Les appareil de mesure a déviation en courant continu
(Les appareils magnétoélectriques)
1 Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d'un appareil magneto-electrique est base sur les forces agissant sur un conducteur porteur de courant et place dans un champ magnétique B uniforme.
Figure 1 lignes de champ crées par un conducteur parcouru par un courant rentrant
Un conducteur parcouru par un courant I, cré autour de lui un champ magnétique dont les lignes est circulaires et concentriques.
Figure 2 lignes de champ magnétique crées par un aimant en forme de U.
Champ magnétique uniforme créer par un aimant en U. Les lignes de Champ sont rectilignes et diriges du pole nord vers le pole sud.
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 conséquence la densité du flux augmente.
- Au dessous du conducteur, les lignes de champ sont oposees
Et par conséquent la densité du flux diminue.
Figure 3 Force agissant sur un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique uniforme B
Le fil conducteur, porteur de courant I, qui est place dans un champ magnétique uniforme est soumis a une force F=B.I.L avec I : Intensité du courant dans le fil conducteur. [A]
L : longueur du fil conducteur qui reigne dans le champ Magnétique B. [m]
B : Intensité du champ magnétique créer par l'aimant. [T]
Lorsqu'on place deux conducteurs (deux cotes d'une boucle)
Porteurs d'un même courant, dans un champ magnétique B
Uniforme, il ya apparition de deux forces directement opposées
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 4 couple mécanique génère 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 a N spire) appaele équipage a cadre mobile (ECM)
2 Schéma équivalent d'un équipage a cadre mobile
Si on note :
· Ig : Le courant maximal qui fait dévier l'aiguille de l'ECM a sa pleine échelle.
· Rg : résistance totale de la bobine a N spire.
On peut modéliser un équipage a cadre mobile (ECM) suivant le schéma simplifiée suivant :
I= Ig si l'aiguille de l'ECM a sa Pleine échelle.
Figure 5 Schéma équivalent d'un ECM
3 Caractéristiques des appareils magnétoélectriques
- Les appareils magneto-electrique 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 exerce sur la bobine.
- Les appareils magneto électriques sont des appareils polarisés.
- Les appareils magneto électriques ont des graduations d'échelle linéaires.
- Le champ magnétique créer par l'aiment permanant est important, ce qui rend L'effet des champs magnétiques externes et négligeables.
4 Utilisation des appareils magnétoélectriques
La plus part des appareils magnétoélectriques sont utilisés en : Ampèremètre, Voltmètre et ohmmètre.
4.1 Utilisation en ampèremètres
L'ECM est un ampèremètre qui mesure des courants inférieurs á 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 á Ig, on lui adjoint des résistances additionnelles (appelées shunts).
Deux cas de figures sont possibles :
1er CAS :
Figure 6 Schéma de principe d'un ampèremètre multi gamme á 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 :
2eme CAS :
Figure 7 Schéma de principe d'un ampèremètre universel á 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 :
(R1+R2)*(Ical2 Ig) = Rg*Ig et R1*( Ical1 Ig) = ( Rg + R2 )*Ig
Ce qui donne :
R2 = [ Rg*Ig*( Ical1 Ig) / ( Ical2 Ig) Rg*Ig] / Ical1
R1 = [ Rg*Ig / ( Ical2 Ig) R2]
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.
4.2 Utilisation en voltmètre
Un ECM seul est un voltmètre qui mesure des tensions inférieurs á Rg*Ig pour obtenir un voltmètre qui mesure des tensions supérieurs á 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 :
1er CAS :
Figure 8 Schéma de principe d'un voltmètre multi gamme á 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 :
R1= Ucal1/Ig Rg
R2= Ucal2/Ig Rg
2eme CAS :
Figure 9 Schéma de principe d'un voltmètre universel á 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 :
R1= Ucal1/Ig Rg
R2= Ucal2/Ig (Rg + R1)
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.
4.3 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 á une résistance á mesurée á travers l'ECM, selon la figure 10.
Figure 10: Schéma de principe d'un ohm-mètre.
Rx : résistance á mesurer.
Rx = Eg/I Rg avec Eg = Rg * Ig
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 (á mesuré) 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 á un déplacement maximale de l'aiguille de l'ECM.
4.4 Utilisation en multimètre
Dans un multimètre, qui combine plusieurs fonctions (ampèremètre, voltmètre, ohm-mètre ) en un seul, le passage d'une fonction á 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 á aiguilles ont été supplantés par des appareils á affichage numérique, généralement moins, plus robuste et plus précis. Ceux-ci ne sont pas basés sur un équipage á cadre mobile (ECM), mais sur des circuits électroniques comportant des composants permettant une mesure directe de différence de potentiel. Les autres échelles (ampèremètre et ohm-mètre) sont obtenu á partir de ce voltmètre par des opérations analogues á celles á base de l'ECM.
