Taille, valeur, précision, résolution, incertitude

Dans cet article court, le troisième d'une longue série sur la métrologie et les mesures, sont contenues des informations très importantes concernant les inexactitudes et les malentendus ainsi que les idées reçues, souvent inexactes, voire erronées, et les mauvaises habitudes qui peuvent devenir des pièges. Vous trouverez les articles précédents de cette série ici

Piotr Górecki – vulgarisateur de l'électronique. Il publie actuellement son propre magazine "Comprendre l'Électronique". Auparavant, il a été pendant de nombreuses années Rédacteur en Chef d'un magazine polonais populaire (Électronique pour Tous). Il est également l'auteur de centaines d'articles et de projets éducatifs. Jusqu'en 1993, il a travaillé dans l'industrie des télécommunications.

La métrologie est un domaine très vaste. Une partie de celle-ci est la mesure, qui se concentre sur les instruments de mesure et les mesures. Une exploration systématique de la multitude de questions et d'aspects liés aux mesures des grandeurs électriques nécessiterait un cours approfondi au niveau académique. Pour beaucoup, les aspects mathématiques de la question sont les plus difficiles, où les principes de la statistique et le calcul des probabilités entrent en jeu. De plus, il y a une série de concepts et de termes dont le sens et la signification sont souvent confondus. Dans cette série d'articles sur la mesure, nous voulons aborder la question des mesures du point de vue d'un praticien, pas toujours en accord avec la théorie et la terminologie stricte. Néanmoins, il est nécessaire de discuter de quelques questions fondamentales.

• Grandeurs et valeurs
• Résolution et précision
• Précision, exactitude et répétabilité
• Erreur et incertitude des mesures
• Multimètres et méthodes comparatives

Grandeur, valeur, élément...

La grandeur et la valeur sont-elles la même chose ou quelque chose de différent ? Dans le langage courant, les termes grandeur et valeur ne sont souvent pas distingués. En parlant de grandeur de tension et de valeur de tension, nous comprenons qu'il s'agit exactement de la même chose.

Cependant, il faut se rappeler que, plus précisément, la tension est une grandeur physique, c'est-à-dire une propriété qui peut être mesurée et dont la valeur peut être donnée. La valeur d'une grandeur physique. Ici, il faut distinguer la grandeur physique, le paramètre, de sa valeur.

Les grandeurs physiques incluent notamment la tension, le courant (intensité du courant), la résistance, l'impédance, la capacité, l'inductance, la fréquence, et d'autres. Nous donnons les valeurs de ces grandeurs (physiques) dans certaines unités, ce dont nous parlerons plus en détail dans un instant.

Dans le langage courant, nous utilisons souvent d'autres termes apparentés, sans nous demander ou en oubliant ce qu'ils signifient réellement. Combien de fois entendons-nous ou disons-nous nous-mêmes : « J'ai monté sur la carte une résistance de 47 ohms », ou « dans le circuit est soudée une capacité de 10 microfarads ». Cependant, la résistance et la capacité sont des grandeurs physiques. Dans le circuit sur la carte, nous ne montons pas des grandeurs physiques, des paramètres, mais nous montons des éléments concrets : une résistance et un condensateur, qui ont bien sûr certaines valeurs.

Ce n'est pas seulement une question de raccourci de pensée accidentel. Le problème est que, en parlant de monter sur la carte une capacité de 10 microfarads, nous identifions l'élément (le condensateur) à la capacité, c'est-à-dire à un paramètre spécifique de cet élément.

Identifier l'élément (dans cet exemple le condensateur) uniquement à la capacité détourne l'attention des réalités, de ses paramètres nuisibles, c'est-à-dire des grandeurs nuisibles qui y sont également présentes.

Il vaut donc la peine d'être attentif à la distinction entre la grandeur (physique) et sa valeur. Il faut aussi lutter contre l'habitude ou la tentation d'identifier les grandeurs, c'est-à-dire les paramètres, aux éléments. Voici une autre identification erronée.

La résolution est-elle la précision ?

Convertisseurs ICL710x chez TME

Les circuits intégrés de voltmètres de la célèbre famille ICL710x utilisent une méthode vraiment précise et encore utilisée aujourd'hui dans les équipements de précision, la méthode à double intégration. Cependant, l'indication de l'affichage dépend bien sûr de la valeur de la tension de référence, et cela est sensiblement influencé par la température.

La source de tension de référence intégrée a une stabilité thermique de 0,008%/°C (80ppm/°C), donc par exemple un changement de température du circuit intégré de 15 degrés peut entraîner une variation des indications de 0,12%, et rappelons que la résolution de l'affichage est de 0,05%.

Nous voyons donc que même les indications du voltmètre intégré ne sont pas parfaitement précises, et à cela s'ajoutent les erreurs des circuits qui lui sont associés, ne serait-ce que des diviseurs de tension. Avec une forte concurrence sur les prix, les fabricants d'équipements populaires essaient d'économiser sur tout, et le résultat est une précision des instruments bien inférieure à la résolution de leurs affichages. Il y a beaucoup de ces compteurs bon marché sur le marché.

