INSTRUMENTS DE MESURES ET MÉTHODES, 3ÈME ANNÉE, OPTION ÉLECTRICITÉ

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

PRÉLIMINAIRES

1. Objectifs Généraux du Cours 🎯

Ce cours de troisième année a pour objectif de transformer l’élève en un technicien mesureur compétent, capable d’appréhender la quasi-totalité des grandeurs électriques en courant continu et alternatif. L’ambition est de maîtriser non seulement l’utilisation des instruments, mais aussi leurs principes technologiques, leurs limites et les méthodes de mesure complexes. Au terme de ce module, l’apprenant doit pouvoir sélectionner et mettre en œuvre en toute sécurité l’appareillage pour mesurer la puissance en triphasé, analyser un signal à l’oscilloscope, vérifier un compteur d’énergie et comprendre le fonctionnement des transformateurs de mesure, des compétences indispensables pour le diagnostic et la maintenance des installations industrielles et tertiaires.

2. Approche Pédagogique Recommandée 🧑‍🏫

La pédagogie de ce cours doit être rigoureusement expérimentale et orientée vers la résolution de problèmes. Chaque méthode de mesure sera abordée comme un outil de diagnostic. Les séances de laboratoire seront prépondérantes, confrontant les élèves à des situations de mesure complexes et à l’analyse critique des résultats. L’enseignant mettra l’accent sur l’élaboration de protocoles de mesure, la documentation des résultats dans un rapport technique et l’interprétation des données. Des études de cas réels seront exploitées, comme la réalisation d’un bilan de puissance sur un petit atelier artisanal à Butembo, la vérification du facteur de puissance d’une installation de pompage à Mbuji-Mayi, ou l’étalonnage d’un appareil de mesure de l’école.

3. Prérequis du Cours 📚

Une maîtrise totale du programme d’Électricité Générale des deux années précédentes est cruciale, en particulier l’analyse des circuits en régime sinusoïdal monophasé et triphasé. Les compétences acquises dans le cours de Mesures de deuxième année, notamment la manipulation des appareils de base et la compréhension des erreurs, constituent le socle de ce cours. Une grande rigueur méthodologique et un sens aigu de la sécurité sont exigés.

PARTIE 1 : FONDEMENTS DE LA MÉTROLOGIE EN COURANT ALTERNATIF

Cette partie consolide les bases de la métrologie et les adapte aux spécificités du courant alternatif. Elle se concentre sur les procédures qui garantissent la fiabilité des mesures et sur la compréhension des technologies qui permettent aux instruments de mesurer des grandeurs variables dans le temps.

Chapitre 1: Principes et Technologies des Appareils AC

1.1. L’Appareil Ferromagnétique (Fer Mobile)

Le principe de l’appareil ferromagnétique, capable de mesurer la valeur efficace des courants et tensions alternatifs, est étudié en profondeur. Ses avantages (robustesse, coût) et ses inconvénients (précision moyenne, sensibilité à la fréquence) sont analysés.

1.2. L’Appareil Électrodynamique

Le principe de l’appareil électrodynamique, basé sur l’interaction entre une bobine fixe et une bobine mobile, est expliqué. Sa capacité à mesurer la puissance active (Wattmètre) en fait un instrument fondamental de l’électrotechnique.

1.3. Les Appareils à Redresseur et Thermiques

Les instruments magnétoélectriques associés à un pont de diodes (appareils à redresseur) sont présentés comme une solution pour obtenir une grande sensibilité en mesure alternative. Les appareils thermiques, basés sur l’effet Joule, sont introduits comme les seuls capables de mesurer la vraie valeur efficace (TRMS) quelle que soit la forme du signal.

1.4. Les Instruments Numériques TRMS

La technologie des multimètres numériques modernes « True RMS » (vraie valeur efficace) est expliquée. Leur capacité à mesurer précisément la valeur efficace de signaux non sinusoïdaux (déformés) est soulignée comme un avantage décisif pour l’analyse des installations modernes polluées par des harmoniques.

Chapitre 2: Normes, Étalonnage et Vérification des Instruments

2.1. La Chaîne d’Étalonnage

Le concept de traçabilité métrologique est expliqué, montrant comment les instruments de travail sont raccordés aux étalons nationaux et internationaux via une chaîne ininterrompue de comparaisons.

2.2. Procédure d’Étalonnage d’un Voltmètre

Une procédure type pour l’étalonnage d’un voltmètre est détaillée : utilisation d’une source de tension étalon, relevé des indications de l’appareil sous test, calcul des erreurs et établissement d’une courbe d’étalonnage.

2.3. Vérification Périodique des Instruments

La nécessité de vérifier périodiquement les appareils de mesure pour s’assurer qu’ils restent dans leurs classes de précision est justifiée. L’importance de cette pratique pour la qualité et la sécurité des interventions est mise en avant.

