Boucle de courant 4-20 mA

Le 4 à 20 mA

Le signal 4-20 mA est un standard de transmission de mesures ou de 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 un système de contrôle (API, SNCC ou autre).
Ce capteur sera donc raccordé à un transmetteur capable de faire varier une intensité de 4 à 20 mA selon la température.
Tout d’abord, l’instrumentiste définit et règle 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 suivent une droite :

• 75 °C = 12 mA
• 100 °C = 14,67 mA

Le nombre 16 est la plage utile : 20 − 4 mA. L’automate applique la seconde formule pour que l’intensité redevienne des °C. Vérifiez : 12 mA donne 0 + (12 − 4) / 16 × 150 = 75 °C.
Cette mesure pourra enfin servir à la supervision, à la régulation du procédé, aux alarmes...

Pourquoi l’intensité voyage mieux

Une boucle de tension est à haute impédance : l’entrée qui la lit oppose de 100 kΩ à plus de 10 MΩ, pour ne rien prélever à la source. Revers de la médaille, l’infime intensité qui circule dans les fils est à la merci du moindre parasite :
Un parasite induit de 2 µA dans une entrée de 100 kΩ, c’est 0,2 V : sur une plage de 4 V (1 à 5 V), 5 % d’erreur. Le même parasite dans une boucle 4-20 mA (16 mA de plage) ne pèse que 2 µA / 16 mA, soit environ 0,01 %.

Et la résistance des câbles :

En tension, chaque ohm de câble fait chuter une partie du signal avant l’entrée :

En intensité, c’est la loi des mailles qui travaille pour vous : dans une boucle série, l’intensité est la même en tout point. Le transmetteur régule cette intensité ; la résistance des fils consomme un peu de tension, mais ne change pas un seul microampère du signal. L’impédance de boucle, elle, reste faible : 250 Ω ou 500 ΩSoit 5 V ou 10 V à 20 mA : une boucle basse impédance capte beaucoup moins les parasites..

Pourquoi 4 mA et pas 0 ?

Le talon de 4 mA, c’est le « 1 V » de la boucle de courant : un zéro vivant. Une mesure au minimum de l’échelle donne 4 mA ; une boucle coupée donne 0 mA. Impossible de confondre les deux.
Mais il a un second rôle, tout aussi important : il alimente le transmetteur. Un transmetteur 2 fils n’a pas d’autre source d’énergie que la boucle elle-même, et son électronique se contente de moins de 3,6 mAIl consomme cette intensité en permanence, et « ajoute » par-dessus ce qu’il faut pour représenter la mesure : de 0 mA en bas d’échelle à 16 mA en haut.. Grâce au talon, il dispose toujours de cette intensité, même à 0 % de mesure. Avec un signal 0-20 mA, il s’éteindrait en bas d’échelle.

Les valeurs hors échelle ont un sens :

La recommandation NAMUR NE 43Recommandation d’une association d’utilisateurs de l’industrie des procédés, suivie par la plupart des fabricants de transmetteurs. exploite la marge autour de la plage :

• de 3,8 à 20,5 mA : mesure valide, légers dépassements compris ;
• 3,6 mA et moins : défaut signalé par le transmetteur (capteur coupé, par exemple) ;
• 21 mA et plus : défaut signalé, ou court-circuit.

Un transmetteur moderne ne se contente donc pas de mesurer : il dit aussi quand il ne peut plus le faire.