Instruments de mesure
116. Généralités
Un courant électrique, forme d'énergie invisible, doit pourtant être distingué par les caractéristiques qui ont été définies dans les chapitres précédents : voltage, intensité, résistance du circuit, puissance, etc.
On y parvient en mesurant, à l'aide d'instruments, les effets produits par ce courant.
On distingue les appareils à aimant permanent, les appareils électromagnétiques, les appareils électrodynamiques, les appareils thermiques. L'effet magnétique est de beaucoup le plus utilisé.
Les appareils à aimant permanent ne peuvent pas servir à mesurer le courant alternatif.
117. Instruments magnétiques
a) Principe fondamental
On a vu que deux aimants rapprochés l'un de l'autre exercent, suivant leur polarité, une action mutuelle d'attraction ou de répulsion et l'on sait qu'une bobine ou un conducteur parcourus par un courant produisent un champ magnétique dont l'effet se manifeste de la même façon.
Cette action mutuelle qu'exercent les aimants, les conducteurs et les bobines constitue le principe de fonctionnement de tous les appareils magnétiques.
b) Classification
En règle générale, les appareils magnétiques de mesure sont constitués de deux parties essentielles, l'une fixe, l'autre mobile, et la force exercée provoque la déviation d'une aiguille devant une échelle graduée en fonction des unités de mesure.
Ils rentrent dans l'une des catégories suivantes :
1 - instruments à aimant permanent fixe et cadre mobile;
2 - instruments électromagnétiques à aimant mobile (palette en fer doux) et cadre fixe;
3 - instrument électrodynamiques à cadre mobile et bobine fixe; le cadre se meut dans le champ produit par la bobine.
118. Galvanomètres
Les galvanomètres se composent essentiellement d'un aimant permanent et d'une bobine dans laquelle circule le courant. Ils servent à mesurer les courants continus de faible intensité. Un appareil très simple en illustre le principe (fig. 10.1).
Fig. 10.1 Principe du galvanomètre
Une boussole placée le long d'un conducteur indique, par le déplacement de son aiguille, la présence du courant.
119. Galvanomètre à aimant mobile (tangent galvanomètre)
Le galvanomètre à aimant mobile se compose d'un cadre circulaire, comprenant un ou plusieurs tours de fil, et d'une petite boussole (fig. 10.2).
Fig. 10.2 Galvanomètre à aimant mobile (Weston)
Pour une bobine de 8 po. de diamètre, la boussole a 3/4 po. ; celle-ci doit être bien équilibrée et située au centre, point où le champ magnétique engendré par le courant qui circule dans la bobine est presque uniforme.
Avant d'effectuer une mesure, on place l'instrument de manière que l'aiguille soit libre de pivoter et puisse s'orienter suivant le champ magnétique terrestre et se stabiliser au centre de l'échelle graduée du cadran.
Sous l'influence du champ magnétique produit par le courant à mesurer, l'aiguille dévie et s'écarte de la position zéro.
L'intensité du courant est directement proportionnelle à la tangente de l'angle de déviation et sa valeur est égale au produit de la tangente par un coefficient déterminé par le fabricant de l'appareil.
On sait que pour les petits angles la valeur de la tangente est pratiquement égale à la valeur de l'angle exprimée en radian. L'intensité du courant est alors considérée comme proportionnelle à l'angle de déviation.
Ce galvanomètre manque de compacité et n'est pas transportable.
De plus, par suite du grand espace d'air qui sépare l'aiguille de la bobine, il n'est pas sensible aux faibles courants et on ne peut pas l'utiliser avant qu'il n'ait été placé dans la direction nord-sud du champ magnétique terrestre ; enfin, l'aiguille oscille longtemps avant de s'immobiliser et est influencée par les champs magnétiques extérieurs, ainsi que par les conditions atmosphériques.
120. Galvanomètre D'Arsonval
Arsène d'ARSONVAL Physicien français (1851-1940).
Le galvanomètre d'ARSONVAL (fig. 10.3) représente une amélioration du galvanomètre à aimant mobile.
Fig. 10.3 Galvanomètre d'ARSONVAL
Il se compose d'un puissant aimant permanent en fer à cheval, entre les pôles duquel se meut une bobine rectangulaire (cadre) formée de fil très fin et maintenue en haut par un fil en bronze phosphore ou en acier très mince.
Ce fil sert aussi de conducteur à la partie supérieure de la bobine.
L'autre conducteur, constitué par un ruban de cuivre très flexible et tourné en spirale, est relié à la partie inférieure de la bobine et n'affecte en rien la liberté de mouvement de l'ensemble.
Lorsque le courant à mesurer traverse l'instrument, il naît un champ magnétique dont les pôles sont situés en avant et en arrière de la bobine.
L'attraction qui se produit entre les pôles de la bobine et ceux de l'aimant permanent provoque la rotation de la bobine d'un angle proportionnel à l'intensité du courant.
La bobine tourne dans le même sens que les aiguilles d'une montre ou dans le sens contraire, suivant la direction du courant qui la traverse.
Le mouvement de rotation de la bobine cessera dès que le couple de torsion créé par le courant continu et le couple de torsion du fil de suspension qui s'oppose au mouvement seront égaux en valeur absolue.
À l'intérieur de la bobine et sans contact avec elle, un cylindre (noyau) de fer doux est fixé au dos de l'instrument.
La bobine tourne librement dans l'espace annulaire compris entre les pôles de l'aimant permanent et ce noyau de fer doux dont le but est de diminuer la réluctance, d'augmenter le champ magnétique et, par conséquent, la sensibilité de l'instrument.
Un faible courant provoque une grande déviation de la bobine.
Un miroir fixé sur la bobine réfléchit sur un arc gradué, placé à 0.5 mètre de lui, un rayon lumineux provenant d'une lampe à incandescence (fig. 10.4).
Fig. 10.4 Galvanomètre d'ARSONVAL (dispositif sensible)
L'angle que font le rayon réfléchi et le rayon incident qui passe par la graduation zéro est égal au double de l'angle de déviation du miroir.
Ce dispositif augmente encore la sensibilité de l'instrument ; une très petite déviation de la bobine produira une grande déviation du rayon lumineux sur l'échelle dont la lecture est facilitée par une lunette.
Le galvanomètre d'ARSONVAL est sensible à un courant de 0.000 000 001 (10-9) ampère qui produit sur l'échelle une déviation du rayon lumineux de 1 millimètre.
Toutes les parties de l'instrument sont enfermées dans un boîtier métallique muni d'un écran magnétique qui le protège des champs magnétiques extérieurs.
En reliant en série, à sa bobine, une résistance de 1000 mégahoms on peut l'utiliser comme voltmètre. Une déviation de 1 millimètre sur l'échelle indiquera alors une force électromotrice de 1 volt.
Le galvanomètre d'ARSONVAL n'étant pas affecté par les champs magnétiques terrestre et extérieurs donne de bonnes indications à proximité d'appareils électriques.
On peut le fixer sur un mur ou sur un trépied. De toute façon, il doit être posé parfaitement de niveau, afin que sa bobine pivote sans toucher ni aux pôles de l'aimant, ni au noyau de fer doux.
121. Galvanomètre Weston
En 1885, le Docteur Weston apporta des améliorations au galvanomètre d'Arsonval. Le galvanomètre Weston (fig. 10.5), plus compact et de transport plus facile, possède une solidité et une précision remarquables ; il a fait l'objet, depuis, de perfectionnements, mais le principe reste essentiellement le même.
Principe reposant sur le mécanisme composé d'un aimant permanent fixe et d'une bobine (cadre) mobile, auquel on donne le nom de "mouvement d'ARSONVAL".
Il se compose d'un puissant aimant permanent fixe en fer à cheval M aux extrémités duquel sont fixées, par des boulons, deux pièces polaires P en fer doux.
Entre ces pièces est placé un noyau de fer doux C laissant un espace annulaire d'air et destiné à réduire les fuites pouvant se produire entre les pôles. Cet espace annulaire renferme un champ magnétique très puissant, radial et uniforme.
Grâce à cette dernière qualité, l'échelle de l'instrument possède des divisions égales, chacune d'elles représentant une variation constante d'intensité ou de voltage.
La bobine mobile W est constituée par un cadre rectangulaire en alliage d'aluminium sur lequel s'enroulent plusieurs tours de fil très fin et isolé par lequel passe le courant à mesurer ou, s'il existe un shunt, une partie du courant.
Celui-ci arrive à la bobine et retourne au circuit par l'intermédiaire de deux ressorts légers en forme de spirale qui ramènent la bobine à la position zéro dès que le courant cesse d'y passer.
La force réactive de ces ressorts est proportionnelle à l'angle de déviation de la bobine et, afin d'obtenir des effets contraires et d'annuler les variations de température, ils sont enroulés en sens opposé.
La bobine porte une grande aiguille R en aluminium qui se déplace devant un cadran gradué et dont le poids est contrebalancé par un écrou que l'on dévisse ou que l'on visse dans le pivot.
La puissance de l'aimant, la légèreté du cadre et le grand nombre de spires de fil fin, le minimum de friction entre ses supports et ses pivots, contribuent à rendre l'instrument d'une sensibilité telle qu'un courant de 5 à 20 milliampères produit le maximum de déviation de l'aiguille.
122. Galvanomètre balistique
On utilise surtout le galvanomètre balistique pour mesurer les courants momentanés tels que la décharge d'un conducteur ou l'induction électromagnétique.
Il ressemble au galvanomètre d'ARSONVAL, mais sa bobine possède une grosse masse de manière à obtenir une grande inertie; un courant instantané produira une poussée lente.
La déviation de la bobine est indiquée par le déplacement d'un point lumineux sur le cadran de l'instrument.
On note, soigneusement la déviation maximum, au moment précis où le point lumineux s'immobilise avant de revenir à la division zéro.
La quantité d'électricité envoyée dans la bobine est proportionnelle à la déviation (fig. 10.6).
Fig. 10.6 Galvanomètre balistique
123. Instruments à aimant permanent et cadre mobile
Ces instruments servent à mesurer le voltage et l'intensité des courants continus (fig. 10.7).
Fig. 10.7 Mouvement aimant permanent - cadre mobile (Weston)
Au repos, des ressorts maintiennent le cadre à une position "zéro".
