Conception de voltmètres et ampèremètres AC : de la redressement à la mesure True‑RMS

Les mouvements de mesure électromécaniques pour le courant alternatif sont généralement divisés en deux groupes : adaptations de conceptions à courant continu (DC) et unités spécifiquement conçues pour la mesure AC.

Les mouvements à aimant permanent à bobine mobile (PMMC) ne peuvent pas être connectés directement au AC. L'aiguille oscillerait à chaque demi-cycle, produisant un flutter inutile (voir figure ci-dessous).

Les dispositifs à aimant permanent, comme les moteurs, reposent sur la polarité de la tension appliquée ou la direction du courant. Lorsque du AC est appliqué, la polarité s'inverse chaque demi-cycle, faisant bouger l'aiguille d'avant en arrière.

Faire passer du AC à travers un mouvement D'Arsonval produit un flutter rapide et inefficace de l'aiguille.

Pour employer un mouvement de style DC tel que la conception D'Arsonval, le signal AC doit d'abord être redressé en DC. La méthode la plus courante utilise des diodes, qui agissent comme des valves unidirectionnelles pour le flux de courant. Quatre diodes disposées en configuration pont assurent que le courant à travers le mouvement de mesure circule toujours dans une seule direction, indépendamment du cycle AC.

AC redressé appliqué à un mouvement de mesure pont-redressé entraîne l'aiguille de façon constante dans une direction.

Alternativement, des mouvements de mesure spécifiques à l'AC peuvent être conçus pour éviter la sensibilité à la polarité inhérente aux types DC. Une approche courante utilise une palette de fer non-aimantée attirée vers une bobine stationnaire énergisée par la grandeur AC mesurée, comme illustré ci-dessous.

Mouvement électromécanique à palette de fer.

L'attraction électrostatique entre deux plaques métalliques séparées par un espace d'air offre un autre mécanisme pour générer une force de déplacement d'aiguille proportionnelle à la tension appliquée. Bien que cette méthode fonctionne aussi bien pour l'AC que le DC, les forces sont généralement très faibles, rendant de tels mouvements fragiles et sensibles aux perturbations. Néanmoins, les mesureurs électrostatiques sont attrayants pour les applications AC haute tension en raison de leur impédance d'entrée extrêmement élevée et de la capacité de mesurer de grandes tensions sans résistances de gamme externes.

Lorsqu'un mouvement électrostatique ou autre mouvement de base doit être calibré pour l'usage AC, des résistances « multiplicatrices » en série ou des diviseurs de tension résistifs sont employés, tout comme dans la conception de mesureurs DC :

Résistance multiplicatrice (a) ou diviseur résistif (b) étend la gamme du mouvement de base.

L'utilisation de condensateurs au lieu de résistances pour le diviseur offre une solution non-dissipative, éliminant la génération de chaleur. Cette technique est particulièrement avantageuse pour les mesures AC haute tension.

Voltmètre AC employant un diviseur capacitif.

Pour les mouvements de mesure électrostatiques — qui sont intrinsèquement capacitifs — un seul condensateur « multiplicateur » peut être ajouté en série pour étendre la gamme de tension mesurable, analogue à une résistance multiplicatrice pour les mouvements à bobine mobile.

Un mouvement de mesure électrostatique peut utiliser un multiplicateur capacitif pour augmenter sa gamme.

L'approche de mesure par tube cathodique (CRT), décrite dans le chapitre DC, est également bien adaptée pour la mesure de tension AC. En balayant le faisceau d'électrons horizontalement à travers l'écran tandis que le signal AC pilote la déviation verticale, le dispositif peut afficher la forme d'onde, pas seulement une lecture de magnitude. Cependant, les CRT sont encombrants, consomment une puissance significative, et sont fragiles en raison de leur construction en verre évacué, limitant leur usage pratique.

Les mouvements de mesure AC électromécaniques jouent toujours un rôle essentiel dans de nombreuses applications. Une considération critique pour les concepteurs et utilisateurs est la mesure des valeurs RMS (root-mean-square), qui fournissent une comparaison significative entre la puissance AC et DC.

