Voltmètres et ampèremètres CA

Les mouvements de compteurs électromécaniques à courant alternatif se présentent sous deux configurations de base :ceux basés sur des conceptions de mouvements à courant continu et ceux conçus spécifiquement pour une utilisation en courant alternatif.

Les mouvements du compteur à bobine mobile à aimant permanent (PMMC) ne fonctionneront pas correctement s'ils sont directement connectés au courant alternatif, car la direction du mouvement de l'aiguille changera à chaque demi-cycle du courant alternatif. (Figure ci-dessous)

Les mouvements de compteurs à aimants permanents, comme les moteurs à aimants permanents, sont des dispositifs dont le mouvement dépend de la polarité de la tension appliquée (ou, vous pouvez le considérer en termes de sens du courant).

Le passage du courant alternatif à travers ce mouvement du compteur D'Arsonval provoque un battement inutile de l'aiguille.

Afin d'utiliser un mouvement de compteur à courant continu tel que la conception D'Arsonval, le courant alternatif doit être rectifié dans DC.

Ceci est plus facile à réaliser grâce à l'utilisation de dispositifs appelés diodes . Nous avons vu des diodes utilisées dans un exemple de circuit démontrant la création de fréquences harmoniques à partir d'une onde sinusoïdale déformée (ou rectifiée). Sans entrer dans les détails détaillés sur comment et pourquoi les diodes fonctionnent comme elles le font, n'oubliez pas qu'elles agissent chacune comme une valve unidirectionnelle pour que le courant circule.

La pointe de flèche dans chaque symbole de diode pointe dans la direction autorisée du flux de courant.

Disposées en pont, quatre diodes serviront à diriger le courant alternatif à travers le mouvement du compteur dans une direction constante tout au long de toutes les parties du cycle alternatif :

Passer du courant alternatif à travers ce mouvement de compteur AC rectifié le conduira dans une direction.

Une autre stratégie pour un mouvement de compteur AC pratique consiste à reconcevoir le mouvement sans la sensibilité inhérente à la polarité des types DC.

Cela signifie éviter l'utilisation d'aimants permanents. La conception la plus simple consiste probablement à utiliser une palette en fer non magnétisée pour déplacer l'aiguille contre la tension du ressort, la palette étant attirée vers une bobine de fil fixe alimentée par la quantité de courant alternatif à mesurer comme dans la figure ci-dessous.

Mouvement de compteur électromécanique à palettes en fer.

L'attraction électrostatique entre deux plaques métalliques séparées par un entrefer est un mécanisme alternatif pour générer une force de déplacement d'aiguille proportionnelle à la tension appliquée.

Cela fonctionne aussi bien pour le courant alternatif que pour le courant continu, ou devrais-je dire, tout aussi mal ! Les forces impliquées sont très faibles, beaucoup plus petites que l'attraction magnétique entre une bobine sous tension et une palette en fer, et en tant que tels, ces mouvements de compteur « électrostatiques » ont tendance à être fragiles et facilement perturbés par le mouvement physique.

Mais, pour certaines applications CA haute tension, le mouvement électrostatique est une technologie élégante.

À tout le moins, cette technologie possède l'avantage d'une impédance d'entrée extrêmement élevée, ce qui signifie qu'aucun courant n'a besoin d'être tiré du circuit à tester. De plus, les mouvements de compteurs électrostatiques sont capables de mesurer des tensions très élevées sans avoir besoin de résistances de plage ou d'autres appareils externes.

Lorsqu'un mouvement de compteur sensible doit être réorganisé pour fonctionner comme un voltmètre CA, des résistances « multiplicatrices » connectées en série et/ou des diviseurs de tension résistifs peuvent être utilisés comme dans la conception de compteurs CC :(Figure ci-dessous)

La résistance multiplicatrice (a) ou le diviseur résistif (b) met à l'échelle la plage du mouvement de base du compteur.

Des condensateurs peuvent être utilisés à la place des résistances, cependant, pour faire des circuits diviseurs de voltmètre. Cette stratégie a l'avantage d'être non dissipative (pas de vraie puissance consommée et pas de chaleur produite) :

Voltmètre AC avec diviseur capacitif.

Si le mouvement du compteur est électrostatique, et donc de nature intrinsèquement capacitive, un seul condensateur « multiplicateur » peut être connecté en série pour lui donner une plus grande plage de mesure de tension, tout comme une résistance multiplicatrice connectée en série donne une bobine mobile (par nature résistive ) mouvement du compteur une plus grande plage de tension :

Un mouvement de compteur électrostatique peut utiliser un multiplicateur capacitif pour multiplier l'échelle du mouvement de base du compteur.

