Electronique - Les multimètres de table

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Les multimètres de table
Domaine mature de l'instrumentation, les multimètres de laboratoire comportent toujours un lot de « vétérans » inusables et hors des modes. La technologie a peu de prise sur ces appareils dont les adaptations à l'environnement, notamment informatique, se font en douceur tandis que leurs fonctionnalités évoluent peu.

Jean-Pierre Landragin et Philippe Schwartz , Electronique Mensuel, le 17/09/2007 à 10h00

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	Sommaire du dossier
	Les multimètres de table
	Privilégier la précision ou la vitesse

Le secteur des multimètres de table est caractérisé par une grande stabilité, comme l'attestent ses principaux acteurs. A tel point que nous n'avons pas estimé nécessaire de publier de « Dossier » sur le sujet depuis notre précédente étude datée de septembre 1999. Qui plus est, certains modèles qui figuraient dans les tableaux de l'époque sont toujours proposés actuellement. Ainsi, l'ancienneté de certains chevaux de bataille de ce secteur comme le 3458A d'Agilent Technologies ou le 2001 de Keithley peut être allègrement estimée à une bonne quinzaine d'années.

Depuis la disparition de nombreux acteurs dans les années 1980 et 1990, une douzaine de sociétés se partagent l'essentiel du marché. En haut de gamme, les leaders restent Agilent, Fluke (auteur d'un récent come-back) et Keithley. Ceux-ci ont introduit dans les vingt-quatre derniers mois pas moins de six modèles : les 8845A et 8846A chez Fluke, les 34410A et 34411A chez Agilent et, côté Keithley, le 2100, au prix de lancement particulièrement attractif, et le 3700, appareil multivoie annoncé en cette rentrée. Une relative effervescence qui ne témoigne pas forcément d'un renouveau, dans la mesure où l'on ne constate pas de revendication spectaculaire sur le plan de la performance ou de la technologie. L'évolution en cours se fait suivant deux directions : d'une part, celle de multimètres légers et économiques, avec des spécifications métrologiques très honorables ; d'autre part, celle de systèmes modulaires miniaturisés, directement raccordés à un micro-ordinateur par un bus de type USB ou Ethernet.

Pour être juste, la stagnation de l'offre qui nous apparaît ici résulte aussi de la segmentation du marché que nous avons opérée. Alors que notre précédente étude, intitulée « les multimètres de précision » , incluait des instruments de poche et des cartes (VXI, PCI, PXI, etc. ), ceux-ci ont été écartés du présent « Dossier » . Alors même que le catalogue PXI s'est notablement étoffé et qu'arrivent les premiers modules LXI. Nous avons remplacé le critère de précision par celui de format : il s'agit donc cette fois-ci d'appareils de table complets, c'est-à-dire disposant de leur propre affichage et de l'intelligence embarquée requise pour un fonctionnement autonome. En ce qui concerne l'aspect précision, tous les niveaux disponibles sont a priori concernés, ce qui nous a amenés à distinguer deux grandes catégories, comme nous le verrons plus loin.

Signalons toutefois qu'il existe une réelle continuité entre les multimètres de poche et les multimètres de table, avec un recouvrement non négligeable dans la zone des 50 000 à 200 000 points de résolution. De fait, les modèles de résolution modeste (20 000 points et moins) tendent à disparaître du créneau des appareils de table pour rejoindre celui des instruments de poche. En revanche, les plus évolués de ces derniers voient s'étendre leur emploi au laboratoire. C'est le cas notamment des multimètres à clapet MTX Mobile de Metrix ( Electronique n° 167, p. 28). D'ergonomie innovante et de performances dignes d'intérêt - leur résolution est de 100 000 points -, à l'exception de leur entrée de gamme, leur taux d'utilisation au laboratoire serait de l'ordre de 30 % (il est vrai qu'ils peuvent être alimentés sur secteur).

L'appareil qui mesure tout ?
La principale fonction des multimètres, avec laquelle ils peuvent atteindre des performances métrologiques de haut niveau (précision et stabilité jusqu'à moins de 3 ppm sur un an), est la mesure des tensions continues. Celle des courants continus s'effectue au moyen d'une résistance étalonnée interne. Elle exige d'y faire passer le courant à mesurer et, par conséquent, d'interrompre le circuit sous test. Cette contrainte est parfois rédhibitoire, d'autant que le changement de calibre est susceptible de nécessiter une nouvelle interruption du circuit. Le comportement d'un multimètre sur les gammes continues (DC) en présence de courant alternatif superposé est déterminé par une constante de temps d'intégration, éventuellement disponible en standard sur l'appareil (tel est le cas sur les modèles 34410A/11A d'Agilent).

