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TP électricité : Métrologie 1
TP1:Métrologie
I Avertissement
• Les pince ampéremétriques ne sont pas des castagnettes. Les pièces mobiles sont fragiles. Pensez-y !
• L’électricité est dangereuse. Tout comportement déviant verra l’exclusion du TP de l’étudiant concerné.
• En fin de TP les fils seront rangés par longueur et par couleur sur les supports prévus. • Ne pas sortir les feuilles des classeurs.
II But du TP
Appréhender les mesures de tension, courant et puissance. Découvrir ou se remémorer les caractéristiques et l’utilisation des appareils de mesure de ces grandeurs.
III Manipulations
III.1 Branchement d’un voltmètre
III.1.1 Rappels
Une tension se mesure à l’aide d’un voltmètre. Un voltmètre présente en théorie une résistance infinie. En pratique il présente une résistance finie : 10 MΩ pour les voltmètres numériques et quelques centaines de kΩ pour les voltmètres à aiguille. On connectera toujours un voltmètre en parallèle
230 V V
I = 0A
=R infinie
Figure 1 :Exemple de branchement d’un voltmètre
III.2 Remarques sur les appareils à aiguilles.
III.2.1 Leur fonctionnement
Un appareil à aiguille peut être comparé à une bobine générant un champ magnétique proportionnel à l’intensité la traversant. Si on fixe une aiguille traversée par un axe sur un aimant, lui-même attiré de façon proportionnelle au champ magnétique (donc au courant), on a ainsi constitué un appareil de mesure, l’aiguille déviant proportionnellement au courant traversant la bobine.
TP électricité : Métrologie 2
Figure 2 : Fonctionnement d’un appareil à aiguille
Il ne faudrait pas croire que les appareils à aiguilles soient démodés : ils présentent en effet beaucoup d’avantages :
• Pas d’alimentations ce qui peut être utile dans des lieux peu visités (armoires techniques etc.)
• Lisibilités accrues par rapport aux afficheurs à cristaux liquides : le temps de réaction d’un opérateur est beaucoup plus rapide sur une aiguille en butée et une surveillance globale de plusieurs appareils à aiguilles en est grandement facilitée.
III.3 Mesure d’une tension grâce à un voltmètre à aiguille Votre appareil se présente sous la forme suivante :
Figure 3 : Voltmètre
Image 1 : Voltmètre
• Examiner le voltmètre et déterminer si l’appareil doit être lu en position verticale ou
horizontale.
Horizontale Verticale
Figure 4 :Position
Image 2:Position
0 250
200 150
100
1,5
1
Appareil utilisable en alternatif
Appareil utilisable Verticalement
Tension de claquage de l’appareil
Classe de l’appareil
TP électricité : Métrologie 3
N’oubliez pas que l’on a affaire à un système mécanique qui a été équilibré pour une position précise
• Déterminer si l’appareil mesure du continu = ou de l’alternatif ≈ ou les deux. • Déterminer la technologie de l’appareil :
Magnétoélectrique Ferromagnétiques
Figure 5 : Technologie et classe
Image 3:Technologie et classe
• Le ferromagnétique présente l’avantage de donner la valeur efficace d’un signal
∫=T
dttvT
Veff0
2)(1
même si celui ci n’est pas sinusoïdal.
• Ne pas confondre avec la valeur moyenne ∫=T
dttvT
Vmoy0
)(1
• Ici v(t) 230 2.sin( t)= ω car Veff . 2 Vcrete= pour un signal sinusoïdal
• Vmoy est nulle pour un signal sinusoïdal. • Veff représente l’action qu’aurait une même tension ou courant continu : Si on
alimentait un radiateur avec une alimentation continue de 230V ce radiateur chaufferait autant que si on l’alimentait sous une tension sinusoïdale de 230V efficace !!