Le tube cathodique (CRT) mentionné dans le chapitre sur la mesure CC est idéal pour mesurer les tensions CA, en particulier si le faisceau d'électrons est balayé d'un côté à l'autre de l'écran du tube tandis que la tension CA mesurée fait monter et descendre le faisceau. .

Une représentation graphique de la forme de l'onde AC et pas seulement une mesure de la magnitude peut facilement être obtenue avec un tel appareil. Cependant, les tubes cathodiques ont les inconvénients du poids, de la taille, de la consommation d'énergie importante et de la fragilité (étant constitués de verre sous vide) qui jouent contre eux.

Pour ces raisons, les mouvements de compteurs à courant alternatif électromécaniques ont toujours une place dans l'utilisation pratique.

Certains des avantages et des inconvénients de ces technologies de mouvement de compteur ayant déjà été discutés, il existe un autre facteur d'une importance cruciale pour le concepteur et l'utilisateur d'instruments de mesure AC. C'est la question de la mesure RMS.

Comme nous le savons déjà, les mesures AC sont souvent exprimées dans une échelle d'équivalence de puissance DC, appelée RMS (R oot-M ean-S quare) à des fins de comparaisons significatives avec le courant continu et avec d'autres formes d'onde CA de forme variable. Aucune des technologies de mouvement de compteur discutées jusqu'à présent ne mesure de manière inhérente la valeur RMS d'une quantité AC.

Les mouvements du compteur reposant sur le mouvement d'une aiguille mécanique (« rectifié » D'Arsonval, fer à ailettes et électrostatique) ont tous tendance à moyenner mécaniquement les valeurs instantanées en une valeur moyenne globale pour la forme d'onde.

Cette valeur moyenne n'est pas nécessairement la même que RMS, bien qu'elle soit souvent confondue en tant que telle. Les valeurs moyennes et RMS se comparent en tant que telles pour ces trois formes d'onde courantes :

Valeurs RMS, moyenne et crête à crête pour les ondes sinusoïdales, carrées et triangulaires.

Étant donné que le RMS semble être le type de mesure que la plupart des gens souhaitent obtenir avec un instrument, les mouvements de compteurs électromécaniques fournissent naturellement une valeur moyenne mesures plutôt que RMS, que doivent faire les concepteurs de compteurs AC ? Tricher, bien sûr !

En règle générale, on suppose que la forme d'onde à mesurer sera sinusoïdale (de loin la plus courante, en particulier pour les systèmes électriques), puis l'échelle de mouvement du compteur est modifiée par le facteur de multiplication approprié.

Pour les ondes sinusoïdales, nous voyons que RMS est égal à 0,707 fois la valeur de crête tandis que la moyenne est de 0,637 fois la crête, nous pouvons donc diviser un chiffre par l'autre pour obtenir un facteur de conversion moyenne à RMS de 1,109 :

En d'autres termes, le mouvement du compteur sera calibré pour indiquer environ 1,11 fois plus élevé que ce qu'il indiquerait normalement (naturellement) sans aménagements particuliers. Il faut souligner que cette "triche" ne fonctionne bien que lorsque le compteur est utilisé pour mesurer des sources d'ondes sinusoïdales pures.

Notez que pour les ondes triangulaires, le rapport entre RMS et Moyenne n'est pas le même que pour les ondes sinusoïdales :

Avec des ondes carrées, les valeurs RMS et Moyenne sont identiques ! Un compteur CA calibré pour lire avec précision la tension ou le courant RMS sur une onde sinusoïdale pure ne sera pas donner la valeur appropriée tout en indiquant l'amplitude de tout autre chose qu'une onde sinusoïdale parfaite.

Cela inclut les ondes triangulaires, les ondes carrées ou tout type d'onde sinusoïdale déformée. Les harmoniques devenant un phénomène omniprésent dans les grands systèmes d'alimentation CA, cette question de mesure RMS précise n'est pas une mince affaire.

Le lecteur avisé notera que j'ai omis le « mouvement » CRT de la discussion RMS/Moyenne. En effet, un tube cathodique avec son « mouvement » de faisceau d'électrons pratiquement sans poids affiche le pic (ou le pic à pic si vous le souhaitez) d'une forme d'onde CA plutôt que la moyenne ou le RMS.

Pourtant, un problème similaire se pose :comment déterminez-vous la valeur RMS d'une forme d'onde à partir de celle-ci ? Les facteurs de conversion entre Peak et RMS ne sont valables que tant que la forme d'onde tombe parfaitement dans une catégorie de forme connue (le sinus, le triangle et le carré sont les seuls exemples avec des facteurs de conversion Peak/RMS/Average donnés ici !).

