La boucle de courant 4 – 20 mA IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA L’ancêtre du réseau : La boucle de courant 4 – 20 mA et son évolution (HART)

IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA I) Historique Figure n°1 Poste de commande pneumatique d’une turbine à vapeur Avant les années 1950, les systèmes de commande pour les longues distances étaient souvent pneumatiques et utilisaient des compresseurs bruyants et encombrants de 20 à 50 ch pour le contrôle HVAC/R d’un bâtiment par exemple. HVAC/R : Heating, ventilation and Air Conditioning / Refrigeration Figure n°2 Régulateur PID pneumatique

IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA A partir des années 1950, les systèmes de contrôle électriques puis électroniques ont remplacé la technologie pneumatique. Les câbles électriques étant plus faciles à passer qu’une distribution pneumatique, cette technologie électronique permit de mettre en œuvre des algorithmes de contrôles beaucoup plus élaborés et complexes. Figure n°3 Salle de contrôle (1950) Figure n°3 Salle de contrôle (1960)

II) Objectifs à atteindre IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA II) Objectifs à atteindre Transmettre sur de longues distances, sans distorsion, les informations fournies par les capteurs. Être le plus insensible possible aux perturbations. La boucle de courant 4 – 20 mA Limiter le nombre de conducteurs électriques (alimentation et information). Plusieurs récepteurs peuvent exploiter la même information.

III) Tension ou courant ? IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA III) Tension ou courant ? Une transmission en tension présente les caractéristiques suivantes : facilité de mise en œuvre, distance franchissable faible en raison des chutes de tension dans les conducteurs, sensible aux bruits surtout si l’impédance d’entrée des récepteurs est élevée (pour augmenter la distance  I faible). Une transmission en courant présente les caractéristiques suivantes : facilité de mise en œuvre avec un coût légèrement supérieur, distance franchissable importante car les chutes de tension n’interfèrent pas dans la transmission de l’information, insensible aux perturbations.

IV) La boucle de courant IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA IV) La boucle de courant 4.1) Principe 4.2) Fonctionnement Alimentation du transmetteur Intervalle de mesures Hors fonctionnement 0 4 20 et au-delà mA

4.3) Les éléments de la boucle IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 4.3) Les éléments de la boucle Transmetteur Assure la mesure à l’aide du capteur Transmetteur Capteur Convertit cette mesure en un courant de 4 mA à 20 mA Alimentation Fournit le courant nécessaire dans la boucle. Les valeurs courantes de cette alimentation continue sont : 36, 24 ou 12 V Conducteurs Assurent la continuité de la boucle de courant MAIS créent une chute de tension fonction du courant qui circule. Récepteur Convertit le courant de boucle en tension puis traite l’information reçue (la résistance de précision crée aussi une chute de tension fonction du courant qui circule).

4.4) Avantages Coût d’installation relativement faible IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 4.4) Avantages Coût d’installation relativement faible 2 conducteurs suffisent avec une alimentation continue Quasiment insensible aux bruits électriques et électromagnétiques Capacité de transporter des signaux analogiques sur de longues distances « sans » problème de chutes de tension dans les conducteurs Plusieurs récepteurs peuvent être placés dans la boucle pour exploiter la même information.

American Wire Gauge (AWG) IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA V) Mise en œuvre 5.1) Caractéristiques du transmetteur Le transmetteur doit disposer d’un potentiel minimum à ses bornes UT min pour fonctionner correctement (fournir un courant de 4 à 20 mA). L’impédance de sortie doit être très élevée (M) pour réduire la sensibilité du récepteur aux bruits. Transmetteur Capteur UT min 5.2) Les conducteurs American Wire Gauge (AWG) Section (en mm²) Ø (en mm) Ohms per 1000 feet 14 2,08 1,63 2,525 16 1,31 1,29 4,016 18 0,823 1,02 6,385 20 0,518 0,812 10,15 22 0,326 0,644 16,14 24 0,205 0,511 25,67 1 foot = 30,48 cm (feet pluriel de foot) résistance pour un conducteur en cuivre à une 20 °C.

