INSTRUMENTS DE MESURES ET MÉTHODES, 2ÈME ANNÉE, OPTION ÉLECTRICITÉ
Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.
PRÉLIMINAIRES
1. Objectifs Généraux du Cours 🎯
Ce cours vise à doter l’élève technicien d’une compétence fondamentale et transversale : la maîtrise de la mesure électrique. L’objectif est de dépasser la simple lecture d’un cadran pour développer une compréhension profonde du fonctionnement des instruments, des méthodes de mesure appropriées et de l’analyse critique des résultats. Au terme de ce module, l’apprenant doit être capable de choisir l’instrument adéquat pour une tâche donnée, de le brancher correctement et en toute sécurité, d’interpréter la mesure en tenant compte des incertitudes, et de mettre en œuvre des protocoles expérimentaux pour vérifier les lois de l’électricité.
2. Approche Pédagogique Recommandée 🧑🏫
La pédagogie de ce cours est résolument active et expérimentale. Chaque séance théorique sur un instrument ou une méthode doit être immédiatement suivie d’une séance de laboratoire où les élèves manipulent, mesurent et analysent. L’enseignant doit insister sur la méthodologie : avant toute mesure, l’élève doit apprendre à se poser les bonnes questions (Quelle grandeur mesurer ? Quel calibre choisir ? Quelle précision est attendue ? Quels sont les risques ?). Des projets de mesure concrets peuvent être proposés, comme la caractérisation d’une batterie solaire dans les conditions d’ensoleillement de Mbandaka ou la vérification de l’isolement d’une installation électrique d’un bâtiment scolaire à Goma.
3. Prérequis du Cours 📚
Une connaissance approfondie des grandeurs et des lois étudiées dans le cours d’Électricité Générale de première année est un prérequis absolu. L’élève doit maîtriser parfaitement les concepts de tension, de courant, de résistance, de puissance, ainsi que la loi d’Ohm et les associations de composants. Des aptitudes en calcul (pourcentages, conversions) et une grande rigueur dans l’application des consignes sont également exigées.
PARTIE 1 : FONDEMENTS DE LA MESURE ÉLECTRIQUE
Cette première partie établit le cadre théorique de la métrologie. Avant d’utiliser un instrument, il est indispensable de comprendre le langage de la mesure : les types d’erreurs, les notions de précision et d’exactitude, et les règles de sécurité qui encadrent toute intervention. C’est le socle de la fiabilité et de la sécurité du mesureur.
Chapitre 1 : Introduction à la Métrologie Électrique
1.1. Définition et Importance de la Mesure
La mesure est définie comme le processus de comparaison d’une grandeur inconnue à un étalon. Son rôle crucial est souligné dans tous les domaines de l’électricité : la mise en service, la maintenance préventive, le dépannage et le contrôle de la qualité de l’énergie.
1.2. Grandeurs, Unités et Étalons
Le Système International d’Unités (SI) pour les grandeurs électriques (Ampère, Volt, Ohm, Watt, etc.) est rappelé. La notion d’étalon et la chaîne de raccordement qui garantit la traçabilité des mesures depuis les laboratoires nationaux jusqu’à l’instrument de terrain sont expliquées.
1.3. Méthodes de Mesure Directes et Indirectes
La distinction est faite entre la mesure directe, où l’instrument donne directement la valeur de la grandeur (lecture d’un voltmètre), et la mesure indirecte, où la grandeur est calculée à partir de la mesure d’autres grandeurs (calcul de la résistance via la méthode volt-ampèremétrique).
1.4. Caractéristiques d’un Instrument de Mesure
Les principales caractéristiques qui définissent la qualité d’un instrument sont présentées : l’étendue de mesure, la sensibilité, la résolution (pour les appareils numériques), la fidélité et la justesse.
Chapitre 2 : Erreurs et Incertitudes dans la Mesure
2.1. Les Différents Types d’Erreurs
Les erreurs de mesure sont classifiées en deux catégories : les erreurs systématiques (dues à l’instrument ou à la méthode, ex: erreur de zéro) et les erreurs aléatoires (imprévisibles, dues à des facteurs fluctuants).
2.2. Notions d’Exactitude et de Précision (Fidélité)
La distinction conceptuelle entre l’exactitude (proximité de la valeur mesurée par rapport à la valeur vraie) et la précision ou fidélité (dispersion des résultats lors de mesures répétées) est clarifiée à l’aide d’analogies visuelles.