Pour la mesure des grandeurs alternatives, le multimètre incorpore un circuit de calcul de valeur efficace (convertisseur RMS). Celui-ci est le plus souvent précédé d'un couplage par condensateur, de manière à bloquer une éventuelle composante continue superposée à la composante alternative à évaluer. De ce fait, la bande passante du circuit ne s'étend pas jusqu'au continu, ce qui peut poser problème pour la mesure de valeurs alternatives de très basses fréquences, par exemple inférieures à 20 Hz. Dans le haut, la bande passante est limitée à quelques dizaines ou centaines de kilohertz, voire quelques mégahertz, mais il n'y a aucune prétention ni intérêt particulier à chercher à concurrencer les mesureurs HF (ce qui traduirait inévitablement par un problème de raccordement et d'adaptation), ou les appareils plus sophistiqués mieux adaptés à la fonction (analyseurs de spectre et de réseau milliwattmètres). Bien entendu, le circuit dégrade sensiblement la performance métrologique de l'ensemble, en particulier dès qu'on s'éloigne des fréquences typiques de mesure (fréquences du secteur et de ses premières harmoniques), et son comportement risque de diverger notablement quand la forme du signal s'écarte sensiblement de la sinusoïde (facteurs de crête élevés).

Sur les signaux alternatifs à composante continue, il est recommandé de procéder à deux mesures séparées : l'une pour la composante continue avec la constante de temps judicieusement choisie, d'où des temps de mesure importants à basses fréquences ; l'autre avec le convertisseur RMS couplé en AC. Ensuite, la tension efficace est déterminée par calcul. Agilent propose sur son multimètre 3458A trois méthodes, dont l'une permet de mesurer la valeur efficace de signaux de fréquence aussi basse que 1 Hz. En synchronisant l'échantillonnage sur le signal couplé en DC, la composante continue est calculée et soustraite par calcul des valeurs mesurées. Il faut toutefois choisir avec soin le calibre de manière à ne pas saturer le système par les crêtes AC + DC. La mesure de résistances fait appel à une source de courant interne et une mesure de tension aux bornes du composant à mesurer. Cela est réalisable à partir de deux bornes avec seulement deux cordons. Mais, pour la mesure des faibles résistances, l'erreur liée à la résistance des cordons, qui s'ajoute directement à la valeur de résistance lue, devient conséquente. C'est pourquoi on est amené à utiliser une technique à 4 fils, dans laquelle le courant est acheminé séparément via deux bornes « Source » , alors que la mesure de tension est assurée par deux autres cordons reliés à des bornes « Sense » . Ceux-ci aboutissant au plus près des points délimitant l'élément à mesurer apportent une précision satisfaisante, car l'impédance d'entrée élevée de l'accès de mesure de tension (généralement 10 MO) n'induit pas de chute de tension significative dans les cordons de mesure. En revanche, la chute de tension inévitable dans les cordons acheminant le courant n'est pas prise en compte dans la mesure, du fait de la position des points où elle s'effectue.

Mentionnons aussi une erreur introduite par les métaux de différentes natures constituant le circuit électrique. Ceux-ci se comportent comme des thermocouples et induisent une force électromotrice parasite, variable avec la température, qui fausse les mesures. Certains appareils compensent cet effet en pratiquant successivement deux mesures avec le sens du courant inversé, ce qui annule l'effet de ces jonctions parasites.

La mesure de températures est offerte par la majorité des multimètres répertoriés dans les tableaux qui suivent. Elle fait appel à une sonde externe et une mesure de tension ou de résistance, suivie d'un traitement du résultat avant affichage : linéarisation, compensation de soudure froide, facteur d'échelle, etc. Trois principaux types de sondes sont couramment acceptés : les sondes à résistance platine (les plus précises, avec possibilité de mesure à 4 fils), les thermistances (peut-être les plus sensibles et les plus simples d'emploi) et les sondes à thermocouple (la plus grande étendue de mesure).