• Déterminer la classe de l’appareil. C’est le chiffre au-dessus de l’indicateur de position de lecture. Il donne la précision de l’appareil : pour chaque mesure, l’incertitude
absolue est donnée par classe x calibre
100. Cette incertitude est constante pour un calibre
donné. • Sur la figure du voltmètre Figure 3 , la classe de l’appareil est de 1,5.Le calibre est de
250V et l’aiguille s’arrête sur 150 V.L’incertitude absolue est donnée par
Vx
75,3100
5,1250 = .Nous lirons donc 150+/- 3,75V.
• Autre exemple, sur l’Image 3:Technologie et classe la classe est de 1,5 • Ainsi moins l’aiguille dévie et moins la précision est bonne d’où la recherche de la
plus grande déviation possible pour accroître la précision relative de lecture. • Si l’aiguille dévie peu (une division par exemple) on peut arriver à des lectures
aberrantes : 1 V +/- 4 V !!
• Montage hors tension, effectuer le branchement à l’aide du voltmètre à aiguille:
TP électricité : Métrologie 4
Figure 6 : Mesure d’une tension
Image 4 : Mesure d’une tension
• Mettre le montage sous tension. Notez la valeur de la tension et comparer avec vos
voisins. Conclusion? EDF garantit-elle la valeur de la tension ? En vous aidant de la classe de l’appareil, déterminer l’erreur absolue de lecture ainsi qu’un encadrement de la tension mesurée. En réalité, EDF garanti la tension entre 220 et 240 V.
III.4 Mesure d’une tension à l’aide d’une pince multifonction numérique
III.4.1 Introduction
Hors tension, on remplacera le voltmètre à aiguille par la pince ampèremétrique.
III.4.2 Avertissement
• On vérifiera que la pince est réglée sur 50Hz et non 60 Hz, fréquence utilisée aux états unis par exemple.
(Commutateur placé sur la tranche de l’appareil)
Figure 7 : Mesure d’une tension
Image 6 : Mesure d’une tension
• Mettre le montage sous tension en commutant le curseur sur ~V et lire la tension.
Interrupteur
0 250
150 100
50
2 1
Image 5
Inter
TP électricité : Métrologie 5
• Comparer avec la valeur lue précédemment avec le voltmètre à aiguille. • Appuyer 5 fois sur la touche Func et lire la valeur de la fréquence du secteur. • Comparer avec celle trouvée par vos camarades.. • Quelles en sont les applications dans la vie courante ? • Conclusion ?
III.5 Mesure d’un courant
III.5.1 Rappels
Un courant se mesure à l’aide d’un ampèremètre ou d’une pince ampèremétrique. Un ampèremètre présente en théorie une résistance nulle. En pratique il présente une résistance finie de quelques fractions d’ohms. On connectera toujours un ampèremètre en série. On utilisera ici les ampèremètres à aiguille et une pince wattmétrique.
III.5.2 Etude préliminaire
Déterminer en théorie la valeur du courant traversant la lampe sachant que P=V.I et que la puissance est notée sur la lampe.
III.5.3 Manipulations avec l’ampèremètre.
On veut mesurer le courant qui circule dans le circuit précédent. Montage hors tension, effectuer le branchement à l’aide de l’ampèremètre 500 mA à aiguille en série.
Figure 8 : Mesure d’une intensité
Image 7:Mesure d’une intensité
• Encadrez la valeur lue avec la classe de l’appareil. • Que se passe-t-il si on connecte un ampèremètre en parallèle ? Ne pas le faire !!!.
Quelles en seraient les conséquences sur le montage ?
III.5.4 Utilisation d’une pince ampèremétrique.
Les pinces ampèremétriques permettent de mesurer un courant sans avoir à ouvrir le circuit électrique ce qui peut être très utile sur des lignes hautes tensions. C’est l’instrument typiquement employé sur un chantier. Un peu de théorie Il existe deux grandes familles de pinces ampèremétriques : les pinces à effet Hall et les pinces transformateurs.
• Les pinces à effet Hall Soit un conducteur parcouru par un courant I créant un champ magnétique B. Pour contrebalancer les forces magnétiques (F=qvB) se crée une force qE due au champ électrique E induit. Il se crée alors une tension V=E/a proportionnelle à B donc à I , intensité parcourant le conducteur.
