Oscilloscope
Un oscilloscope, ou oscillographe1, est un instrument de mesure destiné à visualiser un signal électrique, le plus souvent variable au cours du temps. Il permet d'observer les variations temporelles, soit de tensions électriques, soit de diverses autres grandeurs physiques préalablement transformées en tension au moyen de convertisseurs adaptés ou de capteurs. La courbe de rendu d'un oscilloscope est appelée oscillogramme.
On distingue généralement les oscilloscopes analogiques qui utilisent directement un multiple de la tension d'entrée pour produire la déviation du spot, et les oscilloscopes numériques qui transforment, préalablement à tout traitement, la tension d'entrée en nombre. L'affichage est reconstruit après coup. Il devient alors une fonction annexe de l'appareil qui peut même en être dépourvu, la représentation du signal étant effectuée par un ordinateur extérieur relié à l'oscilloscope.
Les oscilloscopes analogiques
Ce type d'appareil est en voie d'obsolescence car il ne permet généralement que l'observation de tensions périodiques. Il est de plus en plus remplacé par les oscilloscopes numériques.
Ne sont décrites dans ce paragraphe que des généralités concernant les calibres de tension et la base de temps d’un oscilloscope analogique.
Fonctionnement interne de l’oscilloscope
Le signal à mesurer est visualisé sur un tube cathodique généralement vert. La trace de l’oscilloscope est déterminée par deux composantes : une horizontale et une verticale.
Le mode XY permet, entre autres :
- de visualiser des caractéristiques de dipôle, à la condition qu'une des tensions soit l'image du courant qui traverse le dipôle ;
- de visualiser un déphasage entre deux tensions sinusoïdales ;
- de générer une courbe « couple en fonction de la vitesse de rotation », permettant de tracer la caractéristique d'un moteur électrique asynchrone et de définir le ou les quadrants utilisés.
La base de temps
Signaux visualisés par un oscilloscope multitrace.
La base de temps est caractérisée par une tension en dents de scie appliquée aux deux plaques verticales (voir schéma). En même temps, le canon à électrons projette un faisceau d'électrons entre les deux plaques (la densité du faisceau correspond à l'intensité lumineuse) :
- le champ électrique, créé par la tension en dents de scie entre les plaques, fait dévier les électrons de leur trajectoire d’origine ;
- l'abscisse de la nouvelle trajectoire dépend directement de la valeur de la tension en dents de scie ;
- afin que l’utilisateur puisse voir cette tension, les électrons percutent l’écran fluorescent de l’oscilloscope en produisant une tache lumineuse nommée spot ;
- sous l'action de la tension en dents de scie le spot se déplace à vitesse constante de gauche à droite puis revient brutalement à gauche, c'est le balayage ;
- pour que l'observateur puisse voir la forme caractéristique d'un courant alternatif il faut que les motifs dessinés par le spot soient exactement superposés d'un balayage sur l'autre, c'est le rôle du déclenchement qui démarre le balayage quand la tension verticale atteint une valeur définie par l'utilisateur.
Tension appliquée par l’utilisateur
Fonctionnement simplifié de la déviation verticale (tension) dans un oscilloscope analogique.
De la même manière que pour la base de temps, la visualisation de la tension appliquée à l’entrée de l’oscilloscope par l’utilisateur se fait à l’aide des plaques horizontales (voir schéma) qui font dévier la trajectoire des électrons verticalement.
La position en ordonnée dépend directement de la tension appliquée par l’utilisateur. La base de temps fonctionnant en permanence, la tension d’entrée (amplifiée auparavant) évolue au cours du temps.
Utilisation des entrées différentielles
Lors de l'utilisation d'oscilloscopes alimentés par le réseau électrique que l'on cherchera à visualiser, différents problèmes peuvent apparaitre :
- défaut d'isolement entre l'oscilloscope et son alimentation, pouvant provoquer des courts-circuits lors des mesures ;
- défaut d'isolement entre plusieurs entrées de l'oscilloscope. Par exemple, si l'oscilloscope est utilisé pour la visualisation de tension sur un circuit RLC série et que l'on mesure la tension aux bornes de la résistance et la tension aux bornes du condensateur, les différentes masses de mesures seront portées au même potentiel, ce qui peut être dangereux.
Pour éviter ces défauts, on peut soit utiliser des oscilloscopes à entrées différentielles intégrées, soit utiliser une ou plusieurs sondes différentielles [archive]. Ces appareils auront pour but d'assurer l'isolation galvanique (avec des optocoupleurs par exemple) entre les différents potentiels de mesure sur le circuit et les potentiels de l'oscilloscope (entrée et masse).
Les oscilloscopes numériques
Boitier d'acquisition oscilloscope USB.
Contrairement aux modèles analogiques, le signal à visualiser est préalablement numérisé par un convertisseur analogique-numérique (interface A/D). La capacité de l'appareil à afficher un signal de fréquence élevée sans distorsion dépend de la qualité de cette interface.