Le courant en circulant dans le cadre crée un champ magnétique proportionnel à son intensité et sous l'action du champ magnétique permanent de l'aimant, un couple de torsion provoque la rotation du cadre et de l'aiguille qu'il entraîne.
Lorsque le couple de torsion et la résistance opposée par les ressorts s'équilibrent, l'aiguille se stabilise en indiquant la valeur du courant.
124. Ampèremètre à cadre mobile
Les ampèremètres servent à mesurer l'intensité du courant circulant dans un circuit et se montent, par conséquent, en série sur le circuit. Les ampèremètres à cadre mobile sont des galvanomètres d'ARSONVAL portatifs.
La déviation de l'aiguille fixée au cadre dépend du nombre de tours de celui-ci et de l'intensité du courant.
Pour un appareil destiné à mesurer des intensités de quelques microampères le cadre comprend un grand nombre de spires de fil très fin, tandis que pour des courants d'intensité plus élevée (milliampères), le fil sera plus gros et le nombre de spires moins grand.
Les instruments actuels peuvent mesurer de 20 microampères à 25 milliampères. On les désigne, suivant le cas, sous le nom de microampèremètres ou milliampèremètres (fig. 10.8).
Si l'on veut mesurer des
intensités supérieures à celle pour laquelle l'instrument est prévu, on relie
une résistance
réductrice de courant OU Shunt Fi9- 1M Ampèremètre à cadre
mobile (Weston) en parallèle avec l'instrument.
On verra plus loin, dans le calcul des shunts, que le courant circulant dans chacune des parties est alors inversement proportionnel à leur résistance.
125. Voltmètre à cadre mobile
Les voltmètres servent à mesurer le voltage (tension); ils se placent en parallèle sur le circuit électrique, entre les deux points dont on veut déterminer la différence de potentiel.
Pour éviter que l'instrument puisse être endommagé par un courant d'une trop grande intensité, on relie une forte résistance en série avec le cadre mobile dont le fil très fin pourrait brûler.
La résistance limite alors le passage du courant à la valeur donnée par la formule (Loi d'OHM)
I = E/R
On voit que le voltmètre est un galvanomètre comprenant une résistance placée généralement à l'intérieur du boîtier et une échelle graduée en volts (fig. 10.9).
Fig. 10.9 Voltmètre avec résistance intérieure
Lorsque la résistance se trouve à l'extérieur du boîtier elle prend le nom de multiplicateur.
Un voltmètre est d'autant plus sensible qu'il absorbe moins de courant lorsqu'on lui applique le voltage maximum, c'est-à-dire à la plus grande déviation de l'aiguille.
On exprime la sensibilité en ohm par volt. C'est ainsi qu'un voltmètre de 150 volts et d'une résistance de 15000 ohms possède une sensibilité de 15000 / 150 = 100 ohms par volt.
Le maximum de courant absorbé par ce voltmètre est de 1/100 = 0.01 ampère ou 10 milliampères.
126. Voltmètre à haute résistance
La sensibilité des voltmètres à courant continu est habituellement de 100 ohms ou de 1000 ohms par volt.
Il existe également des appareils de sensibilité de 200, 5000, 10000 et 20000 ohms par volt.
La construction d'instruments d'une sensibilité spécifique est rendue nécessaire par le fait que le courant requis pour le fonctionnement du voltmètre augmente la charge du circuit.
Dans l'industrie, le courant absorbé de cette manière reste généralement négligeable par rapport à l'intensité de la source dont le voltage n'est pratiquement pas modifié, même avec un voltmètre de faible sensibilité, et l'on peut donc effectuer les mesures sans tenir compte de la sensibilité.
Par contre, avec des sources de faible intensité, une grande partie du courant est accaparée par le voltmètre et les mesures seraient faussées si l'on utilisait un voltmètre de faible sensibilité.
C'est ainsi que les circuits électroniques dont les mesures s'expriment en milliampères exigent l'emploi de voltmètres à grande résistance.
Dans le circuit plaque d'un radio fonctionnant à pleine capacité les intensités sont de l'ordre de 20 à 30 milliampères.
Si l'on branchait un voltmètre de 100 ohms par volt dont la consommation est de 10 milliampères, il est évident que l'on surchargerait le circuit et que, par suite de la baisse de tension produite, la lecture, plus basse que le voltage réel, serait fausse.
On emploiera donc un voltmètre de 1000 ohms par volt dont le cadre comprend un plus grand nombre de spires de fil fin et est relié en série à une résistance plus élevée.
La consommation de courant ne sera plus que de
1/1000 = 1 milliampère.
On se souviendra qu'on ne transforme pas un voltmètre à basse résistance en voltmètre à haute résistance en ajoutant simplement une résistance en série, car on diminuerait ainsi l'intensité du courant et le nombre d'ampères-tours. La déviation de l'aiguille pour un voltage donné serait différente.
La sensibilité d'un voltmètre dépend du nombre de spires du cadre mobile et l'addition d'une résistance en série change la valeur des lectures sur l'échelle graduée de l'instrument.
Il existe des voltmètres à échelle multiple; par exemple 5-15-150 volts. Les bornes des différents voltages sont alors reliées à des résistances correspondant à ces voltages (fig. 10.10).
Fig. 10.10 Voltmètre à échelle multiple
127. Shunt
Les galvanomètres ne mesurent que de faibles courants.
Si l'intensité de la source est trop élevée, on place en parallèle une résistance dont le rôle sera d'absorber le surplus d'intensité. On appelle shunt une telle résistance.
Par exemple, si la déviation maximum de l'aiguille d'un galvanomètre est produite par un courant de 20 microampères, il sera impossible de mesurer un courant d'une intensité supérieure.
On branchera alors sur le galvanomètre un shunt qui protégera l'instrument des courants excessifs et permettra d'apprécier la valeur de l'intensité.
Le shunt est placé à l'intérieur du boîtier de l'instrument; il faut donc en déterminer la forme et, afin d'obtenir des indications sûres, les caractéristiques.
Il est essentiel d'éliminer les erreurs dues aux variations de résistance ; dans ce but, on utilise pour la fabrication des shunts des métaux stables tels que le constantan et la manganine, puisqu'ils possèdent l'avantage de conserver une résistance à peu près constante à toutes les températures (cf. section Unités de mesure).
On protège aussi les shunts contre l'humidité qui, absorbée par la matière isolante, provoque une variation appréciable de la valeur réelle de la résistance se traduisant par une erreur dans la lecture de l'instrument.
On considère le shunt comme une résistance ordinaire qui se partage avec l'instrument l'intensité totale du courant, suivant la loi des résistances branchées en parallèle.
Le rapport étant constant, l'instrument absorbe toujours la même proportion de courant et son échelle indique le courant total du circuit.
Au-dessus de 50 ampères, les shunts chaufferaient trop s'ils étaient placés à l'intérieur du boîtier de l'instrument. On utilise une résistance extérieure qui prend alors le nom de multiplicateur (fig. 10.11).
Fig. 10.11 Multiplicateurs (Weston)
II existe deux catégories de shunts.
La première comprend les shunts à plusieurs résistances (3 ou 4) reliées séparément en parallèle avec le galvanomètre.
Ces résistances sont généralement calibrées de manière que les fractions successives de courant traversant le galvanomètre soient dans le rapport de 10 à 1 (fig. 10.12) ; elles ne sont pas reliées directement aux bornes de l'instrument, mais à l'aide d'une fiche mobile.
Fig. 10.12 Shunt à plusieurs résistances
Quand la fiche est enlevée, le courant passe en totalité par le galvanomètre.
À la position 1/9, un dixzième du courant traverse l'instrument et neuf dixièmes le shunt.
A la position 1/99, un centième du courant passe par le galvanomètre et à la position 1/999, un millième seulement.
On voit donc qu'on peut obtenir ainsi:
a) l'intensité totale par lecture directe, dans le cas où l'intensité du circuit ne dépasse pas celle pour laquelle le galvanomètre a été construit.
b) une fraction de l'intensité totale, dans le cas contraire. On place alors la fiche à la position convenable et la lecture correspond alors au 1/10, au 1/100, au 1/1000 de l'intensité réelle.
Le shunt d'AYRTON (fig. 10.13) représente la seconde catégorie.
Fig. 10.13 Shunt d'AYRTON
Il comprend une seule résistance dont une extrémité est reliée directement au galvanomètre, tandis que l'autre est reliée par l'intermédiaire d'un curseur permettant de modifier la valeur de la résistance.
Le shunt d'AYRTON offre l'avantage de pouvoir être relié à tout galvanomètre, quelle que soit la résistance propre de celui-ci. Pour cette raison, on l'appelle aussi shunt universel.
128. Calcul des shunts
Le calcul des shunts s'effectue en appliquant la loi des résistances en parallèle.
a) Pouvoir multiplicateur d'un shunt
Si la résistance d'un galvanomètre et celle du shunt auquel il est relié sont égales, la même quantité de courant traverse le galvanomètre et le shunt.
Si, par contre, la résistance du shunt est la moitié de celle du galvanomètre, il passera deux fois moins de courant dans le galvanomètre que dans le shunt ; pour obtenir le courant total, il faudra multiplier la lecture du galvanomètre par un nombre n (3, dans l'exemple choisi), appelé pouvoir multiplicateur du shunt.
La règle est donc la suivante: pour obtenir le pouvoir multiplicateur d'un shunt, diviser la résistance du galvanomètre par la résistance du shunt et ajouter 1 au quotient obtenu.
Application 10.01
La résistance d'un voltmètre Weston est de 50,000 ohms et celle du shunt est de 5,000 ohms. Calculer le pouvoir multiplicateur du shunt.
Solution
n = (Rg/Rs) + 1 = (50000 / 5000) + 1 = 11
Pour obtenir le courant total du circuit les lectures faites sur l'instrument devront donc être multipliées par 11.
b) Courant passant dans un galvanomètre "shunté"
Pour trouver le courant Ig passant dans un galvanomètre shunté (fig. 10.14), lorsque l'on connaît le courant total I du circuit, on divise le courant I par le pouvoir multiplicateur du shunt.
Fig. 10.14 Galvanomètre shunté
On obtient la formule:
Ig = I / (Rg/Rs) + 1
Application 10.02
On branche sur un circuit de 3 ampères un galvanomètre de 50,000 ohms relié à un shunt de 5,000 ohms.
