Les fondamentaux de la mesure : modes commun et...

Bonjour et bienvenus à cette série de présentations en ligne sur les fondamentaux de la mesure. Cette cinquième partie vous permettra de mieux comprendre les bruits et les modes de référencement des masses. Pourquoi ? Parce que sans une connaissance des bonnes pratiques de branchement, vous pouvez, sans vous en apercevoir, mesurer plus de bruit que le signal souhaité.

Vous pouvez retrouver toutes ces présentations au format vidéo multimédias en ligne afin de suivre les démonstrations et manipulations.

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1National Instruments France www.ni.com/fr

Les fondamentaux de la mesure : modes commun et bruits

Cette présentation sera constituée d’une première partie sur des informations utiles relatives à la partie amplification d’un système de mesure, car elles déterminent la connexion des masses. Une deuxième partie sur l’isolation qui est une technique utilisée par certains matériels afin de résoudre tout problème de référencement et de protection. Puis une partie sur les différentes sources de bruit et comment il est possible de les minimiser.



Voici une chaîne typique de mesure par instruments ou d’acquisition sur PC.

À gauche, les phénomènes physiques de notre environnement sont captés par des transducteurs qui vont les convertir en un signal lié au phénomène électrique comme une tension, un courant, une résistance au autre.Ce signal sera ensuite connecté au système de mesure qui va le conditionner pour l’isoler, le filtrer, l’amplifier si besoin et ensuite un amplificateur différentiel ou opérationnel suivi d’un convertisseur analogique/numérique va se charger de numériser le signal. Le résultat sera affiché par une face-avant mécanique ou par un instrument programmé par logiciel.

Par rapport à notre sujet développé ici, à savoir la bonne connexion des entrées d’un appareil par rapport aux masses, il nous faudra développer un peu le concept d’amplificateur.

National Instruments France www.ni.com/fr


Un amplificateur d’instrumentation est l’un des éléments clés d’un matériel de mesure. L’étage d’entrée est en très haute impédance ici représenté par Rin et va utiliser la tension présente sur ses broches + et –.Cette tension est fortement amplifiée par l’étage suivant dont les caractéristiques d’amplitude et de phase peuvent varier en fonction de la fréquence du signal ; c’est ce qu’on appelle la réponse en fréquence.Enfin, un buffer de sortie constitué d’un amplificateur inverseur ou non va délivrer le signal en sortie avec la résistance Rout interne, en série, la plus petite possible.

Bref, nous voyons ici que l’amplificateur différentiel d’entrée ainsi que tous les signaux internes sont référencés à une masse, et c’est justement ce que nous allons développer.



À ce stade, on peut se dire : « Alors, on branche deux fils et ça fonctionne ? »Je vous rassure, oui, et c’est vrai dans la plupart des cas ! Un appareil de mesure qui doit afficher une valeur de tension, comme un multimètre, un oscilloscope, ou une carte d’acquisition n’a besoin que de deux fils pour faire cette mesure. Ceci est dû à l’isolation d’entrée, mais sans conditionnement particulier sur l’entrée de l’appareil, plusieurs paramètres peuvent influer sur les résultats voire endommager les appareils comme les cartes d’acquisition de données. Il est important d’en faire une explication pour avoir les meilleurs résultats possibles.

Plusieurs cas peuvent se présenter :

1) La source et l’appareil de mesure ne sont pas référencés car ils possèdent tous les deux une alimentation autonome sur batterie. C’est le cas pour un multimètre qui mesure une pile.

2) Un des deux côtés est référencé à la masse par le câble d’alimentation de la prise murale. Par exemple, votre multimètre portable mesure une petite alimentation. À noter que seule la broche mâle de la terre sert de référence efficace. Elle est normalement physiquement plantée dans le sol du bâtiment.

3) Les deux côtés sont reliés à une référence qui « normalement » est la même.



Mais en général, les masses de deux systèmes reliées séparément à leur propre terre se trouveront à des potentiels différents. La différence de potentiel entre deux instruments reliés à la masse du système d'un même bâtiment se situe généralement entre 10 mV et 200 mV, voire davantage. Cette différence peut même être plus grande si les circuits de distribution d'alimentation électrique ne sont pas correctement reliés, elles peuvent aller jusqu’à plusieurs centaines de volts.

Apparaît alors un phénomène de boucle de masse qui a pour effet de potentiellement induire un courant par le fil de mesure ou de perturber l’amplification d’entrée du système.

Enfin, un autre paramètre est à prendre en compte : il s’agit de la tension de mode commun qui est la tension entre la référence, ici la terre et la tension moyenne entre les voies de mesure. Normalement un étage de conditionnement du signal spécifique est nécessaire, pour éliminer ses effets sur le gain de l’amplificateur d’instrumentation qui vont du simple bruit à la saturation de la sortie ou à la destruction du matériel de mesure.