Les principales caractéristiques à prendre en compte sont :
- la résolution du convertisseur analogique-numérique ;
- la fréquence d'échantillonnage en Mé/s (mégaéchantillons par seconde) ou Gé/s (gigaéchantillons par seconde) ;
- la profondeur mémoire.
L'appareil est couplé à des mémoires permettant de stocker ces signaux et à un certain nombre d'organes d'analyse et de traitement qui permettent d'obtenir de nombreuses caractéristiques du signal observé :
- L'affichage du résultat s'effectue de plus en plus souvent sur un écran à cristaux liquides, ce qui rend ces appareils faciles à déplacer et beaucoup moins gourmands en énergie.
Les oscilloscopes numériques ont désormais complètement supplanté leurs prédécesseurs analogiques, grâce à leur plus grande portabilité, une plus grande facilité d'utilisation et, surtout, leur coût réduit.
L'informatique a permis la miniaturisation des oscilloscopes. Certains modèles, de la taille d'un paquet de cigarettes sont seulement munis d'une connexion USB et de deux connecteurs BNC (pour les signaux d'entrée). L'affichage, les commandes et l'alimentation (USB) s'effectuant exclusivement à partir de l'ordinateur (ordinateur portable, tablette...) auquel ils sont branchés. Les constructeurs tels que Pico technology (avec les picoscope), Red Pitaya ou encore Digilent, proposent ce type de solution.
Notes et références
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Multimètre
Un multimètre (parfois appelé contrôleur universel) est un ensemble d'appareils de mesures électriques regroupés en un seul boîtier1, généralement constitué d'un voltmètre, d'un ampèremètre et d'un ohmmètre. Les fonctions voltmètre et ampèremètre sont disponibles en continu et en alternatif.
Un multimètre à affichage numérique.
Types
Il existe plusieurs types de multimètre :
- Multimètre analogique à aiguille
- c'est le premier à être apparu. Construit autour d'un ampèremètre généralement de type magnétoélectrique et comporte un convertisseur tension-courant. L'avantage majeur est de ne pas nécessiter de pile pour les mesures de tension et de courant. Par ailleurs, à prix équivalent, leur bande passante est beaucoup plus large, autorisant ainsi des mesures en AC sur plusieurs centaines de kilohertz là où un modèle numérique standard se cantonne à quelques centaines de hertz. C'est pour cette raison qu'ils sont encore très utilisés en test sur du matériel Hi-Fi.
- Multimètre numérique de poche
- avec l'apparition de circuits intégrés spécialisés (convertisseur analogique numérique CAN), il apparaît dans les années 1970 et comporte les cinq fonctions principales (tension continue, tension alternative, résistance, intensité de courant continu et intensité de courant alternatif). Des fonctions annexes permettent la vérification des jonctions de diodes ou de transistors, puis viennent les mesures de condensateurs, de température, de fréquence. Toutefois, sur certains multimètres numériques la valeur affichée fluctue, parfois rapidement, sur les derniers digits. Cela rend la mesure plus difficile à évaluer, et l'attente de la stabilisation de la mesure ralentit le travail. Autre inconvénient, les multimètres numériques étant beaucoup plus sensibles aux signaux parasites externes (à cause de leur haute impédance d'entrée), la mesure peut alors s'avérer moins fiable. Appareil d'entrée de gamme à milieu de gamme, les prix varient donc d'une quinzaine d'euros actuellement (2020), à quelques centaines d'euros pour des modèles de qualité pouvant être utilisés en atelier d'électronique.
- Multimètre numérique de laboratoire
- l'exactitude des multimètres de poche étant limitée, les besoins industriels et métrologiques ont conduit les grands fabricants de matériels de mesure (Rochar, Schlumberger Hewlett-Packard dès les années 1970, Fluke, Keysight actuellement...) à construire des instruments de plus en plus performants, avec des exactitudes actuelles de quelque 10-6 en tension continue. La capacité d'affichage va jusqu'à 20 millions de points. L'exactitude de ce type de multimètre dépend d'un grand nombre de paramètres (compensations des dérives, composants ultra faible bruit, isolations...). La conversion tension est actuellement de type convertisseur multi-rampe. La partie alternative est assurée soit par des convertisseurs rms classiques, soit par convertisseurs rms faisant appel à la conversion thermique d'un signal alternatif. Les shunts utilisés (en continu et alternatif) permettent la mesure d'intensité de courant allant de quelques centaines de nA à 10 A. Le prix de ces matériels va jusqu'à 20 000 € environ.
Description
Le choix du type de mesure (de l'instrument), du calibre ou échelle de mesure se fait généralement à l'aide d'un commutateur rotatif, des boutons poussoirs peuvent commander des fonctions supplémentaires. Les multimètres les plus récents, souvent les plus simples d'emploi, choisissent automatiquement le bon mode et le bon calibre.
