INSTRUMENTS ET METHODES DE MESURES

2ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour objectif de doter l’élève des compétences théoriques et pratiques indispensables à la réalisation de mesures électriques et électroniques fiables. La mesure étant l’acte fondateur de toute démarche scientifique et technique, ce cours établit les principes de base de la métrologie, décrit la technologie des instruments fondamentaux et enseigne les méthodes rigoureuses pour quantifier les grandeurs électriques. La finalité est de transformer l’élève en un technicien capable de choisir le bon instrument, de le mettre en œuvre correctement et d’interpréter ses indications avec un esprit critique.

2. Compétences Visées

Au terme de cette année d’étude, l’élève détiendra la capacité de :

• Identifier les sources d’erreurs en mesure et calculer les incertitudes associées à un résultat.
• Expliquer le principe de fonctionnement des indicateurs galvanométriques qui constituent la base des appareils analogiques.
• Utiliser un multimètre, qu’il soit analogique ou numérique, pour mesurer une tension, un courant ou une résistance.
• Mettre en œuvre les montages de mesure appropriés pour caractériser les grandeurs fondamentales U, I, R, L et C.
• Respecter les règles de sécurité et les bonnes pratiques de laboratoire pour garantir des mesures précises et sans danger.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est intrinsèquement liée à l’expérimentation. Chaque concept est abordé sous un triple angle : le principe physique, la technologie de l’instrument qui l’exploite, et la méthode de mise en œuvre pratique. L’apprentissage est centré sur la manipulation et l’analyse critique. Des exemples contextualisés, comme la nécessité de mesures précises pour la maintenance des équipements de télécommunication le long du fleuve Congo ou pour le contrôle qualité dans une usine d’assemblage d’électronique à Kinshasa, ancrent les savoirs dans des problématiques réelles et motivantes.

PREMIÈRE PARTIE : CONCEPTS FONDAMENTAUX DE LA MESURE ÉLECTRONIQUE 📊

Cette partie initiale établit le cadre théorique et pratique de toute activité de mesure. Avant même de manipuler un instrument, le technicien doit en comprendre le langage, les limites et l’environnement d’utilisation. L’élève y découvrira le vocabulaire de la métrologie, apprendra que toute mesure est entachée d’une erreur qu’il faut savoir quantifier, et se familiarisera avec les règles d’organisation et de sécurité qui prévalent dans un laboratoire d’électronique.

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION À LA MÉTROLOGIE ET AU VOCABULAIRE DE LA MESURE

1.1. Définition et importance de la mesure

Ce sous-chapitre positionne la mesure comme un processus de comparaison entre une grandeur inconnue et un étalon. Son importance est soulignée dans tous les domaines techniques : conception, vérification, maintenance et dépannage. Mesurer, c’est connaître.

1.2. Vocabulaire de la métrologie

Le vocabulaire normalisé de la mesure est introduit. L’élève apprendra à définir et à différencier des termes essentiels comme la précision, la fidélité, la justesse, la sensibilité et la résolution d’un instrument.

1.3. Les caractéristiques d’un instrument

Les principales caractéristiques qui définissent la qualité d’un appareil de mesure sont étudiées : l’étendue de mesure (gamme), la classe de précision, le temps de réponse et la consommation (influence sur le circuit mesuré).

1.4. Les étalons et la chaîne de traçabilité

L’élève découvrira que la validité des mesures repose sur une chaîne ininterrompue de comparaisons à des étalons de plus en plus précis, depuis l’instrument de laboratoire jusqu’aux étalons nationaux et internationaux, garantissant ainsi l’uniformité mondiale des mesures.

CHAPITRE 2 : LES ERREURS DE MESURE ET LEUR CALCUL

2.1. L’inévitabilité de l’erreur de mesure

Ce point fondamental établit qu’une « mesure vraie » est une abstraction et que tout résultat de mesure est une estimation affectée d’une incertitude. L’élève apprendra à abandonner la quête d’une valeur exacte pour adopter une approche probabiliste.

2.2. Classification des erreurs

Les erreurs sont classées en deux grandes catégories : les erreurs systématiques (constantes et prévisibles, dues à un défaut de l’instrument ou de la méthode) et les erreurs aléatoires (variables et imprévisibles, dues à des fluctuations diverses). Les fautes de manipulation (erreurs grossières) sont également abordées.

