Boucles de masse

Ce tutorial fait partie de la série des principes fondamentaux de la mesure de National Instruments. Chaque tutorial de la série vous enseignera un sujet particulier lié aux applications de mesure courantes, en alliant des concepts théoriques et des exemples pratiques. Ce tutorial vous donnera les connaissances de base en matière de boucles de masse. Pour obtenir une liste complète des tutoriaux, revenez à la page principale dédiée aux principes fondamentaux de la mesure.

Mise à la masse et mesures

Il est indispensable de configurer correctement la mise à la masse pour obtenir un système d'acquisition de données adéquat. La plupart des systèmes de mesure, tels que les matériels d'acquisition de données, permettent plusieurs types de mise à la masse, selon la catégorie de signal acquis ou mesuré. Or ces nombreuses possibilités rendent le choix difficile lorsqu'il s'agit de décider quel type de configuration sera adapté à une situation donnée. La Figure n°1 ci-dessous représente le système d'acquisition de données type dont il sera question dans le présent tutorial. Les blocs qui convertissent les phénomènes physiques en signaux de tension constituent la source des signaux. Le système de mesure est ici composé des blocs de conditionnement des signaux et d'acquisition des données. Parfois, le bloc de conditionnement des signaux peut être considéré comme une source de signaux pour l'acquisition de données. C'est généralement le cas lorsque le matériel de conditionnement de signaux et celui d'acquisition de données proviennent de fabricants différents.

Figure n°1 : Diagramme d'acquisition de données type

Afin de mieux comprendre les conséquences de la masse sur les mesures, il est nécessaire de faire le point sur les différents types de sources de signaux et de systèmes de mesure. Il sera ensuite essentiel d'étudier les différentes configurations possibles afin de trouver le système de mesure le plus adapté à chaque source de signaux, pour un bruit et une erreur minimes.  

Sources de signaux

Comme indiqué dans la Figure n°2, il existe deux catégories principales de sources de signaux :

• reliée à la masse ou mise à la masse
• non reliée à la masse ou sans mise à la masse, dite « flottante »

Figure n°2 : Types de sources de signaux

Sources de signaux reliées à la masse ou mises à la masse

Une source de signaux reliée à la masse est une source dont les signaux de tension sont référencés par rapport à la masse d'un système, comme la terre ou la masse d'un bâtiment. La borne négative de la source de signaux ci-dessus, par exemple, est référencée à la masse. Les exemples les plus courants de sources de signaux reliées à la masse sont des appareils, tels que les blocs d'alimentation, les oscilloscopes ou les générateurs de signaux, qui sont reliés à la masse d'un bâtiment par une prise murale telle que celle représentée dans la Figure n°3. 

En général, les masses de deux sources de signaux reliées séparément à masse 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.

Figure n°3 : Prise murale mise à la terre

Sources de signaux non reliées à la masse ou « flottantes »

Une source de signaux non reliée à la masse est une source dont les signaux de tension ne sont pas référencés par rapport à la masse d'un système, comme la terre ou la masse d'un bâtiment. Sur la Figure n°2, on peut constater que sur la source non reliée à la masse, ni la borne positive, ni la borne négative ne sont mises à la masse. Les sources de signaux non reliées à la masse les plus courantes sont les multimètres numériques, les batteries, les thermocouples, les transformateurs ou les amplificateurs d'isolement.  

Systèmes de mesure

La plupart des systèmes de mesure, tels que les instruments d'acquisition de données de la Série M de NI, peuvent être configurés selon les modes suivants : différentiel, asymétrique référencé ou asymétrique non référencé. 

Système de mesure différentiel

Dans un système de mesure différentiel, aucune des entrées de l'amplificateur d'instrumentation n'est référencée à la masse d'un système. Sur la Figure n°4, chacune des voies du système de mesure a un fil négatif et un fil positif, aucun des deux n'étant relié à la masse du système de mesure. Pour mesurer un signal sur la voie 0 en mode différentiel, il faudrait relier un fil de la source du signal à la voie CH0+ et l'autre fil à CH0-.

Figure n°4 : Système de mesure différentiel

Les mesures effectuées en mode différentiel nécessitent davantage de voies, puisque chaque mesure demande deux voies d'entrées analogiques. Toutefois, ce mode fournit des mesures plus précises, car il permet à l'amplificateur de rejeter la tension de mode commun ainsi que les autres bruits de mode commun présents dans le signal. La tension de mode commun est la tension présente dans les entrées de l'amplificateur d'instrumentation par rapport à la masse de l'amplificateur. La formule de calcul de la tension de mode commun par rapport à la masse des matériels d'acquisition de données est :

V_mc = (V₊ + V_-) / 2

 « V_+ » et « V_- » sont les tensions « en commun » des bornes positive et négative de l'amplificateur, référencées à la masse de ce dernier. La Figure n°5 montre comment mesurer la tension de mode commun en diminuant V₊ et V_-, annulant ainsi la tension différentielle. Toute tension mesurée au niveau de « V_out » (sortie de tension) est égale à la tension de mode commun à l'entrée de l'amplificateur. 