Quelle est l'intensité du courant qui traverse le galvanomètre?
Solution
Ig = I / (Rg/Rs) + 1 = 3 / (50000/5000) + 1 = 3/11 = 0.272 ampère
c) Calcul d'un shunt ou réducteur pour ampèremètre
Le shunt ou réducteur d'un ampèremètre doit prendre la différence du courant à mesurer I et du courant i absorbé par l'instrument, soit I - i.
On sait, d'autre part, que le voltage entre A et B est le même dans le galvanomètre et dans le réducteur.
On a donc
Es = Eg
Rs (I-i) = Rgi
Rs = Rgi / I-i = Rg / (I-i)/i = Rg / I/i - 1
Si l'on pose I/i = m
L'équation devient Rs = Rg / (m - 1)
Application 10.03
On veut faire un ampèremètre de 25 ampères avec un galvanomètre d'une résistance de 2 ohms et dont le cadran porte 100 divisions de 10 microampères chacune.
Quel réducteur doit-on utiliser?
Solution
I =25 ampères
i = 0.000010 X 100 = 0.001 ampère
Rg = 2 ohms
m = 25 / 0.001 = 25000
Rs = Rg / m-1 = 2 / (25000 - 1) = 2 / 24999 = 0.00008 ou 80 microhms
d) Calcul d'un multiplicateur pour voltmètre
On sait qu'un voltmètre doit être relié en parallèle avec le circuit dont on veut connaître la différence de potentiel.
Afin qu'il ne prenne que le minimum de courant il doit posséder une grande résistance; or celle des galvanomètres est généralement faible.
C'est pourquoi il faut les protéger en plaçant en série une résistance élevée qui prend le nom, on l'a vu précédemment, de multiplicateur.
L'intensité du courant qui traverse le shunt et celle qui traverse le galvanomètre sont égales (fig 10.15)
Fig. 10.15 Voltmètre avec multiplicateur
On peut donc écrire
is = ig
mais
is = E - Eg / Rs et ig = Eg / Rg
donc
is = E - Eg / Rs = Eg / Rg d'où Rs / (E - Eg) = Rg / Eg
Rs = Rg (E-Eg) / Eg = Rg (E/Rg - 1)
Si l'on pose
E/Eg = m
l'équation finale devient
Rs = Rg (m - 1)
Application 10.04
On dispose d'un galvanomètre d'une résistance de 1.8 ohm, d'une sensibilité de 0.000005 amp. (5 microampères) et dont l'échelle comprend 120 divisions.
Quelle résistance doit-on monter en série avec ce galvanomètre, si l'on veut mesurer une tension de 150 volts?
Solution
Rg = 1.8 ohm
E =150 volts
Eg = Rg X ig = 1.8 (0.000005 X 120) = 0.00108 volt
m = 150 / 0.00108= 138.888
Rs = Rg (m - 1) = 1.8 (138,888 - 1) = 1.8 X 138,887 = 249,996 ohms
129. Voltmètre et ampèremètre combinés
Les appareils voltmètre et ampèremètre combinés, appelés voltampèremètres (fig. 10.16) peuvent être utilisés indifféremment comme voltmètre ou comme ampèremètre.
Fig. 10.16 Voltampèremètre WESTON à six graduations
Leur cadran porte des graduations différentes, généralement six, pour le voltage (3-15-150 volts, par exemple) et l'ampérage (3-15-30 ampères).
a) Fonctionnement en ampèremètre
Les shunts sont reliés entre eux en série et avec la bobine mobile, en parallèle. Il ne circule dans celle-ci qu'une partie seulement du courant total, mais comme cette partie représente une fraction exacte du courant total, l'aiguille indique effectivement la valeur de celui-ci.
b) Fonctionnement en voltmètre
On presse sur un bouton pour ouvrir le circuit de l'ampèremètre et fermer celui du voltmètre; à ce moment, comme l'intensité du courant dépend du voltage, l'aiguille indique le voltage.
Chaque division possède sa résistance propre, si bien que la défectuosité d'une résistance n'influerait pas sur le bon fonctionnement des autres.
130. Mécanisme de l'électrodynamomètre
Le mécanisme de l'électrodynamomètre sert de base à presque tous les appareils utilisés pour la mesure des courants alternatifs, où le facteur de puissance intervient ; les lectures donnent les valeurs effectives.
La sensibilité est telle que l'aiguille oscille au moindre passage de courant dans la bobine.
La figure 10.17 illustre une forme très simple du mécanisme de l'électrodynamomètre, basé sur le fait que deux champs magnétiques de même signe se repoussent, tandis que deux champs magnétiques de signes contraires s'attirent.
Fig. 10.17 Influence réciproque de deux champs magnétiques (Weston)
L'intensité du courant se mesure ainsi sur la force d'attraction ou de répulsion.
La figure 10.18 représente le premier mécanisme d'électrodynamomètre; la bobine mobile est à la position zéro.
Fig. 10.18 Premier mécanisme d'électrodynamomètre (Weston)
Le mécanisme de l'électrodynamomètre employé dans les ampèremètres Weston (fig. 10.19)modèle370,341 et 310 s'emploie aussi dans le modèle de laboratoire 326 avec quelques modifications mineures et une aiguille plus longue.
Fig. 10.19 Électrodynamomètre d'ampèremètre WESTON
Sous cette forme, ou avec des champs croisés, ce mécanisme mesure le rapport en balançant les deux couples de torsion.
Si l'on dispose deux champs magnétiques complets l'un au-dessus de l'autre, chacun d'eux dépendant des réactions de sa bobine propre et que l'on relie les deux bobines mobiles à un arbre commun portant l'aiguille indicatrice, on obtient un mécanisme permettant de mesurer la puissance totale des systèmes polyphasés.
Le mouvement à élément unique (fig. 10.20) mesure les ampères, les volts, les watts.
Fig. 10.20 Mouvement
Pour le milliampèremètre on met les bobines fixes et la bobine mobile en série; en ajoutant, en série également, une résistance, on obtient un voltmètre. La résistance agit alors comme réducteur du mouvement de la bobine mobile (fig. 10.21).
Fig. 10.21 Volt-milliampèremètre
Dans l'ampèremètre (fig. 10.22), les bobines fixes se trouvent en série avec la charge.
Fig. 10.22 Ampèremètre à élément unique (Weston) (Weston) (Weston)
La bobine mobile, en série avec une résistance appropriée, se relie en parallèle soit avec la charge, soit avec la source ; avec la charge, la lecture donnera la puissance du circuit de la bobine mobile; avec la source, la lecture donnera la puissance des bobines fixes.
La figure 10.23 illustre un wattmètre.
Fig. 10.23 Wattmètre (Weston)
Dans le wattmètre compensé (fig. 10.24) les bobines fixes comprennent deux enroulements: un enroulement de gros fil relié en série avec la charge, et un enroulement de fil fin relié en série avec la bobine mobile ; cette disposition annule l'effet du courant dans la bobine mobile et donne ainsi la puissance réelle.
Fig. 10.24 Wattmètre compensé (Weston)
Pour les circuits à trois fils et courant monophasé ou polyphasé, on utilise un mouvement à double élément (fig. 10.25).
Fig. 10.25 Mouvement à double élément (Weston)
D'après le théorème de Blondel*, la puissance réelle est mesurée par autant de wattmètres moins un, qu'il y a de fils dans le montage, à condition qu'un des fils soit commun à tous les éléments du circuit.
BLONDEL(André-Eugène) physicien français (1863-1938) qui s'est livré à des recherches sur les courants alternatifs. Inventeur de l'oscillographe galvano-métrique (1893).
La figure 10.26 illustre le montage utilisé pour les systèmes à trois fils, monophasés, biphasés ou triphasés. Le système biphasé quatre fils requiert des connexions séparées sur le circuit.
Fig. 10.26 Wattmètre polyphasé (Weston)
Le montage de la figure 10.27 représente un compromis du théorème de Blondel et permet de mesurer la puissance des systèmes triphasés à quatre fils.
Fig. 10.27 Wattmètre à 2V2 éléments (Weston)
Il faut, pour obtenir la puissance réelle, que les voltages soient équilibrés.
On l'appelle wattmètre à 2½ éléments à cause des connexions divisées des bobines fixes. Notons que le courant de la ligne 2 passe dans les éléments supérieur et inférieur, dans un sens opposé et qu'il est déphasé de 60 degrés.
Son effet est ainsi réduit de moitié (cos 60° = 0.5)** et la somme de ces deux éléments équivaut donc au troisième élément requis. Cos 60°= 0.5 représente ici le facteur de puissance cosΦ
Mouvement à bobines croisées
Le mécanisme à bobines croisées (fig. 10.28) s'utilise pour mesurer le facteur de puissance et les microfarads des circuits équilibrés.
Fig. 10.28 Mécanique à bobines croisées (Weston)
Les bobines croisées mobiles se relient sur les fils de la ligne, tandis que les bobines fixes se relient en série avec la ligne commune aux bobines mobiles (fig. 10.29).
Fig. 10.29 Montage des bobines croisées (Weston)
Le facteur de puissance détermine la position des bobines mobiles.
Mouvement à champs croisés
La figure 10.30 illustre un mouvement à champs croisés.
Fig. 10.30 Mouvement à champs croisés (Weston)
Ce n'est pas strictement un dynamomètre, mais il y ressemble par sa forme. Les bobines croisées sont reliées à la ligne à travers une "inductance" et une "capacitance" (fig. 10.31).
Fig. 10.31 Fréquencemètre (Weston)
Ainsi, la force relative des deux champs est fonction de la fréquence. Une palette mobile prend la direction de la résultante du champ.
L'aiguille fixée sur l'arbre de la palette donne la fréquence du circuit. Cet instrument sert à déterminer la fréquence d'un courant.
Le schéma de la figure 10.32 indique que les bobines I, appelées bobines de champ magnétique, ou de courant, sont reliées en série avec la ligne.
Fig. 10.32 Dynamomètre utilisé comme wattmètre (Weston)
L'armature A, ou bobine de voltage, en série avec une résistance R, est reliée en parallèle à la ligne.
