Les principes de base des boucles de courant 4...20 mA

 
Le courant 4...20 mA est couramment utilisé pour connecter des signaux de processus à un contrôleur dans les applications industrielles. On utilise parfois un signal de tension analogique ou des communications numériques, mais l’utilisation d’une boucle de courant pour envoyer les valeurs de processus au contrôleur présente de nombreux avantages.

 

Dans cet article, nous examinerons de plus près les principes qui sous-tendent la norme industrielle des boucles de courant 4...20 mA.

 

Pourquoi utiliser le courant au lieu de la tension ?

Pour comprendre cela, nous avons d’abord besoin d’une compréhension fondamentale du courant, de la tension et de la résistance :

 

  • Courant : Le courant est un flux d’électrons dans un circuit. Un courant de 1 ampère équivaut à un débit de 6,24 x 10¹⁸ électrons par seconde. Pour mesurer le courant, ouvrez un circuit et insérez un ampèremètre dans le circuit. De cette façon, tous les électrons doivent passer par le compteur, assurant ainsi une mesure précise du courant.  

    Unité de mesure : ampère, symbole : A.

  • Résistance : La résistance est l’opposition à la circulation du courant. Si la résistance augmente, le flux de courant diminue. Pour mesurer la résistance, déconnectez du circuit le composant doté d’une résistance, puis utilisez un ohmmètre pour mesurer la résistance du composant.

    Unité de mesure : ohm, symbole : Ω.

  • Tension : La tension est la différence de charge électrique entre deux points d’un circuit. On observe une différence de charge électrique lorsque les électrons en un point sont à un niveau d’énergie différent de celui des électrons de l’autre point, ou lorsqu’il y a plus d’électrons du même niveau d’énergie en un point par rapport à l’autre point. Une différence de charge électrique de 1 V est suffisante pour faire passer un courant de 1 A à travers une résistance de 1 Ω. Pour mesurer la tension, connectez le voltmètre en parallèle en deux points d’un circuit.

    Unité de mesure : tension, symbole : V.

 

La loi d’Ohm définit comment le courant, la tension et la résistance sont reliés entre eux dans un circuit :

 

  • Courant = Tension/Résistance
  • Tension = Courant x Résistance
  • Résistance = Tension/Courant

 

Pour illustrer la loi d’Ohm, nous observerons une pile AA typique :

 

 

La charge à la borne gauche (point A) est négative par rapport à la charge à la borne droite (point B). Dans cette batterie, la différence de charge (la tension) est de 1,5 V.

 

Lorsqu’un circuit est connecté à la batterie, il crée un chemin pour que le courant puisse circuler de la borne positive vers la borne négative. La lampe du circuit suivant a une résistance de 5 Ω. Cette résistance régule la quantité de courant qui circule dans le circuit.

 

 

Courant = Tension/Résistance ; le courant circulant dans la boucle est donc de 1,5 V /5 Ω = 0,3 A.

 

L’intensité du courant peut être modifiée en changeant la résistance ou la tension de la boucle. La plupart des boucles de courant utilisées dans les applications industrielles sont alimentées par une source fixe de 24 V, de sorte que le courant de boucle soit modifié en faisant varier l’opposition au flux de courant sur la boucle.

 

Le transmetteur de boucle

Le transmetteur de boucle mesure une variable de processus et règle le courant de boucle entre 0,004 et 0,02 A, (4 mA-20 mA), en faisant varier l’opposition au courant de la boucle. Les transmetteurs de boucle peuvent mesurer presque toutes les variables de processus, par exemple la température, la pression, le niveau ou le débit.

 

Dans l’exemple ci-dessous, un transmetteur de boucle mesure un capteur de température. Le transmetteur est programmé pour réguler le débit du courant de boucle entre 4...20 mA lorsque la température varie de 0-100°C.

 

 

 

Un contrôleur de processus est également branché afin de mesurer le courant de boucle. Le symbole de résistance dans ce dessin représente le contrôleur ; la plupart ont une résistance fixe de 250 Ω. Le fil de la boucle lui-même est également doté d’une certaine résistance ; celle-ci devrait être prise en compte lors du calcul du total toléré de la boucle (plus loin dans ce chapitre).

 

Dans un circuit en série, le courant est commun. C’est pourquoi le courant de boucle régulé par le transmetteur et le courant mesuré par le contrôleur sont identiques.

 

Interférence électromagnétique

Afin d’assurer des mesures de processus précises, il est important de minimiser les erreurs causées par les interférences électromagnétiques (IEM). On retrouve couramment les IEM dans les environnements industriels. Elles proviennent des sources suivantes : variateurs électroniques de vitesse, démarreurs progressifs, contacteurs de ligne, radios mobiles, bruit 50/60 Hz émanant du réseau électrique, bagues collectrices de générateur, collecteurs de moteur à courant continu et décharge électrostatique créée au sein du processus ou par la foudre (vous trouverez plus d’informations à ce sujet ici).