2.3. Calcul de l’erreur absolue et de l’erreur relative

L’élève apprendra à quantifier l’incertitude. L’erreur absolue est la différence entre la valeur mesurée et la valeur conventionnellement vraie. L’erreur relative, exprimée en pourcentage, permet de juger de la qualité de la mesure indépendamment de l’ordre de grandeur de la quantité mesurée.

2.4. Le calcul d’incertitude

À partir de la classe de précision d’un instrument analogique, l’élève s’exercera à calculer l’incertitude maximale possible pour une lecture donnée. Il comprendra que la précision relative d’une mesure est meilleure en fin de calibre.

CHAPITRE 3 : ORGANISATION ET SÉCURITÉ D’UN LABORATOIRE D’ÉLECTRONIQUE

3.1. Les équipements de base du laboratoire

Une description des équipements standards d’un poste de travail en électronique est fournie : l’alimentation stabilisée pour fournir les tensions continues, la platine d’essai (breadboard) pour le prototypage rapide, et les appareils de mesure (multimètre, oscilloscope).

3.2. Règles de sécurité électrique

La manipulation de circuits électriques présente des risques. Les règles de sécurité fondamentales sont énoncées : travailler hors tension autant que possible, utiliser des outils isolés, ne jamais travailler seul, et connaître l’emplacement du disjoncteur d’urgence. L’importance de la mise à la terre des équipements est soulignée.

3.3. Protection des instruments de mesure

Les appareils de mesure sont des équipements sensibles et coûteux. Les précautions d’usage sont détaillées : toujours commencer par le calibre le plus élevé, respecter la polarité en continu, et ne jamais brancher un ampèremètre en parallèle avec une source de tension.

3.4. Choix de l’équipement pour une manipulation

Ce sous-chapitre synthétise les bonnes pratiques. Face à un cahier des charges de mesure, l’élève apprendra la méthodologie pour choisir l’installation et les appareils adéquats, en justifiant ses choix en fonction de la nature de la grandeur à mesurer et de la précision requise.

DEUXIÈME PARTIE : LES INSTRUMENTS DE MESURE ANALOGIQUES 🕰️

Cette partie est consacrée à la technologie historique mais toujours très formatrice des appareils de mesure à aiguille. L’étude du galvanomètre à cadre mobile permet de comprendre le principe de conversion d’un courant électrique en une déviation mécanique visible. L’élève découvrira ensuite comment, par l’ajout de composants externes, ce mécanisme de base peut être transformé en ampèremètre, en voltmètre ou en ohmmètre.

CHAPITRE 4 : LE GALVANOMÈTRE À CADRE MOBILE

4.1. Principe de fonctionnement

Le fonctionnement du galvanomètre est expliqué en détail, en s’appuyant sur la force de Laplace. L’élève comprendra comment le courant circulant dans une bobine (le cadre mobile) placée dans le champ magnétique d’un aimant permanent crée un couple moteur qui fait pivoter l’aiguille.

4.2. Le couple antagoniste et l’équilibre

Un ressort spiral fournit un couple de rappel (antagoniste) proportionnel à l’angle de déviation. L’équilibre est atteint lorsque le couple moteur est égal au couple antagoniste, ce qui explique pourquoi la déviation de l’aiguille est directement proportionnelle au courant.

4.3. Caractéristiques du galvanomètre

Les paramètres intrinsèques du galvanomètre sont définis : sa résistance interne () et son courant de pleine échelle (), qui est le courant nécessaire pour obtenir la déviation maximale de l’aiguille.

4.4. Classe de précision et lecture sur le cadran

La lecture sur un cadran analogique à aiguille est une compétence spécifique. L’élève apprendra à interpréter les différentes échelles, à éviter l’erreur de parallaxe grâce au miroir de cadran, et à utiliser la classe de précision de l’appareil pour calculer l’incertitude de sa lecture.

CHAPITRE 5 : L’AMPÈREMÈTRE ANALOGIQUE

5.1. Le principe du Shunt

Un galvanomètre est trop sensible pour mesurer directement des courants importants. L’élève découvrira que pour en faire un ampèremètre, on doit dériver la majeure partie du courant à mesurer dans une résistance de faible valeur, appelée shunt, placée en parallèle avec le galvanomètre.

5.2. Calcul de la résistance du Shunt

L’élève apprendra à calculer la valeur exacte de la résistance du shunt nécessaire pour obtenir un calibre de mesure donné, en appliquant la loi du diviseur de courant.