Le flux du champ est proportionnel au courant de la ligne, tandis que le flux de l'armature est proportionnel au voltage de la ligne ; le couple de torsion instantané de l'instrument est proportionnel au produit instantané du courant et du voltage produit qui représente la puissance instantanée dans le circuit.
L'instrument fournit la puissance réelle du courant alternatif et se calibre en watts (fig. 10.33).
Fig. 10.33 Wattmètre
Cet instrument est utilisable sur le courant continu et sur le courant alternatif.
Branché sur l'alternatif, le courant dans les bobines de champ magnétique et dans les bobines de voltage se renverse à chaque alternance ; la direction de la résultante de l'attraction entre les pôles des bobines reste donc toujours la même.
En branchant un wattmètre électrodynamomètre, on doit considérer la polarité instantanée du flux dans chaque bobine, puisque c'est elle qui détermine le sens du moment tournant.
Lorsqu'on utilise l'instrument pour mesurer le voltage ou l'intensité, on relie les bobines, à l'intérieur, dans la bonne polarité et l'instrument au circuit.
Si l'on mesure la puissance, la direction instantanée du courant dans chaque bobine sera déterminée par la polarité des connexions au circuit et l'on veillera que l'instrument soit branché de manière que la déviation de l'aiguille se fasse dans la bonne direction (fig. 10.34).
Fig. 10.34 Branchement d'un wattmètre sur circuit monophasé 2 fils
II ne faut jamais brancher un wattmètre sur un circuit dont le courant ou le voltage dépasse les valeurs pour lesquelles l'instrument est prévu, car un excès de chaleur détruirait les bobines.
Par exemple, un instrument de 1500 watts, construit pour un courant maximum de 12 ampères et un voltage maximum de 125 volts, ne pourra pas être branché sur un circuit de 20 ampères et de 50 volts parce que l'armature de courant serait surchargée, malgré que la puissance à mesurer n'atteigne que 1,000 watts.
131. Wattmètre monophasé (trois fils)
Pour la mesure de la puissance des circuits monophasés trois fils, deux électrodynamomètres sont nécessaires. La figure 10.35 illustre la manière de les brancher pour qu'ils indiquent la puissance réelle totale.
Fig. 10.35 Mesure de la puissance des circuits monophasés 3 fils (General Electric Co.)
On relie une bobine de courant en série avec chaque fil chargé de la ligne, et une bobine de voltage avec un fil chargé et le fil neutre.
On remarquera qu'on ne relie pas la bobine de courant au fil neutre, puisque celui-ci ne transporte que la différence de charge.
La puissance est égale à la somme des lectures des deux wattmètres branchés au circuit comme l'indique la figure 10.36.
Fig. 10.36 Branchement de deux wattmètres
132. Wattmètre à deux éléments
Pour éviter d'additionner les lectures on a réuni les deux wattmètres en un seul instrument, dont l'aiguille indique la puissance totale.
Fig. 10.37 Wattmètre à deux éléments (circuit monophasé 3 fils). (General Electric Co.)
Pour cela, on monte deux bobines de voltage sur un seul arbre et deux bobines de champ, le tout réuni dans un même boîtier (fig. 10.37).
À condition que les bobines de voltage et de champ soient bien synchronisées, chaque mécanisme développera un couple de torsion proportionnel à la puissance du circuit sur lequel il est branché et les couples de torsion des deux mécanismes s'additionnent pour indiquer la puissance totale du circuit.
Le wattmètre à deux éléments sert aussi à mesurer la puissance des systèmes triphasés à trois fils, équilibrés ou non.
La figure 10.38 schématise les connexions d'un tel circuit. Le mécanisme A produit un moment de torsion proportionnel au potentiel des lignes 1 et 2, et à la somme vectorielle du courant des phases a et c.
Fig. 10.38 Branchement d'un wattmètre à deux éléments
Le mécanisme B produit un moment proportionnel au potentiel des lignes 3 et 2, et à la somme vectorielle du courant des phases b et c.
La somme des moments de torsion des deux mécanismes est donc proportionnelle à la puissance totale du circuit.
Comme on l'a vu pour le wattmètre monophasé, le déphasage du voltage et du courant (facteur de puissance) produit des différences de couples dans chaque élément dont le résultat donne la puissance réelle du circuit.
133. Wattmètre compensé
Cet instrument comprend une bobine additionnelle de fil fin placée sur les bobines fixes et se relie en série avec la bobine mobile, ce qui a pour but d'annuler la puissance absorbée par la bobine mobile et de donner une lecture plus juste.
134. Mécanisme à palette magnétique
La figure 10.39 illustre le premier mécanisme à noyau mobile et à bobine fixe (solénoïde).
Fig. 10.39 Premier mécanisme à palette magnétique (Weston)
L'action de la pesanteur remplaçait le ressort, utilisé normalement de nos jours, pour remettre l'aiguille à zéro.
Les instruments présentaient alors le grave inconvénient de fournir des indications entachées d'erreurs plus ou moins importantes selon la position dans laquelle ils se trouvaient.
135. Mécanisme à palettes fixe et mobile
Le mécanisme à palettes (fig. 10.40) utilise la répulsion qu'exercent entre elles deux palettes semblables de fer doux qui s'aimantent sous l'influence du champ magnétique d'une bobine dans laquelle passe le courant à mesurer.
Fig. 10.40 Mécanisme à deux palettes (Weston)
L'une des palettes est fixe; l'autre est mobile autour d'un axe. Un ressort fixé sur la palette mobile s'oppose à son mouvement et la force qu'il exerce est indiquée par une aiguille sur un cadran gradué.
136. Mécanisme à palettes concentriques
Les instruments à palettes concentriques (fig. 10.41) sont utilisables comme ampèremètres ou comme voltmètres.
Le mécanisme comprend une bobine en gros fil (ampèremètre) et une bobine en fil fin reliée en série avec une résistance (voltmètre).
Construits pour le courant alternatif, ces appareils peuvent servir sur le courant continu, malgré qu'ils soient alors moins précis.
Le plus souvent, les bobines sont entourées de lames de fer qui les protègent des champs magnétiques extérieurs, éliminant ainsi des erreurs de lecture; sous l'action de la force de répulsion s'exerçant entre la palette fixée
sur la bobine de champ et la palette mobile, celle-ci glisse en entraînant l'axe et l'aiguille. Avec de petites palettes les instruments sont d'une sensibilité moyenne et les erreurs dues au magnétisme rémanent et au courant direct inversé restent minimes.
Des palettes de caractéristiques spéciales permettent d'utiliser, au besoin, une échelle plus étendue. Une palette d'amortissement (Damping varie), fixée à la partie supérieure de l'axe de l'aiguille, tourne dans un petit compartiment fermé. Sa fonction est de permettre à l'aiguille de se mouvoir sans oscillations.
137. Mécanisme à palettes radiales
Dans le mécanisme à palettes radiales (fig. 10.42 ; la palette mobile s'écarte, sous l'action de la force répulsive, de la palette fixe, à la manière d'un livre qu'on ouvre.
Fig. 10.42 Mécanisme à palettes radiales (Weston)
La construction de l'instrument exige un grand soin et des palettes magnétiques d'excellente qualité. La sensibilité est plus grande que celle de l'appareil précédent et l'échelle comprend plus de divisions.
138. Mécanisme à palette et bobine inclinée
Le principe de fonctionnement du mécanisme des instruments à bobine inclinée (fig. 10.43) repose sur le fait qu'une palette de fer, libre de pivoter autour de son axe, tend à se placer parallèlement au flux magnétique.
Fig. 10.43 Mécanisme a palette et bobine inclinée
Un arbre portant l'aiguille et la palette passe au milieu d'une bobine produisant, sous l'effet du courant, un champ magnétique.
La palette, dans son mouvement pour se placer parallèlement aux lignes de force, entraîne l'aiguille qui indique alors l'intensité du courant.
Ce mécanisme convient particulièrement pour les instruments de précision. Présenté en deux modèles, portatif ou en applique sur un tableau de distribution, il occupe un grand volume.
139. Mécanisme à palette polarisée
La figure 10.44 illustre un mécanisme à palette polarisée.
Fig. 10.44 Mécanisme à palette polarisée (Weston)
La résultante des champs produits par l'aimant et le courant dans la bobine provoque le mouvement de la palette en fer et de l'aiguille.
Le noyau de fer doux augmente la sensibilité de l'instrument et la bobine ne comprend que quelques tours de fil. La palette pivote pour venir se placer en ligne avec le flux magnétique.
140. Instruments thermiques
Le fonctionnement des appareils thermiques repose sur la loi de Joule. Ils mesurent l'intensité efficace I et sont donc utilisables aussi bien sur le courant continu que sur le courant alternatif quelles que soient la fréquence et la forme de celui-ci.
141. Voltmètre thermique
Le voltmètre thermique (fig. 10.45) est constitué par un fil en alliage d'argent et de platine, très fin, relié par deux contacts au circuit à mesurer.
Fig. 10.45 Voltmètre thermique (Weston)
Il passe par trois petites poulies dont deux sont fixes et la troisième mobile. Sous l'action de la chaleur dégagée par le passage du courant le fil se dilate, augmente de longueur et fait dévier l'aiguille par l'intermédiaire de la poulie mobile.
142. Ampèremètre thermique
Dans l'ampèremètre thermique (fig. 10.46), la dilatation du fil d'alliage est sensiblement proportionnelle au carré du courant.
Fig. 10.46 Ampèremètre thermique (Weston)
Ce fil est fixé à deux bornes et vers son milieu, s'attache un autre fil passant autour d'une poulie supportant l'aiguille.
La tension du second fil est maintenue par un ressort.
La chaleur produite par le passage du courant dilate le fil d'alliage ; la tension des fils diminue et est reprise par le ressort ; la poulie tourne et provoque ainsi la déviation de l'aiguille.
Cet instrument est pratiquement inutilisable, à cause des facteurs d'instabilité introduits par la température ambiante et la dilatation du conducteur.
Sa sensibilité et sa précision ont été améliorées par un dispositif comprenant un élément chauffant compensé, un couple thermoélectrique et un mouvement d'ARSONVAL.
On obtient ainsi un instrument à thermocouple compensé avec un aimant permanent et une bobine.
