Mesure électrique et électronique

Mesure électrique et électronique: cette publication contient une leçon (1 et 2) sur les mesures électriques et électroniques. Proposé et rédigé par Dr Khadar Saad

La mesure est un processus de connaissance qui grâce à une expérience physique nous donne une information quantitative (valeur) du rapport entre la grandeur mesurable et une grandeur de même nature prise comme unité. 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.

Les types d’instrument de mesure

Dans le domaine électrique et électronique, on utilise plusieurs types d’instrument de mesure, tels que :

• Le voltmètre 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, capacimètre, ohmmètre et un testeur de composants (diodes et transistors) sont souvent regroupés en un seul appareil qui s’appelle multimètre.

Cet instrument de mesure permet d’établir une correspondance entre l’outil mathématique et l’état d’un phénomène. Le schéma de mesure est donc le suivant :

Un résultat de mesure s’écrit sous la forme : 

Où X est le nom de la grandeur physique, [X] représente l’unité et |X| est la valeur numérique de la grandeur exprimée dans l’unité choisie.

Exemple :

Les méthodes de mesures

Les méthodes de mesures peuvent être rangées en trois grandes familles :

1 Méthodes de déviation

Cette méthode peut être consiste en méthodes :

A. Méthode de déviation directe

La méthode directe consiste à lire directement sur l’appareil de mesure la valeur de la grandeur à mesurer. (Exemples : La lecture d’une tension sur un voltmètre, d’une puissance sur un wattmètre, d’une résistance sur un ohmmètre).

B. Méthodes de déviation indirecte

Cette méthode consiste à utiliser plusieurs appareils pour mesurer une grandeur, et ce en utilisant une ou plusieurs relations entre les différentes grandeurs mesurées.

Exemple : Pour mesurer une puissance P, on utilise un voltmètre pour mesurer la tension U et un ampèremètre pour mesurer le courant I, la puissance est déduite de la relation P=U. I. Dans le cas où les appareils de mesure sont un ampèremètre et un voltmètre, la méthode est dite volt-ampèrmétrique. La précision de cette méthode dépend de la précision des appareils de mesure.

Méthodes des ponts

Les ponts ont été très utilisés pour la mesure des résistances, inductances et capacités, voire des fréquences. La structure en pont reste utilisée dans de nombreux montages et son étendue présente également un intérêt pédagogique.

3 Méthodes de résonances.

La méthode de résonance est utilisée pour mesurer des capacités et des inductances. Elle consiste à placer la grandeur à mesurée dans un circuit résonant série ou parallèle et d’en déduire la grandeur inconnue à la résonance.

Incertitudes de mesure

L’erreur associée à une mesure est la différence entre la valeur mesurée et la vraie valeur. On la note habituellement par ∆, suivi du symbole représentant la grandeur mesurée : ∆L pour une longueur l, ∆T pour une température T, etc.

En pratique cette incertitude ne peut être qu’estimée. On distingue deux types :

Incertitude absolue, notée ∆X. est l’écart qui existe entre la valeur mesurée et sa valeur théorique exacte exprimée avec la même unité :

Incertitude relative, notée ∆X/X qui s’exprime généralement en pourcentage (%) :

Expression des résultats, on peut écrire un résultat de mesure de deux manières différentes en utilisant l’incertitude absolue ou l’incertitude relative :

Les incertitudes de mesure des appareils analogiques

Les appareils analogiques sont les appareils à déviation. Nous distinguons deux méthodes de mesure :

1 Les incertitudes de mesure des méthodes directe :

 La grandeur inconnue est déterminée par lecture directe de la déviation de l’appareil de mesure.

Exemple :

• Pour mesurer une puissance, on utilise un wattmètre,
• Pour mesurer une résistance on utilise un ohm-mètre.

Ce type d’appareil a pour principe de donner une déviation d’aiguille sur une échelle graduée proportionnelle à la valeur de la grandeur à mesurer. Ainsi, la valeur mesurée sera donnée par la relation suivante :

A. Une incertitude de classe

L’incertitude de classe est l’incertitude due à l’appareil de mesure. Elle est fonction de la précision de l’appareil. Cette incertitude est donnée par l’expression suivante :

De plus, l’opérateur n’étant pas parfait ; il peut commettre une erreur de lecture qui entraîne :

B. Une incertitude de lecture

L’incertitude de lecture est due soit à une mauvaise vue, soit de mauvaises conditions de la lecture. Par exemple, si l’expérimentateur effectue toujours ses lectures la tête penchée sur la côté gauche ou droite il lira toujours une valeur supérieure ou inférieure à celle qui est indiquée.

Généralement, l’incertitude de lecture est estimable à 1/4 de division :

C. Incertitude absolue totale

C’est l’incertitude totale commise sur une mesure employant un appareil analogique qui sera la somme de l’incertitude de classe et de l’incertitude de lecture :

Exemple : On veut mesurer l’intensité de courant avec un ampèremètre de classe 1,5 en utilisant un calibre de 10 mA. Soit la valeur mesurée I=8,5 mA. Si l’erreur de lecture est de 1/4 division =0.05 mA:

• Calculer l’erreur absolue totale.
• Calculer l’erreur relative.

2 Les incertitudes de mesure des méthodes indirecte :

En général, la mesure d’une grandeur A n’est pas directe. Elle nécessite de mesurer plusieurs grandeurs x,y,z directe puis établir une relation entre les valeur mesurer A=f(x,y,z). L’incertitude sur A est donnée par :

Exemple : Pour mesurer une puissance, on mesure la tension U par un voltmètre et le courant I par un ampèremètre puis on calcule P = U.I.  Dans le cas où les appareils de mesure sont ampèremètre et voltmètre, la méthode est dite voltampère métrique.

-Cas d’une association de boîtes de résistances en série : R = R₁+R₂+R₃

A. Règles particulières : Cas d’une somme et différence

B. Règles particulières : Cas d’un produit et quotient

Exemple : considérons le montage suivant :

R : valeur mesurée indirectement par un voltmètre et un ampèremètre. U : 17V± 3 % mesurée par un voltmètre. I :  10 A ± 1 % mesuré par un ampèremètre.

• a) Calculer la valeur de R ;
• b) Calculer l’incertitude absolue ΔR et l’incertitude relative ΔR/R.

Les incertitudes de mesure des appareils numériques

Pour les appareils numériques, les constructeurs fournissent une indication qui nous permet de calculer l’incertitude totale sur la mesure. Cette incertitude est très souvent donnée de la manière suivante :

• ∆ X = ± a %* valeur mesurée ±b*résolution
• ∆ X = ± a %* valeur mesurée ±b*d (d : digit ou unité)

a : Donnée par le constructeur. b : Donnée par le constructeur.

Exemple : Un appareil de mesure de 10000 points dans la gamme de 2 W et la résolution d’un voltmètre numérique égal 1mV ; On a

• ∆V = 0,3%L+2d
  • ∆P = 0,1%L-3*d

Calculer l’incertitude pour une lecture de 4,18 V et 5,7 W.

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