Cours 13-14 - e-Learn Université Ouargla

L3 Instrumentation Pétrolière
S5
Instruments
Cours 13-14
Le standard 4-20 mA
Introduction
 Un signal électronique "analogique" est une tension ou un
courant dont l'intensité représente une certaine mesure
physique ou une quantité de commande. Un instrument est
souvent classé comme étant «analogique» par le simple fait
d'utiliser un signal analogique normalisé pour communiquer
des informations, même si la structure interne et la
conception de l'instrument peut être principalement de
nature numérique. Cela permet de distinguer ces
instruments de ceux qui font usage d'aucun des signaux
analogiques électroniques du tout (par exemple, sans fil ou
instruments à Fieldbus).
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Signaux de courant analogiques 4 à 20 mA
 En règle générale, une valeur de 4 milliampères de courant est égal à 0% de
l'échelle, une valeur de 20 milliampères de courant représente 100% de
l'échelle, et toute valeur de courant entre 4 et 20 mA représente un
pourcentage proportionnel entre 0% et 100%.
 Par exemple, si nous étions à étalonner un transmetteur de température 4-20
mA pour une plage de mesure de 50° à 250° C, nous pouvons relier les valeurs
de courant et de température sur un graphique comme celui-ci:
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Signaux de courant analogiques 4 à 20 mA
 Ainsi, les systèmes de contrôle industriels utilisent au moins deux signaux 4-20
mA: l'une pour représenter la variable de procédé (PV) et l'autre pour
représenter le signal de commande de l'organe de réglage (la «variable
manipulée» ou MV):
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La relation entre les signaux 4 - 20 mA au
variables d’instruments
 Le calcul de la valeur en milliampères équivalente à un pourcentage donné de la
portée du signal est assez facile. Compte tenu de la relation linéaire entre le
pourcentage du signal et milliampères, l'équation prend la forme de l'équation y
= m.x + b. Ici, y est le courant équivalent en milliampères, x est le pourcentage
désiré de signal, m est la portée de la plage de 4-20 mA (16 mA), et b est la
valeur de décalage, ou le "zéro réel" de 4 mA :
 Cette forme d'équation est identique à celle utilisée pour calculer les pressions
d’instruments pneumatiques (la norme de 3 à 15 PSI):
 La même relation mathématique valable pour toute la plage de mesure linéaire.
Étant donné un pourcentage de x de gamme, la variable mesurée est égale à:
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Exemple 1 : Transmetteur de débit
 Un transmetteur de débit est varié de 0 à 350 gallons par minute (GPM), sortie
4-20 mA, réponse directe. Calculer la valeur actuelle du signal à un débit de
204 GPM.
 Tout d'abord, nous convertissons la valeur du débit de 204 GPM en
pourcentage de la plage. Il s'agit d'une simple question de division, depuis la
plage de mesure de débit est basé sur zéro:
 Ensuite, nous prenons cette valeur en pourcentage et le traduire en une valeur
en milliampères en utilisant la formule précédemment indiquée:
 Par conséquent, l'émetteur doit émettre un signal de PV de 13,3 mA à un débit
de 204 GPM.
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Exemple 2 : Transmetteur de température
 Un transmetteur de température pneumatique est varié de 50 à 140 degrés Fahrenheit et
dispose d'un signal de sortie de 3-15 psi. Calculer la pression de sortie pneumatique si la
température est de 79°F.
 Tout d'abord, on convertit la valeur de la température de 79° dans une gamme de
pourcentage sur la base de la connaissance de l'étendue de la gamme de température
(140°-50°=90°) et à faible intervalle de valeurs (LRV=50°). Nous pouvons le faire en
manipulant la formule générale pour toute mesure linéaire à résoudre pour x:
 Ensuite, nous prenons cette valeur en pourcentage et le traduire en une valeur de
pression pneumatique utilisant la formule précédemment indiquée:
 Par conséquent, l'émetteur doit émettre un signal PV de 6,87 PSI à une température de
79° F.
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Sortie de commande à boucle de courant
 La forme la plus simple de 4-20 mA boucle de courant est du type utilisé pour
représenter la sortie d'un régulateur de processus, d'envoyer un signal de
commande à un organe de réglage. Ici, le contrôleur fournit à la fois l'énergie
électrique et régule le courant continu à l'élément de réglage, qui agit comme
une charge électrique. Pour illustrer cela, prenons l'exemple d'un contrôleur
envoie un signal 4-20 mA à un convertisseur de signal I/P (courant-pression),
ce qui entraîne alors une vanne de régulation pneumatique:
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Sortie de commande à boucle de courant
 Ce contrôleur spécifique dispose de deux écrans numériques, l'une pour la
variable de procédé (PV) et l'autre pour consigne (SP), avec un bargraphe pour
l'affichage de la valeur de sortie (Out). Un bouton-poussoir permet à
l'opérateur un moyen de basculer entre les modes automatique et manuel
(A/M), tandis que deux boutons-poussoirs fournissent des moyens pour
décrémenter et d'incrémenter soit la valeur de consigne (en mode automatique)
ou la valeur de sortie (en mode manuel).
