Guide de mesure du courant - Comment mesure-t-on le courant ?

Dans un métal conducteur solide, une grande quantité d’électrons est mobile ou libre. Lorsqu’un fil métallique est connecté aux bornes de deux terminaux d’une source de tension CC telle qu’une pile, la source établit un champ électrique à travers le conducteur. À l’instant où le contact est établi, les électrons libres du conducteur sont contraints de se déplacer vers le terminal positif sous l’influence de ce champ.

L’électron libre est de ce fait le porteur du courant dans un conducteur solide classique. Pour un courant électrique d’une valeur de 1 A, une charge électrique de 1 coulomb (constituée d’environ 6,242 × 1018 électrons) traverse chaque seconde la surface imaginaire constituée par le conducteur.

Figure 1.  Illustration du flux de courant

Le courant a été défini au début de l’histoire de l’électricité comme le déplacement de la charge positive. Dans les métaux solides, comme les fils, les porteurs de charges positives sont immobiles, et les électrons chargés négativement sont les seuls à se déplacer. Étant donné que l’électron porte une charge négative, le courant électronique circule dans la direction opposée de la convention du courant.

Lorsque l’on calcule des circuits électriques, la direction réelle du courant qui traverse un élément spécifique est généralement inconnue. Par conséquent, à chaque élément de circuit correspond une variable de courant avec une direction de référence choisie de manière arbitraire. Lorsque le circuit est calculé, les courants de ses éléments peuvent avoir une valeur positive ou négative. Une valeur négative signifie que la direction réelle du courant qui traverse l’élément de ce circuit est opposée à la direction de référence choisie.

Méthodes de mesure du courant

Il existe deux manières principales de mesurer le courant : l’une s’appuie sur l’électromagnétisme et est associée aux premiers appareils de mesure à cadre mobile (d’Arsonval), tandis que la seconde repose sur la théorie fondamentale de l’électricité, la loi d’Ohm.

Galvanomètre d’Arsonval

Un galvanomètre d’Arsonval est un type d’ampèremètre, un instrument permettant de détecter et de mesurer le courant électrique. Il s’agit d’un capteur électromécanique analogique qui produit une déviation rotative, à l’intérieur d’un arc défini, en réponse à un courant électrique traversant sa bobine.

Le modèle d’Arsonval utilisé aujourd’hui est constitué d’une petite bobine montée sur pivot se trouvant dans le champ magnétique d’un aimant permanent. La bobine est attachée à une fine aiguille qui se déplace sur une échelle calibrée. Un petit ressort de torsion tire la bobine et l’aiguille sur la position indiquant le zéro.

Lorsqu’un courant continu (CC) traverse la bobine, celle-ci génère un champ magnétique. Ce champ s’oppose à l’aimant permanent. La bobine dévie en appuyant sur le ressort et fait bouger l’aiguille. L’aiguille pointe vers une échelle indiquant le courant électrique. La conception soignée des pôles garantit l’uniformité du champ magnétique, de façon à ce que la déviation angulaire de l’aiguille soit proportionnelle au courant.

Autres ampèremètres

Pour l’essentiel, la plupart des ampèremètres actuels reposent sur la théorie fondamentale de l’électricité, la loi d’Ohm. Les ampèremètres modernes sont majoritairement des voltmètres dotés d’une résistance de précision. Grâce à la loi d’Ohm, il est possible d’effectuer une mesure exacte et néanmoins peu onéreuse.

La loi d’Ohm : la loi d’Ohm établit que, dans un circuit électrique, le courant qui traverse un conducteur est directement proportionnel à la différence de potentiel (en d’autres termes, chute de tension ou tension) à ses bornes, et inversement proportionnel à la résistance à ces mêmes bornes.

L’équation mathématique qui décrit cette relation est la suivante :

I = V/R

où I désigne le courant en ampères, V représente la différence de potentiel aux bornes d’intérêt exprimée en volts et R est un paramètre de circuit, mesuré en ohms (ce qui équivaut aux volts par ampère), appelé la résistance.

Fonctionnement d’un ampèremètre : les ampèremètres actuels sont dotés d’une résistance interne permettant de mesurer le courant traversant un signal particulier. Cependant, lorsque la résistance interne n’est pas adaptée à la mesure de forts courants, une configuration externe s’avère nécessaire.

Pour mesurer des courants plus forts, il est possible de placer une résistance de précision appelée shunt (ou dérivation) en parallèle de l’appareil de mesure. La majeure partie du courant circule à travers le shunt, et seule une petite portion traverse l’appareil. Cela rend possible la mesure de courants plus forts.