D'autres fonctions de mesure peuvent être disponibles selon le degré de sophistication du multimètre :
- test de continuité avec bipeur, appelé familièrement bipmètre ;
- amplification pour mesurer les très basses tensions et les résistances élevées ;
- mesure de la capacité d'un condensateur ou d'un circuit capacitif ;
- mesure de l'inductance d'une bobine ou d'un circuit inductif (self) ;
- mesure de température, avec l'aide d'une sonde extérieure ;
- tests de semiconducteur discret : diodes, gain des transistors (hfe);
- mesure de fréquence de signaux électriques ; des rapports cycliques ;
- mesure des pics (haut et bas) de tension (peak hold).
Notes et références
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Ampèremètre
Représentation symbolique d'un ampèremètre dans un circuit.
Un ampèremètre est un appareil de mesure de l'intensité d'un courant électrique dans un circuit. L'unité de mesure de l'intensité est l'ampère, symbole: A.
Types d'ampèremètres
Ampèremètres analogiques
Il en existe plusieurs types principaux :
Fonctionnement général d'un ampèremètre magnéto-électrique.
- l'ampèremètre analogique le plus répandu est magnéto-électrique, il utilise un galvanomètre à cadre mobile1.( Il mesure la valeur moyenne du courant qui le traverse). Pour les mesures en courant alternatif, un pont redresseur à diode est utilisé pour redresser le courant mais ce procédé ne permet de mesurer avec précision que des courants sinusoïdaux1,2 ;
Ampèremètres ferromagnétiques de tableau.
- l'ampèremètre ferro-magnétique (ou ferromagnétique) utilise deux palettes de fer doux à l'intérieur d'une bobine3. L'une des palettes est fixe, l'autre est montée sur pivot3. Quand le courant passe dans la bobine, les deux palettes s'aimantent et se repoussent, quel que soit le sens du courant3. Cet ampèremètre n'est donc pas polarisé (il n'indique pas de valeurs négatives)3. Sa précision et sa linéarité sont moins bonnes que celles de l'ampèremètre magnéto-électrique mais il permet de mesurer la valeur efficace de courant alternatif de forme quelconque3,2 (mais de fréquence faible < 1 kHz) ;
- l'ampèremètre thermique est composé d'un fil résistant dans lequel le courant à mesurer circule4. Ce fil s'échauffe par effet Joule, sa longueur variant en fonction de sa température, provoque la rotation de l'aiguille, à laquelle il est fixé. L'ampèremètre thermique n'est pas polarisé4. Il n'est pas influencé par les champs magnétiques avoisinants, ses indications sont indépendantes de la forme (alternatif ou continu de forme quelconque) et de la fréquence du courant4. Il peut donc être utilisé pour mesurer la valeur efficace des courants alternatifs jusqu'à des fréquences très élevées4. Il incorpore très souvent une compensation de température destinée à maintenir sa précision malgré les variations de température ambiante4.
Les ampèremètres analogiques sont de plus en plus remplacés par des ampèremètres numériques. Pourtant, en pratique, l'observation de leur aiguille peut fournir des informations visuelles rapide sur les variations du courant mesuré que l'affichage numérique ne donne que difficilement.
Ampèremètre numérique
Multimètre numérique
Fluke 179 en position d'ampèremètre (alternatif efficace), calibre 10
A.
C'est en fait un voltmètre numérique mesurant la tension produite par le courant à mesurer dans une résistance (appelée shunt). La valeur du shunt dépend du calibre utilisé. En application de la loi d'Ohm, la tension U mesurée est convertie, en fonction de la valeur de résistance connue R du shunt, en une valeur A correspondant au courant2.
Ampèremètres spéciaux
Pince ampèremétrique (calibres 6
A, 60
A et 300
A).
