Qu'est-ce qu'un compteur ?

Un mètre est tout appareil conçu pour détecter et afficher avec précision une quantité électrique sous une forme lisible par un être humain. Habituellement, cette « forme lisible » est visuelle :mouvement d'un pointeur sur une échelle, une série de lumières disposées pour former un « graphique à barres », ou une sorte d'affichage composé de chiffres numériques. Dans l'analyse et le test des circuits, il existe des compteurs conçus pour mesurer avec précision les quantités de base de tension, de courant et de résistance. Il existe également de nombreux autres types de compteurs, mais ce chapitre couvre principalement la conception et le fonctionnement des trois de base.

La plupart des compteurs modernes sont de conception «numérique», ce qui signifie que leur affichage lisible se présente sous la forme de chiffres numériques. Les anciennes conceptions de compteurs sont de nature mécanique, utilisant une sorte de dispositif de pointage pour montrer la quantité de mesure. Dans les deux cas, les principes appliqués pour adapter une unité d'affichage à la mesure de (relativement) grandes quantités de tension, de courant ou de résistance sont les mêmes.

Qu'est-ce qu'un mouvement de compteur ?

Le mécanisme d'affichage d'un compteur est souvent appelé mouvement , empruntant à sa nature mécanique pour déplacer un pointeur le long d'une échelle afin qu'une valeur mesurée puisse être lue. Bien que les compteurs numériques modernes n'aient pas de pièces mobiles, le terme « mouvement » peut être appliqué au même appareil de base remplissant la fonction d'affichage.

Mouvement du compteur électromagnétique

La conception de « mouvements » numériques dépasse le cadre de ce chapitre, mais les conceptions de mouvements de compteurs mécaniques sont très compréhensibles. La plupart des mouvements mécaniques sont basés sur le principe de l'électromagnétisme :ce courant électrique à travers un conducteur produit un champ magnétique perpendiculaire à l'axe de circulation du courant. Plus le courant électrique est élevé, plus le champ magnétique produit est fort.

Si le champ magnétique formé par le conducteur est autorisé à interagir avec un autre champ magnétique, une force physique sera générée entre les deux sources de champs. Si l'une de ces sources est libre de se déplacer par rapport à l'autre, elle le fera lorsque le courant est conduit à travers le fil, le mouvement (généralement contre la résistance d'un ressort) étant proportionnel à l'intensité du courant.

Les premiers mouvements de compteur construits étaient connus sous le nom de galvanomètres , et ont généralement été conçus avec une sensibilité maximale à l'esprit. Un galvanomètre très simple peut être fabriqué à partir d'une aiguille magnétisée (telle que l'aiguille d'un compas magnétique) suspendue à une ficelle et placée à l'intérieur d'une bobine de fil. Le courant traversant la bobine de fil produira un champ magnétique qui empêchera l'aiguille de pointer dans la direction du champ magnétique terrestre. Un galvanomètre à cordes antique est montré sur la photo suivante :

De tels instruments étaient utiles à leur époque, mais ont peu de place dans le monde moderne, sauf en tant que preuves de concept et dispositifs expérimentaux élémentaires. Ils sont très sensibles aux mouvements de toute nature et à toute perturbation du champ magnétique naturel de la terre. Maintenant, le terme « galvanomètre » fait généralement référence à toute conception de mouvement de compteur électromagnétique conçu pour une sensibilité exceptionnelle, et pas nécessairement à un appareil grossier tel que celui illustré sur la photo.

Des mouvements de compteurs électromagnétiques pratiques peuvent maintenant être effectués lorsqu'une bobine de fil pivotante est suspendue dans un champ magnétique puissant, à l'abri de la majorité des influences extérieures. Une telle conception d'instrument est généralement connue sous le nom de bobine mobile à aimant permanent , ou PMMC mouvement :

Dans l'image ci-dessus, le mouvement du compteur « aiguille » est indiqué vers 35 % de la pleine échelle, zéro étant plein à gauche de l'arc et la pleine échelle étant complètement à droite de l'arc. Une augmentation du courant mesuré conduira l'aiguille à pointer plus vers la droite et une diminution fera retomber l'aiguille vers son point de repos sur la gauche. L'arc sur l'affichage du compteur est étiqueté avec des chiffres pour indiquer la valeur de la quantité mesurée, quelle que soit cette quantité.