2.3. Calcul de l’Incertitude de Mesure
La notion de classe de précision pour les appareils analogiques est introduite, permettant de calculer l’incertitude absolue maximale. Pour les appareils numériques, l’incertitude est calculée à partir des spécifications du fabricant (pourcentage de la lecture + nombre de digits).
2.4. Présentation des Résultats de Mesure
Les règles pour l’écriture correcte d’un résultat de mesure sont établies : la valeur doit être accompagnée de son incertitude et de son unité (). Le concept de chiffres significatifs est expliqué pour éviter de donner une précision illusoire.
Chapitre 3 : Sécurité lors des Mesures Électriques
3.1. Les Risques Spécifiques à la Mesure
Les dangers liés aux opérations de mesure sont identifiés : risque de choc électrique par contact direct, risque de court-circuit par erreur de manipulation, et risque d’explosion d’appareils en cas de mauvaise utilisation (mesure de tension en mode ampèremètre).
3.2. Les Équipements de Protection Individuelle (EPI)
L’utilisation des EPI spécifiques à l’électricien mesureur est rendue obligatoire : gants isolants, lunettes de protection contre les arcs électriques, et vêtements de travail non propagateurs de la flamme.
3.3. Les Catégories de Sécurité des Instruments (CAT I à IV)
La classification des instruments de mesure (CAT I, II, III, IV) selon leur capacité à supporter les surtensions transitoires est expliquée. La règle fondamentale est d’utiliser un appareil de catégorie appropriée à l’installation sur laquelle on intervient, un point crucial pour la sécurité lors d’interventions sur le réseau de distribution à Kananga.
3.4. Règles de Bonne Pratique
Une liste de règles de sécurité fondamentales est établie et doit être mémorisée : toujours considérer un circuit comme étant sous tension, connecter le fil de masse en premier et le déconnecter en dernier, utiliser des cordons de mesure en parfait état, etc.
PARTIE 2 : LES INSTRUMENTS DE MESURE ANALOGIQUES
Cette partie est consacrée à l’étude des instruments traditionnels à déviation (à aiguille). Comprendre leur principe de fonctionnement interne est essentiel pour interpréter correctement leurs indications, connaître leurs limites et pour mieux appréhender la conception des instruments numériques qui en découlent.
Chapitre 4 : L’Appareil Magnétoélectrique (Cadre Mobile)
4.1. Principe de Fonctionnement
Le principe du galvanomètre à cadre mobile est détaillé : une bobine mobile, parcourue par le courant à mesurer, est placée dans le champ magnétique d’un aimant permanent. La force de Laplace crée un couple moteur qui fait dévier l’aiguille.
4.2. Caractéristiques et Propriétés
Les caractéristiques de cet appareil sont analysées : il ne fonctionne qu’en courant continu, sa déviation est proportionnelle à l’intensité, il est très sensible et précis, et son échelle est linéaire. Sa polarité doit être respectée.
4.3. Couple Moteur et Couple Antagoniste
La déviation de l’aiguille résulte de l’équilibre entre le couple moteur (proportionnel à I) et un couple antagoniste ou de rappel (proportionnel à l’angle de déviation), généralement produit par des ressorts spiraux.
4.4. L’Amortissement
La nécessité d’un système d’amortissement (généralement par courants de Foucault) pour stabiliser rapidement l’aiguille sur sa position d’équilibre sans oscillations est expliquée.
Chapitre 5 : Le Voltmètre et l’Ampèremètre Analogiques
5.1. L’Ampèremètre Magnétoélectrique et le Shunt
Pour mesurer des courants supérieurs à ce que le cadre mobile peut supporter, un shunt (résistance de faible valeur calibrée) est placé en parallèle. Le calcul du shunt pour un calibre donné est une application directe du principe du diviseur de courant.
5.2. Le Voltmètre Magnétoélectrique et la Résistance Additionnelle
Pour mesurer des tensions, une résistance de grande valeur (résistance additionnelle) est placée en série avec le cadre mobile pour limiter le courant. Le calcul de cette résistance pour un calibre donné est détaillé.
5.3. Influence des Appareils sur le Circuit Mesuré
Le fait qu’un appareil de mesure perturbe le circuit qu’il mesure est un concept fondamental. Un ampèremètre idéal a une résistance nulle, un voltmètre idéal a une résistance infinie. Les erreurs de mesure dues à la résistance non idéale des appareils réels sont analysées.
