Principes fondamentaux de la boucle de courant
Utiliser le courant pour transmettre les données du transducteur
Les transducteurs industriels utilisent communément les signaux de courant pour transmettre les données. Cela contraste avec la plupart des autres transducteurs, tels que les thermocouples et les jauges de contrainte résistives qui utilisent un signal de tension. Alors que les transducteurs de tension sont suffisants dans de nombreux environnements, les transducteurs de courant sont parfois préférés. Par exemple, l'inconvénient inhérent à l'utilisation de la tension pour transmettre les signaux dans un environnement industriel est la chute de tension le long des câbles en raison de la résistance du fil. Vous pouvez utiliser des périphériques haute impédance d'entrée élevée pour éviter la perte de signal. Cependant, ces périphériques sont sensibles aux bruits émis par les moteurs, les tapis roulants et les transmissions radio aux alentours.
La loi de Kirchhoff sur le courant définit que la somme des courants allant vers un point est égale à la somme des courants quittant ce point. En théorie, tout courant présent au début d'une boucle doit en atteindre l'autre extrémité comme la figure 1 le démontre.
Figure 1. Selon la loi de Kirchhoff, tout courant présent au début d'une boucle doit atteindre l'autre extrémité.
Une boucle de courant opère selon ce principe fondamental. Mesurer le courant en tout point le long d'une boucle produit le même résultat. En utilisant des signaux de courant et des périphériques d'acquisition de données d'impédance basse, les applications industrielles tirent avantage d'une meilleure immunité aux bruits et de plus grandes longueurs de câble de transmission.
Composants d'une boucle de courant
Les principaux composants d'une boucle de courant comprennent une source d'alimentation CC, un transducteur, un périphérique d'acquisition de données et des câbles les connectant en série comme la figure 2 l'illustre.
Figure 2. Système de boucle de courant
La source d'alimentation CC fournit le courant au système. Le transducteur régule le flux du courant à travers les câbles de 4 à 20 mA, 4 mA représentant le minimum d'échelle et 20 mA représentant le maximum d'échelle. Un signal de 0 mA signifie qu'il y a une rupture dans la boucle. Le périphérique d'acquisition de données mesure le flux de courant régulé. Une méthode efficace et précise de mesurer le courant est de placer une résistance shunt entre les voies de l'amplificateur du périphérique d'acquisition de données (figure 2) pour convertir le signal de courant en une mesure de tension, qui elle-même permet d’extrapoler la valeur physique du phénomène mesuré par le transducteur.
Pour mieux comprendre les boucles de courant, nous allons étudier la conception d’un tel système tout au long de ce white paper. Spécifications du système :
- Le transducteur a besoin de mesurer la pression.
- Le transducteur se trouve à 2 000 pieds (soit environ 610 m) du périphérique de mesure.
- Un périphérique d'acquisition de données de mesure du courant fournit à l'opérateur les informations de mesures du transducteur.
Cet exemple commence par déterminer quel type de transducteur est approprié pour l'application.
1. Concevoir un système de boucle de courant
Choisir un transducteur
La première étape dans la conception d'un système de boucle de courant est de sélectionner un transducteur. Au-delà du type de mesure (flux, pression, température, etc.), ce qui est important dans le choix du transducteur est la tension de fonctionnement. Une source de tension fournit l'alimentation au transducteur de courant, lui permettant de réguler le flux de courant qui passe dans les fils. Pour maintenir la fonctionnalité du transducteur, la tension fournie doit être au moins le minimum requis ; à l'inverse, fournir plus que la tension maximale spécifiée peut endommager le transducteur.
Pour le système de boucle de courant exemple, le transducteur choisi mesure la pression et a une tension de fonctionnement allant de 12 à 30 V. Avec le transducteur sélectionné, la mesure précise du signal de courant est requise pour fournir une représentation précise de la pression appliquée au transducteur.
Choisir un périphérique d'acquisition de données de mesure de courant
Un aspect important de la construction d'un système de boucle de courant est d'éviter les boucles de masse. Une méthode courante de prévention des boucles de masse avec un périphérique d'acquisition de données de mesure est l'isolation. Avec l'isolation, vous pouvez éviter les boucles de masse comme celle de la figure 3.
Figure 3. Boucle de masse
Les boucles de masse sont créées quand deux terminaux connectés dans un circuit ont des potentiels de masse différents. En raison de cette différence le courant circule dans l'interconnexion, ce qui peut produire des erreurs d'offset.
Isoler le périphérique d'acquisition de données est un moyen de séparer électroniquement la masse de la source du signal de la masse de l'amplificateur du périphérique d'acquisition de données, comme la figure 4 l'illustre. Comme le courant ne peut pas circuler à travers la barrière d'isolation, la référence de masse de l'amplificateur peut être au même potentiel que la masse de la source du signal. Ainsi, vous ne pouvez pas, par inadvertance, créer une boucle de masse.