Il existe une multitude de thermocouples, qui se différencient par la nature des deux métaux qui forment la soudure thermo-sensible ; ces capteurs, repérés par des lettres (J, K, T, E, R, S...) couvrent différentes plages de température (de -100 à + 400°C pour le T, de 0 à 1 760 °C pour le S). L'une des difficultés est que, contrairement aux autres capteurs de température, ils réalisent des mesures relatives et non absolues. Ils nécessitent donc une référence ( « soudure froide » ), qui est le plus souvent fournie en interne par le multimètre, sinon il faut une deuxième soudure, connectée en série et en opposition avec la première, immergée dans de la glace fondante.

En matière de mesure de températures, les multimètres se distinguent par le nombre de types de sondes (en particulier de thermocouples) acceptés : depuis le plus élémentaire (RTD ou thermocouples J, K) jusqu'à la panoplie presque complète (RTD, thermistances, couples J, K, T, N, E, R, S, B).

La mesure de fréquences est quasiment toujours proposée. Habituellement, elle fait appel à la technique du comptage réciproque. Bien entendu, ses performances en termes de gamme et de stabilité métrologique ne sont pas comparables à celles d'un compteur-fréquencemètre dédié. D'autant que la mise en forme du signal avant comptage est plus sommaire, ce qui aboutit à des résultats incertains en cas de rapport cyclique différent de 50 % ou de forme d'onde très irrégulière.

La mesure de composants réactifs (en particulier de capacités) est fréquemment possible sur les multimètres de table. Il semble toutefois, selon les acteurs interrogés, que cela ne constitue pas un argument de vente décisif, les consommateurs de ce type de mesure préférant de loin utiliser un appareil spécifique.

Certains modèles, comme le multimètre « de référence » 8508A de Fluke, autorisent la mesure de rapports de tension. Une telle mesure peut apporter un surcroît de rapidité et de précision dans la caractérisation de gains ou de diviseurs de tension.

Enfin, un test dérivé de la mesure de résistance est généralement offert à titre de commodité : la vérification de continuité électrique et le test de diodes. Bien que très pratique, cette fonction n'est pas essentielle dans un outil de laboratoire mais plutôt caractéristique des appareils de maintenance...

Des accessoires qui ne le sont pas
La tendance est à considérer comme quantités négligeables, voire simples consommables, les accessoires de multimètres (cordons de mesure, grips-fils, pointes de touches...). S'il est vrai que ces accessoires indispensables sont peu coûteux et font souvent partie de la fourniture standard, il est des cas qui diffèrent notablement. Par exemple, nous avons déjà évoqué le cas de la mesure de températures, où les sondes et thermocouples ne sont pas habituellement fournis. Plus critique est le cas des mesures de hautes tensions. Les multimètres sont généralement limités de ce côté à 1 000 V, la mesure de tensions plus élevées requiert une sonde spéciale et la prise en compte de certaines précautions d'emploi.

Pour la mesure des résistances, signalons l'existence d'un accessoire très astucieux chez Fluke. En effet, ce constructeur a fort justement remarqué que la mesure des résistances à 4 fils, si elle est parfois indispensable, est tout aussi difficile à mettre en oeuvre pour des raisons purement pratiques : dimensions et nature de l'élément à mesurer (résistance CMS, piste de circuit imprimé souple, etc. ), nécessité d'avoir des mains supplémentaires et risque accru d'erreur de manipulation en changeant de type de mesure. Il a donc développé un système de cordons spéciaux incluant deux conducteurs séparés, l'un pour le courant de mesure et l'autre pour la mesure proprement dite. Ceux-ci se raccordent à des bornes divisées spécialement conçues (et toujours compatibles avec les fiches bananes de 4 mm standard) sur les multimètres 8845A et 8846A. A leurs embouts sont montés des pointes, clips et autres accessoires terminaux dans lesquels les deux conducteurs se rejoignent au plus près possible du point de mesure. De ce fait, la mesure à 4 fils s'effectue de manière aussi simple et pratique que la mesure à 2 fils à l'aide de deux cordons seulement.

Enfin, signalons que l'aspect protection de l'utilisateur et sécurité électrique est beaucoup moins évoqué avec les multimètres de laboratoire qu'avec les outils de maintenance ou de chantier, au profit de l'aspect métrologique. Cela ne signifie pas, toutefois, que les appareils sont hors normes, simplement que cet aspect est moins fondamental de par la nature de l'utilisation et de l'environnement auxquels ils sont destinés.