En d'autres termes, s'il faut 50 µA de courant pour entraîner l'aiguille complètement vers la droite (ce qui en fait un « mouvement à pleine échelle de 50 µA »), l'échelle aurait 0 µA écrit à l'extrême gauche et 50 µA à l'extrémité tout à droite, 25 µA étant marqué au milieu de l'échelle. Selon toute vraisemblance, l'échelle serait divisée en graduations beaucoup plus petites, probablement tous les 5 ou 1 µA, pour permettre à quiconque observe le mouvement de déduire une lecture plus précise de la position de l'aiguille.

Le mouvement du compteur aura une paire de bornes de connexion métalliques à l'arrière pour que le courant entre et sorte. La plupart des mouvements du compteur sont sensibles à la polarité, une direction du courant entraînant l'aiguille vers la droite et l'autre vers la gauche. Certains mouvements de compteur ont une aiguille centrée sur le ressort au milieu du balayage de l'échelle plutôt qu'à gauche, permettant ainsi des mesures de l'une ou l'autre polarité :

Les mouvements courants sensibles à la polarité comprennent les modèles D'Arsonval et Weston, tous deux des instruments de type PMMC. Le courant dans un sens à travers le fil produira un couple dans le sens des aiguilles d'une montre sur le mécanisme de l'aiguille, tandis que le courant dans l'autre sens produira un couple dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Certains mouvements de compteur sont de polarité-in sensible, s'appuyant sur l'attraction d'une palette de fer mobile non magnétisée vers un fil fixe et porteur de courant pour dévier l'aiguille. De tels compteurs sont parfaitement adaptés à la mesure du courant alternatif (AC). Un mouvement sensible à la polarité vibrerait d'avant en arrière inutilement s'il était connecté à une source de courant alternatif.

Mouvement du compteur électrostatique

Alors que la plupart des mouvements de compteurs mécaniques sont basés sur l'électromagnétisme (courant à travers un conducteur créant un champ magnétique perpendiculaire), quelques-uns sont basés sur l'électrostatique :c'est-à-dire la force attractive ou répulsive générée par les charges électriques à travers l'espace. C'est le même phénomène que présentent certains matériaux (comme la cire et la laine) lorsqu'ils sont frottés ensemble. Si une tension est appliquée entre deux surfaces conductrices à travers un entrefer, il y aura une force physique attirant les deux surfaces ensemble capable de déplacer une sorte de mécanisme indicateur.

Cette force physique est directement proportionnelle à la tension appliquée entre les plaques et inversement proportionnelle au carré de la distance entre les plaques. La force est également indépendante de la polarité, ce qui en fait un type de mouvement de compteur insensible à la polarité :

Malheureusement, la force générée par l'attraction électrostatique est très petit pour les tensions courantes. En fait, il est si petit que de telles conceptions de mouvement de compteur ne sont pas pratiques pour une utilisation dans des instruments de test généraux. En règle générale, les mouvements de compteurs électrostatiques sont utilisés pour mesurer des tensions très élevées (plusieurs milliers de volts).

Un grand avantage du mouvement du compteur électrostatique, cependant, est le fait qu'il a une résistance extrêmement élevée, alors que les mouvements électromagnétiques (qui dépendent du flux de courant à travers un fil pour générer un champ magnétique) ont une résistance beaucoup plus faible. Comme nous le verrons plus en détail à venir, une plus grande résistance (entraînant moins de courant tiré du circuit testé) donne un meilleur voltmètre.

Tube à rayons cathodiques

Une application beaucoup plus courante de la mesure de la tension électrostatique est observée dans un appareil connu sous le nom de Tube à rayons cathodiques , ou CRT . Ce sont des tubes de verre spéciaux, très similaires aux tubes d'écran de télévision. Dans le tube à rayons cathodiques, un faisceau d'électrons voyageant dans le vide est dévié de sa trajectoire par la tension entre des paires de plaques métalliques de chaque côté du faisceau.