Figure 4. Tension de mode normal et commun avec isolation
L'isolation évite aussi que les tensions de mode commun élevées n'endommagent les périphériques d'acquisition de données. La tension de mode de commun est la tension présente à la fois sur les entrées positives et négatives d'un amplificateur de mesure. Par exemple, les tensions sur les broches + et - du périphérique d'acquisition de données de la figure 4 sont en plus des +14 V de la tension de mode commun. Nombre de périphériques d'acquisition de données ont une gamme d'entrée maximale de ±10 V. Si le périphérique d'acquisition de données n'a pas d'isolation et que la tension de mode commun se trouve au-delà de la gamme d'entrée maximale, vous pouvez endommager le périphérique. Bien que la tension de mode normal dans la figure est uniquement de +2 V avec un offset de +14 VCC, la tension résultante est +16 V (la tension de mode normal est la différence de tension entre les broches + et – ; la tension de fonctionnement est l'addition de la tension de mode commun et de la tension de mode normal). Ce serait un niveau de tension dangereux pour un périphérique d'acquisition de données avec une tension de fonctionnement inférieure.
Avec l'isolation, la référence de masse de l'amplificateur est électriquement séparée de la masse à la terre. Comme à la figure 4, la référence de masse de l'amplificateur peut être décalée pour correspondre au +14 V. Augmenter la référence de masse de l'amplificateur à +14 V décale effectivement le signal mesuré de + 16 V à +2 V au niveau de l'amplificateur d'acquisition de données. Maintenant le périphérique d'acquisition de données ne court plus le risque d'être endommagé en raison d'une surtension. Veuillez remarquer que les isolateurs ont une tension de mode commun maximale qu'ils peuvent rejeter.
Avec le périphérique d'acquisition de données de mesure du courant isolé et protégé, trouver la bonne source d'alimentation est la dernière étape requise pour compléter un système de boucle de courant de base.
Choisir une source d'alimentation
Trouver quelle source d'alimentation répond le mieux à vos besoins est simple. Dans une boucle de courant, la source d'alimentation doit émettre une tension égale ou supérieure à toutes les pertes de tension combinées dans le système.
Le périphérique d'acquisition de données de cet exemple utilise un shunt pour mesurer le courant. Vous devez calculer la perte de tension à travers le shunt. Un shunt typique est de 249 Ω. Un calcul élémentaire avec une boucle de 4 à 20 mA montre que :
Avec ce shunt de 249 Ω, vous pouvez donc associer le courant à une gamme de 1 et 5 V, tension qui sera elle-même liée au signal du transducteur de pression.
Le transducteur de pression ci-dessus requiert une tension de fonctionnement minimale de 12 V avec un maximum de 30 V. Ajouter la perte de tension du shunt à la tension de fonctionnement du transducteur nous donne :
Cela suggère qu'une source d'alimentation de 17 V suffit. Cependant, la résistance interne du câble de la boucle de courant crée une charge supplémentaire sur la source d'alimentation.
Dans les applications où le transducteur est éloigné des instruments de mesure, vous devez prendre en compte la résistance du câble dans les calculs de l'alimentation de la boucle. Les fils de cuivre ont une résistance CC directement proportionnelle à leurs longueurs et diamètres (jauge). Pour le transducteur de pression du système exemple, vous devez prendre un compte la distance de 2 000 pieds (soit environ 610 mètres) pour le calcul de l'alimentation. Avec un fil de cuivre solide de 24 jauges, la résistance interne est de 2,62 Ω tous les 100 ft [1]. Le calcul de la résistance est alors :
À 2 000 ft (soit 610 m), il y a une perte de 1,05 V sur le fil. Pour compléter la boucle, vous avez besoin de deux fils, doublant effectivement la longueur à 4000 ft (soit environ 1220 mètres) :
Au total, 2,1 V sont approximativement perdus le long des fils quand le transducteur de pression se trouve à 2 000 pieds (soit environ 610 m) du périphérique d'acquisition de données. En tenant compte de toutes les pertes de tension, nous obtenons le résultat :
Si vous utilisez une source d'alimentation de 17 V pour alimenter la configuration précédente, la tension du transducteur serait inférieure au niveau de fonctionnement minimum du transducteur en raison de la résistance naturelle du fil et des exigences du shunt. Choisir une source d'alimentation courante de 24 V répond aux exigences en alimentation du système de transducteur de pression. Si désiré, il y aura même assez de tension pour placer le transducteur de pression à une distance plus importante.
Avec le transducteur, le périphérique d'acquisition de données, les longueurs de câbles et la bonne source d'alimentation, le système de boucle de transducteur de pression simple est complet. Pour les applications plus importantes, vous pouvez incorporer des mesures supplémentaires au système.
