Mesures de tension avec NI DAQ : Guide pratique

Aperçu

Apprenez à créer un système de mesure de tension CC ou CA. Voyez comment connecter correctement les signaux à votre système d’acquisition de données pour une acquisition exacte.

Qu’est-ce qu’une mesure de tension ?

La tension est la différence de potentiel électrique entre deux points d’un circuit électrique ou électronique, exprimée en volts. Elle mesure l’énergie potentielle d’un champ électrique qui génère un courant électrique dans un conducteur.

La plupart des matériels de mesure peuvent mesurer la tension. Les deux mesures de tension les plus courantes sont la mesure du courant continu (CC) et du courant alternatif (CA). Bien que les mesures de tension soient les plus simples des différents types de mesures analogiques, elles présentent des contraintes spécifiques en termes de bruit.


Comment effectuer une mesure de tension CC

Même si de nombreux capteurs produisent des tensions CC que l’on peut mesurer avec un multimètre ou un périphérique d’acquisition de données, le principal objectif de ce white paper est d’examiner les mesures CC générales qui ne nécessitent pas l’installation d’un capteur intermédiaire.

Principes fondamentaux des mesures de tension

Pour comprendre les mesures de tension, il convient de bien saisir les éléments qui entourent la prise de mesure. La tension est, par définition, la différence de potentiel électrique entre deux points d’intérêt d’un circuit électrique. Toutefois, la façon dont est déterminé le point de référence d’une mesure entraîne souvent une certaine confusion. Le point de référence d’une mesure est le niveau de tension auquel la mesure est référencée.

Méthodes pour déterminer le point de référence

Il existe principalement deux méthodes pour mesurer les tensions : le mode référencé à la masse et le mode différentiel.

Mesure de tension référencée à la masse

L’une des méthodes consiste à mesurer la tension par rapport à un point commun appelé masse. Ces masses sont généralement stables et sans variation et se maintiennent communément autour de 0 V. D’un point de vue historique, le terme « masse » a pour origine l’application courante qui consistait à s’assurer que le potentiel de la tension était bien de 0 V en connectant le signal directement à la terre. Il est possible de recourir aux connexions d’entrées référencées à la masse pour toute voie qui remplit l’une des conditions suivantes :

  • Le signal d’entrée est élevé (supérieur à 1 V)
  • Les fils qui assurent la connexion du signal au périphérique sont inférieurs à 3 m
  • Le signal d’entrée peut partager un point de référence commun avec d’autres signaux
     

La référence à la masse est fournie soit par le périphérique qui effectue la mesure, soit par le signal externe mesuré. Le premier cas de figure est appelé « mode référencé à une masse commune » (RSE), et le deuxième cas « mode non référencé à une masse commune » (NRSE).

La plupart des instruments offrent le même type de brochage pour les mesures d’entrées analogiques. L’exemple suivant illustre ce type de mesure en mettant en œuvre un châssis CompactDAQ et un module d’entrées analogiques NI 9205 (voir Figure 1).


Figure 1. Châssis NI CompactDAQ et module d’entrées analogiques NI 9205

La Figure 2 représente le diagramme de connexion des mesures de tension RSE (mode référencé à une masse commune) utilisant un châssis NI cDAQ-9178 avec un module NI 9205 ainsi que les broches de ce dernier. Sur la Figure 2, la Broche 1 correspond à l’« Entrée analogique 0 » et la Broche 17 correspond à la masse commune.

Figure 2. Mode asymétrique référencé à la masse

La Figure 3 montre le diagramme de connexion des mesures de tension NRSE utilisant un châssis cDAQ-9178 avec un module NI 9205. Sur la Figure, la Broche 1 correspond à l’« Entrée analogique 0 » et la Broche 35 correspond à la « Détection d’entrée analogique ». Cette voie, tout particulièrement pour les mesures NRSE, peut détecter la tension de masse fournie par le signal.



