Pourquoi les équipements analogiques préfèrent-ils transmettre des signaux en 4~20 mA ?

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4-20 mA. Le système de signalisation DC (1-5 V DC) est la norme de transmission de signaux analogiques utilisée par le Comité électrotechnique international (IEC) dans les systèmes de contrôle de processus. Notre pays adopte également ce système de signaux standard international : les signaux transmis par les instruments sont en 4-20 mA.CC, tandis que les signaux reçus sont en 1-5 V.CC, c’est-à-dire un système de signaux utilisant une transmission par courant et une réception par tension. Pour les instruments de mesure en général, le courant de signal est de 4-20 mA, ce qui signifie qu’un courant minimal de 4 mA et un courant maximal de 20 mA sont utilisés. Lors de la transmission du signal, comme il y a également une résistance dans les conducteurs, si la transmission s’effectue en tension, une certaine chute de tension se produira à l’intérieur des conducteurs, ce qui entraînera des erreurs dans le signal reçu. C’est pourquoi on utilise généralement un signal de courant comme méthode de transmission standard pour les transmetteurs. I. Qu’est-ce que le système de signal 4~20 mA.DC (1~5 V.DC) ? Signal 4~20 mA.CA (1~5 V.CA) : norme de signaux analogiques pour les systèmes de contrôle de processus établie par la Commission électrotechnique internationale (CEI). Notre pays a commencé à adopter ce système de signaux normalisé international avec les instruments électriques de type DDZ-Ⅲ, où les signaux transmis par les instruments sont en 4~20 mA.DC, et les signaux de communication en 1~5 V.DC, c’est-à-dire un système de signaux basé sur la transmission de courant et la réception de tension. Principe de fonctionnement du circuit courant 4~20 mA : Sur le terrain industriel, l’utilisation d’un amplificateur de signal pour traiter le signal et assurer sa transmission sur de longues distances pose les problèmes suivants : premièrement, comme le signal transmis est un signal de tension, les lignes de transmission sont soumises aux interférences dues au bruit ； Deuxièmement, la résistance distribuée de la ligne de transmission provoque une chute de tension ； Troisièmement, la manière de fournir la tension de fonctionnement de l’amplificateur opérationnel sur site est également un problème. Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus et éviter l’impact du bruit associé, nous utilisons un courant électrique pour transmettre les signaux, car le courant n’est pas sensible au bruit. L’anneau de courant de 4 à 20 mA utilise 4 mA pour représenter le signal zéro et 20 mA pour représenter la pleine échelle du signal, tandis que les signaux inférieurs à 4 mA ou supérieurs à 20 mA servent à alerter en cas de diverses pannes. II. Quels sont les avantages du système de signal 4~20 mA.DC (1~5 V.DC) ? Les instruments de terrain peuvent fonctionner en système à deux fils : dans ce système, la source d’alimentation et la charge sont connectées en série, partageant un point commun, et la communication des signaux ainsi que l’alimentation entre le transmetteur de terrain et les instruments de la salle de contrôle s’effectuent uniquement avec deux fils. Comme le courant de départ du signal est de 4 mA.C, cela fournit au transmetteur un courant de fonctionnement statique. De plus, le zéro électrique de l’instrument est de 4 mA.C 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 contre les explosions. Les instruments de la salle de contrôle utilisent une transmission de signaux en parallèle de tension ; les instruments appartenant au même système de contrôle disposent d’une borne commune, ce qui facilite l’utilisation des instruments de mesure, des régulateurs, des ordinateurs et des dispositifs d’alarme, ainsi que le câblage. La raison pour laquelle des signaux de liaison de 4 à 20 mA en courant continu sont utilisés entre les instruments sur site et ceux de la salle de contrôle est que, du fait de la grande distance entre le site et la salle de contrôle, la résistance des câbles de connexion est élevée. Si l’on utilise des signaux de tension pour la transmission à distance, la division de la tension entre la résistance des câbles et la résistance d’entrée de l’instrument récepteur entraînerait de grandes erreurs. En