Ajouter des transducteurs et des instruments de mesure supplémentaires
Pour les applications plus importantes, vous pouvez ajouter des transducteurs et des instruments de mesure supplémentaires en parallèle à la source d'alimentation, comme illustré à la figure 5.
Figure 5. Ajouter des transducteurs supplémentaires
Comme vous ajoutez les boucles supplémentaires en parallèle, la tension de la source d'alimentation n'a pas besoin de changer ; vous avez seulement besoin de vous assurer qu'elle peut fournir le courant requis. Vous pouvez combiner différents types de transducteurs tant que la tension de chaque transducteur est compatible avec la source d'alimentation. Dans l'exemple précédent, tant que la tension de fonctionnement maximale du nouveau transducteur n'est pas inférieure aux 24 V de la source d'alimentation, vous pouvez ajouter ce transducteur en parallèle.
Parfois, vous pouvez avoir besoin de plusieurs périphériques d'acquisition de données pour mesurer le même signal. Pour ajouter un autre périphérique d'acquisition de données au même transducteur, vous devez placer ce nouvel instrument en série avec la boucle. Pour cet exemple, considérons que vous ajoutez un appareil de mesure de boucle de courant à indication numérique simple au périphérique d'acquisition de données existant, comme illustré à la figure 6.
Figure 6. Ajouter un instrument supplémentaire à un transducteur
À chaque fois que vous ajoutez un périphérique d'acquisition de données de mesure du courant en série avec le transducteur, vous devez recalculer le besoin en tension total pour vous assurer que les exigences en alimentation de la boucle correspondent toujours aux spécifications. Dans cet exemple, le nouvel ampèremètre utilise un shunt de 105 Ω :
Avec un shunt de 105 Ω, l'ampèremètre exige un maximum de 2.1 V, donc la tension totale requise pour le système est :
Comme l'ajout d'un ampèremètre supplémentaire porte la tension requise à seulement environ 21,2 V, la source d'alimentation de 24 V précédemment recommandée est toujours suffisante pour l'application.
Avec des calculs mineurs et du matériel supplémentaire, vous pouvez rapidement étendre un système de boucle de courant. Aussi, avec de nouvelles normes et de nouveaux types de transducteurs, vous pouvez étendre les capacités de mesure des infrastructures de la boucle de courant existante.
2. Boucles de courant : au-delà des fondamentaux
Les développements dans le domaine des signaux numériques ont élargi l'espace des applications des boucles de courant et fournissent des fonctionnalités supplémentaires à un système déjà peu coûteux et robuste.
Le Highway Addressable Remote Transducer (HART), développé par Rosemount Inc., est un protocole de signal numérique qui peut s'exécuter en même temps que les systèmes de boucle de courant. Avec le signal numérique, les transducteurs compatibles HART permettent des réponses à des commandes propriétaires pour effectuer certaines actions ou répondre avec un état, dépassant ce qui peut être fait avec un signal de courant pur allant de 4 à 20 mA. Avec cette technologie, les applications industrielles d'automatisation et de contrôle peuvent activement surveiller et répondre aux situations en communiquant entre instruments de terrain intelligents et systèmes d'hôte.
Pour les applications spécialisées telles que les débitmètres électromagnétiques, les transducteurs 3 fils (Type 3) et 4 fils (Type 4) sont aussi disponibles.
Les transducteurs Type 3 fournissent deux transducteurs en un. Ces transducteurs sont conçus et installés de la même manière que les transducteurs 2 fils de ce white paper.
Les transducteurs Type 4 fournissent des connexions séparées pour les mesures de courant et d'alimentation. Comme les transducteurs 4 fils découplent l'alimentation du système de mesure, le besoin d'isolation sur le périphérique d'acquisition de données n'existe plus. Un des inconvénients des transducteurs 4 fils est que la source d'alimentation requiert une paire de câble séparée qui doit être de la longueur du câblage. Par conséquent, de nombreuses applications placent la source d'alimentation prêt du transducteur.
En savoir plus sur les transducteurs Type 3 et Type 4.
3. Résumé
Les boucles de courant sont idéales dans les environnements industriels où d'importantes longueurs de câbles sont nécessaires ou de larges quantités d'interférences électromagnétiques existent entre le transducteur et le périphérique d'acquisition de données. Que ce soit pour l'automatisation des ateliers d'une usine ou pour effectuer des mesures sur le terrain, National Instruments propose une variété de périphériques de mesure de courant isolés sur différentes plate-formes pour répondre aux besoins de votre application.
Produits de mesure de courant de National Instruments
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Références
[1] http://www.radiolocman.com/shem/shem-cache.html?di=18899