Toute résistance peut faire l’affaire, dans la mesure où le courant maximum attendu multiplié par la résistance n’excède pas la gamme d’entrée de l’ampèremètre ou de la carte d’acquisition de données.

Lors d’une mesure de courant suivant cette méthode, il convient de recourir à la résistance qui a la plus petite valeur possible pour produire la plus petite interférence avec le circuit existant. Cependant, des résistances plus faibles génèrent des chutes de tension moins importantes. L’utilisateur doit donc faire un compromis entre résolution et interférence de circuit.

La figure 2 représente un schéma ordinaire de mesure de courant traversant une résistance shunt.

Figure 2. Connexion d’une résistance shunt à une mesure

Avec cette méthode, le courant n’est pas réellement dirigé vers l’ampèremètre/la carte d’acquisition de données, mais à travers une résistance shunt externe. Il n’existe théoriquement aucune limite à la force du courant que l’on peut mesurer, à condition que la chute de tension aux bornes de la résistance shunt ne dépasse pas la gamme de tension de fonctionnement de l’ampèremètre/la carte d’acquisition de données.

Conventions sur le courant

Courants conventionnels

Les courants conventionnels sont des mesures de courant fréquentes dans l’électronique moderne, les circuits électriques, les lignes de transmission, etc. Ils ne respectent pas de norme de transmission spécifique et peuvent aller de zéro à des valeurs d’ampérage élevées.

Boucles de courant/Convention 4-20 mA

Les boucles de courant analogique sont utilisées à toutes sortes de fins lorsqu’un appareil doit être commandé ou contrôlé à distance via une paire de conducteurs. Un seul niveau de courant peut être présent à la fois.

« Une boucle de courant de quatre à 20 milliampères », ou 4-20 mA, est une norme de transmission électrique analogique dédiée à l’instrumentation industrielle et à la communication. Le signal est une boucle de courant où 4 mA représente 0 % du signal et 20 mA représente 100 % du signal.[1] Le « mA » signifie milliampère, soit 1/1000 d’un ampère.

Le « zéro live » de 4 mA permet à l’instrument récepteur d’établir la distinction entre un signal zéro et un circuit ouvert, ou encore un instrument hors tension.[1] Développée dans les années 1950, cette norme est toujours largement utilisée dans l’industrie à l’heure actuelle. Parmi les avantages de la convention 4-20 mA, citons sa large utilisation par les fabricants, des coûts de mise en œuvre relativement faibles et sa capacité à rejeter plusieurs formes de bruit électrique. Par ailleurs, avec le « zéro live », les instruments basse puissance peuvent être alimentés directement à partir de la boucle, faisant l’économie de câbles supplémentaires.

Considérations concernant l’exactitude

Le placement de la résistance shunt dans le circuit est important. Si le circuit externe partage une masse commune avec l’ordinateur contenant l’ampèremètre/la carte d’acquisition de données, la résistance shunt doit alors être placée aussi près que possible de la branche mise à la masse du circuit. Dans le cas contraire, la tension de mode commun produite par la résistance shunt risque d’être en dehors des spécifications relatives à l’ampèremètre/la carte d’acquisition de données, ce qui pourrait se traduire par des lectures erronées ou même endommager la carte. La figure 3 représente les placements correct et incorrect de la résistance shunt.

Figure 3. Placement de la résistance de shunt

Mesures par matériel d’acquisition de données

Il existe trois méthodes différentes de mesure des entrées analogiques. Reportez-vous à l’article « Comment effectuer une mesure de tension » pour obtenir de plus amples informations sur chaque configuration.

Prenons comme exemple le système d’acquisition de données via USB NI CompactDAQ. La figure 4 montre le châssis NI cDAQ-9178 et un module d’entrée de courant analogique NI 9203. Le NI 9203 ne nécessite pas de résistance shunt externe du fait de la présence d’une résistance de précision interne.

Figure 4. Châssis NI cDAQ-9178 et module d’entrée de courant analogique NI 9203

La figure 5 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 9203 ainsi que les broches de ce dernier. Sur la figure, la Broche 0 correspond à l’« Entrée analogique 0 » et la Broche 9 correspond à la masse commune.

Figure 5. Mesure de courant avec une configuration RSE

Outre le NI 9203, des modules d’entrée analogique d’usage général, comme le NI 9205, peuvent fournir des fonctionnalités d’entrée de courant en utilisant une résistance shunt externe.

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.

Figure 6. Mesure de courant avec LabVIEW

Références
Bolton, William (2004). Instrumentation et systèmes de contrôle/commande. Elsevier. ISBN 0750664320.

Exemple de système de mesure de courant
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