Comme nous venons de le voir, il est nécessaire d’avoir un conditionnement ou une isolation afin d’éviter les perturbations de ces tensions parasites. Tout vient de l’amplificateur d’instrumentation.

Pour schématiser, la tension de sortie Vs de l’amplificateur dépend d’un gain Gd de la différence de tension entre V+ et V- mais également de la tension moyenne appliquée à ces deux entrées (c’est que l’on entend par tension de mode commun).

Bien sûr tous les constructeurs veulent que cet effet soit le plus petit possible, c’est que l’on appelle le taux de réjection de mode commun. TRMC en français et CMRR en anglais. Il s’agit du rapport entre les deux gains de la formule Vs. Typiquement un amplificateur d’instrumentation se situe entre 70 et 130 dB de réjection mais cela peut diminuer en fonction de la fréquence du signal.



L’avantage de mesurer avec un multimètre flottant et isolé (donc sans référence directe) est d’avoir un très grand taux de réjection de mode commun. Comme nous l’avons dit, cela tourne autour des 140 dB. Dans l’exemple n°1, si vous mesurez une tension continue de 300 V et que le taux de réjection est de 140 dB, alors l’erreur ne sera que de 30 µV, ce qui est très petit.Par contre, dans l’exemple n°2 : si vous mesurez la tension d’un thermocouple de l’ordre de 40 µV et que celui-ci est en contact avec une surface au potentiel de 250 V continu, pour un TRMC de 120 dB cela donne une erreur de 120 µV soit beaucoup plus que la mesure elle-même. Il faut alors un multimètre qui fournit au moins 170 dB de réjection.

Nous voyons ainsi que dans certains cas où la tension de mode commun est importante et que votre tension à mesurer est faible, alors il est utile de connaître le taux de réjection de l’appareil.En tout cas, la plupart des instruments de mesure possèdent du conditionnement en entrée et ont un très bon taux de réjection de mode commun. Ce qui n’est pas le cas d’une carte d’acquisition brute non conditionnée.



Pour le cas de cartes d’acquisition sans conditionnement en entrée, la tension de mode commun maximale est en général de 10 Volts. Si vous mesurez une différence de potentiel sur une résistance au milieu d’une carte électronique par exemple ici R3, il y a des chances pour que sa tension de mode commun soit trop élevée car il n’est pas sûr qu’une de ses extrémités soit reliée à la masse. Et dans ce cas, l’affichage vous donnera une erreur, voire une saturation de la sortie vers l’échelle maximale mesurable si la tension de mode commun est supérieure à10 V.

Il faut donc regarder la tension maximale acceptée par le matériel de mesure en ce qui concerne cette réjection. C’est la même chose si vous mesurez des batteries en série. Dans tous ces cas il est préférable d’avoir un conditionnement du signal.

L’avantage par contre des mesures différentielles, c’est qu’il est possible de mesurer des tensions sur divers endroits différents car les masses ne sont pas communes et on utilise toujours les deux fils.



L’autre cas où le mode commun peut également agir est lorsqu’il n’y a pas de référence sur la source, vous mesurez par exemple un capteur ou une pile autonome. Dans ce cas, la tension de mode commun ‘’en l’air’’ est libre de flotter et de dépasser la limite de réjection. Pour fixer une référence, le conditionnement élémentaireconsiste alors à ajouter une résistance de polarisation entre V- et la masse, voire V+ si l’on n’est pas en couplage DC. Ou alors l’autre méthode est de relier directement V- à la masse. En général, c’est typiquement ce qui est inclus d’office, à l’intérieur des entrées de certains appareils de mesure. Dans des borniers à vis ou sur les entrées des voies BNC.

Le double intérêt de mettre ces résistances est aussi qu’en cas de contact du V- de la source avec une tension fixe élevée, par exemple un thermocouple qui touche une paroi sous tension, alors la tension serait appliquée aux bornes des résistances et le courant serait un peu plus limité que si R1 = 0.

Nous verrons en détail les différents modes de fonctionnement des cartes d’acquisition et l’intérêt de ces résistances dans la partie pratique.



Beaucoup d’instruments offrent une liaison dite asymétrique en entrée, ce qui revient à mettre toutes les masses ensemble au même potentiel (on dit aussi mode « masse commune »). L’avantage pratique est d’avoir 2 fois moins de fils à connecter sur la source de mesure. Mais cette configuration sur l’amplificateur d’instrumentation est très sujette aux boucles de masse car le fil de masse est relié directement à V- sans résistance de polarisation pour protéger des courants. C’est pour cela qu’il existe 2 modes :Le mode asymétrique référencé où tous les fils sont reliés à V- et à la masse, et un mode asymétrique non référencé, où le V- commun est flottant, ce dernier protège des boucles de masse (dans une certaine limite)



Pour en terminer avec ce mode asymétrique <<masse commune>>. Dans le cas de mesures simultanées sur un schéma où il y a plusieurs tensions à surveiller, impossible de mesurer des tensions aux bornes des éléments séparément comme on peut le faire en différentiel, ici il faut partir du même potentiel de référence.