Parce que les électrons sont chargés négativement, ils ont tendance à être repoussés par la plaque négative et attirés par la plaque positive. Une inversion de polarité de tension entre les deux plaques entraînera une déviation du faisceau d'électrons dans la direction opposée, rendant ce type de compteur sensible à la polarité du « mouvement » :

Les électrons, ayant beaucoup moins de masse que les plaques métalliques, sont déplacés par cette force électrostatique très rapidement et facilement. Leur trajectoire déviée peut être tracée lorsque les électrons frappent l'extrémité en verre du tube où ils heurtent une couche de phosphore chimique, émettant une lueur de lumière visible à l'extérieur du tube. Plus la tension entre les plaques de déviation est élevée, plus le faisceau d'électrons sera "courbé" par rapport à sa trajectoire rectiligne, et plus le point lumineux sera vu du centre à l'extrémité du tube.

Une photographie d'un tube cathodique est montrée ici :

Dans un vrai tube cathodique, comme le montre la photographie ci-dessus, il y a deux paires de plaques de déflexion plutôt qu'une seule. Afin de pouvoir balayer le faisceau d'électrons sur toute la surface de l'écran plutôt que simplement en ligne droite, le faisceau doit être dévié dans plus d'une dimension.

Bien que ces tubes soient capables d'enregistrer avec précision de petites tensions, ils sont encombrants et nécessitent une alimentation électrique pour fonctionner (contrairement aux mouvements de compteurs électromagnétiques, qui sont plus compacts et actionnés par la puissance du courant de signal mesuré qui les traverse). Ils sont également beaucoup plus fragiles que les autres types de compteurs électriques. Habituellement, les tubes à rayons cathodiques sont utilisés en conjonction avec des circuits externes précis pour former un plus gros équipement de test connu sous le nom d'oscilloscope , qui a la capacité d'afficher un graphique de la tension au fil du temps, un outil extrêmement utile pour certains types de circuits où les niveaux de tension et/ou de courant changent de manière dynamique.

Indication à pleine échelle

Quel que soit le type de compteur ou la taille du mouvement du compteur, il y aura une valeur nominale de tension ou de courant nécessaire pour donner une indication à pleine échelle. Dans les mouvements électromagnétiques, ce sera le "courant de déviation à pleine échelle" nécessaire pour faire tourner l'aiguille de sorte qu'elle pointe vers la fin exacte de l'échelle d'indication. Dans les mouvements électrostatiques, la valeur à pleine échelle sera exprimée comme la valeur de la tension entraînant la déviation maximale de l'aiguille actionnée par les plaques, ou la valeur de la tension dans un tube à rayons cathodiques qui dévie le faisceau d'électrons vers le bord de l'écran d'indication. Dans les « mouvements » numériques, il s'agit de la quantité de tension résultant en une indication de « compte complet » sur l'affichage numérique :lorsque les chiffres ne peuvent pas afficher une plus grande quantité.

La tâche du concepteur de compteur est de prendre un mouvement de compteur donné et de concevoir les circuits externes nécessaires pour une indication à pleine échelle à une certaine quantité spécifiée de tension ou de courant. La plupart des mouvements de compteur (à l'exception des mouvements électrostatiques) sont assez sensibles, donnant une indication à pleine échelle à seulement une petite fraction d'un volt ou d'un ampère. Ceci est peu pratique pour la plupart des tâches de mesure de tension et de courant. Ce dont le technicien a souvent besoin, c'est d'un compteur capable de mesurer des tensions et des courants élevés.

En intégrant le mouvement du compteur sensible à un circuit diviseur de tension ou de courant, la plage de mesure utile du mouvement peut être étendue pour mesurer des niveaux bien plus importants que ce qui pourrait être indiqué par le mouvement seul. Des résistances de précision sont utilisées pour créer les circuits diviseurs nécessaires pour diviser la tension ou le courant de manière appropriée. L'une des leçons que vous apprendrez dans ce chapitre est de savoir comment concevoir ces circuits diviseurs.

AVIS :

• Un « mouvement " est le mécanisme d'affichage d'un compteur.
• Les mouvements électromagnétiques fonctionnent sur le principe d'un champ magnétique généré par un courant électrique à travers un fil. Des exemples de mouvements de compteurs électromagnétiques incluent les conceptions D'Arsonval, Weston et à palettes de fer.
• Les mouvements électrostatiques fonctionnent sur le principe de la force physique générée par un champ électrique entre deux plaques.
• Tubes à rayons cathodiques (CRT) utilisent un champ électrostatique pour courber le trajet d'un faisceau d'électrons, fournissant une indication de la position du faisceau par la lumière créée lorsque le faisceau frappe l'extrémité du tube de verre.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail de conception d'ampèremètre
• Fiche de conception du voltmètre