Il faut savoir que concevoir et réaliser des circuits et des systèmes vraiment précis et stables pour préparer le signal pour le voltmètre – le convertisseur analogique-numérique est vraiment un défi sérieux, associé à une augmentation des coûts. En revanche, l'utilisation d'un affichage avec un plus grand nombre de chiffres n'est pas un problème. D'autant plus la modification du programme du processeur pour qu'il affiche plus de (chiffres insignifiants) à l'écran.

Il faudrait également distinguer le nombre de chiffres de l'affichage et le nombre de chiffres du résultat affiché du nombre de chiffres significatifs. Le dernier chiffre, et très souvent même les deux derniers chiffres du résultat affiché, sont des chiffres insignifiants qui ne portent aucune information précieuse. Cependant, un grand nombre de chiffres affichés impressionne les personnes non informées, qui sont prêtes à payer plus pour un tel instrument « plus précis ». Souvent, il n'est pas du tout plus précis, mais le résultat est affiché avec une plus grande résolution. Ainsi, nous avons discuté de la question de la distinction entre résolution et précision, mais ce n'est pas la fin des pièges.

Précision, exactitude et répétabilité ?

De même que nous confondons souvent, et probablement continuerons à confondre, dans le langage courant, les termes grandeur et valeur, nous avons aussi des problèmes avec deux concepts apparentés. À savoir, nous identifions et utilisons de manière interchangeable les concepts de précision et d'exactitude.

Nous considérons un instrument précis et un instrument exact comme des synonymes. Cependant, en métrologie, la précision et l'exactitude sont deux concepts décidément différents, complètement indépendants l'un de l'autre. La métrologie, ainsi que la mesure, ne couvrent pas seulement les mesures des grandeurs électroniques et les méthodes de mesure « électroniques ».

Cependant, le terme « exactitude » utilisé en métrologie signifie à peu près la même chose que ce que nous comprenons couramment par exactitude. C'est, en termes généraux, la conformité à la vérité, la conformité du résultat avec la valeur vraie. Mais il y a un piège sérieux ici, dont nous parlerons dans un instant.

En revanche, en métrologie, le terme « précision » signifie quelque chose de décidément différent de ce que suggèrent les idées reçues. En termes simples, en mesure, la précision est tout simplement la répétabilité.

Le sujet est très vaste et certains de ses aspects peuvent être discutés séparément si nécessaire. Et maintenant, un autre détail important.

Exactitude, erreur, écart, incertitude, confiance

Bien sûr, il est naïf de penser que si nous effectuons une mesure, nous connaîtrons la vérité sur la valeur de la grandeur mesurée. Comme résultat de la mesure, nous obtiendrons seulement... le résultat de la mesure, qui n'est toujours qu'une approximation, pour ne pas dire une estimation. Une approximation meilleure ou pire. Souvent pire...

La métrologie et la mesure sont des domaines étonnamment vastes et en fin de compte très difficiles. Les personnes qui les ont étudiés il y a de nombreuses années ont encore aujourd'hui une approche différente de celle présentée actuellement. Autrefois, on se concentrait sur les écarts et les erreurs. Tout cela commençait en quelque sorte par la « valeur vraie ». Intuitivement, nous comprenons ce qu'est la « valeur vraie » et il semble évident ce qu'est un écart ou une erreur.

En termes simples, une erreur est la différence, l'écart par rapport à la « valeur vraie ». Elle est généralement exprimée en pourcentage. Et en apparence, c'est clair et évident. Mais seulement en apparence. Le problème est que nous ne savons JAMAIS quelle est cette « valeur vraie ». Nous ne savons que quel est le résultat de la mesure. Puisque nous ne savons jamais quelle est la « valeur vraie », nous ne pouvons jamais vraiment déterminer quelle est la précision de la mesure. Oui ! Strictement parlant, il est impossible de déterminer quelle est la précision de la mesure, et ce ne sont certainement pas les « pourcentages » indiqués dans les spécifications des instruments bon marché.

Nous avons alors le concept quelque peu effrayant de mesurande (measurand). Mais surtout, nous avons le résultat d'une mesure réelle et nous déterminons ou plutôt essayons de déterminer, non pas sa conformité avec la « valeur vraie » inconnaissable, mais l'incertitude de la mesure. C'est pourquoi dans les descriptions modernes des instruments de mesure utilisés en électronique, on parle de moins en moins de précision, d'erreur ou d'erreurs, et de plus en plus d'incertitude du résultat.

