Boucles en instrumentation 4 à 20 mA

Le 4 à 20 mA

Le signal 4-20 mA est un standard de transmission de mesures ou commandes analogiques dans le monde industriel. Il existe depuis des décennies et a suivi l'évolution technologique en incorporant des fonctionnalités numériques (HART). On peut dire qu'il est un grand-père mais toujours à la mode...

Exemple d'application

Un capteur de température est plongé dans une cuve. Nous aimerions acheminer cette température vers un automate industriel ou système de contrôle (API, SNCC ou autre).
Ce capteur sera donc raccordé à un circuit électronique (convertisseur ou transmetteur) capable de générer un courant électrique variant de 4-20 mA selon la température.
Tout d'abord, l'instrumentiste définira et réglera une plage de mesure .
Pour l'exemple, choisissons 0 à 150 °C. Ceci veut dire que:

• 0 °C = 4 mA
• 150 °C = 20 mA

Et les valeurs intermédiaires sont vraies aussi:

• 75 °C = 12 mA
• 100 °C = 14,67 mA

Le circuit électrique transportant ce signal 4-20 mA sera raccordé à une entrée d'automate.  Le programmeur d'automate réglera donc cette entrée pour faire le calcul inverse de sorte que le courant 4-20 mA redevienne des °C. 

Cette mesure pourra enfin servir à des fins de supervision, de régulation de procédés, d'alarmes, ou autres...

Boucle de courant en instrumentation

Ci-dessous nous avons les 3 éléments typiques d'une boucle :
Alimentation (générateur), transmetteur (récepteur), régulateur qui mesure l'intensité dans la boucle 4 à 20 mA.
Dans le cas suivant, on insère une résistance de faible valeurEx : 100 Ω pour ne pas dépasse 2 Volts de chute : 100 × 0.02 A = 2 V. pour limiter la chute de tension dans la boucle afin d'obtenir une image du courant y circulant :
Note : il arrive que le récepteur soit dit actifAttention : Il est simplement relié à une prise de courant pour fournir directement du 4 à 20 mA au lieu de réguler ces valeurs !, l'alimentationGénéralement 20 Volts à vide, boucle ouverte. n'est alors plus requise dans la boucle !

Perturbations sur une mesure de tension

Les boucles de tensions sont à haute impédance ! Explication du pourquoi un multimètre standart oppose 10 MΩ en lecture de tensionPrenons un exemple : la tension est lue sur une pile miniature dont la résistance interne (Voir nos cours de base en élec.) est de 1 kΩ : Si le voltmètre oppose lui aussi 1 kΩ, la tension est moitié perdue dans la pile, moitié lue ! Avec 10 MΩ, l'erreur est de 1 / 10 000 donc acceptable ! ! Ainsi le l'infime intensité, du courant qui circule dans les fils de la boucle, sont extrêment sensibles aux perturbation et à la résistance des fils constituants :
Un parasite vient ajouter une tensionOu soustraire, c'est imulsionnel ! Mais 2 µA sous une entrée 100 kΩ cela fait 0.2 V, pour une plage 4 V (1 à 5 V), l'erreur repésente 5% !
En boucle de courant 4 à 20 mA (16 mA de plage), l'erreur sera de l'odre de 0.1% : 2 µA / 16 mA., sur des distances courtes dans des environnements peu perturbés, aucun problème !
Mais lorsque le passage en chemin de câble serpente une partie de l'usine... Cela peut provoquer des aléas !

Influence de la résistance des câbles !

L'intensité dans la boucle, si faible soit-elle, engendre une chute de tension dans les fils la constituant (à cause de leur résistance). Souvent négligeable pour de faibles longueurs, elle peut fausser la mesure notamment pour les faibles sections et grandes longueurs :

Dans une boucle de courant, l'intensité est régulée par le récepteur compensant ainsi intégralement les chutes de tension ainsi qu'une bonen partie des signaux perturbateurs, déjà moindre du fait de la faible impédance de boucleEN mesure de tension on sera de 100 kΩ à 10 MΩ ou plus, en mesure d'intensité du courant, généralement 250 Ω ou 500 Ω : 5 ou 10 Volts ! !