Pourquoi 4-20 mA ?

Qu'est-ce que 4-20 mA ?

La norme de signal 4-20 mA DC (1-5 V DC) est définie par la Commission électrotechnique internationale (CEI) et est utilisée pour les signaux analogiques dans les systèmes de contrôle de processus.

En général, le courant de signal pour les instruments et les compteurs est réglé sur 4-20 mA, 4 mA représentant le courant minimum et 20 mA représentant le courant maximum.

Pourquoi la sortie de courant ?

Dans les environnements industriels, l'utilisation d'un amplificateur de signal pour conditionner et transmettre des signaux sur de longues distances à l'aide de signaux de tension peut entraîner plusieurs problèmes. Premièrement, les signaux de tension transmis via des câbles peuvent être sensibles aux interférences sonores. Deuxièmement, la résistance distribuée des lignes de transmission peut provoquer des chutes de tension. Troisièmement, alimenter l’amplificateur de signal sur le terrain peut s’avérer difficile.

Pour résoudre ces problèmes et minimiser l’impact du bruit, le courant est utilisé pour transmettre des signaux car il est moins sensible au bruit. La boucle de courant 4-20 mA utilise 4 mA pour représenter le signal zéro et 20 mA pour représenter le signal à pleine échelle, avec des signaux inférieurs à 4 mA et supérieurs à 20 mA utilisés pour diverses alarmes de défaut.

Pourquoi utilisons-nous 4-20 mA DC (1-5 V DC) ?

Les instruments de terrain peuvent mettre en œuvre un système à deux fils, dans lequel l'alimentation et la charge sont connectées en série avec un point commun, et seuls deux fils sont utilisés pour la communication du signal et l'alimentation entre le transmetteur de terrain et l'instrument de la salle de contrôle. L'utilisation d'un signal de 4 mA CC comme courant de démarrage fournit un courant de fonctionnement statique au transmetteur et le réglage du point zéro électrique à 4 mA CC, qui ne coïncide pas avec le point zéro mécanique, permet de détecter des défauts tels que des pertes de puissance et des ruptures de câble. . De plus, le système à deux fils convient à l'utilisation de barrières de sécurité, contribuant ainsi à la protection contre les explosions.

Les instruments de la salle de contrôle utilisent une transmission de signaux parallèles à la tension, où les instruments appartenant au même système de contrôle partagent un terminal commun, ce qui le rend pratique pour le test, le réglage, les interfaces informatiques et les dispositifs d'alarme des instruments.

La raison pour laquelle on utilise 4-20 mA CC pour la communication des signaux entre les instruments de terrain et les instruments de la salle de contrôle est que la distance entre le terrain et la salle de contrôle peut être importante, conduisant à une résistance de câble plus élevée. La transmission de signaux de tension sur de longues distances peut entraîner des erreurs importantes en raison de la chute de tension provoquée par la résistance du câble et la résistance d'entrée de l'instrument récepteur. L'utilisation d'un signal source de courant constant pour la transmission à distance garantit que le courant dans la boucle reste inchangé quelle que soit la longueur du câble, garantissant ainsi la précision de la transmission.

La raison de l'utilisation d'un signal 1-5 V CC pour l'interconnexion entre les instruments de la salle de contrôle est de faciliter la réception par plusieurs instruments du même signal et de faciliter le câblage et la formation de divers systèmes de contrôle complexes. Si une source de courant est utilisée comme signal d'interconnexion, lorsque plusieurs instruments reçoivent le même signal simultanément, leurs résistances d'entrée doivent être connectées en série. Cela dépasserait la capacité de charge de l'instrument émetteur et les potentiels de masse des signaux des instruments récepteurs seraient différents, introduisant des interférences et empêchant une alimentation électrique centralisée.

L'utilisation d'un signal source de tension pour l'interconnexion nécessite de convertir le signal de courant utilisé pour la communication avec les instruments de terrain en un signal de tension. La méthode la plus simple consiste à connecter une résistance standard de 250 ohms en série dans le circuit de transmission de courant, convertissant 4-20 mA DC en 1-5 V DC. Généralement, cette tâche est accomplie par un émetteur.

Ce diagramme utilise une résistance de 250 ohms pour convertir le signal de courant 4-20 mA en un signal de tension 1-5 V, puis il utilise un filtre RC et une diode connectée à la broche de conversion AD du microcontrôleur.

« Ci-joint un schéma de circuit simple pour convertir un signal de courant 4-20 mA en un signal de tension :

Pourquoi l'émetteur est-il sélectionné pour utiliser un signal CC 4-20 mA pour la transmission ?

1. Considérations de sécurité pour les environnements dangereux : La sécurité dans les environnements dangereux, en particulier pour les instruments antidéflagrants, nécessite de minimiser la consommation d'énergie statique et dynamique nécessaire au fonctionnement de l'instrument. Les émetteurs qui émettent un signal standard 4-20 mA CC utilisent généralement une alimentation 24 V CC. L'utilisation de la tension continue est principalement due au fait qu'elle élimine le besoin de grands condensateurs et inducteurs et se concentre sur la capacité et l'inductance distribuées des fils de connexion entre l'émetteur et l'instrument de la salle de contrôle, qui sont bien inférieures au courant d'allumage de l'hydrogène gazeux.

2. La transmission par source de courant est préférable à la source de tension : dans les cas où la distance entre le terrain et la salle de contrôle est considérable, l'utilisation de signaux de source de tension pour la transmission peut introduire des erreurs importantes en raison de la chute de tension provoquée par la résistance du câble et l'entrée. résistance de l’instrument récepteur. L'utilisation d'un signal source de courant pour la transmission à distance garantit que le courant dans la boucle reste constant, quelle que soit la longueur du câble, maintenant ainsi la précision de la transmission.

3. Le choix de 20 mA comme courant maximum : Le choix d'un courant maximum de 20 mA est basé sur des considérations de sécurité, de praticité, de consommation d'énergie et de coût. Les instruments antidéflagrants ne peuvent utiliser qu'une basse tension et un faible courant. Le courant 4-20 mA et le 24 V CC peuvent être utilisés en toute sécurité en présence de gaz inflammables. Le courant d'allumage de l'hydrogène gazeux avec 24 V CC est de 200 mA, nettement supérieur à 20 mA. De plus, des facteurs tels que la distance entre les instruments du site de production, la charge, la consommation électrique, les exigences en matière de composants électroniques et les exigences en matière d'alimentation électrique sont pris en compte.

4. Le choix de 4 mA comme courant de démarrage : la plupart des émetteurs produisant 4 à 20 mA fonctionnent dans un système à deux fils, où l'alimentation et la charge sont connectées en série avec un point commun, et seuls deux fils sont utilisés pour la communication du signal. et l'alimentation électrique entre l'émetteur de terrain et l'instrument de la salle de contrôle. Le choix d'un courant de démarrage de 4 mA est indispensable au fonctionnement du circuit émetteur. Un courant de démarrage de 4 mA, ne coïncidant pas avec le point zéro mécanique, fournit un « point zéro actif » qui permet d'identifier les défauts tels que les pertes de puissance et les ruptures de câble.

L'utilisation de signaux 4-20 mA garantit un minimum d'interférences, de sécurité et de fiabilité, ce qui en fait la norme largement adoptée dans les applications industrielles. Cependant, d'autres formats de signal de sortie, tels que 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5 V et 0-10 V, sont également utilisés pour mieux gérer les signaux des capteurs et prendre en charge divers systèmes de contrôle.