de voir un signal en fonction d'un autre signal (par exemple: I=f(u)), on peut visualiser la courbe caractéristique d'une diode, d'un transistor, etc…

L'analyseur de spectre

Grâce à cet appareil on peut voir quelles sont les fréquences présentes dans un plan de fréquences. Visualisation d'harmoniques, visualisation de signaux TV, etc… Chaque signal sera représenté par une raie ou un pic à sa fréquence propre dont la hauteur nous indique sa puissance en dB.

L'analyseur de perturbations du réseau

Ces appareils vont du simple voltmètre triphasé avec imprimante intégrée - qui permet de visualiser chaque variation de tension dans une ligne en en connaissant la date, l'heure et l'amplitude - jusqu'à l'appareil relié à un ordinateur sur lequel vous pourrez spécifier quelle (s) type (s) de variation vous voulez prendre en considération. Après analyse des résultats vous saurez si la perturbation vient du réseau ou de l'installation, vous pourrez déterminer s'il s'agit d'un récepteur inductif ou capacitif, s'il s'agit d'une sur ou sous tension ou d'une déformation du signal, etc., etc…  

Choix d'un appareil (OIBT)

fonctionnement des appareils de mesure analogique

Les symboles

Tous les AMA ont une série de symboles donnant leurs principales caractéristiques. L'ordre dans lequel ils sont inscrit est le suivant:

• 1 type de l'appareil appareil à cadre mobile
• 2 genre de courant courant continu
• 3 classe de précision plus ou moins 0,5%
• 4 position d'emploi horizontale
• 5 tension d'épreuve (étoile) 500 [V]

Voici un tableau représentant tous ces symboles: (attention ces symboles correspondent à un mode de fonctionnement ou de construction, il se peut toutefois qu'un mode de fonctionnement soit appelé de différentes manières, par exemple: à fer mobile = électromagnétique = ferromagnétique )

  Généralités

Comme nous l'avons vu plus haut, un ohmmètre fait une mesure de courant et déplace son aiguille sur un cadran gradué en ohm. Ce qui est moins évident est que, si l'on excepte l'appareil de mesure électrostatique, tous les autres font des mesures de courant même pour "mesurer" une tension. Le courant utilisé pour la mesure est simplement proportionnel à la tension (loi d'Ohm). Le rotacteur branchant des résistances en série pour créer une chute de tension avant l'organe de mesure. L'aiguille se déplace proportionnellement au courant sur une échelle graduée en volt. Lors de l'emploi d'appareils de mesure, il faut faire très attention à la forme de la tension. (continue, sinusoïdale, carrée, sinusoïde partielle due à un triac, etc.) et à la possibilité de la présence d'harmoniques qui peuvent complètement fausser une mesure. En présence de ces divers types de tension ou de courant, il convient de prendre un appareil TRMS (True Root Mean Squre) qui prend non pas une mesure mais une multitude de mesures puis fait la moyenne de la valeur efficace.

relevé pour une lampe PL de 20 [W]:

multimètre	normal	TRMS
courant	0,068 [A]	0,1428 [A]
tension	227,5 [V]	224,64 [V]
P	17 [W]	16,6 [W]
S	15,47 [VA]	32,08 [VA]
cos phi	1,09 !!	0,52

  Le fonctionnement des différents types d'appareils est très souvent similaire. Les premiers que nous allons voir provoquent la déviation de l'aiguille grâce à une force magnétique proportionnelle à un courant (dans une bobine) et un flux fixe (aimant permanent) ou entre deux bobines. La répulsion de pôles magnétiques identiques crée la déviation. Le couple antagoniste sera donné par un ressort ou un élément pneumatique.  

Appareil à cadre mobile

Appareil électromagnétique

C'est probablement ce type d'appareil qui a le plus de variantes de conceptions possibles.