Figure 3. Mode asymétrique non référencé

Mesure de tension différentielle

Une autre méthode pour la mesure de tension consiste à déterminer la tension « différentielle » entre deux points d’un circuit électrique. Par exemple, pour mesurer la tension aux bornes d’une résistance, la mesure s’effectue aux deux extrémités de cette résistance. La différence entre les tensions est la tension aux bornes de la résistance. En règle générale, les mesures de tension différentielle servent à déterminer la tension aux bornes des éléments d’un circuit. Elles sont aussi utilisées lorsque les sources de signaux sont bruitées.

Il est possible de recourir aux connexions d’entrées différentielles pour toute voie qui remplit l’une des conditions suivantes :

  • Le signal d’entrée est faible (inférieur à 1 V)
  • Les fils conducteurs connectant le signal au périphérique sont supérieurs à 3 m (10 pieds)
  • Le signal en entrée nécessite un point de référence à la masse ou un signal renvoyé séparé
  • Les fils conducteurs des signaux traversent des environnements bruyants
     

La Figure 4 présente le diagramme de connexion des mesures de tension différentielle utilisant un châssis cDAQ-9178 avec un module NI 9205. Sur la Figure, la Broche 1 correspond à l’« Entrée analogique 0 » et la Broche 19 correspond à l’« Entrée analogique 8 ».

En mode différentiel, le signal négatif est relié à la broche analogique qui se trouve directement en face de la voie analogique connectée au signal positif. Par exemple, l’« Entrée Analogique 0 » est connectée au signal positif, et l’« Entrée Analogique 8 » est connectée au signal négatif, puis l’« Entrée Analogique 1 » au positif et l’« Entrée Analogique 9 » au négatif, etc. L’inconvénient du mode différentiel est qu’il réduit de moitié le nombre de voies de mesure des entrées analogiques.

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Figure 4. Mode différentiel

Types de sources de signaux

Avant de configurer les voies d’entrées et d’établir les connexions des signaux, il convient de déterminer si les sources de signaux sont flottantes ou référencées à la masse.

Sources de signaux flottantes

Une source de signal flottante n’est pas connectée au système de masse d’un bâtiment, mais dispose d’un point de référence à la masse isolé. Parmi les exemples de sources de signaux flottantes, citons les sorties de transformateurs, les thermocouples, les appareils alimentés par piles, les isolateurs optiques et les amplificateurs d’isolement. Un instrument ou un périphérique doté d’une sortie isolée est une source de signal flottante. La référence à la masse d’un signal flottant doit être connectée à la masse du matériel afin d’établir une référence locale ou embarquée du signal. Sinon, le signal d’entrée mesuré varie lorsque la source s’éloigne de la gamme d’entrée de mode commun.

Sources de signaux référencées à la masse

Un signal référencé à la masse est connecté au système de masse d’un bâtiment. Il est donc déjà connecté à un point de référence commun au matériel, à condition que le matériel de mesure soit branché au même système d’alimentation électrique que la source. Les sorties non isolées d’instruments et de périphériques, qui se branchent au système d’alimentation d’un bâtiment, entrent dans cette catégorie. La différence de potentiel de masse entre deux instruments connectés au même système d’alimentation d’un bâtiment est généralement comprise entre 1 et 100 mV, mais elle peut être bien plus élevée si les circuits de distribution d’alimentation sont mal connectés. Si une source de signal mise à la masse n’est pas mesurée correctement, la différence peut causer une erreur de mesure. En suivant les instructions de connexion pour les sources de signaux mises à la masse, il est possible d’éliminer la différence de potentiel de masse du signal mesuré.

La Figure 5 présente les différents types de sources de signaux ainsi que les meilleurs diagrammes de connexion possibles en fonction des méthodes de mesure. Vous remarquerez que, selon les types de signaux, il est préférable de choisir telle ou telle méthode de mesure.

Figure 5. Types de signaux les plus courants et configurations recommandées des entrées

Pour en savoir plus, consultez la page Câblage sur site et bruit pour les signaux analogiques.