Figure n°5 : Tension de mode commun

Dans l'idéal, un bon système de mesure différentiel ne donne que la différence de potentiel entre les bornes positive et négative de l'amplificateur, et rejette donc totalement les tensions de mode commun. Toutefois, les matériels ont habituellement une capacité limitée de réjection des tensions de mode commun. Il est possible de calculer la capacité de réjection de la tension de mode commun de votre système avec la formule suivante :

V_mc(max) = {TMF - [(V_diff(max)) x (Amplification)]}/2

• « TMF » est la tension maximale de fonctionnement, indiquée dans les spécifications du matériel
• « V_diff(max) » est la différence maximale attendue entre les bornes de l'amplificateur
• « Amplification » est le paramètre de configuration du gain du matériel

Système de mesure asymétrique

« Asymétrique » est la configuration par défaut de la plupart des matériels d'acquisition de données, des instruments modulaires et des matériels autonomes. La Figure n°6a montre un exemple de configuration asymétrique. Contrairement au mode différentiel, les mesures ne nécessitent qu'une seule voie d'entrée analogique en mode asymétrique. Le second fil est commun et utilisé par toutes les voies. Cette configuration présente donc l'avantage d'offrir deux fois plus de voies. En effet, toutes les voies qui, en mode différentiel, étaient utilisées comme des voies d'entrées négatives, sont ici disponibles. Cependant, les systèmes asymétriques sont très sujets aux boucles de masse. Pour davantage d'informations sur l'élimination des boucles de masse de votre système, veuillez lire la prochaine partie sur la configuration du système de mesure. 

Il existe deux principaux types de systèmes de mesure asymétriques.

• Les systèmes asymétriques référencés à la masse, plus simplement appelés « systèmes asymétriques référencés », sont des systèmes asymétriques dont la voie commune est reliée à la masse. La Figure 6a ci-dessous représente un tel système, dans lequel toutes les voies sont référencées à la ligne AIGND, qui est la masse du système.

Figure n°6a : Système asymétrique référencé à la masse ou Système asymétrique référencé

• Dans un système asymétrique non référencé, toutes les voies sont également référencées à une voie commune. Toutefois, cette dernière n'y est pas reliée à la masse. La Figure n°6b ci-dessous montre un exemple de système asymétrique non référencé, dans lequel toutes les voies sont référencées à la ligne AISENSE, qui n'est pas reliée à la masse du système.

Figure n°6b : Système asymétrique non référencé

Source de signaux - Configurations du système de mesure 

Mesure de signaux issus de sources reliées à la masse

Le système de mesure le plus adapté à une source de signaux mise à la masse est un système différentiel ou un système non référencé. La Figure n°7 montre les inconvénients que présente l'utilisation d'un système de mesure référencé à la masse pour la mesure d'un signal issu d'une source elle-même reliée à la masse. Dans ce cas précis, la tension mesurée (V_m) est la somme de la tension du signal (V_s) et de la différence de potentiel (ΔV_g) existant entre la masse de la source du signal et la masse du système de mesure. Cette différence de potentiel n'est généralement pas une tension continue, ce qui entraîne un système de mesure bruité qui révèle souvent des éléments de la ligne de tension (50 Hz / 60 Hz) dans ses mesures. Comme il a déjà été dit, la différence de potentiel peut atteindre 200 mV entre deux bornes reliées à la masse. Cette différence provoque un courant appelé courant de boucle de masse, qui va circuler entre les connexions et peut affecter gravement les mesures en entraînant des erreurs d'offset, en particulier lors de mesures de signaux de faible intensité issus de capteurs. 

Figure n°7 : Système de mesure avec une boucle de masse

L'utilisation d'un système référencé à la masse peut être une solution acceptable si les niveaux de tension des signaux sont élevés et que les câbles d'interconnexion entre la source et le matériel de mesure ont une faible impédance. Dans ce cas, les boucles de masse provoquent une dégradation de la mesure de la tension des signaux, mais cette dégradation peut rester tolérable. Il faut observer avec attention la polarité d'une source de signaux mise à la masse avant de la relier à un système de mesure référencé à la masse, car un court-circuit peut se produire entre la source des signaux et la masse, endommageant la source le cas échéant. 