5.4. L’Appareil Ferromagnétique (Fer Mobile)
Le principe de l’appareil ferromagnétique, basé sur la répulsion de deux pièces de fer doux dans le champ d’une bobine, est présenté. Sa principale caractéristique est de fonctionner en continu et en alternatif, mais avec une précision moindre et une échelle non linéaire.
Chapitre 6 : L’Ohmmètre et le Mégohmmètre
6.1. Principe de l’Ohmmètre Analogique
L’ohmmètre est présenté comme un montage contenant une pile, un galvanomètre et une résistance. La mesure est basée sur la loi d’Ohm : l’aiguille dévie en fonction du courant, qui dépend de la résistance inconnue connectée aux bornes. L’échelle est inversée et non linéaire.
6.2. Utilisation et Calibrage de l’Ohmmètre
La procédure d’utilisation est détaillée : mise hors tension obligatoire du circuit, calibrage du zéro ohmique avant chaque série de mesures. L’ohmmètre est utilisé pour les tests de continuité et la mesure de résistances de valeur courante.
6.3. Le Mégohmmètre (ou Testeur d’Isolement)
Le mégohmmètre est un type spécial d’ohmmètre utilisant un générateur interne à haute tension (500V, 1000V) pour mesurer des résistances de très grande valeur. Son application principale est le contrôle de la qualité de l’isolement des câbles et des moteurs électriques, une opération de maintenance essentielle à la GÉCAMINES.
6.4. Interprétation des Mesures d’Isolement
La méthode de mesure de la résistance d’isolement d’une installation par rapport à la terre est expliquée. Les valeurs minimales requises par les normes de sécurité sont données, permettant à l’élève d’évaluer la conformité d’une installation.
PARTIE 3 : LES INSTRUMENTS DE MESURE NUMÉRIQUES
Cette partie aborde la technologie des instruments modernes, qui ont largement supplanté les appareils analogiques dans l’industrie. L’élève doit comprendre les principes de base de la numérisation et savoir exploiter toutes les fonctionnalités offertes par ces outils polyvalents.
Chapitre 7 : Le Multimètre Numérique (DMM)
7.1. Principe de Fonctionnement (Synoptique)
Le schéma bloc d’un multimètre numérique est présenté : les circuits d’entrée (atténuateur, shunt), le convertisseur analogique-numérique (CAN) qui est le cœur du système, la logique de commande et l’afficheur.
7.2. Lecture et Résolution de l’Afficheur
La signification des « points » ou « comptes » d’un afficheur (ex: 2000 points, 4000 points) et son lien avec la résolution de la mesure sont expliqués. La sélection de calibre automatique (« autorange ») est présentée comme une fonctionnalité de confort et de sécurité.
7.3. Mesure de Tensions et Courants (AC/DC)
L’utilisation du DMM pour les mesures de base est pratiquée. La distinction entre les mesures en alternatif (valeur efficace vraie ou « True RMS ») et en continu est soulignée.
7.4. Fonctions Avancées du DMM
Les nombreuses fonctions supplémentaires des multimètres modernes sont explorées : test de diode, test de continuité avec beeper, mesure de capacité, de fréquence, et de température, faisant de cet instrument un véritable laboratoire de poche.
Chapitre 8 : Introduction à l’Oscilloscope Numérique
8.1. Rôle et Intérêt de l’Oscilloscope
L’oscilloscope est présenté comme un « voltmètre graphique » qui permet de visualiser l’évolution d’une tension au cours du temps. Son intérêt est fondamental pour analyser la forme d’un signal, détecter des anomalies (bruit, parasites) et mesurer des caractéristiques temporelles.
8.2. Le Panneau de Commande : Axes Vertical et Horizontal
Les réglages principaux sont décrits. L’axe vertical (VOLTS/DIV) contrôle l’amplitude du signal à l’écran. L’axe horizontal (TIME/DIV) contrôle la base de temps, permettant de « zoomer » sur le signal.
8.3. Le Déclenchement (« Trigger »)
Le concept de déclenchement est expliqué comme le mécanisme qui stabilise l’affichage en commençant le balayage de l’écran toujours au même point du signal. Le réglage du niveau et de la pente de déclenchement est une compétence essentielle.
8.4. Mesures de Base en Courant Continu
L’utilisation de l’oscilloscope en mode DC est pratiquée pour mesurer la valeur d’une tension continue, visualiser la qualité d’une alimentation (ondulation résiduelle) et observer les régimes transitoires de charge/décharge d’un condensateur, apportant une dimension visuelle aux concepts étudiés en électricité générale.
