Les appareils de mesure en courant alternatif

1  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.

1.1  Valeur moyenne 

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

La valeur moyenne d'un signal est la valeur de la composante continue dans le signal (offset)

Exemple :

Figure  1 :  Signal sinusoïdal

  Vmoy = 0
          Figure  2 :  Signal sinusoïdal redressé simple alternance.

 Vmoy =
Figure 3 : Signal sinusoïdal redressé double alternance

  Vmoy =

1.2  Valeur efficace 

La valeur efficace S_eff 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 que le signal alternatif pendant la même durée.

Exemple :

Figure 4 : Signal sinusoïdal

 
Figure 5  Signal sinusoïdal redressé simple alternance.

 

 

Figure  6 : Signal sinusoïdal redressé double alternance

 

 

2  Les appareils magnétoélectriques en courant alternatif 

D'après le principe 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 7  Schéma synoptique d'un appareil magnétoélectrique en courant alternatif.

3 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.

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

-       cas d'un redresseur simple alternance : le facteur correctif est 

-       cas d'un redresseur double alternance : le facteur correctif est 

Figure 8  Schéma synoptique d'un appareil magnétoélectrique avec redresseur en courant alternatif.

Le facteur correctif (k) est calculée pour le cas d'un signal sinusoïdal, cela est due au fait qu'on manipule dans la plus part des cas des signaux sinusoïdaux.

Remarque :

Veff = E

 

                                                                                                              

Figure 9 : Signal carré

Si on mesure ce signal par un appareil magnétoélectrique avec un redresseur, celui-ci donne   , ce qui prouve que la valeur mesurée ne correspond pas à la vraie valeur efficace du signal.

4  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.

5  Principe des multimètres à affichage numériques 

La plus part des multimètres numériques, peuvent permettre de mesurer des intensités et des tensions (moyenne 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 élément électronique convertit ce mot binaire en une valeur lue.

5.1  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.

5.1.1  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. Le circuit électronique qui permet de faire cette conversion est donné par la figure suivante (figure 10)

I : courant à mesuré

                                                                                      

              Figure 10  principe de mesure d'un courant

L'avantage de cette méthode réside essentiellement dans sa simplicité. Les inconvénients sont, quand á eux, plus nombreux :

·         Pour mesurer des courants d'intensités supérieure á quelques ampères, il faut utiliser un shunt extérieur.

·         La limite en fréquence se situe aux alentours de 25 Khz.

·         Etc…

5.1.2  Cas d'une résistance :

 Le principe de l'ohm-mètre, consiste á faire un fixé dans la résistance á mesuré. On mesure alors la tension entre ses bornes (figure 11).

; Rx : résistance á mesurer.

Figure 11 : Principe de mesure d'une résistance.

5.2  Obtention d'une valeur moyenne :

Le principe consiste á filtré 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 donnée par la figure suivante (figure 12)

Figure 12 : Principe d'obtention de la valeur moyenne

5.3  Obtention d'une valeur efficace :   

On distingue deux types d'appareils :

·         Les appareils á vraie valeur efficace (True RMS)

·         Les appareils qui donnent la valeur efficace pour des signaux de forme particulière (sinusoïdale)

5.3.1  Obtention par redressement et prise de la valeur moyenne :

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 ou k=2.22) puis envoyé vers le bloc d'affichage selon le schéma fonctionnel suivant (figure 13).

Figure 13 : Schéma de principe d'un appareil numérique.

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.

5.3.2  Obtention de la vraie valeur efficace :

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

Le schéma de principe de ces appareils est donné par la figure suivante (figure 14)

Figure 14 :  Schéma de principe d'un appareil numérique True RMS.

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