revanche, en utilisant un signal provenant d’une source de courant constant pour la transmission à distance, tant que le circuit de transmission n’est pas ramifié, le courant dans le circuit ne varie pas en fonction de la longueur des câbles, ce qui garantit la précision de la transmission. Les signaux de liaison entre les instruments de la salle de contrôle utilisent une tension de 1 à 5 V.CC pour permettre à plusieurs instruments de recevoir le même signal, et pour faciliter le câblage ainsi que la création de divers systèmes de contrôle complexes. Si l’on utilise une source de courant comme signal de liaison, lorsque plusieurs instruments reçoivent le même signal, leurs résistances d’entrée doivent être connectées en série. Cela fait que la résistance de charge maximale dépasse la capacité de charge de l’instrument de transmission. De plus, les potentiels du terminal négatif du signal varient d’un instrument à l’autre, ce qui provoque des interférences, et il n’est pas possible d’assurer un alimentation unique et centralisée. Pour une liaison par signaux à source de tension, les signaux de courant utilisés pour communiquer avec les instruments sur site doivent être convertis en signaux de tension. La méthode la plus simple consiste à placer en série dans le circuit de transmission du courant une résistance standard de 250 Ω, afin de convertir 4–20 mA.CC en 1–5 V.CC. Généralement, c’est l’unité de distribution qui s’occupe de cette tâche. III. Pourquoi le transmetteur choisit-il 4~20 mA.DC comme signal de transmission ? 1. Tout d’abord, il s’agit des considérations de sécurité liées à l’utilisation sur site. La priorité en matière de sécurité réside dans l’utilisation d’instruments étanches aux étincelles, et cela repose sur le contrôle de l’énergie des instruments, afin de réduire au minimum la consommation d’énergie statique et dynamique nécessaire au fonctionnement normal de ces derniers. Transmetteur émettant un signal standard 4~20 mA.DC, dont la tension d’alimentation est généralement de 24 V.DC. La raison principale d’utilisation d’une tension continue est qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser des condensateurs et des inducteurs de grande capacité ; il suffit alors de prendre en compte la capacité et l’inductance distribuées des câbles de connexion entre le transmetteur et les instruments de la salle de contrôle. Par exemple, pour un câble de 2 mm2, la capacité distribuée est d’environ 0,05 μ/F/km ； Pour une ligne simple, l’inductance est d’environ 0,4 mH/km ； **Une valeur inférieure à celle de déclenchement de l’hydrogène est évidemment très avantageuse pour la protection contre les explosions. 2. Une source de courant est préférable à une source de tension pour la transmission de signaux, car lorsque la distance entre le site et la salle de contrôle est grande et que la résistance des câbles est élevée, l’utilisation d’un signal de tension pour la transmission à longue distance entraîne de grandes erreurs en raison de la répartition de la tension entre la résistance des câbles et la résistance d’entrée du dispositif de réception. En revanche, si un signal de courant est utilisé pour la transmission à longue distance, tant que le circuit de transmission n’a pas de branches, le courant dans le circuit ne varie pas en fonction de la longueur des câbles, ce qui assure la précision de la transmission. 3. Raison du choix d’une courant maximal de signal de 20 mA : Le choix d’un courant maximal de 20 mA est basé sur des considérations de sécurité, de praticité, de consommation d’énergie et de coût. Les instruments à étincelle sécurisée ne peuvent utiliser que des tensions et des courants faibles : une tension de 4 à 20 mA et une tension continue de 24 V. Cela est également sûr pour l’hydrogène inflammable ; pour l’hydrogène à 24 V en tension continue, le courant de détonation est de 200 mA, ce qui est bien supérieur à 20 mA. De plus, il faut prendre en compte la distance de connexion entre les instruments sur le site de production, la charge qu’ils supportent, ainsi que d’autres facteurs ； Il y a aussi les problèmes de consommation d’énergie et de coût, les exigences envers les composants électroniques, ainsi que les exigences en matière de puissance d’alimentation. 