5.3. L’ampèremètre multi-calibres

Pour obtenir un appareil polyvalent, un commutateur permet de sélectionner différentes résistances de shunt. Le schéma de principe d’un ampèremètre multi-calibres est analysé, en soulignant les précautions de conception du commutateur.

5.4. Insertion de l’ampèremètre dans un circuit

L’élève retiendra la règle fondamentale : un ampèremètre se branche toujours en série dans la branche où l’on veut mesurer le courant. L’influence de sa résistance interne, qui doit être la plus faible possible, est également discutée.

CHAPITRE 6 : LE VOLTMÈTRE ANALOGIQUE

6.1. Le principe de la résistance additionnelle

Pour transformer un galvanomètre en voltmètre, on limite le courant qui le traverse en plaçant une résistance de forte valeur, appelée résistance additionnelle, en série avec lui. La déviation devient alors proportionnelle à la tension appliquée à l’ensemble.

6.2. Calcul de la résistance additionnelle

En appliquant la loi d’Ohm, l’élève s’exercera à calculer la valeur de la résistance additionnelle requise pour atteindre la tension de pleine échelle correspondant à un calibre donné.

6.3. Le voltmètre multi-calibres

Le schéma d’un voltmètre multi-calibres, où un commutateur sélectionne différentes résistances additionnelles, est étudié. Cette configuration permet d’adapter l’appareil à différentes étendues de mesure.

6.4. Insertion du voltmètre dans un circuit

La règle d’or pour la mesure de tension est rappelée : un voltmètre se branche toujours en parallèle aux bornes du dipôle dont on veut mesurer la tension. L’influence de sa résistance interne, qui doit être la plus élevée possible pour ne pas perturber le circuit, est analysée.

CHAPITRE 7 : L’OHMMÈTRE ANALOGIQUE

7.1. Principe de la mesure de résistance

L’ohmmètre analogique est un montage qui inclut une source de tension interne (une pile) et un galvanomètre. Lorsqu’une résistance inconnue est connectée à ses bornes, le courant qui circule dépend de la valeur de cette résistance, ce qui permet de graduer l’échelle directement en ohms.

7.2. Le montage de type « série »

Le schéma de l’ohmmètre de type « série » est analysé. L’élève constatera que l’échelle de mesure est inversée (0 Ω à droite, ∞ à gauche) et non linéaire. La nécessité d’un potentiomètre d’ajustement du zéro est expliquée.

7.3. Le montage de type « parallèle »

Moins courant, le montage « parallèle » (ou « shunt ») est adapté à la mesure de faibles résistances. Son principe est brièvement décrit, en notant que son échelle est cette fois-ci directe.

7.4. Utilisation et limitations de l’ohmmètre

L’élève apprendra les règles d’utilisation : la mesure doit impérativement se faire hors tension, et le « zéro » doit être ajusté avant chaque série de mesures. Les limitations en termes de précision, surtout pour les faibles et fortes valeurs, sont également soulignées.

TROISIÈME PARTIE : LES INSTRUMENTS DE MESURE NUMÉRIQUES 📱

Cette partie introduit la technologie qui équipe la quasi-totalité des instruments de mesure modernes. L’ère des appareils à aiguille a laissé place à celle des afficheurs numériques. L’élève y découvrira les grands principes de la conversion analogique-numérique qui sont au cœur de ces instruments, se familiarisera avec l’utilisation du multimètre numérique, et comparera les avantages de cette technologie par rapport à son homologue analogique.

CHAPITRE 8 : PRINCIPE DE LA MESURE NUMÉRIQUE ET DE L’AFFICHAGE

8.1. La chaîne de mesure numérique

Le schéma synoptique d’un instrument numérique est présenté. Il comprend des circuits d’entrée (atténuateurs, amplificateurs), un convertisseur analogique-numérique (CAN) qui est le cœur du système, une partie logique de traitement, et un dispositif d’affichage.

8.2. Le processus de conversion analogique-numérique

Le rôle du CAN est expliqué : transformer une grandeur analogique (une tension) en une valeur numérique binaire. Les principes de l’échantillonnage (mesurer la tension à intervalles réguliers) et de la quantification (arrondir la mesure à une valeur discrète) sont introduits.