Dans cet exemple tout le flux est produit par la bobine. Cette dernière est fixe ce qui en fait un appareil moins fragile que celui à cadre mobile. Il n'y a aucun aimant permanent. L'aiguille est reliée à une tôle de fer magnétisable et mobile. A son côté se trouve une autre tôle de fer fixe.   Lorsqu'un courant traverse la bobine, il produit un flux magnétique qui magnétise également les deux fers. Leurs pôles magnétiques sont donc côte à côte et se répulsent. Le fer mobile entraîne l'aiguille dans un mouvement de rotation. le couple antagoniste est donné par un ressort.   Dans d'autres modèles le couple antagoniste est donné par une plaquette qui se déplace dans une chambre fermée (compression de l'air). Une variation du sens du courant induit un changement de pôle dans les deux fers mais ne change pas le sens de la déviation. On peut donc alimenter les appareils à fer mobile soit en continu, soit en alternatif.   De par sa construction, cet instrument de mesure est mécaniquement et électriquement plus robuste que celui à cadre mobile. Il supporte des surcharges importantes. Il est par contre moins précis (classe 1.5) et consomme dix fois plus de courant.   La bobine de champ d'un ampèremètre a un gros fil et peu de spires (petite résistance) alors que pour le voltmètre, elle a un petit fil et beaucoup de spires (grande résistance).   La valeur mesurée est la valeur moyenne quadratique (M = c.A.B² avec B~I). La forme du courant dans la bobine est sans importance (même si pas sinusoïdale). Par contre l'emploi de shunt pour étendre l'étendue de mesure n'est possible qu'avec un signal sinusoïdal.  

Appareil électrodynamique

Appareil électrostatique

Son principe est celui du condensateur à plaque, l'une des plaques étant mobile. En appliquant une tension, on charge différemment les plaques et l'on crée, entre ces plaques un champ électrique de sorte qu'une force d'attraction s'établit entre elles. Cette force dépend donc de la tension mesurée.   Le sens de la déviation de l'aiguille est toujours la même car la force = c.C².U². On peut mesurer des tensions jusqu'à 500 [kV] pour des fréquences jusqu'à 100 [Hz].  

Appareil à bimétal

Le principe du bimétal est de coller ensemble deux matériaux dont le coefficient de dilatation est différent. En modifiant la température (soit ambiante soit directement du bimétal) on crée une variation de la longueur de ces deux matériaux. La torsion est due à la variation non égale de la longueur des matériaux.

Dans cet appareil, la rotation de l'aiguille est due par l'échauffement d'une spirale bimétallique. L'échauffement se fait en faisant traverser le bimétal par un courant électrique. Ce type d'appareil mesure une valeur efficace de courant quelque soit la forme de la courbe et sa fréquence.

Cet appareil de mesure n'est pas très précis (classe 2,5) et a une relativement grande consommation propre. Comme son principe est basé sur un échauffement, il possède une grande inertie face aux variations de courant.

Dans certain cas, il est directement relié à un appareil électromagnétique qui indique toute variation, même minime, de courant alors qui le bimétal indique la tendance moyenne.

Appareil à lame vibrante

Ce type d'appareil est utilisé comme fréquence mètre. Il est constitué de plusieurs lames d'acier dont la fréquence propre est différente pour chacune d'entre elles. Soumises à un champ magnétique variable, celle qui entre en résonance va se mettre à vibrer.   L'affichage est une fenêtre graduée au travers de laquelle, on peut voir quelle (s) lame (s) vibre (nt).

Appareil à cadres croisés

Appelé aussi à différentiels, il peut être utilisé soit avec un système à cadre mobile ou électrodynamique. Au lieu de n'avoir qu'une bobine mobile, il en a deux. Elles sont couplées de façon à ce que leurs couples s'opposent.   Lorsque les deux courants sont égaux, il n'y a pas de déviation.   Lorsque l'un des deux est plus grand, il y aura rotation des bobines mobiles. Le couple antagoniste est donné par la deuxième bobine (de plus faible flux) car elle entre dans une zone de flux (due à la partie fixe de l'appareil de mesure) plus dense.   L'appareil ne mesure donc non pas une valeur efficace, moyenne ou absolue, mais le rapport (le quotient) de deux courants. Il sera utilisé comme ohmmètre ou mégohmmètre.