4. Raison du choix d’une courant de démarrage du signal de 4 mA : Les transmetteurs à sortie de 4 à 20 mA sont pour la plupart de type à deux fils, c’est-à-dire que la source d’alimentation et la charge sont connectées en série, partageant un point commun, et la communication du signal ainsi que l’alimentation entre le transmetteur sur site et les instruments de la salle de contrôle se font uniquement avec deux fils. Pourquoi le signal de départ n’est-il pas de 0 mA ? Cela repose sur deux points : d’une part, le circuit du transmetteur ne peut fonctionner sans une courant de fonctionnement statique ; le courant de départ du signal est de 4 mA en continu, ce qui n’est pas coïncident avec le zéro mécanique. Ce « zéro dynamique » permet d’identifier des pannes telles que une coupure de courant ou une rupture de connexion. IV. D’où vient le capteur 4~20mA ? La raison d’utiliser un signal de courant est qu’il est peu sujet aux interférences, et que la résistance interne de la source de courant est infinie ; la résistance des fils conducteurs en série dans le circuit n’affecte pas la précision, et il est possible de transmettre sur des centaines de mètres avec des câbles torsadés ordinaires. La raison d’utiliser un signal de courant est qu’il est moins susceptible d’être perturbé, car l’amplitude des tensions de bruit sur les sites industriels peut atteindre plusieurs volts, mais la puissance du bruit est faible ; par conséquent, le courant de bruit est généralement inférieur à quelques nA, ce qui entraîne des erreurs très faibles dans la transmission 4‑20 mA ； La résistance interne de la source de courant tend vers l’infini, et la résistance des conducteurs en série dans le circuit n’affecte pas la précision ; par conséquent, des centaines de mètres peuvent être transmis sur du câble torsadé ordinaire ； En raison de la haute impédance interne de la source de courant et de sa sortie à courant constant, il suffit de placer une résistance de 250 ohms entre la terre et le terminal de réception pour obtenir une tension de 0–5 V. L’avantage d’un récepteur à faible impédance d’entrée est que le bruit de courant d’entrée, de l’ordre du nA, ne génère qu’un bruit de tension très faible. La limite maximale de 20 mA est imposée en raison des exigences de sécurité anti-explosion : l’énergie des étincelles générées par l’ouverture et la fermeture du courant de 20 mA n’est pas suffisante pour enflammer le gaz. La limite inférieure n’est pas fixée à 0 mA afin de pouvoir détecter une rupture de circuit : en conditions normales de fonctionnement, la valeur est supérieure à 4 mA, mais lorsque le câble de transmission est coupé en raison d’une panne, le courant de boucle tombe à 0. On utilise souvent 2 mA comme valeur de détection de coupure de circuit. Un transmetteur à courant convertit une grandeur physique en une sortie de courant de 4 à 20 mA, et nécessite donc une source d’alimentation externe. Le cas le plus typique est celui où le transmetteur nécessite deux fils d’alimentation, ainsi que deux fils de sortie de courant, pour un total de 4 fils, ce qui donne ce qu’on appelle un transmetteur à quatre fils. Bien sûr, la sortie de courant peut partager le même câble que l’alimentation pour VCC ou GND, ce qui permet d’économiser un câble ; on parle alors de transmetteur à trois fils. En fait, on a peut-être remarqué que le courant 4-20 mA peut lui-même alimenter le transmetteur. Le transmetteur équivaut dans le circuit à une charge spéciale, dont la particularité est que le courant de consommation du transmetteur varie entre 4 et 20 mA en fonction de la sortie du capteur. L’indicateur doit simplement être connecté en série dans le circuit. Ce type de transmetteur ne nécessite que 2 fils d’alimentation, c’est pourquoi il est appelé transmetteur à deux fils. La limite inférieure de la norme pour le circuit de courant industriel est de 4 mA ; par conséquent, tant que l’on reste dans la plage de mesure, le transmetteur reçoit au moins 4 mA d’alimentation. Par conséquent, la sortie de signal 4-20 mA est généralement peu sujette aux interférences et fiable, ce qui explique pourquoi la sortie de puissance 4-20 mA en système à deux fils est largement utilisée dans l’industrie. Mais afin de traiter plus efficacement les signaux des capteurs, il existe actuellement d’autres formes de signaux de sortie : 3,33 MV/V ； 2MV/V ； 0-5V ; 0-10V, etc.