Bien que les mouvements D'Arsonval redressés, à palette de fer et électrostatiques livrent naturellement une valeur moyenne du signal instantané, cette moyenne n'est pas équivalente au RMS. Le tableau suivant illustre la relation entre les valeurs RMS, moyenne et crête-à-crête pour les ondes sinusoïdale, carrée et triangulaire :

Valeurs RMS, moyenne et crête-à-crête pour ondes sinusoïdale, carrée et triangulaire.

Parce que les mesureurs électromécaniques rapportent intrinsèquement des valeurs moyennes, les concepteurs « trichent » souvent en assumant que la forme d'onde est un sinus pur. Pour une onde sinusoïdale, RMS égale 0,707 fois la valeur de crête, alors que la moyenne égale 0,637 fois la crête. Diviser ces deux donne un facteur de conversion moyenne-vers-RMS de 1,109 :

En conséquence, le mouvement de mesure est calibré pour indiquer environ 1,11 fois la lecture naturelle, ce qui s'aligne avec la vraie valeur RMS pour les ondes sinusoïdales. Cette approche échoue pour les formes d'onde non-sinusoïdales comme les ondes triangulaires ou carrées, où les rapports RMS-moyenne diffèrent significativement.

Pour les ondes carrées, RMS égale la moyenne, mais pour les ondes triangulaires le facteur de conversion diffère. Ces écarts deviennent critiques dans les systèmes de puissance modernes où la distorsion harmonique est courante.

Les mesureurs CRT, qui affichent la crête ou la crête-à-crête de la forme d'onde, font aussi face à cette limitation ; déterminer le RMS à partir d'une mesure de crête nécessite la connaissance de la forme d'onde.

Une solution plus robuste est de concevoir un mesureur qui mesure le RMS directement en exploitant la définition du RMS comme valeur de chauffage d'un signal AC dans une charge résistive. En connectant la source AC à travers une résistance de valeur connue et en mesurant la chaleur résultante avec un thermocouple, le mesureur peut fournir une lecture true-RMS indépendante de la forme d'onde :

Voltmètre true-RMS thermique à lecture directe accommodant toute forme d'onde.

Bien que le concept soit simple, l'implémentation pratique présente des défis d'ingénierie. Néanmoins, le principe — convertir la puissance électrique en chaleur et mesurer cette chaleur — a été adopté dans les multimètres portables haut de gamme pour la capacité true-RMS.

Le calibrage des voltmètres et ampèremètres AC à travers différentes gammes suit les mêmes principes utilisés pour les instruments DC : des résistances multiplicatrices en série (ou condensateurs) étendent les gammes de tension, tandis que des résistances shunt en parallèle accommodent des courants plus élevés. De plus, les transformateurs — particulièrement les transformateurs de potentiel (TP) et les transformateurs de courant (TC) — permettent un échelonnement électromagnétique des gammes, permettant à de petits mouvements de mesure de mesurer de grandes tensions ou courants avec isolation électrique.

TC abaisse le courant ; TP abaisse la tension.

Dans un panneau AC triphasé typique, des TC toriques sont placés derrière le boîtier du mesureur, tandis que trois ampèremètres AC pleine échelle 5 A indiquent le courant dans chaque conducteur à travers les TC. Lorsque le panneau est décommissionné, les TC restent, mais les conducteurs ne sont plus présents :

TC toriques abaissent les niveaux de courant élevé pour ampèremètres AC 5 A.

Parce que les transformateurs d'instrumentation sont coûteux et souvent grands, ils sont réservés aux applications haute tension ou fort courant. Pour les mesures de gamme inférieure — comme l'adaptation d'un milliampèremètre à 120 V ou 5 A — des résistances de précision (multiplicateurs et shunts) sont utilisées, tout comme avec les mesureurs DC.

RÉSUMÉ :

• Les mouvements de mesure polarisés (DC) nécessitent des diodes pour mesurer des grandeurs AC.
• Les mouvements de mesure électromécaniques — qu'ils soient électromagnétiques ou électrostatiques — fournissent naturellement des valeurs moyennes ; ils peuvent être calibrés pour indiquer le RMS seulement si la forme d'onde est connue à l'avance.
• Les mesureurs true-RMS emploient une technologie spécialisée pour délivrer des indications RMS précises indépendamment de la forme d'onde.