Pour faire simple : il est très naïf de croire que si nous prenons un multimètre coûteux et effectuons une mesure, nous obtiendrons une information certaine et vraie sur la valeur mesurée. Les électroniciens praticiens découvrent souvent que les mesures successives du même paramètre, qui selon les attentes devraient donner des résultats identiques, surprennent parfois par la divergence des résultats obtenus. Pour diverses raisons. Outre la « précision » du multimètre comprise au sens courant et exprimée en pourcentage, de nombreux facteurs supplémentaires sont importants, non seulement techniques, mais aussi liés par exemple aux erreurs humaines. Le calcul des probabilités entre en jeu de manière très forte. Il s'avère que dans de nombreux cas, il faut prendre en compte non pas le résultat d'une seule mesure, mais la moyenne de plusieurs mesures.

Si nous examinons de près les différentes questions relatives aux mesures, il s'avère qu'il faut prendre en compte un certain nombre d'éléments que nous ignorons habituellement ou dont nous ne sommes même pas conscients. Ce sont des questions très vastes, nécessitant non pas un article séparé, mais une série d'articles puissants.

Nous signalons maintenant seulement qu'en plus du concept de précision (accuracy), qui est toujours bien présent, dans les spécifications des meilleurs instruments des fabricants renommés, apparaît non seulement le concept d'incertitude de mesure (measurement uncertainty), mais aussi la notion de niveau de confiance (confidence interval), qui est généralement de 95%, parfois 99%. Ce qu'il faut retenir, c'est que « l'incertitude » signifie ce que nous appelons communément précision (accuracy), exprimée en pourcentage ou en « ppm » (ppm).

Le résultat de la mesure est généralement donné pour un niveau de confiance de 95%, ce qui signifie une probabilité de 95% que la valeur réelle du paramètre mesuré se trouve dans l'intervalle déterminé par l'incertitude (étendue) de la mesure. Cependant, il n'y a pas de garantie absolue à 100% que c'est le cas. Nous devrions être conscients de l'incertitude et de la confiance, mais par habitude forte, nous continuons, même dans les articles de cette série, à utiliser et probablement continuerons à utiliser les termes « précision » et « exactitude » dans le sens courant, inexact et imprécis.

Multimètre et méthodes comparatives

La mesure est généralement la science de la réalisation de mesures. Pour la plupart des jeunes électroniciens, le mot « mesure » est associé au multimètre, c'est-à-dire à un instrument universel, multifonctionnel. Bien sûr, un multimètre numérique.

L'idée reçue est que le multimètre est un instrument universel, qui est justement là pour que nous le prenions, choisissions la fonction nécessaire, la plage de mesure, insérions deux câbles de mesure (sondes) dans les prises appropriées et... mesurions ce qu'il faut. Nous mesurons le plus souvent la tension, la résistance et l'intensité du courant. Nous utilisons souvent des fonctions auxiliaires telles que la vérification acoustique de la continuité – court-circuit et la vérification de la chute de tension sur une diode, ce qui est en fait une mesure de résistance et de tension. De nombreux multimètres numériques permettent également de mesurer la capacité et la température. Cependant, très peu peuvent mesurer l'inductance.

Certains pensent même que le scopemètre est l'instrument de mesure idéal, qui remplace tout l'ancien laboratoire de mesure. En général, pour plusieurs raisons, ce n'est pas le cas. Certes, dans des conditions d'atelier, avec des exigences pas trop élevées, un bon scopemètre satisfera effectivement tous les besoins en matière de mesures. Nous traiterons séparément des oscilloscopes et des scopemètres. Cependant, ici, je tiens à souligner fortement que pour des exigences élevées, ni le scopemètre, ni même le meilleur multimètre numérique ne satisferont les besoins.

Il peut être surprenant d'apprendre que si nous voulons mesurer avec une très grande précision, nous revenons souvent à des méthodes très anciennes, qui s'avèrent être très bonnes. Principalement aux méthodes de pont, qui reposent sur la comparaison. Sur la comparaison avec une norme.

Nous parlerons de ces méthodes, nous les utiliserons également. Pour l'instant, nous signalons seulement que le multimètre numérique n'est pas toujours le meilleur instrument de mesure et qu'il vaut la peine, voire qu'il est nécessaire, de revenir à certaines méthodes connues depuis longtemps, qui ne semblent obsolètes qu'en apparence. Le but de cet article n'est pas tant d'expliquer la question que de signaler certaines questions importantes pour chaque électronicien qui veut effectuer correctement des mesures. Dans le prochain article de la série, intitulé Normes des grandeurs électriques, nous aborderons la question des normes.
Piotr Górecki

Transfer Multisort Elektronik (TME) est l’un des plus grands distributeurs mondiaux de composants électroniques, de pièces électrotechniques, d’équipements d’atelier et d’automatisation industrielle. Le catalogue comprend plus de 1 500 000 de produits provenant de 1 300 fabricants leaders. Les centres logistiques modernes de TME à Łódź et Rzgów (Pologne), avec une superficie totale de plus de 40 000 m², expédient près de 6 000 colis par jour à des clients dans plus de 150 pays.

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