8.3. Les afficheurs à 7 segments

La technologie d’affichage la plus courante est décrite. L’élève apprendra comment, à partir d’un signal numérique, un décodeur BCD-7 segments commande l’allumage des segments de LED ou de cristaux liquides pour former les chiffres de 0 à 9.

8.4. Résolution et nombre de points

La résolution d’un instrument numérique est liée au nombre de « points » (ou « counts ») de son afficheur. L’élève apprendra à interpréter les spécifications comme « afficheur 2000 points » et à comprendre son lien avec la précision de la mesure.

CHAPITRE 9 : LE MULTIMÈTRE NUMÉRIQUE (DMM)

9.1. Présentation et ergonomie

Le multimètre numérique est présenté comme l’outil polyvalent par excellence de l’électronicien. Ses différents éléments sont décrits : le grand écran LCD, le commutateur rotatif de sélection de fonction et de calibre, et les bornes de connexion des cordons de mesure.

9.2. Les fonctions de base (U, I, R)

L’utilisation du DMM pour les mesures fondamentales est détaillée, en insistant sur la sélection de la bonne fonction (V~, V=, A, Ω) et le branchement correct des cordons dans les bornes appropriées (COM, V/Ω/mA, 10A).

9.3. Les fonctions avancées

Les multimètres modernes offrent de nombreuses fonctions supplémentaires. Les plus courantes sont présentées : le test de continuité avec signal sonore, le test de diode, et parfois la mesure de capacité, de fréquence ou de température.

9.4. Le mode « auto-ranging »

L’un des grands avantages du multimètre numérique est la sélection automatique de calibre (« auto-ranging »). L’élève comprendra comment cette fonction simplifie la mesure en adaptant automatiquement l’étendue de mesure à l’amplitude du signal, optimisant ainsi la résolution de la lecture.

CHAPITRE 10 : CARACTÉRISTIQUES ET AVANTAGES DES INSTRUMENTS NUMÉRIQUES

10.1. Précision et résolution

La précision d’un instrument numérique est généralement bien meilleure que celle d’un appareil analogique. Elle est spécifiée en pourcentage de la lecture plus un nombre de digits. Sa résolution élevée permet de lire des variations très faibles.

10.2. Impédance d’entrée

Les voltmètres numériques possèdent une impédance d’entrée très élevée et constante (typiquement 10 MΩ), quel que soit le calibre. L’élève comprendra que cet avantage majeur leur permet de perturber beaucoup moins le circuit mesuré qu’un voltmètre analogique.

10.3. Lisibilité et absence d’erreur de parallaxe

La lecture d’une valeur numérique sur un afficheur élimine toute ambiguïté et toute erreur d’interprétation ou de parallaxe, rendant la mesure plus rapide et plus fiable, un atout considérable lors de dépannages sur des équipements complexes comme ceux de la Régie des Voies Aériennes à l’aéroport de N’djili.

10.4. Robustesse et fonctionnalités additionnelles

La technologie numérique permet d’intégrer facilement des fonctions de confort et d’analyse comme la mémorisation de la valeur (HOLD), la recherche des valeurs MIN/MAX, ou la mesure en valeur efficace vraie (True RMS), autant de capacités inaccessibles aux instruments analogiques classiques.

Annexes

1. Mémento des Symboles d’Instruments de Mesure

Cette section fournirait un tableau récapitulatif des symboles graphiques normalisés pour les principaux appareils de mesure (voltmètre, ampèremètre, ohmmètre, wattmètre) afin que l’élève puisse les identifier correctement sur un schéma électrique.

2. Guide de Lecture des Spécifications d’un Multimètre

Un guide pratique expliquerait comment décoder la fiche technique d’un multimètre numérique. L’élève apprendrait à interpréter les lignes concernant la précision pour chaque fonction, le nombre de points de l’afficheur, la catégorie de sécurité et les autres caractéristiques techniques.

3. Tableaux de Conversion d’Unités

Des tableaux de conversion pour les unités électriques et électroniques, ainsi que pour leurs multiples et sous-multiples (du pico- au giga-), seraient fournis pour faciliter les calculs et l’homogénéisation des données dans les problèmes.

4. Le Schéma de Câblage pour les Mesures de Base

Des schémas de câblage clairs et commentés illustreraient la manière correcte de connecter un multimètre pour réaliser les mesures les plus courantes : tension aux bornes d’un composant, courant dans une branche, et résistance d’un composant (hors circuit). Ces schémas serviraient de référence visuelle pour les travaux pratiques.