Il existe des ampèremètres particuliers :
- la pince ampèremétrique AC est une sorte de transformateur électrique dont le primaire est constitué par le conducteur dont on veut connaître le courant et le secondaire par un enroulement bobiné sur un circuit magnétique formé par les deux mâchoires de la pince. Elle sert à mesurer des courants alternatifs élevés sans insérer quoi que ce soit dans le circuit. Elle ne peut pas mesurer les courants continus ;
- la pince ampèremétrique à capteur de courant à effet Hall permet de mesurer des courants quelconques (alternatifs ou continus) et d'intensité élevée sans s'insérer dans le circuit ni l'interrompre. La pince est composée d'un circuit magnétique (un transformateur d'intensité) qui se referme sur une pastille semi-conductrice. Cette pastille va être soumise à l'induction générée par le fil (courant à mesurer)5,6,7. On mesure l'induction car celle-ci a l'avantage d'exister quel que soit le type de courant. La pastille semi-conductrice est soumise à un courant perpendiculaire à l'induction qui la traverse5,6,7. Tout ceci pour provoquer grâce à la force de Lorentz un déplacement de charge dans la pastille qui va entrainer une différence de potentiel qui est proportionnelle au champ et donc au courant, un système de contre-réaction impose au transformateur de fonctionner à flux nul et c'est le courant d'annulation du flux qui, converti en tension à l'aide d'un convertisseur à amplificateur opérationnel, donne à sa sortie une tension image du courant mesuré5,6,7 ;
- les ampèremètres à fibre optique : ils sont utilisés dans le domaine de la THT (très haute tension), des grands courants et lorsque la bande passante des capteurs à effet Hall est insuffisante (étude des régimes transitoires violents, ceux pour lesquels le di/dt est supérieur à 108 A/s). Cette technique de mesure utilise l'effet Faraday : le plan de polarisation de la lumière dans le verre tourne sous l'effet d'un champ magnétique axial. Cet effet ne dépend pas de la direction de propagation de la lumière mais dépend de celle de l'intensité8 ;
- les ampèremètres à effet Néel sont capables de mesurer des courants continus et alternatifs, avec une grande précision que ce soit pour des courants faibles ou forts9. Ces capteurs sont constitués de plusieurs bobines et de noyaux réalisés en matériau composite nanostructuré présentant des propriétés superparamagnétiques, d'où l'absence de rémanence magnétique sur un large gamme de température9. Une bobine d’excitation permet de détecter la présence de courant grâce à la modulation par effet Néel9. Une bobine de contre-réaction permet de délivrer le courant de mesure, directement proportionnel au courant primaire et au rapport du nombre de spires primaire/secondaire9. Le capteur de courant à effet Néel se comporte donc comme un simple transformateur de courant, linéaire et précis9.
Utilisation d'un ampèremètre
Montage
Un ampèremètre se branche en série dans le circuit10. Cela veut dire qu'il faut ouvrir le circuit à l'endroit où l'on souhaite mesurer l'intensité et placer l'ampèremètre entre les deux bornes créées par cette ouverture du circuit10.
Sens du branchement et polarité
Un ampèremètre mesure l'intensité circulant de la borne A (ou borne +) vers la borne COM (ou borne -) en tenant compte de son signe.
En général, l'aiguille des ampèremètres analogiques ne peut dévier que dans un sens10. Cela impose de réfléchir au sens du courant et impose de câbler l'ampèremètre de manière à mesurer une intensité positive : on vérifie alors que la borne + de l'ampèremètre est reliée (éventuellement en traversant un ou plusieurs dipôles) au pôle + du générateur et que la borne - de l'ampèremètre est reliée (éventuellement en traversant un ou plusieurs dipôles) au pôle - du générateur10.
Calibre
On appelle calibre la plus forte intensité que peut mesurer l'ampèremètre11.
Tous les appareils modernes sont multi calibres : on change de calibre soit en tournant un commutateur, soit en déplaçant une fiche. Les appareils les plus récents sont autocalibrables (autorange en anglais) et ne nécessitent aucune manipulation.
Lorsqu'on utilise un ampèremètre analogique, il faut éviter d'utiliser un calibre plus petit que l'intensité du courant. Cela impose de déterminer par le calcul un ordre de grandeur de cette intensité et de choisir le calibre en conséquence. Si on n'a aucune idée de l'ordre de grandeur de l'intensité que l'on va mesurer, il est souhaitable de partir du plus haut calibre, en général suffisant. On obtient ainsi une idée du courant circulant dans le circuit. Puis on diminue le calibre jusqu'à atteindre le calibre le plus petit possible, tout en gardant une valeur supérieure au courant mesuré. Il est cependant nécessaire de procéder au changement de calibre avec précaution, par exemple en coupant le courant ou en shuntant l'ampèremètre pendant le changement de calibre de l'appareil, surtout si le circuit est inductif.
Lecture
La lecture d'un appareil numérique est directe et fonction du calibre sélectionné.
Pour l'ampèremètre analogique, l'aiguille se déplace sur une graduation commune à plusieurs calibres. L'indication lue ne représente qu'un nombre de divisions. Il faut donc déduire l'intensité à partir de ce nombre en tenant compte de la valeur du calibre en faisant un calcul, sachant que la graduation maximale correspond au calibre2 :
- Intensité mesurée = G l u e G m a x ⋅ C a l
avec
- G l u e
: graduation lue - G m a x
: graduation maximale - C a l
: Calibre utilisé
Notes et références
- Laurent 1942, p. 41-48.
- « Cours d'électrotechnique – Appareils de mesure » [archive], sur epsic.ch, EPSIC – École professionnelle de Lausanne (consulté le ).
- Laurent 1942, p. 37-40.
- Laurent 1942, p. 49-54.
- Patrick Abati, « Les capteurs à effet Hall » [archive], origine : académie d'Aix-Marseille, 7 décembre 2001site=sitelec.org.
- François Costa et Patrick Poulichet, Sondes pour la mesure du courant en électronique de puissance, Saint-Denis, Éditions techniques de l'ingénieur, (lire en ligne [archive]), p. 6-7.
