Câbler et dépanner une boucle 4-20 mA
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Câbler, alimenter et dépanner une boucle 4-20 mA
Boucle de courant en instrumentation
Ci-dessous, les 3 éléments typiques d’une boucle : l’alimentation, le transmetteur, qui règle l’intensité selon la mesure, et le régulateur ou l’automate, qui la lit.
Pour lire une intensité, l’entrée insère simplement une résistance dans la boucle et en mesure la tension. La valeur standard est 250 Ω4 mA × 250 Ω = 1 V ; 20 mA × 250 Ω = 5 V. On retrouve exactement le standard 1 à 5 V de l’écran précédent ! : elle transforme le 4-20 mA en 1 à 5 V, que l’on peut observer à l’oscilloscope :
Cette résistance a un coût : à 20 mA, elle consomme 5 V de la tension d’alimentation. Retenez-le, le bilan de tension de boucle en dépend.
Actif ou passif : qui alimente la boucle ?
C’est la question à se poser avant tout raccordement, et la source de nombreuses erreurs de câblage :- Le transmetteur passif, dit 2 fils, n’a pas d’alimentation propre : il puise son énergie dans la boucle, qu’une alimentation (ou une entrée d’automate dite active) doit fournir.
- Le transmetteur actif, dit 4 fils, est alimenté à part (24 V ou 230 V) et fournit lui-même le 4-20 mA : l’entrée doit alors être passive.
Et l’alimentation :
La plupart des transmetteurs acceptent une large plage de tension :
Pour celui de gauche, une alimentation à l’ancienne (transformateur, redressement, filtrage) fournissant un pseudo 24 VJusqu’à près de 30 V à vide : la valeur annoncée est à puissance nominale, pas à vide !
pourra suffire. Pour celui de droite, en rouge, mieux vaut une alimentation moderne à découpage, régulée et fixeLa variation de tension est généralement inférieure à 1 % !
.Le bilan de tension de boucle
Un transmetteur 2 fils a besoin d’une tension minimale à ses bornes pour fonctionner, souvent 10 à 12 V. Or chaque élément de la boucle en prélève une part, et d’autant plus que l’intensité est forte. La règle, à vérifier à 20 mA :U alim ≥ U mini transmetteur + (R entrée + R câble) × 0,020
Exemple :
Alimentation 24 V, transmetteur 12 V mini, entrée d’automate 250 Ω.
À 20 mA, l’entrée consomme 250 × 0,020 = 5 V. Il reste 24 − 12 − 5 = 7 V pour le câble, soit au plus 7 / 0,020 = 350 Ω aller et retour.
En câble 0,5 mm², un conducteur de cuivre fait environ 0,035 Ω par mètre, 0,07 Ω par mètre de boucle : la longueur permise dépasse 5 km. Ce n’est donc presque jamais le câble qui manque, c’est ce qu’on ajoute dans la boucle : un indicateur local de 250 Ω, une barrière de sécurité, un second enregistreur... et le budget fond.
Les fabricants calculent d’ailleurs avec 22 mAPour que le transmetteur puisse encore signaler un défaut haut (21 mA et plus), il doit disposer de sa tension jusque là. plutôt que 20.
Le symptôme d’un budget trop juste :
Tout va bien en bas d’échelle, puis la mesure plafonne vers 16 ou 18 mA, alors que le procédé continue de monter. Le transmetteur n’a plus assez de tension pour faire passer davantage d’intensité.
Dépanner une boucle
L’intensité lue est un diagnostic à elle seule :- 0 mA : boucle ouverte (fil coupé, borne desserrée), source absente, ou aucune source dans la boucle ;
- 3,6 mA et moins : le transmetteur signale un défaut, souvent son capteur ;
- 4 mA fixe : mesure réellement au minimum, ou plage mal réglée ;
- mesure qui plafonne : bilan de tension insuffisant ;
- 21 mA et plus : défaut signalé, ou court-circuit sur la ligne.
Mesurer sans ouvrir la boucle :
Ouvrir une boucle pour y insérer un multimètre fait tomber la mesure, et parfois déclenche une alarme ou un arrêt de procédé. Deux méthodes l’évitent :
- la pince milliampèremétrique, qui mesure au dixième de milliampère autour d’un seul conducteur ;
- les bornes de testCertains transmetteurs et borniers disposent de deux bornes shuntées par une diode : le multimètre en milliampères, branché dessus, présente une résistance bien plus faible que la diode et prend toute l’intensité, sans jamais ouvrir la boucle. prévues sur certains transmetteurs et borniers.
HART : le numérique dans le 4-20 mA
Le grand-père a appris à parler. Le protocole HART superpose au 4-20 mA un signal numérique : une petite oscillation de ± 0,5 mA, à 1 200 Hz pour un 1 et 2 200 Hz pour un 0.L’astuce est que cette oscillation a une valeur moyenne nulle : l’entrée analogique, qui lit la moyenne, ne la voit pas. La mesure 4-20 mA continue de circuler comme avant, et le numérique passe par-dessus, sur les deux mêmes fils.
Ce que HART apporte :
- régler la plage d’un transmetteur à distance, sans ouvrir son boîtier ;
- lire son diagnostic, sa température interne, son numéro de série ;
- transmettre des mesures secondaires.
Un mot sur le numérique : pourquoi 2 états ?
Pour transmettre une information, on peut utiliser plusieurs niveaux comme en analogique...Avec pour inconvénient un risque d'erreurEx : transmettre 6 niveaux : 0, 1 V, 2V, jusqu'à 5 Volts inclus engendre un risque d'erreur lié aux pertes dans le circuit : 3.5 V c'est quoi ? 3 ou 4 ? D'autant qu'aujourd'hui les µprocesseurs travaillent avec seulement ≃1 Volt... non négligeable...
Avec 2 états, le risque d'erreur diminue : le courant circule ou pas !
0 ou 1 : 0 Vols ou 5 Volt (par exemple pour les premiers circuits logiques en TTL).
Et pour aller plus loin, comme on peut le voir sur le schéma de droite, on créée une hystérésis : le seuil de passage de 0 vers 1Généralement de 60% à 70% de U nominal ; Soit ≃2/3 est supérieur à celui du passage de 1 vers 0Généralement de 30% à 40% de U nominal ; Soit ≃1/3
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