2.4. Le Rapport de Vérification

L’élève apprend à lire et à interpréter un certificat d’étalonnage ou un rapport de vérification, des documents qui attestent de la conformité métrologique d’un instrument, indispensables pour les entreprises certifiées.

PARTIE 2 : L’OSCILLOSCOPE ET LES TRANSFORMATEURS DE MESURE

Cette section est dédiée à deux outils indispensables pour les mesures sur les réseaux de puissance : l’oscilloscope, qui permet de voir le signal, et les transformateurs de mesure, qui permettent d’adapter les grandeurs de forte intensité ou de haute tension aux calibres des instruments.

Chapitre 3: L’Oscilloscope Numérique pour l’Analyse des Signaux

3.1. Mesures de Tensions et de Temps

L’utilisation des curseurs de l’oscilloscope pour réaliser des mesures précises d’amplitude (tensions crête, crête-à-crête), de période et de fréquence d’un signal sinusoïdal est pratiquée.

3.2. Mesure de Déphasage

Plusieurs méthodes pour mesurer le déphasage entre deux signaux (par exemple, le courant et la tension) sont enseignées : la méthode temporelle (mesure du décalage Δt) et la méthode des courbes de Lissajous (mode XY).

3.3. Visualisation des Harmoniques (Mode FFT)

La fonction d’analyse spectrale (FFT – Transformée de Fourier Rapide) des oscilloscopes modernes est introduite. Elle permet de décomposer un signal non sinusoïdal en ses composantes harmoniques et de visualiser la « pollution » d’un réseau électrique.

3.4. L’Analyseur de Qualité de Réseau

L’analyseur de réseau est présenté comme un instrument plus spécialisé qui combine les fonctions d’un oscilloscope, d’un voltmètre et d’un wattmètre pour réaliser une analyse complète de la qualité de l’énergie : tensions, courants, harmoniques, puissance, et perturbations.

Chapitre 4: Les Transformateurs de Mesure (TC/TP)

4.1. Rôle et Principe des Transformateurs de Mesure

Le rôle des transformateurs de courant (TC) et des transformateurs de potentiel (TP) est expliqué : réduire les courants et tensions des réseaux haute tension à des valeurs faibles et non dangereuses, compatibles avec les appareils de mesure et de protection.

4.2. Le Transformateur de Courant (TC)

La technologie du TC est étudiée. La règle de sécurité fondamentale – ne jamais laisser le secondaire d’un TC en circuit ouvert – est martelée, en expliquant les risques de surtension destructrice. Le choix d’un TC se fait selon son rapport de transformation, sa puissance et sa classe de précision.

4.3. Le Transformateur de Potentiel (TP)

Le TP est présenté comme un transformateur de tension de grande précision. Son raccordement en parallèle avec la ligne haute tension est expliqué, ainsi que les mesures de protection associées (fusibles).

4.4. Mise en Œuvre dans les Postes de Transformation

L’intégration des TC et des TP dans les cellules des postes de distribution moyenne tension, comme ceux qui alimentent les quartiers de Kinshasa, est illustrée. Leur double rôle pour la mesure (comptage) et la protection (alimentation des relais) est mis en évidence.

PARTIE 3 : MÉTHODES DE MESURE DES GRANDEURS EN AC

Cette partie constitue le cœur pratique du cours. Elle détaille, pour chaque grandeur électrique du régime sinusoïdal, les méthodes et les montages de mesure appropriés, en insistant sur les sources d’erreurs et les précautions à prendre.

Chapitre 5: Mesure des Impédances (R, L, C)

5.1. Méthode Voltmètre-Ampèremètre en AC

La méthode V-A est adaptée au courant alternatif pour mesurer le module de l’impédance Z d’un dipôle. La nécessité d’utiliser des appareils TRMS pour des signaux non sinusoïdaux est rappelée.

5.2. Mesure de la Résistance et de la Réactance

En complétant la mesure de Z par la mesure de la puissance P (au wattmètre), l’élève apprend à calculer la résistance R et la réactance X du dipôle à partir du triangle des impédances.

5.3. Le Pont de Sauty pour la Mesure de Capacité

Le pont de Sauty est présenté comme une adaptation du pont de Wheatstone pour le courant alternatif, permettant de mesurer une capacité inconnue par comparaison avec une capacité étalon.

5.4. L’Impédancemètre (Pont RLC)

L’impédancemètre numérique est introduit comme un instrument moderne qui mesure directement la résistance, la capacité ou l’inductance d’un composant sur une large gamme de fréquences, un outil indispensable pour la caractérisation des composants en électronique.

Chapitre 6: Mesure des Puissances et du Facteur de Puissance

6.1. Mesure de la Puissance Active avec un Wattmètre

Le branchement correct du wattmètre en monophasé est exercé (circuit courant en série, circuit tension en parallèle). La lecture de l’échelle et l’utilisation des calibres sont pratiquées.

