Une boucle 4-20mA se compose de

• Une alimentation de 24V qui produit au minimum 20mA par boucle. Dans l'industrie, on utilise des blocs d'alimentation permettant d'alimenter plusieurs boucles. Chaque boucle doit être limitée en courant (par exemple à 25mA). La tension fournie ne doit pas être stabilisée, mais il ne peut pas y avoir d'ondulation de secteur.

• Un capteur qui est alimenté par la boucle et qui modifie le courant. L'appareil de mesure doit pouvoir fonctionner sous 4mA. Le capteur agit comme source de courant variable.

• Un appareil de mesure (ou plusieurs), par exemple un milli-ampèremètre. Dans certains cas, l'appareil de mesure fournit lui-même le courant de la boucle (l'alimentation externe doit être éliminée), c'est par exemple le cas avec les appareils de mesure qui ont une alimentation propre (enregistreur ou indicateur à DEL)

Le terme "dry loop" (boucle sèche) provient du monde de la téléphonie. Un utilisateur pouvait louer une ligne sans alimentation (leased line). La "ligne humide" refère aux lignes téléphoniques normales (avec du courant sur la ligne), le terme "humide" provient des batteries utilisées à l'époque comme source de courant. On a alors appellé une ligne sans alimentation une ligne sèche. Il s'agissait de lignes physiques établies à demeure, mais qu'il fallait louer à l'opérateur de télécom.

La boucle sèche peut relier un capteur situé à distance à un appareil de mesure équipé d'une alimentation adaptée. La norme 4-20mA permet d'éliminer les défauts de la ligne (ou de les signaler s'il n'est pas possible de les corriger)

La boucle de courant 4-20mA a de nombreux avantages:

• Le capteur reçoit son alimentation de la boucle. Il ne faut donc pas d'alimentation séparée. Il existe également des boucles 10-50mA qui sont moins utilisées.

• La boucle permet de détecter les conditions d'erreur: cable coupé ou cours-circuité (courant inférieur à 4mA ou supérieur à 20mA, limité par la source de courant).

• Les pertes dans le cable sont compensées: une résistance de cable de 250Ω est tout à fait acceptable. La boucle est peu sensible aux parasites.

• L'utilisation est très souple: on peut par exemple placer plusieurs indicateurs dans la boucle (détecteurs de seuil (alarme), indicateur passif à aiguille, etc). De nombreux modules disposent d'une alimentation qui peut être mise en fonction ou non. L'alimentation peut également être fournie par le réseau 24-28V local (applications marines, etc).

Les boucles de courant sont également utilisées pour commander des appareils. Avec un courant de 4mA, le robinet est fermé, avec un courant de 20mA il est ouvert. Le robinet dispose évidemment de son alimentation propre, puisque le courant fourni ne suffit pas à commander la vanne. On peut programmer le robinet pour qu'il se mette dans une position sûre en cas de coupure de boucle. Une commande par tension ne permet pas au robinet de déterminer l'état de la ligne.

On a utilisé la boucle de courant pour d'autres applications, par exemple la radio-téléphonie (taxis aux Etas Unis). L'émetteur était situé sur le toit d'un bâtiment élevé tandis que l'entreprise de taxis avait son siège quelques bâtiments plus loin. Le poste de base lancait un courant de 5 ou 15mA sur la ligne (recevoir ou émettre) tandis que la parole était transmise par la modulation (comme en téléphonie classique). On pouvait passer à une seconde fréquence en changeant la polarité de la ligne. L'émetteur-récepteur situé sur le toit avait naturellement une alimentation propre.

La boucle de courant 4-20mA est présente partout, ce qui fait que des protocoles plus récents sont tous basés sur la présence d'une telle boucle. Le protocile HART (qui ajoute des fonctions numérique à la boucle qui est par définition analogique) est basé sur la présence d'une boucle en fonction. La boucle peut servir à transmettre une valeur de mesure, tandis que la communication numérique superposée permet par exemple de commander des relais.

Un indicateur utilisé pour mesurer une grandeur physique. Les valeurs en dessous de 4mA n'ont aucune signification et indiquent un défaut de boucle. La résistance de l'appareil est de 100Ω (bien en dessous de la valeur limite) et le fait qu'il s'agit d'une boucle 4-20mA est indiqué en bas à droite. Si on veut mesurer une autre grandeur physique, il suffit de remplacer le cadran (et le capteur, évidemment). L'indicateur étant passif, il faut une alimentation.

Une bouche de courant était également utilisée par certains circuits numériques (bouche à 60 et plus tard à 20mA). Cette connection permettait de relier des appareils sur plusieurs kilomètres, plus que la connection RS-232 qui est venue après. Les premiers micro-ordinateurs (l'IBM PC entre autre) pouvaient être équipés d'une telle boucle.

