Un article pour comprendre les différences entre les systèmes à deux fils, à trois fils et à quatre fils des instruments de mesure
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Les systèmes à deux fils, à trois fils et à quatre fils dont parle aujourd’hui Yikongjun avec vous concernent les différences de principe de fonctionnement et de structure entre les divers transmetteurs dont la sortie est un signal de courant continu analogique, et non seulement les modes de connexion des transmetteurs. Tout d’abord, examinons leurs définitions. Système à deux fils : deux fils servent à la fois à transmettre l’alimentation électrique et le signal ; en d’autres termes, la charge issue du capteur et l’alimentation sont connectées en série. L’alimentation est introduite depuis l’extérieur et est connectée en série avec la charge afin de la faire fonctionner. Système à trois fils : un capteur à trois fils dispose d’une borne positive d’alimentation et d’une borne positive de sortie de signal séparées, mais elles partagent une borne COM. Système à quatre fils : deux fils pour l’alimentation et deux fils pour le signal. L’alimentation et le signal fonctionnent séparément. La nomenclature des systèmes à plusieurs lignes est apparue après l’invention du transmetteur à deux lignes. C’est le résultat de l’utilisation généralisée des amplificateurs électroniques dans les instruments ; l’amplification est essentiellement un processus de conversion d’énergie, ce qui nécessite une alimentation électrique. Ainsi, les premiers transmetteurs à quatre fils sont apparus ； En d’autres termes, deux fils sont chargés de l’alimentation électrique, tandis que les deux autres fils assurent la sortie du signal converti et amplifié (comme la tension, le courant, etc.). Cependant, de nombreux transmetteurs utilisent actuellement le système à deux fils. Voici une analyse détaillée des différences entre les différents types de transmetteurs à câble Différences entre les transmetteurs à différents systèmes de câblageI. Système à deux fils
Pour réaliser un transmetteur à deux fils, il est nécessaire de remplir simultanément les conditions suivantes :
1. V ≤ Emin – Imax·RLmax
La tension de sortie V du transmetteur est égale à la tension d’alimentation minimale prescrite, moins la chute de tension due au courant dans la résistance de charge et la résistance des conducteurs de transmission. 2. I ≤ Imin : Le courant de fonctionnement normal I du transmetteur doit être inférieur ou égal au courant de sortie du transmetteur. 3. P＜Imin(Emin-IminRLmax) La puissance de consommation minimale du transmetteur P ne doit pas dépasser la valeur indiquée dans l’équation ci-dessus, généralement < 90 mW. Dans l’équation : Emin = tension d’alimentation minimale ; pour la plupart des instruments, Emin = 24(1-5%) = 22,8 V, où 5 % représente la variation négative autorisée pour une alimentation de 24 V ； Imax=20mA ； Imin=4mA ； RLmax=250Ω+résistance du câble de transmission. Si le transmetteur répond aux trois conditions mentionnées ci-dessus par sa conception, une transmission en deux fils peut être réalisée. Le système à deux fils consiste en une connexion en série entre l’alimentation et la charge, avec un point commun ; la communication de signaux ainsi que l’alimentation entre le transmetteur sur site et les instruments de la salle de contrôle s’effectuent uniquement par deux fils, qui servent à la fois d’alimentation et de transmission de signaux. Les transmetteurs à deux fils disposent d’une tension de référence de 4 mA DC au point de départ du signal, ce qui fournit une tension de fonctionnement statique au transmetteur. De plus, le zéro électrique de l’instrument est également de 4 mA DC et ne coïncide pas avec le zéro mécanique. Ce « zéro dynamique » facilite la détection de pannes telles que des coupures de courant ou de câbles. De plus, le système à deux fils facilite l’utilisation de barrières de sécurité, ce qui est avantageux pour la sécurité anti-explosion. Figure 1 : Schéma de connexion d’un transmetteur à deux fils. Comme le montre la Figure 1, le transmetteur à deux fils est alimenté en 24 V DC, son signal de sortie est de 4-20 mA DC, et la résistance de charge est de 250 Ω. Le fil négatif de la source de 24 V présente le potentiel le plus bas ; il s’agit du fil commun du signal. Pour les transmetteurs intelligents, il est également possible d’ajouter sur le signal 4-20 mA DC un signal modulé FSK selon le protocole HART. II. Système à trois fils : Certaines usines de instruments, afin de réduire la taille et le poids du transmetteur, d’améliorer sa résistance aux interférences et de simplifier les connexions, passent de l’alimentation en 220 V CA à une alimentation en courant continu à basse tension. Par exemple, si l’alimentation provient d’une boîte de courant continu de 24 V, l’alimentation à basse tension crée les conditions nécessaires pour partager le fil négatif, ce qui donne naissance à des produits de transmetteurs au système à trois fils. Figure 2 : Schéma de câblage du transmetteur à trois fils. Comme le montre la figure 2, un transmetteur à trois fils utilise un fil pour le terminal