Une réponse consiste à concevoir le mouvement du compteur autour de la définition même de RMS :le pouvoir calorifique effectif d'une tension/courant alternatif lorsqu'il alimente une charge résistive. Supposons que la source CA à mesurer soit connectée à travers une résistance de valeur connue et que la puissance calorifique de cette résistance soit mesurée avec un appareil comme un thermocouple.

Cela fournirait un moyen de mesure de RMS beaucoup plus direct que n'importe quel facteur de conversion, car il fonctionnera avec N'IMPORTE QUELLE forme d'onde :

Le voltmètre RMS thermique à lecture directe s'adapte à n'importe quelle forme d'onde.

Bien que l'appareil illustré ci-dessus soit quelque peu rudimentaire et souffrirait de problèmes d'ingénierie uniques, le concept illustré est très solide. La résistance convertit la tension alternative ou la quantité de courant en une quantité thermique (chaleur), mettant efficacement les valeurs au carré en temps réel.

La masse du système fait la moyenne de ces valeurs par le principe de l'inertie thermique, puis l'échelle du mètre elle-même est calibrée pour donner une indication basée sur la racine carrée de la mesure thermique :une indication Root-Mean-Square parfaite tout en un seul appareil !

En fait, un grand fabricant d'instruments a mis en œuvre cette technique dans sa gamme haut de gamme de multimètres électroniques portables pour une capacité « vrai RMS ».

L'étalonnage des voltmètres et ampèremètres CA pour différentes plages de fonctionnement à pleine échelle est à peu près le même qu'avec les instruments à courant continu :des résistances « multiplicatrices » en série sont utilisées pour donner aux mouvements du voltmètre une plage plus élevée, et des résistances « shunt » parallèles sont utilisées pour permettre aux mouvements de l'ampèremètre de mesurer courants au-delà de leur aire de répartition naturelle.

Cependant, nous ne sommes pas limités à ces techniques comme nous l'étions avec le courant continu :parce que nous pouvons utiliser des transformateurs avec du courant alternatif, les gammes de compteurs peuvent être électromagnétiques plutôt que résistives « augmentées » ou « réduites », parfois bien au-delà de ce que les résistances auraient permis dans la pratique pour.

Les transformateurs de potentiel (PT) et les transformateurs de courant (CT) sont des instruments de précision fabriqués pour produire des rapports de transformation très précis entre les enroulements primaire et secondaire.

Ils peuvent permettre de petits mouvements simples de compteurs CA pour indiquer des tensions et des courants extrêmement élevés dans les systèmes d'alimentation avec précision et une isolation électrique complète (ce que les multiplicateurs et les résistances shunt ne pourraient jamais faire) :

(CT) Le transformateur de courant réduit le courant. (PT) Le transformateur de potentiel réduit la tension.

Montré ici est un panneau de compteur de tension et de courant d'un système à courant alternatif triphasé. Les trois transformateurs de courant « donut » (TC) sont visibles à l'arrière du panneau. Trois ampèremètres CA (déviation pleine échelle de 5 ampères chacun) sur le devant du panneau indiquent le courant à travers chaque conducteur passant par un TC.

Comme ce panneau a été retiré du service, il n'y a plus de conducteurs porteurs de courant enfilés au centre des « beignets » du TC :

Les transformateurs de courant toroïdaux réduisent les niveaux de courant élevés pour une application à des ampèremètres CA à pleine échelle de 5 A.

En raison du coût (et souvent de la grande taille) des transformateurs de mesure, ils ne sont pas utilisés pour mettre à l'échelle les compteurs CA pour des applications autres que la haute tension et le courant élevé. Pour adapter un mouvement en milliampères ou microampères à une plage de 120 volts ou 5 ampères, des résistances de précision normales (multiplicateurs et shunts) sont utilisées, tout comme avec le courant continu.

AVIS :

• Les mouvements de compteurs polarisés (CC) doivent utiliser des appareils appelés diodes pour pouvoir indiquer les quantités AC.
• Les mouvements de compteurs électromécaniques, qu'ils soient électromagnétiques ou électrostatiques, fournissent naturellement la moyenne valeur d'une grandeur AC mesurée. Ces instruments peuvent être classés pour indiquer la valeur RMS, mais seulement si la forme de la forme d'onde AC est connue avec précision à l'avance !
• Soi-disant vrai RMS Les compteurs utilisent une technologie différente pour fournir des indications représentant le RMS réel (plutôt que la moyenne ou le pic asymétrique) d'une forme d'onde CA.