143. Instruments à thermocouple
Au cours de la section Unités de mesure, on a mentionné la méthode thermique de production de l'électricité, basée sur le fait que lorsque deux fils de métaux différents sont soudés à leurs extrémités et que l'on chauffe l'une des soudures, la différence de température donne naissance à un courant électrique, de la soudure chaude vers la soudure froide.
Les variations de la force électromotrice ainsi produite suivent celles de la température.
Le couple thermoélectrique peut servir à mesurer, par l'intermédiaire de l'électricité, des quantités non électriques telles que les températures.
Si maintenant, on utilise comme moyen de chauffage de la soudure d'un thermocouple la chaleur développée par un courant électrique, il devient possible de mesurer l'intensité efficace de ce courant par les effets de la force électromotrice sur un mouvement d'ARSONVAL.
Tel est le principe des instruments à thermocouple qui, comme les instruments thermiques proprement dits, mesurent les courants d'après leurs effets thermiques. Ils sont donc utilisables sur les courants alternatifs.
De plus, le thermocouple ne donnant pas lieu à des effets de réactance, la valeur de la fréquence n'exerce aucune influence.
La réactance est due à des phénomènes de self-induction et de capacité qui se produisent dans un conducteur parcouru par un courant alternatif.
C'est la raison pour laquelle on utilise les instruments à thermocouple avec des fréquences élevées (fréquences radiophoniques) et dans tous les cas où la forme de l'onde ou sa fréquence fausseraient les indications d'autres appareils.
144. Ampèremètre compensé Weston
Dans l'ampèremètre compensé Weston (fig. 10.47), l'arrivée du courant à mesurer s'effectue par des blocs en cuivre ou en bronze A et B fixés sur une base isolante et auxquels sont soudées les extrémités d'un fil résistant qui constitue l'élément chauffant.
Les facteurs suivants influent sur le choix du métal (a) potentiel thermoélectrique (b) point de fusion (c) propriété de supporter des températures élevées sans corrosion et volatilisation. On utilise couramment un alliage platine/iridium.
Le point de contact ou point de jonction E du thermocouple CED est lui-même soudé au milieu de l'élément chauffant.
Fig. 10.47 Ampèremètre compensé (Weston)
La force électromotrice dépend de la valeur de la différence de température entre la jonction thermique (point de contact des deux métaux formant le thermocouple) et le point froid (aboutissement des fils du thermocouple).
Le couple doit avoir une force électromotrice suffisante et résister aux températures élevées. Le choix se porte souvent sur l'alliage platine/iridium, comme élément positif et l'alliage or/palladium comme élément négatif.
Afin que cette différence de température soit uniquement causée par le courant à mesurer, les extrémités du thermocouple et celle du circuit de l'appareil ne sont pas directement reliées aux blocs A et B, mais à deux petites barres de cuivre isolées électriquement des blocs par des lamelles de mica.
De cette manière, la température du point froid reste sensiblement égale à celle des blocs de cuivre.
L'éventail de la graduation de l'échelle» suit la progression du carré de l'intensité (fig. 10.48a) ; il est donc moins ouvert à gauche (petites intensités) qu'à droite (intensités plus élevées).
Il est possible d'obtenir une graduation plus uniforme avec des pièces polaires excentrées (fig. 10.48b).
Fig. 10.48 Ampèremètre compensé (Weston) a) Éventail de la graduation b) Pièces polaires excentrées
La figure 10.49 illustre le circuit employé pour les faibles courants ne dépassant pas 0.5 ampère.
Fig. 10.49 Instrument à thermocouple simple
Les courants de fréquences radiophoniques en passant d'une borne à l'autre chauffent le point de contact des fils constituant le thermocouple. Les autres extrémités sont reliées à la bobine mobile de l'instrument.
Une résistance est intercalée en série dans le circuit. La déviation de l'aiguille est proportionnelle au carré du courant de fréquence radiophonique.
Pour les courants plus élevés, on utilise le circuit de la figure 10.50.
Fig. 10.50 Instrument à thermocouple compensé
Les deux métaux du thermocouple sont disposés en parallèle pour les courants de fréquences radiophoniques, mais en série pour les courants thermoélectriques.
On obtient une échelle plus grande en insérant un shunt ou réducteur en parallèle avec le thermocouple.
En reliant le thermocouple en série avec une résistance élevée on obtient un voltmètre.
145. Instruments à redresseur
Redresseurs de courant
On désigne sous le nom de redresseurs de courant des appareils destinés à redresser le courant alternatif en courant pulsatif.
On a vu (Électricité dynamique) que le sens du courant pulsatif reste constant et que plus la différence est petite entre les valeurs maxima et minima de ses pulsations, plus il se rapproche du courant continu.
Nous ne mentionnerons ici que les redresseurs secs, c'est-à-dire ceux qui ne comprennent ni électrolyte, ni lampe ou filament émetteurs d'électrons.
Le principe de fonctionnement d'un redresseur repose sur la très grande résistance R qu'il oppose au passage du courant dans un sens et la résistance relativement faible r qu'il oppose dans l'autre sens.
L'efficacité d'un redresseur est caractérisée par le rapport R/r, qui peut atteindre la valeur de 10000, et diminue avec l'élévation de la température.
Redresseurs secs
L'élément d'un redresseur sec se compose d'un disque de cuivre recouvert sur l'une de ses faces d'une couche d'oxyde cuivreux.
Une rondelle de plomb est fortement appliquée sur la couche d'oxyde dans le but d'assurer un contact électrique parfait.
Si l'on fait passer un courant alternatif dans un tel élément, on s'aperçoit que la résistance opposée au passage du courant est beaucoup plus faible dans le sens oxyde-métal que dans le sens métal-oxyde.
L'appareil (fig. 10.51) se présente sous l'aspect de séries de rondelles enfilées sur un axe métallique isolé par une couche de bakélite; dans le but d'assurer la dissipation de la chaleur ou insère des ailettes de refroidissement.
On construit également des redresseurs au sélénium constitués par des plaques en alliage d'étain, de bismuth et de calcium et des plaques de fer nickelées ou d'aluminium dont l'une des faces est recouverte d'une couche de sélénium spécialement traité.
Le fonctionnement reste identique. Le courant alternatif ne passe que dans le sens sélénium/alliage.
Les instruments de mesure pour les courants alternatifs (électrodynamomètres, instruments à palette mobile, à palettes et à thermocouple) offrent l'inconvénient de n'être pas assez sensibles ; ils absorbent de 15 à 500 milliampères, tandis que les instruments à courant continu, avec un mouvement d'Arsonval suffisamment sensible, prennent aussi peu que 1 milliampère.
C'est la raison pour laquelle on combine un redresseur et un mouvement Weston (fig. 10.52) pour mesurer les faibles courants alternatifs comme ceux utilisés en radio.
Il existe plusieurs montages suivant qu'on veut redresser une seule ou deux alternances.
Redressement d'une alternance
Le circuit redresseur monophasé demeure le plus simple ; le redresseur se relie simplement en série avec la source et la charge.
Le passage du courant suit la direction de la flèche qui symbolise l'oxyde de cuivre ou la plaque de fer nickelée de l'un des éléments ; c'est aussi la direction du courant continu dans la charge (fig. 10.53).
Fig. 10.53 Redressement d'une alternance
Lorsque le haut du secondaire du transformateur est positif, le courant traverse le redresseur, la charge, puis revient au bas de l'enroulement secondaire du transformateur.
Lorsque le bas est positif, aucun courant ne circule tant que la polarité n'est pas inversée. Le courant redressé forme une série de plusieurs pulsations intermittentes (fig. 10.54).
Fig. 10.54 Courant semi-redressé
Redressement de deux alternances
En redressant les deux alternances d'un courant alternatif on obtient évidemment un courant pulsatif plus régulier.
Dans ce but, on monte deux redresseurs ou quatre (Diode). On obtient ainsi le montage en bivalve ou le montage en pont.
a) Montage en pont
La figure 10.55 illustre un montage en pont; quatre redresseurs sont reliés en circuit fermé dont une moitié se compose de deux éléments en série dans un sens et l'autre moitié de deux éléments reliés en série dans le sens opposé.
Fig. 10.55 Montage en pont
Les joints des éléments de sens
opposé donnent les bornes d'arrivée du courant alternatif venant du
transformateur, tandis que les joints des éléments de même sens donnent les
bornes de sortie du courant pulsatif.
Lorsque la partie supérieure du transformateur est positive le courant traverse le redresseur 2, la charge, puis revient au transformateur par le redresseur 4.
Pendant la demi-période suivante, la partie inférieure du transformateur devient positive; le courant traverse alors le redresseur 3, la charge, puis revient au transformateur par le redresseur 1.
b) Montage en bivalve
La figure 10.56 représente un montage en bivalve. Chaque borne du secondaire est reliée à un redresseur et les deux redresseurs sont montés dans le même sens.
Le circuit d'utilisation (charge) est inséré entre le centre du transformateur et le conducteur reliant les redresseurs.
Le départ du courant s'effectue du centre du transformateur. Lorsque la partie supérieure de celui-ci est positive le courant traverse la charge pour revenir dans le bas du transformateur par le redresseur 2.
Pendant la demi-alternance suivante la partie inférieure du transformateur devient positive et le courant, après avoir traversé la charge revient dans le haut du transformateur par le redresseur 1.
On voit que dans le montage en bivalve la moitié seulement de la tension du secondaire est utilisable. C'est la raison pour laquelle la tension du transformateur devra toujours être au moins égale au double de la tension du courant redressé que l'on veut obtenir.
Le redresseur est renfermé dans le boîtier de l'instrument. Le courant complètement redressé (fig. 10.57) passe ensuite dans la bobine mobile d'un milliampèremètre à courant continu (fig. 10.58).
Fig. 10.57 Courant redressé
Fig. 10.58 Connexions d'un redresseur
Pour mesurer l'intensité du courant on relie en série chaque borne de l'instrument à un côté de la ligne (fig. 10.59). Si l'on veut mesurer le voltage on insère une résistance en série (fig. 10.60).
Fig. 10.59 Ampèremètre Fig. 10.60 Voltmètre à redresseur à redresseur
L'instrument mesure le courant continu comme les courants alternatifs. Il suffit de manoeuvrer un commutateur spécial qui, en ouvrant ou en fermant le circuit du redresseur, change les connexions.
