Sciences physiques et chimiques en laboratoire (STL) · Première · Instrumentation
Instruments et chaînes de mesure
Du phénomène physique au nombre affiché.
En bref
Un thermomètre numérique, un pH-mètre, un spectrophotomètre : derrière chaque affichage se cache une chaîne de mesure qui transforme une grandeur physique en nombre.
Choisir un instrument
On choisit un instrument selon un cahier des charges : la grandeur à mesurer, l’étendue de mesure (valeurs minimale et maximale), la résolution (plus petite variation détectable), l’exactitude attendue, le temps de réponse, le coût. La documentation du constructeur donne ces caractéristiques.
Mesure directe ou par étalonnage
- Mesure directe : on lit la valeur (règle, balance).
- Mesure par étalonnage : l’appareil mesure une grandeur liée à celle qui nous intéresse (absorbance → concentration, conductivité → concentration, tension → température). Il faut établir la relation à l’aide d’étalons.
La chaîne de mesure
grandeur physiquecapteurconditionneurconvertisseur analogique-numérique (CAN)traitement et affichage
| Maillon | Rôle | Exemple |
|---|---|---|
| Capteur | convertit la grandeur à mesurer en une grandeur électrique | thermistance : sa résistance varie avec T |
| Conditionneur | transforme ce signal en tension exploitable | pont diviseur de tension, amplificateur |
| CAN | convertit la tension analogique en nombre binaire | carte d’acquisition, microcontrôleur |
La caractéristique de transfert
C’est la courbe qui relie la sortie du capteur (ou du conditionneur) à la grandeur mesurée. Si elle est linéaire, on la décrit par une droite :
U = k × T + U₀
La sensibilité est le coefficient k : la variation de la sortie pour une variation unité de l’entrée (par exemple 10 mV·°C⁻¹).
Le convertisseur analogique-numérique
Un CAN de n bits découpe sa plage de tension en 2ⁿ niveaux. Le quantum q est le plus petit écart de tension qu’il distingue :
q = plage de tension / 2ⁿ
Exemple : CAN de 10 bits sur 0 – 5 V : q = 5 / 1 024 ≈ 4,9 mV.
La résolution de toute la chaîne dépend du maillon le plus grossier : un capteur de 10 mV·°C⁻¹ lu par un CAN de quantum 4,9 mV distingue environ 0,5 °C.
Exemple : un thermomètre à thermistance
- Capteur : la thermistance CTN, dont la résistance diminue quand T augmente.
- Conditionneur : un pont diviseur alimenté en 5 V donne une tension qui dépend de la résistance.
- CAN du microcontrôleur (10 bits).
- Programme : il convertit le nombre lu en tension, puis en température à l’aide de la caractéristique de transfert établie par étalonnage (dans l’eau à plusieurs températures mesurées par un thermomètre de référence).
L’incertitude d’une mesure par instrument
Pour une mesure unique, l’incertitude-type se déduit des données du constructeur (tolérance ± Δ, donc u = Δ/√3) ; pour des mesures répétées, de l’écart-type. La numérisation ajoute une incertitude de l’ordre du quantum.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
Touche une réponse : la correction s’affiche tout de suite.
1.Le rôle du capteur est de…
2.Le conditionneur…
3.Que fait un CAN ?
4.Quantum d’un CAN de 8 bits sur 0 – 5 V ?
5.La sensibilité d’un capteur est…
6.Une thermistance CTN a une résistance qui…
0 / 6 questions
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La fiche de révision, sur une page
Tout « Chaîne de mesure » sur une seule page A4 illustrée : l’essentiel, les pièges et un mini-test. Elle se débloque dans l’app avec des gemmes — et ton compte gratuit en offre assez pour tes trois premières fiches.