- M. Correvon, « Systèmes électroniques – Chapitre 14 – Mesure de courant, transducteurs » [archive] [PDF], sur les-electroniciens.com, Institut d'automatisation industrielle – Haute École spécialisée de Suisse occidentale (consulté le ), p. 14-20.
- (en) « Fibre-optic dc current sensor for the electro-winning industry » [archive] [PDF], sur abb.com (consulté le ).
- Martine Parésys, « Mesurer le courant continu sans interrompre le circuit » [archive], Arts & Métiers Magazine, no 347, juin-juillet 2012, p. 34-35 [PDF].
- Laurent 1942, p. 159-173.
Bibliographie
: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.
- René Laurent, Les Mesures de l'électricien praticien, Lyon, Syndicat général des installateurs électriciens français, coll. « Guide de l'électricien », , 2e éd., 341 p. .
Annexes
Article connexe
Liens externes
Voltmètre
Représentation symbolique d'un voltmètre dans un circuit
Le voltmètre est un appareil qui permet de mesurer la tension (ou différence de potentiel électrique) entre deux points, grandeur dont l'unité de mesure est le volt (V)1. Le plus souvent, il peut mesurer des tensions continues et alternatives. La grande majorité des appareils de mesure actuels est construite autour d'un voltmètre numérique, la grandeur physique à mesurer étant convertie en tension à l'aide d'un capteur approprié. C'est le cas du multimètre numérique qui, en plus d'offrir la fonction voltmètre, comporte au moins un convertisseur courant tension permettant de le faire fonctionner en ampèremètre et un générateur de courant constant pour fonctionner en ohmmètre.
Les différents types de voltmètre
Voltmètres analogiques
Voltmetre magnétoélectrique de démonstration
Ils sont en voie de disparition, bien qu'encore utilisés comme indicateurs rapides de l'ordre de grandeur ou de la variation de la tension mesurée. Ils sont généralement constitués d'un milliampèremètre en série avec une résistance élevée. Toutefois cette résistance, de l'ordre de quelques kΩ, est nettement inférieure à la résistance interne des voltmètres numériques, habituellement égale à 10 MΩ. Pour cette raison, les voltmètres analogiques introduisent une perturbation plus importante dans les circuits dans lesquels ils sont introduits que les voltmètres numériques. Pour limiter cette perturbation, on est allé jusqu'à utiliser des galvanomètres d'une sensibilité de 15 microampères pour la pleine échelle sur des contrôleurs universels (combinaison voltmètre-microampèremètre-ohmmètre-capacimètre) de haut de gamme. (Métrix MX 205 A par exemple)
Voltmètres magnétoélectriques
Un voltmètre magnétoélectrique est constitué d'un galvanomètre, donc un milliampèremètre magnétoélectrique très sensible, en série avec une résistance additionnelle de valeur élevée (de quelques kΩ à quelques centaines de kΩ). On réalise un voltmètre à plusieurs calibres de mesure en changeant la valeur de la résistance additionnelle. Pour les mesures en courant alternatif, un pont redresseur à diodes est intercalé mais ce procédé ne permet de mesurer que des tensions sinusoïdales. Ils ont toutefois un certain nombre d'avantages : ils ne nécessitent pas de pile pour fonctionner. Par ailleurs, à prix équivalent, leur bande passante est beaucoup plus large, autorisant ainsi des mesures en AC sur plusieurs centaines de kilohertz là où un modèle numérique standard se cantonne à quelques centaines de hertz. C'est pour cette raison qu'ils sont encore très utilisés en test sur du matériel électronique fonctionnant à des fréquences élevées (HI-FI)
Voltmètres ferroélectriques
Un voltmètre ferroélectrique est constitué d'un milliampèremètre ferroélectrique en série avec une résistance additionnelle de valeur élevée (de quelques centaines d'Ω à quelques centaines de kΩ). Comme les ampèremètres du même type le font pour les courants, ils permettent de mesurer la valeur efficace de tensions de forme quelconque (mais de fréquence faible < 1 kHz).
Voltmètres numériques
Voltmètres à affichage numérique
Ils sont généralement constitués d'un convertisseur analogique-numérique double rampe, d'un système de traitement et d'un système d'affichage.
Mesure des valeurs moyennes de tensions continues
La tension à mesurer est appliquée à l'entrée du convertisseur analogique-numérique à travers une résistance dont la valeur dépend du calibre choisi, puis l'organe de traitement, tenant compte de ce calibre, permet d'afficher la valeur moyenne de cette tension.
Mesure des valeurs efficaces des tensions alternatives
Voltmètre « bas de gamme »
Il n'est utilisable que pour la mesure des tensions sinusoïdales dans le domaine de fréquence des réseaux de distribution électrique. La tension à mesurer est redressée par un pont de diodes puis traitée comme une tension continue. Le voltmètre affiche ensuite une valeur égale à 1,11 fois la valeur moyenne de la tension redressée. Si la tension est sinusoïdale, le résultat affiché est la valeur efficace de la tension ; si elle ne l'est pas, il n'a aucun sens.