146. Mesures des températures
II est possible de mesurer électriquement les températures à l'aide d'instruments qui offrent l'avantage d'un contrôle à distance de la source de chaleur. Les plus utilisés sont le pyromètre à thermocouple et le thermomètre à résistance.
147. Pyromètre à thermocouple
On désigne sous le nom de pyromètre un instrument destiné à mesurer les températures élevées. La forme la plus simple est basée sur la dilatation d'un métal.
On utilise surtout la propriété d'un couple thermoélectrique (fig. 10.61).
Fig. 10.62 Thermomètre à résistance
La force électromotrice développée par le couple est transmise à un millivoltmètre sensible placé à l'extérieur et dont l'échelle a été, par comparaison, directement graduée en degrés thermométriques.
La température maximum à laquelle le pyromètre peut fonctionner dépend essentiellement du couple utilisé.
C'est ainsi qu'un couple thermoélectrique platine-platine rhodié permet de mesurer une température constante de 2800°F avec des pointes occasionnelles de 3000°F.
148. Thermomètre à résistance
Un thermomètre à résistance fonctionne sur le principe de la variation de résistivité d'un métal sous l'influence de la température. Il exige donc une source de courant soit continu (pile, accumulateur), soit alternatif redressé.
Il existe plusieurs types de thermomètres à résistance.
La figure 10.62 illustre un montage en pont.
Fig. 10.62 Thermomètre à résistance
Un fil de métal constitue le détecteur relié à la source du courant et à un pont comprenant trois branches, le détecteur remplissant la fonction de la quatrième branche (pont de Wheatstone) AD.
Pour les thermomètres destinés à mesurer des températures très élevées, on utilise généralement le platine dont la température de fusion se situe aux environs de 3200° F.
Le pont, contrairement au détecteur, doit posséder un coefficient de température négligeable.
La résistance AC est une résistance variable. On balance le pont pour la température ambiante normale. Sous l'influence de la chaleur, la résistivité du détecteur change et provoque le déséquilibre du pont.
Les variations de l'intensité du courant produisent le déplacement de l'aiguille d'un mouvement d'ARSONVAL relié en série (milliampèremètre) et dont l'échelle est graduée en degrés thermométriques.
On voit donc que dans cet appareil les variations de la température ambiante sont compensées.
149. Ohmmètre
Un ohmmètre (fig. 10.63a) permet la lecture directe de la résistance d'un appareil ou d'un circuit. Cet instrument comprend (a) une source de courant d'un voltage constant (b) deux résistances, l'une fixe et l'autre variable, reliées en série et (c) un mouvement d'ARSONVAL.
Fig. 10.63 Ohmmètre simple
On règle l'instrument à l'aide de la résistance variable.
L'aiguille doit indiquer "zéro ohm" lorsque les bornes sont court-circuitées. Pour un voltage constant, la déviation de l'aiguille à partir de sa position de repos sera inversement proportionnelle à la valeur de la résistance inconnue.
Plus la résistance est élevée, moins l'aiguille se déplace vers le zéro de l'échelle graduée en ohms.
II existe des ohmmètres à plusieurs échelles correspondant à des résistances différentes reliées en série avec un commutateur.
Si l'on ajoute des shunts et des multiplicateurs il devient possible de mesurer aussi le voltage et l'intensité. On obtient ainsi un "volt-ohm-ampèremètre" (fig. 10.63b).
L'ohmmètre donne de très bonnes indications, moins précises cependant que le pont de Wheatstone.
150. Pont de Wheatstone
Le pont de Wheatstone (fig. 10.64) permet de mesurer d'une manière très précise la valeur d'une résistance inconnue.
Fig. 10.64 Montage d'un pont de WHEATSTONE
Une source de courant (pile, généralement) alimente un circuit A B C D à quatre branches formées par les résistances connues rl5 r2, r3 et la résistance inconnue rx. Les points B et D sont reliés par un pont dans lequel est inséré un galvanomètre G. Le courant fourni par la source bifurque en A dans les dérivations ABC et ADC.
On règle les résistances r1} r2 et r3 de manière que le galvanomètre ne soit traversé par aucun courant.
Les points B et D sont alors au même potentiel et les chutes de tension entre A et B et entre A et D sont égales. Pareillement, les chutes de tensions entre B et C et entre D et C sont les mêmes.
On a donc
irx = i'r1
ir3 = i'r2
On en tire
rx/r3 = r1/r2
d'où
rx = r3 x (r1/r2)
L'instrument est constitué par une boîte contenant trois résistances réglables soit par boutons, (fig. 10.65a), soit par riches (fig. 10.65b). On relie la boîte à la résistance inconnue.
Fig. 10.65 Pont de WHEATSTONE
Pour faciliter les calculs, le réglage de deux résistances s'effectue dans un rapport r1/r2 multiple de 10, tandis que la troisième (r3) est réglable en ohms.
Pour obtenir rx, il suffit de multiplier la valeur de r3, lue sur l'échelle, par le rapport convenable, choisi suivant cette valeur.
151. Voltmètre électrostatique
Dans le voltmètre électrostatique on utilise la force d'attraction s'exerçant entre des plaques ou des palettes portées à des potentiels différents.
La force mise en jeu est extrêmement faible mais, avec des différences de potentiel élevées, elle est suffisante pour faire mouvoir la palette mobile montée sur un axe.
Le couple de torsion est proportionnel au carré du voltage appliqué et à la surface des plaques, inversement proportionnel au carré de la distance qui les sépare. Aussi, réduit-on au minimum la distance entre les plaques et l'on augmente leur surface.
La dépense de courant est nulle avec du courant continu et extrêmement faible avec du courant alternatif.
On utilise donc le voltmètre électrostatique dans les cas où d'autres instruments influenceraient le circuit et donneraient des indications erronées.
L'électroscope à feuilles permet de déceler une différence de potentiel, mais n'en indique pas la valeur.
En 1834, Sir William Snow Harris avait conçu un électromètre à disques (fig. 10.66) entourés d'un anneau protecteur assurant l'uniformité des lignes de forces électrostatiques.
Fig. 10.66 Électromètre à disques (Weston)
Un modèle d'électromètre à disques et à supports de quartz, renfermé dans une cage protectrice, est utilisé par le National Bureau of Standards (Organisme américain) pour des forces électromotrices allant jusqu'à 300,000 volts.
C'est Lord Kelvin qui conçut, en 1887, le principe du mécanisme électrostatique.
Le voltage appliqué détermine la position de la plaque mobile par rapport aux plaques fixes et il suffit de lire sa valeur sur l'échelle de l'instrument.
Un électromètre moderne (fig. 10.67) comprend plusieurs séries de plaques et les graduations s'échelonnent de 150 à 3500 volts. Il présente l'aspect d'un condenseur variable.
Fig. 10.67 Mécanisme électrostatique moderne (Weston)
152. Pince voltampèremétrique
Les instruments de mesure mentionnés jusqu'à présent exigent d'être insérés dans le circuit électrique à vérifier. La pince ampèremétrique (fig. 10.68a et b) élimine cet inconvénient.
Fig. 10.68 Pince voltampèremétrique (Weston)
Elle comprend:
(a) un noyau en deux parties qui s'articulent l'une sur l'autre (pince), l'une de ces parties portant l'enroulement secondaire du transformateur;
(b) un boîtier, terminé par un manche, renfermant un groupe de réducteurs (shunts), un redresseur, un mouvement d'ARSONVAL et, si l'instrument doit servir à mesurer des tensions, quelques résistances reliées en série.
Lorsque la pince entoure un conducteur, celui-ci constitue l'enroulement primaire du transformateur.
Le courant secondaire passe par les réducteurs, dans le redresseur, puis arrive au mouvement d'ARSONVAL (aimant permanent — bobine mobile).
On lit la valeur du courant sur l'échelle d'ampérage dont les graduations courantes sont 0-15/60/150/600 ampères.
Pour mesurer le voltage, on court-circuite le secondaire du transformateur en plaçant le commutateur sur l'échelle de voltage ; le courant passe alors par les résistances en série dont la valeur correspond à la graduation désirée.
Il est nécessaire de relier au préalable les bornes spéciales prévues sur l'instrument aux bornes entre lesquelles on mesure la tension. Les graduations sont généralement 0-150/600 volts.
153. Instruments à enregistrement graphique
Les instruments à enregistrement graphique sont nés de la nécessité de suivre d'une manière constante la valeur de certains éléments.
Le graphique qu'ils tracent permet de connaître en fonction du temps les variations d'un courant électrique, de remédier à certaines défectuosités et de surveiller le rendement.
Ces instruments possèdent en commun avec les appareils de mesure ordinaires la plupart de leurs caractéristiques principales.
Mais ils sont, en outre, pourvus d'un système d'enregistrement graphique comprenant un mouvement d'horlogerie ou un petit moteur synchrone entraînant une feuille de papier par l'intermédiaire de cylindres et sur laquelle le tracé s'effectue, soit par une plume spéciale alimentée en encre par un petit réservoir (système à encre), soit par un stylet à cadence rapide (système sec).
Le système sec repose sur le principe de la machine à écrire et offre l'avantage de fournir un graphique toujours parfaitement net, contrairement au système à encre dont la plume, parfois, s'encrasse ou s'engorge, par suite d'un afflux d'encre trop important.
L'enregistrement s'effectue suivant deux axes perpendiculaires; sur les appareils de mesure électriques, les temps sont généralement portés en ordonnée et les quantités mesurées, en abscisse.
Il existe des voltmètres (fig. 10.69), des wattmètres (fig. 10.70), des ampèremètres enregistreurs, etc.
Fig. 10.69 Voltmètre enregistreur
Fig. 10.70 Wattmètre enregistreur (General Electric Co.)
Nous mentionnerons d'autres appareils enregistreurs, désignés plus spécialement sous l'appellation de "compteurs", qui totalisent des quantités.
Le compteur électrique, par exemple, par l'association d'un wattmètre et d'un train d'engrenages totalise le nombre de tours du moteur qui se traduisent, sur des cadrans, par le nombre de watts et de kilowatts consommés.
154. Tachymètres
On désigne sous le nom de tachymètre un instrument destiné à donner instantanément la vitesse angulaire de l'arbre d'une machine.