positif d’alimentation, un autre fil pour le terminal positif de sortie de signal, et un même fil pour le terminal négatif d’alimentation et le terminal négatif de signal. Son alimentation est principalement de 24 V DC, le signal de sortie est de 4-20 mA DC avec une résistance de charge de 250 Ω, ou de 0-10 mA DC avec une résistance de charge de 0-1,5 kΩ ； Certains disposent également de signaux en mA et mV, mais la résistance de charge ou la résistance d’entrée varie en fonction du type de circuit de sortie. III. Système à quatre fils : En raison de la popularité et de l’utilisation du signal 4-20 mA DC (1-5 V DC), il est nécessaire, dans les systèmes de contrôle, d’unifier ce type de signal afin de faciliter les connexions. Cela exige que certains instruments ne faisant pas partie d’unités électriques, tels que ceux utilisés pour l’analyse en ligne, les mesures mécaniques ou électriques, puissent émettre des signaux de type 4-20 mA DC. Cependant, en raison de la complexité de leurs circuits de conversion et de leur consommation énergétique élevée, il est difficile de respecter les trois conditions requises pour la conception de transmetteurs à deux fils. Par conséquent, il n’est pas possible d’utiliser un système à deux fils ; il faut alors recourir à une alimentation externe pour créer des transmetteurs à quatre fils émettant des signaux de 4-20 mA DC. Figure 3 Schéma de câblage du transmetteur à quatre fils. Le transmetteur à quatre fils est représenté sur la figure 3 ; son alimentation électrique est généralement de 220 V CA, mais il existe aussi des modèles alimentés en 24 V DC. Le signal de sortie peut être de 4-20 mA DC avec une résistance de charge de 250 Ω, ou de 0-10 mA DC avec une résistance de charge de 0-1,5 kΩ ； Certains disposent également de signaux en mA et mV, mais la résistance de charge ou la résistance d’entrée varie en fonction du type de circuit de sortie. Dans les trois graphiques ci-dessus, c’est un signal de courant qui est envoyé au capteur de réception ; si une résistance RL est connectée en parallèle, alors c’est un signal de tension qui sera reçu. Comme on peut le voir à partir de la description ci-dessus, en raison des principes de fonctionnement et des structures différents des divers transmetteurs, différents produits sont apparus, ce qui détermine également les configurations de câblage en deux fils, trois fils ou quatre fils pour les transmetteurs. Pour les utilisateurs, le choix doit être fait en tenant compte des conditions réelles de l’organisation, telles que l’unification du système de signalisation, les exigences en matière de protection contre les explosions, les besoins des équipements de réception et les coûts d’investissement. Il convient de noter que les signaux 4-20 mA DC émis par les transmetteurs à trois ou quatre fils, en raison du principe et de la structure de leur circuit de sortie qui diffèrent de ceux des transmetteurs à deux fils, peuvent-ils être connectés au fil négatif d’une alimentation de 24 V dans une application ? Peut-on partager le même espace ? Il convient de faire attention à cela ; si nécessaire, des mesures d’isolement peuvent être prises, telles que l’utilisation de distributeurs ou de barrières de sécurité, afin de partager le même alimentation et la même terre avec les autres instruments et d’éviter toute interférence supplémentaire. Conversion entre système à deux fils et système à quatre fils : Si l’on veut transformer un transmetteur à quatre fils, dont le signal de transmission est de 0-10 mA DC, en un transmetteur à deux fils, le premier problème qui se pose est que sa courant de démarrage est nul. Lorsque le courant est nul, l’amplificateur électronique du transmetteur ne peut pas établir un point de fonctionnement, ce qui rend son fonctionnement normal difficile. Si l’on utilise une alimentation en courant continu et que l’on souhaite conserver les caractéristiques de courant constant du capteur, lorsque la résistance de charge du transmetteur se situe entre 0 et 1,5 kΩ, la résistance du bobinage de rétroaction en série est d’environ 2 kΩ. Lorsque la sortie est de 10 mA, la chute de tension sur ces deux éléments dépassera 24 V. En d’autres termes, avec une alimentation en 24 V DC et une charge de 0 à 1,5 kΩ, il est impossible de maintenir des caractéristiques de courant constant, et donc il n’est pas possible non plus d’utiliser une transmission en deux fils. Dans les années 70, une usine d’instruments a entrepris de transformer des transmetteurs à quatre fils fonctionnant en courant continu de 0-10 mA en transmetteurs à deux fils. La méthode consistait à améliorer le circuit du transmetteur existant et à augmenter la tension d’alimentation à 48 VDC, mais le courant de démarrage du transmetteur ne pouvait toujours pas être nul. Pour y remédier, on a utilisé un courant négatif afin de compenser le courant de sortie initial de 4 mA sur la résistance de charge. Mais de tels produits n’ont pas non plus pu être promus et mis en œuvre. S’il s’agit de passer d’un système à deux fils à un système à quatre fils, ce n’est absolument pas nécessaire ; de plus, c’est un recul technique.