Appareil à induction

Un compteur a une constante c qui vaut 75 [1/kWh = t/kWh]

l'appareil raccordé à ses bornes fait tourner le disque de

3 [ ] = [t] en 1 minutes (=60[s] = 0,016667 [h]). Quelle est la puissance du récepteur ?

 

Puissance = a /(c . t) = 3 / (75 .0,01667) = 2,4 [kW]
Puissance = a . 3600 / (c . t) = 3 . 3600 / (75 . 60) = 2,4 [kW]

Appareil à pont de …

Nous avons vu que les ohmmètres sont en réalité des microampèremètres. Ils ont leur propre source de tension, le plus souvent des piles. Malheureusement la différence de potentiel de la pile n'est pas du tout constante dans le temps ce qui rend l'appareil peu précis. Pour faire des mesures de résistance précises, il a fallu ne plus travailler avec la tension mais avec des différences de chutes de tension.  

C'est ce qu'a fait Wheastone en faisant son couplage en pont et en faisant la mesure avec l'annulation du courant dans le pont en ajustant la valeur de la résistance variable à celle à mesurer dans le rapport :

R₁ / R₂  = R₃ / R_x

Par la suite ce pont à été amélioré par différents personnages, tout en gardant le même principe de base. Sans entrer dans le détail nous pouvons en nommer quelques uns:

• pont de mesure de Thomson 8 résistances
• pont de mesure à inductance de Thomson 3 résistances, 1 inductance , 1 condensateur
• pont de mesure de capacités de Wien 3 résistance, 1 capacité réglable, 1 capacité

Appareil numérique

Les AMN sont composés de trois parties distinctes.

• section analogique traite le signal à mesurer et est composé d'amplificateurs opérationnels, dispositifs de redressement, filtres, etc.
• convertisseur analogique - numérique (Échantillonne la tension d'entrée et transforme ces échantillons en séries numériques.)
• Partie numérique et afficheur (Comptage et comparaison des valeurs numériques et affichage.)

  La principale différence entre les divers AMN se trouve dans le convertisseur analogique - numérique. Les plus fréquemment utilisés sont:

• mise à zéro
• approximation successive
• comparaison dent de scie et conversion tension - temps
• conversion tension - fréquence
• intégration double.

Ces différents systèmes servent à faire des comparaisons successives de la tension d'entrée avec une référence. S'il y a une différence, l'appareil modifie sa référence et recompare les deux signaux. Lorsque que la différence ne peut plus être améliorée, l'appareil affiche la valeur de la référence. Ce mode de fonctionnement que l'on peut voir sur l'affichage des AMN (augmentation de la valeur dépassement de la vraie valeur et stabilisation à la valeur finale) rend ces appareils d'une lenteur parfois exaspérante.   Comme il y a échantillonnage et quantification du signal à mesurer il a donc obligatoirement des seuils ou des pas. Une valeur comprise entre deux pas sera automatiquement arrondie au pas inférieur ou supérieur. Ces pas définissent la sensibilité de l'AMN appelés également "unité".   Avec ce type d'appareil, il faut également faire également attention au nombre de points de mesure. Ils donnent la plus petite "unité" de mesure possible (souvent également appelée digit - selon les fabriquants, on trouve une différence de signification du terme "digit".)   Tableau de correspondance digits - nombre de points de mesure

 

Notre AMN compte 2000 points et a donc une étendue de mesure de 0 à 1999 (attention le 0 compte pour un point):

pour un calibre de 1 [V], elle s'étend de 0 à 1,999 [V|, l'unité vaut 1 [mV];

pour un calibre de 100 [mV], elle s'étend de 0 à 199,9 [mV], l'unité vaut 100 [mV] .

 

Attention: un nombre de points de mesure élevé ne signifie pas une grande précision.