Voltmètre « efficace vrai »
La majorité des appareils commercialisés effectuent cette mesure en trois étapes :
- La tension est élevée au carré par un multiplieur analogique de précision.
- L'appareil réalise la conversion analogique-numérique de la moyenne du carré de la tension
- La racine carrée de cette valeur est ensuite effectuée numériquement.
Le multiplieur analogique de précision étant un composant coûteux, ces voltmètres sont trois à quatre fois plus chers que les précédents. La numérisation quasi totale du calcul permet de réduire le coût tout en améliorant la précision.
D'autres méthodes de mesure sont également utilisées, par exemple :
- Conversion analogique-numérique de la tension à mesurer, puis traitement entièrement numérique du calcul de la « racine carrée du carré moyen ».
- Égalisation de l'effet thermique engendré par la tension variable et de celui engendré par une tension continue qui est ensuite mesurée.
On distingue deux types de voltmètres « efficace vrai » :
- TRMS (de l'anglais True Root Mean Square signifiant « vraie moyenne racine carrée ») - Il mesure la véritable valeur efficace d'une tension variable.
- RMS (de l'anglais Root Mean Square signifiant « moyenne racine carrée ») - La valeur RMS est obtenue grâce à un filtrage qui élimine la composante continue (valeur moyenne) de la tension, et permet d'obtenir la valeur efficace de l'ondulation (valeur efficace RMS ou AC) de la tension.
Historique
Le premier voltmètre numérique a été conçu et construit par Andrew Kay (en) en 1953
Résistance interne
La mesure avec un voltmètre s'effectue en le branchant en parallèle sur la portion de circuit dont on désire connaître la différence de potentiel. Ainsi en théorie, pour que la présence de l'appareil ne modifie pas la répartition des potentiels et des courants au sein du circuit, aucun courant ne devrait circuler dans son capteur. Ce qui implique que la résistance interne dudit capteur soit infinie, ou du moins soit la plus grande possible par rapport à la résistance du circuit à mesurer.
Notes et références
Voir aussi
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Articles connexes
Ohmmètre
Représentation symbolique d'un ohmmètre dans un circuit
Un ohmmètre est un instrument de mesure qui permet de mesurer la résistance électrique d'un composant ou d'un circuit électrique. L'unité de mesure est l'ohm, dont le symbole est Ω.
Principe de fonctionnement
Deux méthodes peuvent être utilisées pour mesurer la valeur d'une résistance :
- Mesure d'une tension avec un générateur de courant1 ;
- Mesure d'un courant avec un générateur de tension1.
Générateur de courant
Un générateur de courant impose une intensité IM à travers la résistance inconnue RX, on mesure la tension VM apparaissant à ses bornes.
- Un tel montage ne permet pas de mesurer avec précision des résistances dont la valeur excède quelques kΩ car le courant dans le voltmètre n'est alors plus négligeable (la résistance interne du voltmètre étant couramment égale à 10 MΩ). Le montage est donc complété par un générateur de courant auxiliaire asservi à la valeur de la tension mesurée par le voltmètre et chargé de délivrer le courant dans le voltmètre noté IV
- Lorsque la valeur de la résistance RX est inférieure à une dizaine d'ohms, pour éviter de prendre en compte les diverses résistances de connexion, il convient de mettre en œuvre un montage particulier, réalisé dans les ohmmètres 4 fils : deux fils pour le générateur de courant, deux fils pour le voltmètre (voir aussi mesure 4 pointes).
Générateur de tension
On utilise un ampèremètre pour mesurer le courant I circulant dans une résistance RX à laquelle on applique une faible tension V définie.
- Cette méthode est utilisée dans les ohmmètres analogiques munis de galvanomètre à cadre mobile.
Types
Il existe 2 types d'ohmetre :
- analogique : le plus ancien (cf image) ;
- numérique : actuel2.
Notes et références
Annexes
Articles connexes
Tensiomètre
Tensiomètre aneroïde Spengler avec sangles.
Un tensiomètre, ou sphygmomanomètre, est un appareil de mesure médical utilisé pour mesurer la pression artérielle.
Le terme dérive du grec sphygmós (pouls) associé à manomètre.
Historique
Expériences sur les animaux
En 1733, Stephen Hales trouve une méthode pour visualiser la pression artérielle, méthode présentée dans sa publication Haemastaticks, traduit en français sous le titre la statique des animaux. Il insère un tube droit en verre de 9 pieds de long, à travers une canule dans l'artère d'un cheval, note la hauteur atteinte par le sang dans le tube (indicatrice de pression) et les variations à chaque pulsation1.