 

Les signaux de courant sont intrinsèquement plus insensibles aux interférences électromagnétiques que les signaux de tension, notamment sur de longues distances. Il s’agit là de l’un des grands avantages de l’utilisation du courant au lieu de la tension pour transmettre les mesures de processus à un système de contrôle. Voici les autres raisons pour lesquelles la boucle de courant 4...20 mA est une référence largement établie pour l’utilisation dans le contrôle de processus :

 

  • Les signaux de tension s’atténuent légèrement sur de longues distances en raison de la résistance du fil. Ceci est particulièrement problématique si le niveau du signal est faible (par exemple : sorties mV des capteurs de pesage). Contrairement aux signaux de tension, les signaux de courant 4...20 mA ne s’atténuent pas sur une longue distance (dans certaines limites). Peu importe si le capteur de processus est séparé du régulateur de 5 m, 100 m ou plus. Le flux de courant régulé par le transmetteur est correct et identique à tous les niveaux de la boucle de courant.
  • Un fil rompu sur une boucle de courant génère un courant de 0 mA. Un contrôleur peut facilement considérer ce niveau de courant anormalement bas comme une erreur de fil. Si des signaux de tension sont utilisés, un fil rompu peut agir comme une antenne, ce qui permet aux interférences électromagnétiques locales d’induire une tension sur les fils de signal. Il est donc plus difficile de détecter une rupture de fil si le contrôleur mesure la tension.
  • Vous pouvez programmer la plupart des transmetteurs de courant pour réguler le courant à un niveau anormalement élevé ou bas si le capteur tombe en panne. Par exemple, le transmetteur peut réguler le courant de boucle à 3,5 ou 23 mA si le capteur du thermocouple se casse.

 

Total toléré de la boucle

Dans l’exemple précédent, le transmetteur régule le flux de courant sur une boucle alimentée en 24 V en intégrant le contrôleur dans la boucle.

 

À présent, si nous ajoutons un enregistreur graphique à la boucle, nous devons déterminer si la boucle fonctionne toujours correctement avec la résistance supplémentaire de 350 Ω. Pour ce faire, nous devons calculer le total toléré de la boucle.

 

 

Comment établir un total toléré de la boucle :

tout d’abord, nous devons déterminer le courant maximum dans la boucle. Dans cet exemple, le transmetteur est configuré pour élever le courant de boucle à 23 mA en cas d’erreur du capteur. La valeur maximale du courant dans la boucle est donc de 0,023 A.

La loi d’Ohm stipule : Tension = Courant x Résistance. Par conséquent :

 

  • La tension requise pour la boucle du contrôleur est : 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
  • La tension requise pour la boucle de l’ enregistreur est de 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

 

La fiche technique du transmetteur indique qu’il requiert au moins 8 V pour se mettre sous tension.

 

Enfin, la longueur du fil doit être prise en compte. Dans cet exemple, la distance entre l’émetteur et le contrôleur/enregistreur graphique est de 40 mètres. La longueur totale du fil de la boucle est donc de 80 mètres. En supposant que l’on utilise des fils d’une section de 0,445 mm², la résistance totale de la boucle est de 10,7 Ω. En utilisant la loi d’Ohm : 0,023 A x 10,7 Ω = 0,25 V.

 

À présent, soustrayez toutes les chutes de tension de la source de tension de la boucle :

 

 

Tension de boucle 24 V
Tension requise par le contrôleur -5,75 V
Tension requise par l’enregistreur graphique -8,05 V
Tension nécessaire pour alimenter l’émetteur -8 V
Tension requise par la résistance du fil de boucle -0,25
Tension restante pour alimenter d’autres charges de boucle 1,95 V

 

Maintenant que le total toléré est calculé, nous savons que cette boucle a une tension plus que suffisante pour répartir 23 mA à travers toutes les charges de la boucle en cas d’erreur du capteur.

 

Protection par fusible

Il convient de toujours protéger la boucle du courant de court-circuit en y ajoutant un fusible. Ce fusible protège la boucle d’un courant excessif en cas de court-circuit contournant la régulation de courant 4...20 mA de l’émetteur. Si le fusible saute, le courant de boucle chute à 0 mA ; le régulateur et l’enregistreur graphique détectent alors cette valeur de courant anormalement faible comme une erreur.

 

 

Émetteurs 2 fils vs émetteurs 4 fils

Les émetteurs dont il a été question jusqu’à présent étaient des émetteurs dits « bifilaires ». Un transmetteur 2 fils est alimenté par la boucle, c’est pourquoi on l’appelle parfois transmetteur « alimentation de boucle ».

 

Quelques avantages des transmetteurs 2 fils :

 

  • Aucun câble d’alimentation séparé n’est nécessaire dans l’installation
  • Coûts réduits
  • Ils peuvent être placés dans la tête du capteur (c’est-à-dire très près du capteur)
  • Ils ont une très faible consommation d’énergie

 

Cependant, selon vos besoins, les émetteurs 4 fils peuvent s’avérer être un meilleur choix.

 

 

Dans cet exemple, la source de 24 V est connectée au transmetteur Une partie de sa puissance est utilisée pour alimenter directement le transmetteur, tandis qu’une puissance supplémentaire est utilisée pour alimenter la boucle de courant 4...20 mA.

 

Quelques avantages des émetteurs 4 fils :

 

  • II y a suffisamment de puissance disponible pour permettre d’autres caractéristiques du transmetteur, comme des sorties de contact et un affichage intégré
  • La puissance disponible est suffisante pour permettre un niveau plus élevé d’excitation du capteur ; par exemple, presque tous les transmetteurs pour le pesage sont en 4 fils, car chaque capteur de pesage nécessite généralement 10 V à 29 mA d’excitation
  • Les transmetteurs 4 fils peuvent être alimentés par une tension alternative ou continue, tandis que les transmetteurs alimentés par la boucle sont alimentés uniquement en tension continue.

 

Courant actif/passif

Les modules sur une boucle de courant sont actifs ou passifs. « Actif » dans ce contexte signifie que le module génère une source de tension qui alimente la boucle. Il ne peut y avoir qu’un seul appareil actif sur une boucle de courant. Les appareils « passifs » sont exactement le contraire : ils n’ont pas de source de tension propre et dépendent donc d’une source externe. Vous trouverez plus d’informations sur les signaux actifs/passifs ici (anglais).

 

 

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