Le principe de fonctionnement repose sur la mesure d'une grandeur mécanique ou physique variant dans un rapport bien déterminé avec la vitesse angulaire. Il devient ainsi possible, par comparaison, de graduer un cadran donnant directement la vitesse de l'arbre en R.P.M.
Il existe donc de nombreux types de tachymètres qu'il ne faut pas confondre avec les compteurs de tours. On ne s'occupe ici que des tachymètres électriques.
On sait qu'un champ magnétique dont les lignes de force sont coupées par un conducteur engendre dans ce conducteur un courant induit qui varie en raison de la force du champ magnétique et de la rapidité de déplacement (vitesse de rotation définie par la vitesse angulaire) du conducteur.
On obtient un résultat identique avec un champ magnétique tournant et un conducteur fixe Fig. 10.71.
Fig. 10.71 Champ magnétique tournant
Seule, la portion du conducteur baignant dans le champ magnétique produit une force électromotrice.
Si le conducteur forme Une boucle (cadre), on obtient plus de courant puisque chaque moitié de la boucle coupe alternativement le champ, mais la polarité change chaque fois que la boucle passe d'un côté à l'autre de l'axe vertical du champ.
La force électromotrice engendrée augmente avec le nombre des boucles (spires).
Si l'on veut obtenir du courant continu, on redresse le courant en reliant les spires aux segments d'un commutateur sur lesquels s'appuient des balais (brushes).
Dans un tachymètre électrique on mesure, à l'aide d'un voltmètre, les variations d'une force électromotrice en fonction de la vitesse angulaire de l'arbre d'une machine.
L'instrument comprend donc essentiellement un générateur de courant et un voltmètre, d'où deux grandes classes de tachymètres électriques, selon que le générateur et le voltmètre sont à courant continu ou à courant alternatif.
a) Tachymètre à courant continu
Le générateur est entraîné par l'arbre (fig. 10.72), soit directement, soit par l'intermédiaire d'engrenages. Son débit est mesuré par le voltmètre gradué en R.P.M.
Fig. 10.72 Tachymètre à courant continu (Weston)
b) Tachymètre à courant alternatif
Le tachymètre à courant alternatif (fig. 10.73) comprend un petit alternateur monophasé, un transformateur à noyau saturé et un voltmètre à redresseur, d'une résistance de 1000 ohms par volt.
Fig. 10.73 Tachymètre à courant alternatif (Weston)
La fréquence augmente avec la vitesse de l'alternateur, ce qui se traduit par une augmentation du débit du transformateur et du redresseur. Un tachymètre à courant alternatif est donc plus sensible à la fréquence qu'au voltage.
Souvent, le montage direct du rotor sur l'arbre permet de supprimer les coussinets, sujets à l'usure, ce qui, joint à l'absence de commutateur et de balai, simplifie grandement l'entretien de l'appareil.
Enfin le rotor, un simple aimant permanent en alliage Anilco (section Électromagnétisme — Alliages spéciaux), peut être entraîné à de grandes vitesses.
Pour mesurer les basses vitesses on utilise un tachymètre avec un alternateur multipolaire.
Nous ne ferons que mentionner le tachymètre avec un alternateur triphasé et dont les indications s'effectuent par l'intermédiaire d'un moteur synchrone et d'un entraînement magnétique.
Cet instrument est utilisé pour mesurer des vitesses très élevées et est insensible aux vibrations.
155. Méthode du potentiomètre
Quand on doit mesurer des différences de potentiel très faibles, l'emploi d'instruments de mesure ordinaires fournirait de fausses indications, car ces appareils consomment du courant et modifie donc le voltage du circuit où ils sont insérés.
On recourt alors à la méthode du potentiomètre avec laquelle on obtient une extrême précision.
Cette méthode repose sui l'application de la loi d'OHM. On oppose une force électromotrice inconnue à une force électromotrice connue.
C'est une mesure par
comparaison, analogue à celle qu'on utilise avec le pont Wheatstone.
La force
électromotrice connue est celle d'une pile étalon Weston.
On se souvient que sa valeur est de 1.086 volt (section Piles primaires et secondaires).
La figure 10.74 représente un schéma très simplifié d'un potentiomètre.
Fig. 10.74 Méthode du potentiomètre
Les parties essentielles sont (a) une résistance R de valeur connue, réglable par curseur ou par fiches et graduée en fractions de volt ; (b) une source de courant S à bas voltage et dont l'intensité du courant qu'elle débite sera réglée à l'aide d'un rhéostat Rh; (c) une pile étalon Weston; (d) un galvanomètre.
Si l'on divise une résistance connue en sections dont chacune possède une résistance de 1 ohm et que l'on y fasse circuler un courant d'une intensité de 1 ampère, la valeur de la force électromotrice correspondra au nombre de sections mises en circuit.
C'est le principe appliqué dans la graduation de la résistance du potentiomètre.
Un interrupteur permet de fermer ou d'ouvrir le circuit. On calibre d'abord la résistance (fig. 10.74a).
Pour cela on déplace le curseur C sur la division correspondant au voltage de la pile Weston, puis l'on manoeuvre le rhéostat de manière que la chute de voltage dans la résistance équilibre sensiblement la force électromotrice de la pile.
Le curseur permet ensuite un réglage extrêmement précis pour un équilibrage parfait qui sera obtenu lorsque l'aiguille du galvanomètre indiquera qu'il ne passe plus de courant.
On substitue alors (fig. 10.74b) la force électromotrice inconnue E à la pile W et l'on manoeuvre de nouveau le curseur pour ramener au zéro l'aiguille du galvanomètre. On lit directement sur l'échelle de la valeur de E.
L'appareil se présente sous une forme compacte (fig. 10.75). La substitution de la force inconnue à la pile Weston s'effectue très simplement à l'aide d'un commutateur.
Fig. 10.75 Potentiomètre de précision portatif
156. Fréquencemètre
La plupart des appareils électriques modernes exigent, pour fonctionner d'une manière satisfaisante, qu'ils soient alimentés par un courant de fréquence correspondant exactement à celle pour laquelle ils ont été conçus ; leur rendement est affecté par toute variation de la fréquence et même, dans certains cas, des dommages peuvent en résulter.
Dans ces conditions, il devient impérieux d'exercer un contrôle de la fréquence du courant électrique alimentant les appareils et dans ce but on utilise des instruments appelés fréquencemètres.
Les lignes d'alimentation possèdent une fréquence propre bien déterminée et qui s'écarte très peu d'une valeur donnée; l'échelle de l'instrument couvre donc une gamme de fréquences peu étendue.
Plus les valeurs maximum et minimum sont voisines de la fréquence normale du courant, plus la précision obtenue est grande.
C'est ainsi que pour du courant de 60 cycles les fréquencemètres couvrent généralement une gamme comprise entre 45 et 75 cycles, 55 et 65 cycles et même 58 et 62 cycles.
Le type le plus simple est le fréquencemètre à lames (fig. 10.76).
Fig. 10.76 Fréquencemètre (James G. Biddel Ce.)
Il se compose essentiellement (a) d'une bobine d'induction, (b) d'une bobine métallique flexible sur laquelle sont montées (c) une armature en fer doux et (d) des lames flexibles en acier fixées par leur extrémité inférieure à une barre métallique.
Chacune de ces lames possède une fréquence propre et le fonctionnement de l'instrument repose sur les différences des fréquences propres, différenciées soit par la longueur, soit par le poids des lames.
Le courant alternatif en circulant dans le circuit de la bobine engendre un courant induit dont le sens change à chaque alternance du courant. L
e noyau de la bobine attire, puis repousse successivement l'armature en fer doux. La base vibre et, en même temps, toutes les lames, mais celle dont la fréquence propre correspond à celle du courant entre en résonance et l'amplitude de ses vibrations est plus grande.
Il existe d'autres types de fréquencemètres.
Nous citerons le fréquencemètre à circuit résonnant, d'une très grande précision, mais dont l'étude n'entre pas dans le cadre de cet ouvrage, car son fonctionnement repose sur des propriétés du courant alternatif qui n'ont pas encore été étudiées.
157. Mégohmmètre (Megger)
Le terme "Megger" est une marque de fabrique et on l'utilise fréquemment pour désigner ce genre d'instrument.
Le mégohmmètre est un instrument qui permet de mesurer des résistances très élevées (jusqu'à 10,000 mégohms) et qu'on utilise surtout pour vérifier l'isolation des circuits et des appareils électriques.
C'est tout simplement un ohmmètre spécial muni d'un générateur dont la force électromotrice peut atteindre 2500 volts.
II se compose essentiellement (fig. 10.77):
Fig. 10.77 Mégohmmètre
a) de deux bobines B et B' montées rigidement et à 90° l'une de l'autre sur un mécanisme mobile dont le mouvement n'est freiné ou contrebalancé par aucun ressort et qui porte l'aiguille indicatrice;
C'est la bobine de "potentiel" qui s'oppose au mouvement de la bobine de courant"
b) d'un aimant permanent A A dans le champ magnétique duquel se meut le mécanisme mobile;
c) de deux résistances R et /?';
d) d'un générateur, mû à la main ou par un moteur.
La bobine B (bobine du courant), en série avec la résistance R, est reliée entre une borne du générateur et une borne du mégohmmètre, tandis que la bobine B' (bobine de potentiel), en série avec une résistance convenable R', est reliée entre les bornes de l'instrument.
Lorsque celles-ci sont libres ou lorsqu'elles sont reliées à un circuit (ou appareil) dont l'isolation est parfaite, il est évident qu'aucun courant ne parcourt la bobine B ; seule, la bobine de tension B' entraînera l'aiguille à la position maximum de l'échelle (résistance infinie).
Par contre, si les bornes sont reliées avec une faible résistance (isolation imparfaite), le courant parcourt la bobine de courant B.
Les couples de torsion des deux bobines s'opposent et l'aiguille se rapprochera du zéro de l'échelle jusqu'à ce que l'équilibre se produise, moment où elle indiquera la valeur de la résistance.
Avec les bornes en court-circuit (résistance ou isolation nulles), l'aiguille atteindra le zéro.
Lorsque l'instrument est au repos, l'aiguille, par suite de l'absence de ressort, prend une position quelconque.
A la construction, l'instrument
est calibré en insérant successivement des résistances connues, de valeurs
différentes.