Voici à droite un convertisseur qui transforme la résistance d'un Pt100 en courant de 4 - 20mA (0°C = 4mA, 100°C = 20mA, cours-circuit du capteur = 1.5mA, capteur ouvert = 25mA), c'est la partie "sensor" du schéma au dessus de la page. Il suffit d'ajouter une alimentation, dont la tension à fournir dépend du nombre d'appareils de mesure à alimenter. Le convertisseur fonctionne parfaitement avec une tension de 5V: une boucle simple avec un seul appareil de mesure a assez avec une tension d'alimentation de 12V.

Le circuit a une entrée et une sortie: le Pt100 en entrée et la boucle en sortie. L'alimentation du convertisseur est prélevée sur le courant de boucle même.

On utilise deux LM10 qui ont une référence interne de 200mV qui peut être mise à toute les sauces. Je l'utilise pour produire un courant de mesure pour le Pt100 via la résistance de 220Ω. La tension étant de 200mV, le courant de mesure est donc de 0.91mA. Le transistor 2N6660 stabilise le courant. Il est possible d'éviter l'utilisation d'un transistor supplémentaire (l'ampli opérationnel est en mesure de fournir le courant demandé), mais le transistor me permet d'avoir une tension décalée, qui va être utilisée pour orriger l'offset.

Le vrai ampli opérationnel effectue la mesure. La tension aux broches de la résistance de 220Ω est constante, la tension à l'autre broche du Pt100 est donc une mesure de la température. Nous devons transformer la tension en courant: la tension aux bornes du capteur est comparée à la tension qui apparait sur la résistance de mesure de 10Ω. Plus la température augmente, plus la tension aux bornes de la résistance augmente et plus le courant augmente.

Le second 2N6660 est en fait une source de courant programmable. Il existe des convertisseurs n'utilisant pas de transistor, mais alors on est limité en ce qui concerne la tension d'alimentation qui ne peut pas dépasser les 12V (dissipation trop importante dans l'ampli opérationnel). Le LM10 a même été élaboré pour de telles applications, où on peut utiliser un thermocouple à la place de la thermistance.

La tension d'alimentation peut aller jusqu'à 24V (avec petit radiateur monté sur le transistor). Si la tension est encore plus élevée, on peut placer plusieurs transistors en parallèle: l'avantage des mosfet est qu'ils s'équilibrent automatiquement (des résistances d'émetteur ne sont donc pas nécessaires).

L'offset permet de régler un courant de 4mA pour une température de 0°C et le gain agit sur le courant maximal de 20mA à 100°C. Ce n'est pas un réglage idéal, if faut refaire plusieurs fois le réglage.

Si la résistance est en cours-circuit, le courant est limité au courant utilisé par les amplis, donc moins de 2mA, ce qui est une condition d'erreur évidente.

Le second ampli opérationnel permet de limiter le courant quand la température dépasse les 100° (ou en cas de capteur ouvert). Nous utilisons ici "normalement" la référence de 200mV pour mesurer le courant sur la résistance de charge de 10Ω. Si le courant dépasse les 25mA, l'ampli, opérationnel entre en action via la diode pour limiter le courant. Le courant de 25mA en cas de coupure est ici également une indication sûre d'une condition d'erreur.

Le circuit ci-dessus qui est un circuit de démonstration composé de composants discrets est fabriqué sous forme d'un petit module qui prend place dans la "boule" de la sonde thermométrique. Ce convertisseur est conçu pour les Pt100 fonctionnant entre 0 et 600°. Le convertisseur lui-même doit rester sous les 50°.

La sortie est une boucle 4..20mA. Le convertisseur nécessite une tension minimale de 7.5V pour fonctionner correctement. La tension d'alimentation maximale est de 36V.

Le second convertisseur à droite est programmable et peut être utilisé avec un Pt100, mais également avec un thermocouple. Le thermocouple est branché entre les points 4 (+) et 6 (-), le Pt100 utilise les branchements 3 et 6. S'il s'agit d'un cable à trois brins, on utilisera en plus la connection 5, et pour un cable à 4 brins on utilisera aussi la connection 4.

La programmation du convertisseur s'effectue via un ordinateur branché au connecteur spécifique.

La dernière photo montre un convertisseur de température non programmable utilisant un Pt100 (une résistance PTC qui a 100Ω à 0°). Le courant est de 4 à 20mA pour une température de 0 à 40°. Le branchement de la sonde se fait avec 2 ou 4 fils pour éliminber la résistance des fils de la sonde. L'alimentation se fait via les fils de mesure (voir circuit en haut de page).

Ci dessous un convertisseur standard Pt100 vers boucle de courant 4-20mA. Ces convertisseurs se retrouvent un peu partout dans l'industrie. On voit le transistor qui sert de source de courant et l'ampli opérationnel LM10 spécifique. Le montage utilisé ici correspond assez bien à mon schéma.

La boucle de courant est un protocole de communication standardisé. Ce protocole est analogique, comme par exemple la communication par radio (AM ou FM), mais la plupart des protocoles sont numériques comme le protocole RS-232.