5.3) Caractéristiques du récepteur IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 5.3) Caractéristiques du récepteur Le récepteur, avec sa résistance de précision de 250  va créer une tension UR max = 250x0,02= 5V à ses bornes La valeur des résistances varie entre 100 et 750  en fonction des applications. UR max 20 mA 5.4) Modèle électrique de la boucle

5.5) Exemple de validation IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 5.5) Exemple de validation Distance entre transmetteur et récepteur de 2000 pieds Conducteur de type AWG 24 U T min = 8V V_ALIM = 24V

Les conditions de fonctionnement sont remplies. IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA U T min = V_ALIM – U R1 max – U R2 max – U R max U R max = 250 x I max = 250 x 20 mA = 5V U R1 max = U R2 max = I max x 2000 x (25,67/1000) = 0,02 x 51,34 = 1,03 V  U T min = 24 – 2 x 1,03 – 5 = 16,94 V Les conditions de fonctionnement sont remplies.

VI) Problème 6.1) Les boucles de masse IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA VI) Problème 6.1) Les boucles de masse Les boucles de masse sont créés lorsque deux appareils connectés dans un circuit sont à des potentiels de terre différents. Cette différence permet au courant de circuler, ce qui peut produire des erreurs de décalage (tension). Terre Terre

6.2) Les boucles de masse : résolution IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 6.2) Les boucles de masse : résolution Afin d’éviter le problème des tensions de décalage, il suffit d’isoler les masses de la terre. (voir http://www.ni.com/white-paper/3394/fr ) Terre Terre Masse

6.3) Tension de mode commun IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 6.3) Tension de mode commun La tension de mode commun est la tension présente sur les deux entrées (positive et négative) d'un amplificateur d'instrumentation dont la sortie est : VS = Gd (V+ - V-) + Gmc (V+ - V-) / 2 avec Gd le gain en mode différentiel et Gmc le gain en mode commun. Outre le fait que la mesure sera faussée par ce mode commun, de nombreux dispositifs d'acquisition de données ont une plage d'entrée maximale de ± 10 V. Si le périphérique d'acquisition de données n'a pas d'isolement et la tension de mode commun est hors de la plage d'entrée maximale, vous risquez d'endommager l'appareil.

 6.4) Sensibilité au bruit IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 6.4) Sensibilité au bruit Bruit : - perturbation en tension captée par la boucle, - variation de l’alimentation de la boucle. 

 Erreur négligeable (car ZS élevée) IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA Influence de Vp sur la mesure ? (superposition) UR = Vp x R3 / ( R1 + ZS + R2 + R3 ) pont diviseur de tension Si Vp = 20V avec R1=R2=40  et ZS= 4 M U R = 20 x 250 / (2 x 40 + 250 + 4 x 106) = 1,25 mV d’erreur pour 1V ≤ UR ≤ 5V respectivement pour 4 mA ≤ IR ≤ 20 mA soit une erreur de 0,125 % pour 1V si IR = 4 mA !!  Erreur négligeable (car ZS élevée)

VII) Evolution : le HART IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA VII) Evolution : le HART HART : Highway Addressable Remote Transducer (versions HART 5, 6 et 7) 7.1) Pourquoi une évolution de la boucle de courant Possibilité de configurer un appareil sans avoir à le débrancher de la boucle. Etendre les possibilités d’informations (états du capteurs, mode diagnostic, calcul ou mesure de valeurs complémentaires)

2 canaux de communication sur un même support IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 7.2) Principe Superposer au signal analogique un signal numérique de faible amplitude (1,1mA crête à crête), modulé en fréquence (FSK) : • 1 logique  f = 1200 Hz • 0 logique  f = 2200 Hz 2 canaux de communication sur un même support - canal analogique (courant de 4-20mA) - canal numérique bidirectionnel (modulation FSK).

Réseaux de type Maître/Esclave : IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 7.3) Communication Réseaux de type Maître/Esclave : Débits : 1200 bit/s 7.4) Structure d’une trame Nb octets : 5 à 20 1 1 ou 5 1 à 3 1 1 2 0 à 253 1 Préambule Start ADDR [exp] COM BCNT [status] DATA Checksum octet = (FF)16 commande données somme de contrôle caractère de START uniquement dans la trame de réponse adresse source et destination extension (non utilisée) compteur d’octets (status+data)

7.5) Quelques applications HART IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA 7.5) Quelques applications HART Industrie agroalimentaire Vanne

Industrie pétrolière Débimètre IUT Soissons-Cuffies : module ARS3 La boucle de courant 4 - 20 mA Industrie pétrolière Débimètre