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Transmetteur de boucle de courant à 4
fils (« auto-alimenté »)
 Les signaux à courant continu peut également être utilisé pour communiquer
des informations de mesure de processus d'émetteurs aux contrôleurs,
indicateurs, enregistreurs, alarmes et autres périphériques d'entrée. La forme la
plus simple de boucle 4-20 mA est celle où l'émetteur dispose de deux
terminaux pour les 4-20 fils de signaux mA pour se connecter, et deux autres
bornes où une source d'alimentation se connecte. Ces émetteurs sont appelés
«4 fils» ou auto-alimenté. Le signal de courant de l'émetteur est connecté aux
bornes de processus variables d'entrée du contrôleur pour compléter la boucle:
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Transmetteur de boucle de courant à 4
fils (« auto-alimenté »)
 En règle générale, les contrôleurs de processus ne sont pas équipés pour
accepter directement les signaux d'entrée milliampères, mais plutôt des signaux
de tension. Pour cette raison, nous devons raccorder une résistance de précision
aux bornes d'entrée pour convertir le signal 4-20 mA en un signal de tension
analogique normalisée que le contrôleur peut comprendre. Une gamme de
tension de 1 à 5 volts est standard, bien que certains modèles de contrôleur
utilisent différentes gammes de tension et nécessitent donc différentes valeurs
de résistance de précision. Si la plage de tension est 1-5 volts et la gamme
actuelle est 4-20 mA, la valeur de résistance de précision doit être de 250
ohms.
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Transmetteur de boucle de courant à 4
fils (« auto-alimenté »)
 Dans certaines installations, l'émetteur est alimenté par des fils supplémentaires
dans le câble à partir d'une source d'alimentation situé dans le même panneau
que le contrôleur:
 L'inconvénient évident de ce système est l'exigence de plus de deux
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conducteurs dans le câble. Plusieurs conducteurs du câble moyens seront de
plus grand diamètre et plus coûteux pour une longueur donnée. Les câbles à
plusieurs conducteurs, il faudra plus conduit électrique à intégrer dans, et tous
les panneaux de câblage devra contenir plus de borniers à mobiliser les
conducteurs supplémentaires.
Transmetteur de boucle de courant à 2
fils (« alimenté de la boucle »)
 Il est possible de transmettre l'énergie électrique et de communiquer des
informations analogiques au cours des deux mêmes fils à l'aide de 4 à 20 mA
CC, si nous concevons l'émetteur pour être alimenté par la boucle. Un
émetteur alimenté en boucle est relié à un contrôleur de processus de la
manière suivante:
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Transmetteur de boucle de courant à 2
fils (« alimenté de la boucle »)
 Au passé, les tranmetteurs industriels basés sur le courant ne
sont pas capables de fonctionner sur de si faibles niveaux
d'énergie électrique, et ainsi utilisé une norme de signal de
courant différente: de 10 à 50 milliampères CC.
Alimentations de boucle pour les transmetteurs ont varié à la
hausse de 90 volts pour fournir assez de puissance pour
l'émetteur. Les préoccupations de sécurité a fait la norme 1050 mA inadapté pour certaines installations industrielles,
moderne et circuits microélectroniques avec une
consommation réduite fait de 4-20 mA standard pratique
pour presque tous les types d'émetteurs de processus.
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Diagnostic des boucles de courant
 Peut-être la méthode la plus fondamentale de diagnostic
pour le dépannage des boucles de courant 4-20 mA
analogiques consiste à mesurer le courant et/ou tension
en différents points du circuit. Plusieurs types
d'instruments de test sont disponibles à cet effet.
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Utilisation des calibreurs des boucles
 Instruments de test électronique à usage spécial appelés calibreurs de boucle
sont fabriqués dans le but de diagnostic des boucles 4-20 mA. Ces instruments
polyvalents sont généralement capables de non seulement mesurer le courant,
mais aussi source de courant aux périphériques non alimentés en boucle, et
aussi de simuler le fonctionnement des transmetteurs 4-20 mA alimentés par la
boucle.
 Unité de calibration de boucle très populaire est le modèle 334A d’Altek.
L'illustration suivante montre comment ce calibreur serait utilisé pour mesurer
le courant dans une boucle en fonctionnement.

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Dans les exemples suivants illustrés, l'émetteur est supposé être un capteur de pression avec une échelle étalonnée
de 0 à 700 cm de colonne d'eau, 4-20 mA. PV de l'automate (variable de procédé) d'affichage est correctement
varié pour afficher de 0 à 700 aussi bien.
Utilisation des calibreurs des boucles
 Ici, la boucle de câblage est rompue à la borne négative de l'émetteur alimenté
par la boucle, et le calibreur connectés en série pour mesurer le courant. Si
cette boucle a une diode de test installé, le calibreur peut être connecté en
parallèle avec la diode pour réaliser la même fonction. Notez la polarité de test
du calibreur conduit en relation avec le circuit à tester: le calibreur agit comme
un dispositif non alimenté (une charge plutôt que comme une source), avec la
borne de boucle plus positive raccordé au fil du calibreur de test rouge et le
plus négatif terminal connecté au fil noir.
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Utilisation des calibreurs des boucles
 Le calibreur de boucle peut être utilisé comme une source d'un signal de 4 à 20
mA dans un instrument d'affichage pour tester la fonction de l'instrument de
façon indépendante. Ici, nous voyons le calibreur Altek utilisé comme une
source de courant pour envoyer un signal à 16,00 mA PV (variable de procédé)
d'entrée du contrôleur:
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