Les mesures gardent la même précision, quel que soit le voltage
du générateur, puisque les deux bobines reçoivent le courant de la même source.
158. Synchronoscope
Le couplage des alternateurs exige le synchronisme des machines, c'est-à-dire que leurs fréquences aient la même valeur et soient en phase.
II reste bien entendu que leurs voltages doivent être égaux.
Dans ce but, on utilisait autrefois des lampes témoins insérées dans le circuit entre les alternateurs ; des voltages inégaux produisaient le passage d'un courant à travers les lampes ; celles-ci s'allumaient et leur brillance était fonction de la différence de potentiel.
Ce procédé manquait de précision ; aussi, utilise-t-on aujourd'hui des instruments appelés synchronoscopes (fig. 10.78) dont il existe plusieurs types:
à bobines croisées, à palette polarisée et à palettes mobiles.
Nous décrirons brièvement ce dernier type.
Fig. 10.78 Synchronoscope (General Electric Co.)
Le fonctionnement du synchronoscope à palettes mobiles repose sur la valeur de la résultante de deux champs tournant en sens opposé.
Ces deux champs gardent la même valeur tant que les voltages restent égaux. Dans ces conditions, avec des fréquences identiques et des voltages en phase, la résultante des deux champs, matérialisée par l'aiguille de l'instrument, reste verticale.
On règle donc la vitesse d'un des alternateurs (celui que l'on veut coupler à l'autre déjà en marche), de manière que l'aiguille atteigne lentement cette position; à ce moment, on ferme l'interrupteur de couplage.
159. Oscillographe
L'oscillographe permet d'observer et d'enregistrer simultanément, en fonction du temps, les caractéristiques d'un courant alternatif telles que voltage, courant, puissance, etc.
L'enregistrement s'effectue sur une pellicule sensible se déroulant à une vitesse constante extrêmement rapide. Les deux types principaux sont l'oscillographe magnétique et l'oscillographe cathodique.
L'oscillographe magnétique (fig. 10.79) est un galvanomètre à élément mobile de très faible inertie, complété par un dispositif optique, un système d'enregistrement photographique et, parfois, par un écran permettant l'observation directe.
Fig. 10.79 Oscillographe (Canadian Westinghouse Co.)
Au-delà de 4500 cycles, l'inertie de l'élément mobile devient néanmoins trop grande pour permettre des indications précises. On recourt alors à l'oscillographe cathodique, constitué par un tube analogue à celui qu'on utilise en télévision.
L'inertie d'un rayon électronique étant pratiquement nulle, il devient possible de mesurer des courants de fréquences extrêmement élevées. Le rayon émis par un canon d'électrons est soumis aux différences de potentiel de quatre plaques groupées par paire (deflection horizontale et deflection verticale).
Les déflections se traduisent par les déplacements instantanés d'un spot sur un écran fluorescent.
160. Notions d'électrométrie
Pour choisir et utiliser à bon escient les instruments de mesure électriques, il est indispensable de posséder quelques connaissances sur la précision et l'exactitude de tels instruments et sur les précautions à observer dans leur manipulation.
Précision
Quand on parle de la précision d'une mesure, on entend l'approximation plus ou moins grande avec laquelle cette mesure s'approche de sa vraie valeur.
Pareillement, la précision d'un instrument est fonction de l'approximation avec laquelle ses indications approchent des vraies valeurs des quantités mesurées.
Exactitude
L'exactitude d'un instrument consiste en la constance des indications qu'il fournit; elle implique la condition essentielle que les lectures soient effectuées d'une manière correcte.
Classification
On classifie souvent les instruments de mesure électriques en groupes caractérisés par leur degré de précision.
C'est la classification adoptée par 1'American Standard for Electrical Measuring Instruments ; le degré de précision est indiqué en pourcentage de la valeur maximum de l'échelle (2%, 1%, 0.5%, 0.25%, 0.1%).
Selon leur précision, on distingue les appareils étalons et les appareils de mesure proprement dits.
161. Appareils étalons
Les appareils étalons sont des appareils de normalisation. Leur degré de précision très élevé (0.1%) les désigne tout spécialement pour l'étalonnage des autres instruments ou pour les travaux de recherches des laboratoires.
On les utilise rarement pour des travaux pratiques; du reste, ils occupent, la plupart du temps, une position bien déterminée de laquelle on ne les déplace jamais, afin d'éliminer toute perturbation dans leur fonctionnement.
À cette seule condition, ils fourniront les indications absolument sûres.
Ces appareils sont toujours accompagnés d'une feuille d'étalonnage indiquant pour chaque lecture la correction à y apporter pour obtenir la vraie valeur de la quantité mesurée.
En effet, les erreurs ne sont pas toujours proportionnelles aux valeurs lues, sur toute la longueur de l'échelle.
162. Instruments de mesure proprement dits
La précision des instruments de mesure diffère suivant le type de l'instrument et son utilisation.
On peut distinguer les instruments de tableau et les instruments de contrôle, les seconds étant généralement d'une précision plus grande que les premiers.
Tous ces instruments subissent des épreuves d'étalonnage dans les conditions suivantes :
a) Ampèremètres
On étalonne les ampèremètres en les reliant en série avec un ampèremètre étalon et une charge variable.
b) Voltmètres
Les voltmètres sont étalonnés en les reliant en parallèle avec un voltmètre étalon et une résistance variable, en parallèle également avec la ligne.
c) Wattmètres
Les wattmètres sont étalonnés en reliant leurs bobines, celle du courant, en série, et celle de la tension, en parallèle, avec la ligne.
L'étalonnage de tous les instruments repose sur le même principe: déterminer, à l'aide d'une charge variable et d'un appareil étalon, les erreurs correspondant aux différentes lectures.
Les renseignements sont généralement mis sous forme de graphique. Des ouvrages spéciaux fournissent les normes des différents types d'instruments.
163. Utilisation des instruments
La précision des instruments peut être diminuée ou complètement détruite par des dommages attribuables à des causes mécaniques ou électriques:
a) Causes mécaniques
Le plus grand soin doit présider au transport et à la manipulation des instruments.
Il suffira de dire que certains pivots (en verre, en saphir, en acier trempé) sont plus aigus que la pointe d'une aiguille à coudre — avec un rayon de l'ordre du millième de pouce — pour faire comprendre leur fragilité.
Le moindre choc brisera un pivot, un axe, un ressort et rendra souvent l'instrument inutilisable.
b) Causes électriques
On apportera la plus grande attention au branchement d'un instrument sur un circuit, on évitera toute surcharge susceptible d'occasionner des dommages.
Une forte surcharge momentanée provoquera le choc de l'aiguille et la faussera ; une surcharge prolongée, même faible, surchauffera l'instrument. Dans les deux cas, la précision sera compromise.
164. Mesures électriques
Les mesures électriques s'effectuent suivant différentes méthodes
a) Méthodes directes
On distingue la méthode par comparaison et la méthode de réduction à zéro, toujours préférable quand on peut y recourir.
1. Comparaison
C'est la méthode la plus facile. On obtient la valeur cherchée par une simple lecture de l'instrument approprié (ampèremètre, voltmètre, ohmètre, etc.).
Cette méthode implique un rapport numérique entre la valeur inconnue et une valeur connue de même espèce prise comme unité (ampère, volt, ohm, etc.).
Nous avons vu précédemment que la véracité des indications exige la précision de l'appareil utilisé.
2. Réduction à zéro
Dans la méthode de réduction à zéro, on oppose la grandir inconnue à une grandeur connue et l'on fait varier celle-ci jusqu'à obtenir l'équilibre parfait des deux grandeurs.
C'est, par exemple, la méthode du potentiomètre. Elle n'exige que la sensibilité de l'instrument utilisé; sa précision n'importe pas et c'est l'avantage de cette méthode.
b) Méthode indirecte
La méthode indirecte exige d'abord des instruments précis, puis une formule établissant une relation bien déterminée entre les valeurs fournies et la valeur cherchée qu'on obtient ainsi par le calcul.
La méthode indirecte est illustrée par les exemples suivants (application de la loi d'OHM).
Calcul de la résistance à l'aide d'un voltmètre et d'un ampèremètre La méthode la plus simple pour calculer la valeur d'une résistance consiste à insérer un voltmètre et un ampèremètre dans le circuit (fig. 10.80a) et d'appliquer la formule de la loi d'Ohm.
Quand il s'agit d'une résistance élevée le courant qui passe dans cette résistance étant très petit le courant passant dans le voltmètre peut atteindre sensiblement la même valeur que celui de la résistance.
On risquerait d'introduire une erreur importante à moins d'utiliser un voltmètre à résistance très élevée.
Dans ce cas, il est préférable d'insérer le voltmètre entre la résistance et l'ampèremètre (fig. 10.80b): le courant indiqué par l'ampèremètre représente alors la somme des courants de la résistance et du voltmètre.
Fig. 10.80 a et b Calcul d'une résistance (ampèremètre et voltmètre)
Calcul de la résistance avec un voltmètre
Dans le circuit de la figure 10.81, on mesure d'abord le voltage de la source en fermant l'interrupteur S ou en court-circuitant la résistance.
Fig. 10.81 Calcul d'une résistance (voltmètre)
On ouvre ensuite l'interrupteur, ce qui insère, dans le circuit, la résistance inconnue de valeur R, en série avec le voltmètre.
La valeur de la résistance est alors obtenue par la formule:
R = ((E1 - E2) / E2) x Rm
R = ((E1/E2) - 1) X Rm
Dans laquelle
R = valeur en ohms de la résistance inconnue.
E1 = voltage de la source.
E2 = lecture du voltmètre avec la résistance en série.
Rm = résistance connue du voltmètre.
Application 10.01
Un voltmètre de 150 volts possède une résistance de 1000 ohms par volt.
On le branche sur une ligne et la première lecture donne 120 volts. On insère en série dans le circuit une résistance inconnue et la seconde lecture donne 40 volts. Calculer la valeur de cette résistance.
Solution
R = ((E1/E2) - 1) X Rm
R = (120/40) - 1) X (150 X 1000) = 300000 ohms
Cette méthode n'est possible que lorsque la résistance inconnue est élevée; au contraire, avec une faible résistance, la différente entre les deux lectures ne serait pas assez importante pour obtenir une valeur suffisamment exacte.