En 1828, dans sa thèse de doctorat (« Recherches sur la force du cœur aortique »), Poiseuille améliore l'expérience de Hales en remplaçant le tube droit par un tube en U partiellement empli de mercure. Il est le premier à montrer comment mesurer la pression sanguine, à l'aide d'un manomètre à mercure qu'il appelait hématodynamomètre. Grâce à cet instrument, plus petit et plus commode que celui de Hales, il démontre que la tension augmente à l’expiration et diminue à l'inspiration2.
Sphygmomètres chez l'homme
Les sphygmomètres et sphygmographes sont des appareils mesurant les battements du pouls, de façon non intrusive (sans ouverture d'une artère), ce qui les rend applicables à l'homme.
Premiers tensiomètres
Tensiomètre inventé par Emile Spengler, Henry Vaquez et Charles Laubry.
En 1876, Samuel Siegfried Karl von Basch invente le sphygmomanomètre, un appareil utilisant la force compressive d'un réservoir de caoutchouc empli d'eau, que le médecin presse directement sur l'artère jusqu'à la disparition du pouls. Le réservoir est relié à une jauge à mercure permettant de lire la pression nécessaire pour comprimer l'artère, et en conséquence la pression artérielle1.
En 1889, Pierre Carl Potain l'améliore en remplaçant l'eau par de l'air.
En 1896, le médecin italien Scipione Riva-Rocci réalise le prototype des tensiomètres modernes, en comprimant l'artère par un brassard circulaire constituant une poche à air.
En 1905, Nikolaï Korotkov ou Korotkoff est le premier à permettre une mesure assez précise pour qu’on puisse diagnostiquer l’hypertension en reprenant le sphygmomanomètre de Riva Rocci. À la seule prise du pouls, il ajoute l’auscultation en utilisant un stéthoscope posé sur l’artère brachiale, ce qui permet des mesures plus précises.
Le premier bruit entendu correspond à la mesure de la pression systolique, le plus gros des deux chiffres de la mesure de la pression artérielle. Plusieurs bruits sont entendus jusqu’à la disparition. Le dernier bruit entendu correspond à la pression diastolique qui est le bruit de la pression au moment où le cœur est au repos, le plus petit chiffre. Grâce à Korotkoff, on réussit à avoir une mesure précise et les bruits qu’on entend lorsqu’on mesure la pression artérielle portent dorénavant le nom de « bruits de Korotkoff ». Cette méthode est toujours utilisée au début du XXIe siècle.
1907 L'invention du tensiomètre moderne
Charles Laubry qui prend la tension à Emile Spengler
Tensiomètre à oscillation type Pachon fabriqué par Emile Spengler
Au début des années 1900, Émile Spengler, industriel reconnu et passionné de médecine, s’associe aux professeurs et cardiologues Henri Vaquez et Charles Laubry dans le but de mettre au point un nouvel appareil de mesure de la pression artérielle. En 1907, après des mois de recherche, ils parviennent à développer le premier tensiomètre moderne, le « Vaquez », permettant au diagnostic médical d'entrer dans l'ère de la modernité.
En 1909, Victor Pachon ajoute un oscillomètre, ce qui permet de mesurer la tension artérielle sans stéthoscope3. Le « Pachon » comporte deux cadrans : un cadran gradué de 0 à 20 permettant de mesurer l'amplitude des oscillations de la paroi artérielle et un manomètre gradué de 0 à 30 cm de mercure, relié par un tuyau de caoutchouc à un brassard4. Cependant cette technique laisse une grande part de subjectivité puisque la personne qui prend la tension doit apprécier les oscillations5. Cet appareil simple a cependant été très utilisé pendant la Première Guerre mondiale6.
Technique
La prise de la tension au tensiomètre manuel et
stéthoscope constitue la méthode de référence.
La prise de la tension au tensiomètre manuel et stéthoscope constitue la méthode de référence.
Le sphygmomanomètre manuel est composé d'un brassard gonflable, d'un système de mesure (manomètre), d'un tube qui les relie, et d'une poire servant à augmenter la pression dans le manchon, également reliée à ce dernier par un tube. La poire est équipée d'une soupape permettant de contrôler la pression et de la faire diminuer progressivement pour effectuer la mesure.
Le tensiomètre manuel est utilisé conjointement avec un stéthoscope, qui permet à l'examinateur de déceler la reprise (pression systolique) ou la disparition (pression diastolique) audible des battements cardiaques dans l'artère du bras. Le protocole de mesure est le suivant :
- le fait de gonfler le brassard réalise un garrot (temporaire et léger), la circulation est bloquée et la pression artérielle est maximale en amont du garrot, mais aucun bruit n'est audible au stéthoscope en l'absence de flux sanguin au niveau du brassard ;
- en relâchant doucement et progressivement l'air du brassard, le garrot est levé. Lorsque la pression systolique équilibre la pression du brassard et devient suffisante pour remettre en circulation le sang dans l'artère, le stéthoscope permet de détecter une pulsation (normalement franche et bien audible). En lisant à cet instant la valeur indiquée par le manomètre, on obtient la mesure de la pression artérielle maximale (systole) ;
- lorsque la pression du brassard devient inférieure à la pression diastolique, le stéthoscope ne permet plus de détecter une pulsation audible et la valeur fournie par la manomètre correspond à la pression artérielle minimale (diastole).
