Principes de base, conception de système et configuration des boucles de courant de 4 à 20 mA

Principes de base des boucles 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 à haute impédance d’entrée 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 atteindre l’autre extrémité comme le montre la figure 1.

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 le montre la figure 2.

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 doit mesurer la pression.
• Le transducteur se trouve à 2000 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 sur les mesures du transducteur.

Cet exemple commence par déterminer quel type de transducteur est approprié pour l’application.

Choisir un transducteur
La première étape dans la conception d’un système de boucle de courant consiste à sélectionner un transducteur. Au-delà du type de mesure (flux, pression, température, etc.), il est important de tenir compte de la tension de fonctionnement lors du choix d’un transducteur. 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.

Dans l’exemple de système de boucle de courant, 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 lorsque 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 électriquement la masse de la source du signal de la masse de l’amplificateur du périphérique d’acquisition de données, comme le montre la figure 4. Comme le courant ne peut pas traverser 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 créer par inadvertance 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 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 dépassent les +14 V de tension de mode commun. De nombreux 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. Même si la tension de mode normal de la figure 4 n’est que de +2 V avec un offset de +14 VCC, la tension résultante est de +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. Comme à la figure 4, la référence de masse de l’amplificateur peut être décalée pour correspondre à +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. Désormais, le périphérique d’acquisition de données ne risque plus d’être endommagé par une surtension. 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 chutes de tension combinées du système. 

Le périphérique d’acquisition de données de cet exemple utilise un shunt pour mesurer le courant. Vous devez calculer la chute 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 à 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 chute 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 puissance 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 de l’exemple, vous devez prendre en compte la distance de 2000 pieds (soit environ 610 mètres) pour le calcul de la puissance. Avec un fil de cuivre solide de calibre 24, la résistance interne est de 2,62 Ω tous les 100 ft (30 m) [1]. Le calcul de la résistance est alors :

À 2000 ft (soit 610 m), il y a une chute de 1,05 V sur le fil. Pour compléter la boucle, vous avez besoin de deux fils, doublant ainsi la longueur à 4000 ft (soit environ 1220 mètres) :

Au total, environ 2,1 V sont perdus le long des fils lorsque le transducteur de pression se trouve à 2000 pieds (soit environ 610 m) du périphérique d’acquisition de données. En tenant compte de toutes les chutes de tension, nous obtenons le résultat :

Si vous utilisiez une source d’alimentation de 17 V pour 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 vous le souhaitez, il y a suffisamment de tension pour placer le transducteur de pression à une plus grande distance.

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 devez seulement 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 la tension totale requise 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, la tension totale requise pour le système est donc :

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. De plus, grâce aux nouvelles normes et aux nouveaux types de transducteurs, vous pouvez étendre les capacités de mesure des infrastructures de la boucle de courant existante.

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 de répondre 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. Grâce à cette technologie, les applications industrielles d’automatisation et de contrôle peuvent activement surveiller et répondre aux situations en communiquant entre les instruments de terrain intelligents et les systèmes hôtes.

En savoir plus sur HART.

Pour les applications spécialisées telles que les débitmètres électromagnétiques, les transducteurs à 3 fils (type 3) et à 4 fils (type 4) sont également disponibles.

Les transducteurs de type 3 fournissent deux transducteurs en un. Ces transducteurs sont conçus et installés de la même manière que les transducteurs à 2 fils de ce white paper.

Les transducteurs de type 4 fournissent des connexions séparées pour les mesures de courant et de puissance. Comme les transducteurs à 4 fils découplent l’alimentation du système de mesure, il n’est plus nécessaire de prévoir une isolation sur le périphérique d’acquisition de données Un des inconvénients des transducteurs à 4 fils est que la source d’alimentation requiert une paire de câbles séparée qui doit être de la longueur du câblage. Par conséquent, de nombreuses applications placent la source d’alimentation à proximité des transducteurs.

En savoir plus sur les transducteurs de type 3 et de type 4. 

Les boucles de courant sont idéales dans les environnements industriels où d’importantes longueurs de câbles sont nécessaires ou un grand nombre 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 dispositifs de mesure de courant isolés sur différentes plates-formes pour répondre aux besoins de votre application. Les capacités d’isolation sont généralement mentionnées dans le catalogue en ligne de NI. Pour en savoir plus, veuillez consulter les spécifications du périphérique. Les options recommandées sont incluses dans les produits suivants : titlemodule d’entrée de courant de la série C (module d’E/S multifonctions PXI (matériel d’E/S multifonctions (options de mesure de courant (suivre le lien).

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