Mesure de signaux issus de sources non reliées à la masse

Les signaux issus de sources non mises à la masse peuvent être mesurés avec des systèmes différentiels ou asymétriques. Dans le cas d'un système de mesure différentiel, toutefois, il faut bien s'assurer que le niveau de tension de mode commun du signal par rapport à la masse du système de mesure reste compris dans la gamme d'entrée de mode commun du matériel de mesure. Un certain nombre de phénomènes, comme les courants de polarisation d'entrée de l'amplificateur d'instrumentation, par exemple, peuvent faire sortir le niveau de tension de la source non mise à la masse de la gamme valable de l'étage d'entrée d'un matériel d'acquisition de données. Afin de donner une référence à ce niveau de tension, on utilise des résistances. Elles sont appelées résistances de polarisation et offrent un chemin de courant continu entre les entrées de l'amplificateur d'instrumentation et la masse de l'amplificateur. Ces résistances doivent avoir une valeur suffisamment élevée pour permettre à la source de ne pas être référencée à la même masse que celle du système de mesure (qui était la ligne AIGND dans le système de mesure précédemment décrit) et pour ne pas charger la source du signal. Mais elles doivent aussi avoir une valeur suffisamment faible pour maintenir la tension dans la gamme de l'étage d'entrée du matériel. Généralement, une valeur entre 10 kΩ et 100 kΩ est adaptée aux sources de faible impédance comme les thermocouples ou les modules de conditionnement de signaux. Ces résistances de polarisation sont connectées entre chaque fil et la masse du système de mesure. L'absence de telles résistances peut engendrer des mesures instables ou saturées (pleine échelle positive ou négative). 

Si le signal d'entrée offre un couplage DC, il suffit de connecter une seule résistance entre l'entrée négative (-) et le système de mesure pour créer un chemin de courant de polarisation. Toutefois, cela entraînera un déséquilibre du système si l'impédance de la source de signaux est assez élevée. Or il est préférable d'avoir un système équilibré pour pouvoir conserver une immunité au bruit. C'est pourquoi il vaut mieux utiliser deux résistances de valeur égale (l'une pour l'entrée de signal (+) et l'autre pour l'entrée de signal (-) référencées à la masse) si l'impédance de la source de signaux est elévée. Une seule résistance de polarisation suffit pour les sources avec couplage DC de faible impédance, telles que les thermocouples. L'équilibre des circuits fait l'objet d'une discussion plus loin dans cette note d'application. Si le signal d'entrée est à couplage AC, deux résistances de polarisation sont nécessaires pour créer le chemin de polarisation de l'amplificateur d'instrumentation.

Si l'on utilise le mode d'entrée asymétrique, un système asymétrique référencé à la masse (Figure n°8a) peut être adapté à une source de signaux flottante. Aucune boucle de masse n'apparaîtra dans ce cas. Le système d'entrée asymétrique non référencé (Figure n°8b) peut également être utilisé ; il est même préférable pour minimiser le bruit capté. Pour les sources sans mise à la masse, une ou plusieurs résistances sont nécessaires entre l'entrée de ligne AISENSE et la masse du système de mesure (ligne AIGND) dans une configuration d'entrée asymétrique non référencée.

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Figure n°8 : Sources de signaux non reliées à la masse et configurations asymétriques

Le Tableau n°1 ci-dessous donne un résumé des configurations recommandées.

Configuration d’entrée	Type de source de signaux
	Source de signaux non reliée à la masse (non mise à la masse du bâtiment)	Source de signaux reliée à la masse
	Exemples : Thermocouples Conditionnement de signaux avec sorties isolées Batteries	Exemple : Instruments sur carte avec entrées non isolées
Différentielle (DIFF)	Deux résistances (10 kΩ<R<100 kΩ) fournissent des chemins de retour à la masse pour les courants de polarisation
Asymétrique référencée à la masse		NON CONSEILLÉ Des pertes dues aux boucles de masse (Vg) s’ajoutent au signal mesuré
Asymétrique non référencée

Tableau n°1 : Connexions d'entrée analogique

Conclusion

En général, un système de mesure différentiel est préférable, car il rejette non seulement les erreurs liées aux boucles de masse, mais également le bruit capté dans l'environnement, dans une certaine mesure. Les configurations asymétriques, quant à elles, offrent deux fois plus de voies de mesure mais leur utilisation n'est justifiée que si l'ampleur des erreurs impliquées est inférieure au niveau de précision des données nécessaire à l'application. Les connexions d'entrée asymétriques peuvent être employées lorsque :

• les signaux d'entrée sont de haut niveau (supérieurs à 1 V de manière empirique)
• les fils reliant la source du signal au matériel d'entrée sont courts et traversent un environnement non bruyant ou sont correctement protégés
• tous les signaux d'entrée partagent une référence à la masse commune.

Si tous ces critères ne sont pas remplis, il faut utiliser des connexions différentielles.  

Produits NI associés

Les clients ayant lu ce tutorial se sont également intéressés au produits NI suivants :

• LabVIEW : environnement de programmation graphique
• SignalExpress : logiciel interactif  
• Numériseurs
• Acquisition de signaux dynamiques (DSA)
• Multimètres numériques (DMM)
• Acquisition de données (DAQ)

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