Mesures et isolation haute tension

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors de la mesure de tensions élevées. Lors de la spécification d’un système d’acquisition de données, la première question à se poser concerne la sécurité du système. Effectuer des mesures haute tension peut être dangereux pour l’équipement, l’unité sous test et même pour l’utilisateur et ses collègues. Pour garantir la sécurité d’un système, il faut fournir une barrière d’isolation entre l’utilisateur et les tensions dangereuses par le biais de matériels de mesure isolés.

L’isolation, qui consiste à séparer physiquement et électriquement deux parties d’un matériel de mesure, peut être considérée comme une isolation de type électrique et de sécurité. L’isolation électrique consiste à éliminer les chemins vers la masse entre deux systèmes électriques. L’isolation électrique permet de supprimer les boucles de masse, d’accroître la gamme de tension de mode commun du système d’acquisition de données, et de décaler la référence à la masse du signal vers une seule masse de système. L’isolation de sécurité fait référence aux normes qui ont des exigences spécifiques en termes de protection des individus contre tout contact avec des tensions dangereuses. Elle caractérise également la capacité d’un système électrique à empêcher la transmission des hautes tensions et des tensions transitoires vers d’autres systèmes électriques avec lesquels l’utilisateur est susceptible d’entrer en contact.

L’intégration de l’isolation dans un système d’acquisition de données présente trois objectifs principaux : la prévention des boucles de masse, le rejet des tensions de mode commun et la garantie de sécurité.

Pour en savoir plus, consultez la page Mesures et isolation haute tension.

Boucles de masse

Les boucles de masse sont les sources de bruit les plus fréquentes dans les applications d’acquisition de données. Elles se produisent lorsque deux terminaux connectés dans un circuit présentent des potentiels de masse différents, ce qui se traduit par une circulation du courant entre les deux points. La masse locale de votre système peut être supérieure ou inférieure de plusieurs volts à la masse du bâtiment le plus proche, et la foudre tombant à proximité peut accroître cette différence de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de volts. Cette tension supplémentaire peut elle-même provoquer une erreur de mesure importante, mais le courant qui est à son origine peut lui aussi coupler les tensions dans les fils à proximité. Ces erreurs peuvent prendre l’apparence de transitoires ou de signaux périodiques. Par exemple, si une boucle de masse est constituée de lignes électriques CA de 60 Hz, le signal CA parasite prend la forme d’une erreur de tension périodique au niveau de la mesure.


En cas de boucle de masse, la tension mesurée, Vm, est la somme de la tension du signal, Vs, et de la différence de potentiel, Vg, qui existe entre la masse de la source du signal et la masse du système de mesure (voir Figure 6). En règle générale, ce potentiel n’est pas une tension continue ; il en résulte un système de mesure bruité présentant souvent les composantes fréquentielles de la ligne électrique (60 Hz) dans les mesures.

Figure 6. Une source de signal reliée à la masse mesurée avec un
système référencé à la masse introduit des boucles de masse

Pour éviter les boucles de masse, l’utilisateur doit s’assurer que le système de mesure ne comporte qu’une seule référence à la masse ou recourir à des matériels de mesure isolés. L’utilisation de matériels isolés supprime le lien entre la masse de la source de signal et l’appareil de mesure, empêchant ainsi la circulation de tout courant entre plusieurs points de masse.

Dans la configuration du CompactDAQ mentionnée précédemment, le module d’entrée analogique NI 9229 garantit une isolation voie à voie de 250 V.

Figure 7. Module d’entrée analogique isolé voie à voie NI 9229

Tension de mode commun

Un système de mesure différentiel idéal mesure uniquement la différence de potentiel entre ses deux terminaux, l’entrée positive (+) et l’entrée négative (-). La tension différentielle aux bornes de ces deux fils est le signal désiré, toutefois il peut exister un signal indésirable commun aux deux côtés de la paire de fils différentiels. Cette tension est connue sous le nom de tension de mode commun. Un système de mesure différentiel idéal rejette complètement la tension de mode commun, au lieu de la mesurer. En réalité, les matériels possèdent plusieurs facteurs de limitation, caractérisés par des paramètres comme la gamme de tension de mode commun et le taux de réjection de mode commun (CMRR), qui restreignent la capacité de réjection de la tension de mode commun.