On peut faire un petit résumé avant de passer à d’autres explications plus détaillées dans la partie pratique.

Dans la plupart des cas (c’est-à-dire isolé ou pas), l’idéal est d’avoir une seule référence à la masse, coté instrument ou coté source. Les deux en même temps est dangereux à cause des boucles de masse. Parfois, certains générateurs fournissent un bouton pour activer/désactiver la génération référencée.Le mieux est alors d’utiliser des entrées différentielles quand c’est possible, même si cela utilise deux fils à chaque branchement.

Enfin, il faut vérifier que vous ne mesurez pas en différentiel au delà des possibilités de réjection de votre entrée. Par exemple, effectuer une mesure de 10V mais au delà un potentiel de référence de 1000 V



Maintenant, voyons la solution à tous ces problèmes : le conditionnement par isolation.



Il est vrai que le conditionnement a un coût un peu plus élevé par rapport à des entrées directes, mais il permet de séparer physiquement et électriquement deux parties d’un système de mesure afin d’éviter les boucles de masse, de rejeter la tension de mode commun et de fournir une sécurité contre les hautes tensions.



Parmi les caractéristiques d’isolation électrique, nous retrouvons les différentes tensions qui permettent de garantir la sécurité, les tensions qui ont produits ces tests jusqu’aux tensions de rupture du matériel. Ces caractéristiques sont fournies pour chaque matériel afin de principalement être conforme aux niveaux de sécurité.



Voici les trois principales méthodes pour isoler la partie mesure de la masse du système ainsi que de la partie en contact avec l’utilisateur ou du matériel sensible.Soit on utilise l’air par une barrière optique qui transmet les informations grâce à une modulation de la lumière.Soit on utilise une isolation par induction dans un métal à travers l’air ou un matériaux isolant. Pour cela, un transformateur est nécessaire.Enfin, il est possible d’utiliser l’effet de couplage de charges capacitives qui utilise l’air ou un matériau diélectrique comme isolant.

Bien, nous avons vu comment isoler, mais maintenant il faut découvrir quoi isoler et comment.



C’est là que nous allons obtenir notre séparation des masses et un bon taux de réjection du mode commun. Le principe de l’isolation est le même que de posséder un multimètre manuel : il n’est plus relié physiquement au même potentiel de référence.Ici, dans ce premier cas dit ‘‘entre les voies et la terre’’, toutes les voies sont en commun et isolées ensemble, la masse n’est séparée que de la masse du châssis du système de mesure. Il est possible de faire des mesures sans problème sous une tension de mode commun entre le système de mesure et la masse de la source, par exemple de 60 VDC. Mais il ne sera toujours pas possible de faire des mesures de batteries en série et de mesurer chaque batterie simultanément car il n’y a pas d’isolation entre les voies.Cette isolation est cependant efficace dans la plupart des cas et est utilisée dans beaucoup de matériels de mesure.



Cette autre topologie permet plus de souplesse sur ce point car elle autorise une mesure isolée entre des regroupements de voies. La tension de mode commun maximale est alors spécifiée entre banques de voies. Cette façon de procéder permet de réduire les couts d’isolation.



Enfin, la meilleure topologie est l’isolation voie par voie. Chaque entrée différentielle à alors sa propre masse et sa propre alimentation isolée. Cela permet de faire des mesures de tensions sous/avec des tensions de mode commun entre les voies, par exemple pour notre mesure simultanée de tensions de batteries en série.



Pour finir sur l’isolation, voici quelques exemples d’applications.Si vous devez mesurer la puissance ou la consommation secteur d’un système, il faut parfois utiliser un shunt placé en série et mesurer simultanément la tension. Cela nécessite alors des voies isolées qui contiennent un atténuateur ainsi une séparation des masses afin de pouvoir mesurer la très petite tension en différentiel sur la résistance shunt. Sinon, le mode commun pourrait détruire l’entrée de mesure.

Vous pouvez avoir une application sur le même principe qu’une pile à combustible qui contient une série de plusieurs centaines d’éléments de faible tension à surveiller. Et ainsi un mode commun qui croit à chaque voie.

Ou simplement mesurer une petite tension comme à partir d’un thermocouple qui est en contact avec un moteur ou un bobinage. Dans ce cas, une boucle de masse est à prévoir si le système n’a pas de masses séparées.