6.2. Mesure de la Puissance Réactive (Méthode des 3 Voltmètres)

Une méthode indirecte pour la mesure de Q, la méthode des trois voltmètres (ou des trois ampèremètres), est présentée comme une solution en l’absence de varmètre.

6.3. Mesure du Facteur de Puissance

Le facteur de puissance peut être déterminé indirectement par le calcul () après mesure de P, U et I. Le phasemètre est également présenté comme l’instrument qui mesure directement le déphasage .

6.4. Étude de Cas : Bilan de Puissance d’un Moteur

Un laboratoire complet est mené sur un moteur asynchrone monophasé. Les élèves mesurent U, I, P et en déduisent S, Q et le facteur de puissance à différentes charges, illustrant l’importance de l’énergie réactive dans les machines tournantes.

PARTIE 4 : MESURES SUR LES SYSTÈMES TRIPHASÉS ET COMPTAGE

Cette section étend les méthodes de mesure aux systèmes triphasés, qui sont la norme dans l’industrie et la distribution. Elle se conclut par l’étude de la technologie du comptage d’énergie, un enjeu économique majeur.

Chapitre 7: Mesures en Triphasé Équilibré

7.1. Mesure des Tensions et Courants

La mesure des tensions simples et composées, ainsi que des courants de ligne et de phase (pour un couplage triangle) dans un système équilibré est pratiquée.

7.2. Mesure de la Puissance Active

Pour un système équilibré, il est montré que la puissance totale peut être mesurée avec un seul wattmètre (dont la lecture est à multiplier par 3) dans certaines conditions, ou plus généralement avec la méthode des deux wattmètres.

7.3. Mesure de la Puissance Réactive

La méthode de mesure de la puissance réactive totale avec un seul wattmètre (par permutation de tensions) est présentée pour les systèmes équilibrés.

7.4. Utilisation d’un Analyseur de Réseau Triphasé

L’utilisation d’un analyseur de réseau portable pour obtenir instantanément toutes les grandeurs d’un système triphasé (tensions, courants, puissances, harmoniques) est démontrée, illustrant l’efficacité des outils de diagnostic modernes dans un contexte industriel comme celui de la REGIDESO.

Chapitre 8: La Méthode des Deux Wattmètres

8.1. Le Montage Théorique

Le montage des deux wattmètres pour une ligne triphasée à 3 fils est détaillé. Ce montage est universel et ne nécessite pas l’accès au neutre.

8.2. Mesure sur Charge Déséquilibrée

Il est démontré que la somme algébrique des lectures des deux wattmètres () donne la puissance active totale, même si la charge est déséquilibrée. Cette propriété en fait la méthode de référence.

8.3. Détermination de la Puissance Réactive et du Déphasage

Il est également montré que la puissance réactive totale peut être déterminée à partir des deux lectures (), ce qui permet de calculer le facteur de puissance global de la charge.

8.4. Interprétation des Indications des Wattmètres

L’élève apprend à interpréter les indications des wattmètres (une lecture peut être négative) en fonction du facteur de puissance de la charge, une compétence d’analyse fine.

Chapitre 9: Technologie et Vérification des Compteurs d’Énergie

9.1. Le Compteur d’Énergie Active Monophasé

Le principe du compteur électromécanique à disque tournant est expliqué : un moteur dont la vitesse est proportionnelle à la puissance active fait tourner un disque qui entraîne des rouleaux d’affichage (l’index).

9.2. Le Compteur Triphasé

Le compteur triphasé est présenté comme l’association de deux ou trois systèmes moteurs monophasés dans un même boîtier. Les différents types de compteurs pour les réseaux à 3 ou 4 fils sont décrits.

9.3. Le Compteur Électronique

La technologie des compteurs statiques (électroniques) est introduite. Ils mesurent les puissances de manière numérique, offrant une plus grande précision et des fonctions avancées (comptage multi-tarif, gestion à distance), comme ceux déployés actuellement dans les grandes villes congolaises.

9.4. Méthode de Vérification d’un Compteur

La méthode de vérification « au chronomètre » d’un compteur électromécanique est expliquée. Elle consiste à mesurer le temps que met le disque pour faire un certain nombre de tours pour une puissance constante connue (mesurée au wattmètre), afin de vérifier la constante C du compteur.

ANNEXES

Les annexes regroupent des ressources pratiques pour le technicien mesureur. Elles contiennent des schémas de montage pour toutes les méthodes de mesure étudiées, des fiches de sécurité pour l’utilisation des transformateurs de mesure et des interventions sur tableaux, et des exemples de rapports d’essais et de vérification. Un glossaire complet des termes de métrologie et de mesure AC/triphasé est également inclus.