0 500
250
2 1
mA
TP électricité : Métrologie 6
Les pinces à effet Hall sont en fait des voltmètres captant cette tension V.
• Les pinces « transformateurs ». Un fil parcouru par un courant I crée un champ magnétique B proportionnel à I. La pince, constituée d’un certain nombre de spires, va enserrer le fil. Il va donc être créé dans la bobine de la pince une tension induite proportionnelle au courant I traversant le fil. Tout se passe comme si on avait un transformateur avec une spire au primaire (le fil dont on veut déterminer l’intensité) et n spires au secondaire (les spires de la pince).
I
Pince
Conducteur
Figure 10
III.5.5 Manipulations
• Effectuer les montages suivants :
Figure 9 :Effet Hall
TP électricité : Métrologie 7
Figure 11 : Mesure du courant dans une lampe
Image 8 : Mesure du courant dans une lampe
Figure 12 : Mesure du courant dans une bobine
Image 9 : Mesure du courant dans une bobine
• Mettre le curseur sur ~mA ou sur ~A si la valeur affichée dépasse 0,6A • Lire la valeur du courant ILampe ainsi que IBobine • Faire deux, trois, quatre tours de fils autour de la pince. Lire la valeur du courant à
chaque fois.
Image 10:Trois tours de fil
Image 11:Un seul tour
• Conclusion ? • Quel est l’utilité de cette manipulation dans le cas de courant faibles ?
• Mettre la pince déconnectée, dans l’axe de la bobine.
Inter
Inter
TP électricité : Métrologie 8
Figure 13
Image 12
• Quelle est la lecture du courant ??Explication du phénomène ??
III.6 Mesures de puissance active en monophasé
III.6.1 Mesures de puissances dans une lampe
Les puissances se mesurent avec une pince wattmétrique. Il faut connecter les deux fils de tensions (mesure de V) ainsi que la pince autour d’un fil (mesure de I) afin de mesurer le produit P=V.I.cosφ.
Figure 14 : Mesure de puissance d’une lampe
Image 13 : Mesure de puissance d’une lampe
Figure 15 : Mesure de puissance d’une Bobine
Image 14 : Mesure de puissance d’une Bobine
• Hors tension, connecter la pince de façon à mesurer la puissance consommée par la
lampe et la bobine • Vérifier votre montage avant de mettre sous tension. • Commuter le curseur sur la position ~mW • Mesurer la puissance active P consommée par la lampe et par la bobine. • Vérifier vos valeurs avec celles portée sur la lampe.
Inter
Inter
Inter
TP électricité : Métrologie 9
• Effectuer le produit VxI . Conclusions ? • En appuyant successivement sur le bouton « FUNC » mesurer dans les deux cas la
valeur de la puissance apparente S=V.I en V.A de la puissance réactive Q=V.I.sin(Φ) ainsi que celle du facteur de puissance ou cos(Φ) ,noté PF (Power Factor, et enfin le déphasage Φ entre le courant et la tension.
• Déterminer la valeur de l’inductance en Henrys. • Sachant qu’une lampe peut être assimilée à une résistance pure, ces résultats vous
semblent ils cohérents ? • Recommencer les mesures précédentes avec trois tours de fils dans la pince. • Quelles opérations faut-il effectuer pour retrouver les résultats précédents ?
III.6.2 Mesures de Puissances dans Une lampe et une bobine en parallèle
On ajoute une bobine en parallèle sur la lampe. On souhaite mesurer le courant ITotal1 traversant l’ensemble lampe+bobine.
Figure 16 : Mesure de courant ITotal1
Image 15 : Mesure de courant ITotal1
• Hors tension réaliser le branchement de la bobine et de la pince ampèremètrique. Avec la pince mesurer le courant traversant l’ensemble ITotal1 À l’aide d’un compas et d’une règle tracer le diagramme de Fresnel des intensités. En déduire le facteur de puissance de l’ensemble et de la bobine à l’aide d’un rapporteur.