Souvent, le problème est qu’il est difficile de reconnaître voire de comprendre les tensions de mode commun entre la terre et la masse des systèmes, c’est tout l’enjeu de cette présentation.



Même si notre conditionnement est protégé des boucles de masses et des saturations par le mode commun, les mesures de n’importe quel signal auront toujours un petit bruit résiduel que l’on souhaite réduire. Surtout quand votre signal à mesurer est très petit et que vous allez devoir l’amplifier. Nous avons vu lors des chapitres sur les capteurs, l’échantillonnage et la précision, que la source du bruit peut être interne au matériel de mesure mais aussi externe, provenant du capteur lui-même ou des fils. Nous allons donc parler ici des bruits par couplage sur les fils et de comment les réduire.



Il y a quatre principales sources de bruits par couplage : - Conductif, qui provient du partage de courant entre différents circuits- Capacitif, qui résulte des variations du champs électrique à proximité d’un câble- Inductif, qui est un couplage magnétique dans le câble- Radiatif, qui est lui aussi électromagnétique mais haute fréquence et éloigné, comme les ondes radio, télé, etc.



Le couplage conductif est simplement dû aux conducteurs qui vont se partager le bruit par contact et par la résistance des fils. Par exemple lorsque vous avez un schéma de montage avec un bornier qui regroupe plusieurs masses à différents endroits, si un bruit survient dans un des fils d’alimentation, il est possible qu’il se propage sur les autres éléments du schéma. Nous allons voir cela sur la prochaine diapositive.

On peut réduire cet effet en supprimant les boucles de masse si possible ou en faisant des chemins d’alimentation séparés directs sur les positifs et négatifs. Voyons cela…



Dans cet exemple, nous avons un capteur de température qui renvoie 10 mV/°C, qui est mesuré en sortie Vm. Ce capteur est alimenté en 5V. Cette alimentation fournit aussi un courant de 1 A à une charge.Et on voit que deux points de connexions de masses existent en A et B.Comme le fil est lui même une résistance, par exemple de 0,1 Ohm, nous avons une tension de 100 mV qui correspond à 1 A fois 0,1 Ohm qui s’ajoute au 10 mV/°C du capteur quand la charge est fermée. Soit une erreur de 10 °C sur la température.



La méthode pour réduire cet effet est de séparer les masses, l’effet du courant de la charge n’agit alors plus.



Le couplage capacitif induit un bruit qui est proportionnel à la surface couverte par le champ électrique et inversement proportionnel à la distance entre les circuits. Il est également de la fréquence et de l’amplitude du bruit ainsi que de l’impédance de votre circuit. Un moyen simple est de réduire si possible l’impédance RL ou d’ajouter un blindage capacitif entre les conducteurs et la masse.



Le blindage fonctionne car il fournit un autre chemin au courant électrique induit et protège les fils transportant les signaux.Il faut simplement faire attention à ne pas relier des deux cotés le blindage à la masse sous peine de retomber dans le cas d’une boucle de masse, et ainsi cette fois, induire un effet inductif dans les fils par le courant qui traverse le blindage.



Le couplage inductif est le résultat des variations du champ magnétique causé par un courant passant par un conducteur. Une variation de flux magnétique fait générer un courant dans les fils de la boucle de mesure.M définit l’inductance mutuelle du couplage des deux circuits. Comme M est proportionnel à la surface de la boucle réceptrice et inversement proportionnel à la distance, réduire les taille des boucles d’induction permettent de réduite leurs effets, donc torsader les fils conducteurs permet de réduire la densité du flux. Un blindage magnétique est également une solution comme pour l’effet capacitif.



Donc, vous l’aurez compris, torsader les fils réduit le flux et donc l’amplitude du bruit et il faut penser également à fixer les câbles, car des mouvements de vibration sur les fils, par exemple sur un moteur, peuvent également induire un flux et donc un courant parasite.



Bien que l’effet soit très limité dans la majorité des cas, si vous avez un signal à amplifier fortement par un semi-conducteur et un long câble de mesure, il est possible de détecter et d’amplifier une modulation audio d’un signal RF, par exemple de la radio, TV ou même issu du moniteur de votre ordinateur. Pour réduire cet effet sur la mesure, il faut alors ajouter un filtre RC passe-bas pour diminuer ses effet car il coupe les très hautes fréquences.



Enfin, il reste la solution logicielle quand elle existe. Il est possible de moyenner le signal, de le filtrer suivant plusieurs bandes pour ne conserver que les signaux utiles.



Voilà, Il nous reste à découvrir concrètement comment utiliser et choisir les modes de connexion des entrées des systèmes et à utiliser du conditionnement du signal pour en voir les bénéfices. Tout cela avec la mise en œuvre d’outils matériels et logiciels et des capture d’écrans.

Rendez-vous dans la deuxième partie !

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