La taille du brassard doit être adaptée à celle du bras7.
Tensiomètre électronique automatique.
Les tensiomètres manuels médicaux sont des tensiomètres professionnels, la plupart du temps utilisés par les médecins. Ils ne sont donc pas électriques et sont équipés d'une poire, dont l'utilisateur exerce quelques pressions pour gonfler le brassard autour du bras ou du poignet du patient. Noter que certains modèles encore en service en 2013 dans les cabinets médicaux utilisent un tube en U à mercure comme système de mesure.
On utilise maintenant souvent des appareils automatiques, dont le brassard se gonfle automatiquement, et qui ne nécessitent plus de stéthoscope, grâce à l'utilisation de capteurs intégrés. Ces derniers sont soit acoustiques, reproduisant la prise de tension manuelle au stéthoscope mais exigeant un bon positionnement du brassard, soit pléthysmographique, où c'est la pulsation qui est détectée. Suivant le dispositif, Le brassard se situe au niveau du bras (mesure brachiale), ou au niveau du poignet.
Depuis 2012, on voit apparaître une nouvelle génération de tensiomètres connectés permettant une prise de la tension et un échange de données fiables avec le corps médical8.
Notes et références
- (en) S.J. Reiser, Medicine and the reign of technology, Cambridge/London/New York etc., Cambridge University Press, , 317 p. (ISBN 0-521-21907-8), p. 98-99 et 105-106
- (en) J. Booth, « A short history of blood pressure measurement », Proceedings of the Royal Society of Medicine, vol. 70, , p. 793–799 (lire en ligne [archive])
- Claudine Hugonnet-Berger, « Oscillomètre Sphygmométrique du professeur PACHON », Inventaire général du patrimoine culturel, no IM89002319, (lire en ligne [archive]).
- Conservatoire du Patrimoine Hospitalier de Rennes, Oscillomètre de Pachon, (lire en ligne [archive] [PDF]).
- Edmond Lesné et Léon René Binet, Physiologie normale et pathologique du nourrisson, Paris, Masson, (lire en ligne [archive]).
- Dr Loodts, « Les médecins de la Grande Guerre prenaient-ils la tension des soldats ? » [archive], sur http://www.1914-1918.be [archive], (consulté le ).
- (en) Pickering TG, HallJE, Appel LJ et al. Recommendations for blood pressure measurement in humans and experimental animals: part 1: blood pressure measurement in humans: a statement for professionals from the Subcommittee of Professional and Public Education of the American Heart Association Council on High Blood Pressure Research [archive], Circulation, 2005;111:697-716 (consulté le )
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Voir aussi
Tensiomètre à anneau de du Noüy
Tensiomètre de du Noüy. La flèche montre l'anneau.
Gros plan de l'anneau en train d'être retiré du liquide.
Le tensiomètre à anneau de du Noüy est un appareil utilisant un anneau qui permet de mesurer la tension superficielle à une interface liquide-air et la tension interfaciale à une interface entre deux liquides non miscibles. Ce tensiomètre a été proposé par le physicien français Pierre Lecomte du Noüy (1883–1947) dans un article publié en 19251.
Les normes NF EN 142102 et NF EN 143703 décrivent cette technique ainsi qu’une technique proche, celle de la plaque de Wilhelmy.
Utilisation
En plus de la détermination des tensions de surface et d’interface, l’anneau de du Noüy permet de déterminer la concentration micellaire critique des tensioactifs.
L’anneau de du Noüy est surtout utilisé pour les huiles pour transformateur, les solutions de tensioactifs et les produits de nettoyage.
Mode opératoire
Un anneau généralement en platine propre est placé sous la surface du liquide à étudier. L’anneau est retiré vers le haut jusqu'à ce qu'il traverse la surface du liquide.
La force, F 
, nécessaire pour retirer l’anneau de la surface du liquide est mesurée et liée à la tension de surface de ce dernier γ 
:
F = 2 π ⋅ ( r i + r a ) ⋅ γ 
Avec r i 
, rayon intérieur de l’anneau et r a 
, rayon extérieur de l’anneau4.
Références
- (en) du Noüy, Pierre Lecomte, « An Interfacial Tensiometer for Universal Use », The Journal of General Physiology, vol. 7, no 5, , p. 625–633 (DOI 10.1085/jgp.7.5.625, lire en ligne [archive])
- NF EN 14210 Avril 2004, Agents de surface - Détermination de la tension interfaciale des solutions d'agents de surface par la méthode à l'anneau ou l'étrier
- NF EN 14370 Décembre 2004, Agents de surface - Détermination de la tension superficielle
Liens externes