La gamme de tension de mode commun est définie comme la variation maximale de tension autorisée à chaque entrée en fonction de la masse du système de mesure. Le non-respect de cette contrainte peut non seulement provoquer une erreur de mesure, mais aussi endommager certains composants de la carte.

Le taux de réjection de mode commun est la capacité d’un système de mesure à rejeter les tensions de mode commun. Les amplificateurs qui présentent des taux de réjection de mode commun élevés sont plus efficaces pour rejeter ces tensions.

Dans un système de mesure différentiel non isolé, il existe toujours un chemin électrique dans le circuit entre l’entrée et la sortie. C’est pourquoi, les caractéristiques électriques de l’amplificateur limitent le niveau du signal en mode commun applicable à l’entrée. L’utilisation d’amplificateurs d’isolation supprime ce chemin électrique conducteur et accroît considérablement le taux de réjection de mode commun.

Topologies d’isolation

Il est important de bien comprendre la topologie d’isolation d’un matériel lors de la configuration d’un système de mesure. Des topologies différentes se traduisent par plusieurs considérations en termes de coût et de vitesse.


Voie à voie


La topologie d’isolation la plus efficace est l’isolation voie à voie. Dans cette topologie, chaque voie est isolée de façon individuelle des autres voies et des autres composantes non isolées du système. De plus, chaque voie est dotée de sa propre alimentation électrique isolée.

En termes de vitesse, il est possible de choisir parmi plusieurs architectures. Recourir à un amplificateur d’isolation avec un convertisseur analogique-numérique (C A/N) est généralement la solution la plus rapide, car elle permet d’accéder à toutes les voies en parallèle. Les modules d’entrées analogiques NI 9229 et NI 9239 fournissent une isolation voie à voie afin de garantir une grande précision des mesures.

Une architecture d’un meilleur rapport qualité/prix, mais plus lente, met en œuvre le multiplexage de chaque entrée isolée dans un seul C A/N.

Une autre méthode visant à fournir une isolation voie à voie consiste à utiliser une alimentation électrique isolée commune à toutes les voies. Dans ce cas, la gamme de tension de mode commun des amplificateurs est limitée par cette alimentation, sauf si l’utilisateur a recours à des atténuateurs frontaux.

 

Banque


Une autre topologie d’isolation consiste en un groupement de plusieurs voies (alors appelé banque) qui partageront un seul amplificateur d’isolation. Dans cette topologie, la différence de tension de mode commun entre les voies est limitée, mais la tension de mode commun entre la banque de voies et la partie non isolée du système de mesure peut être importante. Les voies ne sont pas isolées de manière individuelle, mais les banques sont isolées entre elles et de la masse. Cette topologie constitue une solution d’isolation économique, car elle est conçue pour partager un seul amplificateur d’isolation et une seule alimentation.

La plupart des modules d’entrées analogiques de la Série C de NI, tels que les NI 9201 et NI 9221, sont isolés par banque et permettent d’effectuer des mesures analogiques précises à moindre coût.

 

Visualisation des mesures : NI LabVIEW


Une fois le capteur connecté à l’instrument de mesure, il est possible d’utiliser le logiciel de programmation graphique LabVIEW pour la visualisation et l’analyse des données en fonction des besoins de l’application. Reportez-vous à la Figure 8, qui est extraite de l’exemple LabVIEW fourni : Voltage - Finite Input.vi et que vous trouverez ici : 

\National Instruments\<Version de LabVIEW>\exemples\DAQmx\Entrée analogique\Voltage - Finite Input.vi

Figure 8. Mesure de tension avec LabVIEW

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