Figure 17
• Mesurer la puissance active P, la puissance réactive Q le facteur de puissance cos(ΦB) de l’ensemble. Comparer avec la valeur trouvée précédemment sur le diagramme.
• Vérifiez la relation TT
T
QTan( )
PΦΦΦΦ=
III.7 Rappel sur les capacités Il n’y a pas de manipulations dans ce chapitre III.7.Il faut juste lire et assimiler le texte
Inter
IL
IB IT
+ ΦT
ΦB V
TP électricité : Métrologie 10
III.7.1 Théorie
Deux capacités en parallèle voient leurs valeurs s’additionner :
4µF 6µF
=
10µF
Figure 18 Pour une capacité C soumise à une tension V et traversée par un courant I, on peut écrire :
IV
C.=
ω et
22I
Q V .C.C.
= − = − ωω
III.7.2 Branchement de la boite de capacité du TP
Exemple de connexion d’une capacité de 10 µF
Figure 19
Image 16
Si on veut connecter une valeur de 7µF par exemple, il faut effectuer le branchement suivant :
1µF 2µF 2µF 5µF 10µ
Commun
TP électricité : Métrologie 11
Z Figure 20
Image 17
Exemple d’une capacité de 6 µF en série avec une bobine
Image 18 : Capacité de 6 µF
III.8 Redressement de facteur de puissance
III.8.1 Mesures de puissances dans une lampe, une bobine et une capacité en parallèle
• On place une capacité connectée en parallèle sur une lampe et un tube fluorescent.
Image 19:Lampe capacité et tube
• En faisant varier la capacité entre 0 et 20µF, tracez Ф=f(C), IC=f(C). et
ITotal=f(C).Conclusions ? Déterminez les parties inductive, capacitive et résistive des courbes
III.8.2 Mesures de puissances dans une lampe, une bobine, et une capacité en parallèle
1µF 2µF 2µF 5µF 10µ
Commun
Figure 21:Lampe capacité et tube
TP électricité : Métrologie 12
• Reprendre les résultats trouvés en III.6.2. • On veut par le calcul obtenir un facteur de puissance à au moins cos(ΦT)= 0,92 soit
Tan(ΦT)=0,4. • Trouver la valeur de la capacité à connecter sachant que
( )( )Totale Tinitiale
2
P Tan 0,4C
V .2. .f
φ −=
π. Avec ( )TinitialeTan φ ,tangente du III.6.2.
• Placer cette capacité avec la bonne valeur:
• Mesurer le nouveau facteur de puissance cos(Φ’T). Sa valeur est-elle en accord avec la
théorie ?
• Calculer l’intensité théorique IC traversant la capacité sachant que 2
IcV
. .f .Cππππ= .
• Mesurer l’intensité traversant la capacité. Comparer avec la valeur théorique. • Tracer le diagramme de l’intensité totale (lampe + bobine + condensateur). • Ic est déphasé de 90° par rapport à ILampe .
Figure 23
• Retrouver le facteur de puissance cos(ΦB) de 0,92 sur le diagramme ainsi que le nouveau courant IT
III.9 Circuit RLC série On va maintenant placer la lampe, la bobine ainsi qu’une capacité de 5 µF en série :
Figure 22 Image 20 : valeur de C non contractuelle !!
IL
IB
IT +
ΦT avec cos ΦT=0.92
ΦB
Ic=V.C.ω
TP électricité : Métrologie 13
Figure 24
Image 21
• Mesurer la tension aux bornes de la lampe VLampe , la tension aux bornes de la capacité VCapacité ainsi que la tension aux bornes de la bobine, VBobine.
• En se servant de ΦB trouvé précédemment tracer V=VLampe+ VBobine+ VCapacité. • En faisant varier la valeur de la capacité entre 0 et 20µF, tracer I=f(C),Ф=f(C) • Conclusion ?