Mesure de la tension en courant continu (CC)

Mesure de la 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. 

Pour mesurer la tension, vous devez comprendre le niveau de tension auquel la mesure est référencée ainsi que la source du signal. Il existe deux méthodes pour mesurer les tensions : le mode référencé à la masse et le mode différentiel. Les sources de signaux les plus courantes sont les sources de signaux flottantes et les sources de signaux mises à la masse.

Les deux sources de signaux ont des diagrammes de connexion optimaux 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.  Pour en savoir plus, consultez la page Câblage sur site et bruit pour les signaux analogiques.

Méthodes pour déterminer le point de référence de la mesure

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

Mesure de tension référencée à la masse (RSE ou NRSE)

 

L’une des méthodes de mesure de la tension 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).

Mesure de tension différentielle (DIFF)

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, vous pouvez utiliser des mesures de tension différentielle pour déterminer la tension aux bornes des éléments d’un circuit. Vous pouvez également les utiliser 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

En mode différentiel, le signal négatif est relié à une broche analogique qui se trouve directement en face de la voie analogique connectée au signal positif. L’inconvénient du mode différentiel est qu’il réduit de moitié le nombre de voies de mesure des entrées analogiques.

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.

Pour les signaux flottants, vous avez plusieurs options en ce qui concerne les configurations d’entrée : différentielle (DIFF), asymétrique référencée à la masse (RSE) ou asymétrique non référencée (NRSE).

Figure 1. Source de signal flottante avec configurations d’entrée recommandées

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.

Pour les signaux mis à la masse, vous avez deux options en ce qui concerne les configurations d’entrée : différentielle (DIFF) ou asymétrique non référencée (NRSE). NI vous déconseille d’utiliser des configurations d’entrée asymétriques référencées à la masse pour les sources de signaux mises à la masse.

Figure 2. Source de signal référencée à la masse avec configurations d’entrée

Configuration d’entrée de la source de signal mise à la masse

Pour les signaux mis à la masse, vous avez deux options en ce qui concerne les configurations d’entrée. Remarque : NI vous déconseille d’utiliser des configurations d’entrée asymétriques référencées à la masse pour les sources de signaux mises à la masse.

Considérations relatives aux mesures de tension 

Lorsque vous mesurez une tension, vous devez prendre en compte des éléments tels que la mesure haute tension, les boucles de masse, la tension de mode commun et les topologies d’isolation.

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, ΔV_m, est la somme de la tension du signal, Vs, et de la différence de potentiel, ΔV_g, qui existe entre la masse de la source du signal et la masse du système de mesure, comme le montre la 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 des lignes électriques de 60 Hz dans les mesures.

Figure 3. Une source de signal mise à la masse mesurée à l’aide d’un système référencé à la masse introduit une boucle 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.

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 du périphérique.

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. Il existe deux topologies courantes : voie à voie et banc.

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. 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.

Mesurer la tension avec le matériel NI

La qualité du matériel d’acquisition détermine la qualité des données de tension que vous collectez. NI propose une gamme de matériel de mesure de tension capable de mesurer avec précision la tension sur une large gamme de valeurs et de générer des signaux de tension pour les applications de contrôle et de communication. Les produits NI de la gamme Tension sont dotés d’options optimisées pour les environnements industriels ou dangereux. De plus, ils peuvent offrir une isolation intégrée et une protection contre les surtensions pour les applications haute tension.