PARTIE 4 : MÉTHODES DE MESURE ET VÉRIFICATIONS EXPÉRIMENTALES
Cette dernière partie est la synthèse des connaissances théoriques et instrumentales. L’élève met en œuvre des protocoles de mesure complets pour des grandeurs spécifiques et pour vérifier expérimentalement les lois fondamentales de l’électricité, bouclant ainsi la boucle entre la théorie et la pratique.
Chapitre 9 : Méthodes de Mesure de la Résistance
9.1. La Méthode Voltmètre-Ampèremètre
Cette méthode indirecte, basée sur la loi d’Ohm, est analysée en détail. Les deux montages possibles (« amont » et « aval ») sont comparés, et les corrections à apporter pour tenir compte de la consommation des appareils sont calculées.
9.2. Application du Pont de Wheatstone
Un laboratoire complet sur le pont de Wheatstone est mené pour mesurer avec une grande précision des résistances inconnues et pour étudier l’influence de la température sur un conducteur (réalisation d’une sonde Pt100 simple).
9.3. Mesure de la Résistance Interne d’un Générateur
Plusieurs méthodes pour déterminer la résistance interne d’une pile ou d’une batterie sont mises en pratique, notamment la méthode par chute de tension en charge, illustrant concrètement l’usure d’une source d’énergie.
9.4. Mesure de la Résistivité d’un Matériau
Un protocole est développé pour mesurer la résistivité d’un fil conducteur. L’élève doit mesurer avec précision sa longueur, sa section (au micromètre) et sa résistance (au pont de Wheatstone) pour ensuite calculer la résistivité et identifier le matériau.
Chapitre 10 : Mesure de Puissance et d’Énergie en Continu
10.1. Mesure de Puissance par la Méthode V/A
La méthode indirecte de mesure de la puissance consommée par un récepteur () est mise en œuvre. Le protocole de mesure simultanée de la tension à ses bornes et du courant qui le traverse est rigoureusement appliqué.
10.2. Le Wattmètre Électrodynamique
Le principe du wattmètre, un instrument qui mesure directement la puissance, est expliqué. Son branchement correct, avec un circuit courant et un circuit tension, est un point clé.
10.3. Vérification Expérimentale de la Loi de Joule
Une expérience est menée pour vérifier la relation . L’élève mesure la puissance dissipée par une résistance pour différentes valeurs de courant et trace la caractéristique pour valider la loi.
10.4. Le Compteur d’Énergie en Courant Continu
Le principe du compteur d’énergie (type électromécanique) est expliqué comme un moteur dont la vitesse est proportionnelle à la puissance, intégrant ainsi la puissance au fil du temps pour donner l’énergie. Le relevé et l’interprétation d’un index de compteur sont exercés.
Chapitre 11 : Vérification Expérimentale des Lois des Circuits
11.1. Laboratoire sur la Loi d’Ohm
Un laboratoire complet est dédié à la vérification de la loi d’Ohm. L’élève trace les caractéristiques pour une résistance, et pour valider les relations de proportionnalité.
11.2. Laboratoire sur les Associations de Résistances
L’élève mesure la résistance équivalente de plusieurs groupements série, parallèle et mixte, et compare les valeurs mesurées aux valeurs calculées pour valider les formules théoriques.
11.3. Laboratoire sur les Lois de Kirchhoff
Un réseau à deux mailles est monté en laboratoire. L’élève mesure tous les courants de branche et toutes les tensions aux bornes des composants, puis vérifie la validité des lois des nœuds et des mailles par le calcul, confirmant la puissance de ces outils d’analyse.
11.4. Laboratoire sur le Diviseur de Tension et de Courant
Les montages diviseurs de tension et de courant sont réalisés et mesurés. L’élève vérifie que les tensions et courants se répartissent conformément aux formules théoriques, une compétence essentielle pour la conception de circuits de polarisation.
ANNEXES
Les annexes fournissent des supports pratiques indispensables. Elles incluent un guide de choix des instruments de mesure en fonction de la grandeur et de la précision souhaitée, des fiches de procédure détaillées pour les manipulations clés (mesure d’isolement, utilisation du pont de Wheatstone), et des tables de symboles pour les appareils de mesure. Un glossaire des termes de métrologie est également fourni.