2.3 Signal 4-20 mA et HART : zéro vivant, boucle deux fils et charge

Le signal analogique le plus répandu en instrumentation est le courant continu 4-20 mA. Le courant qui circule dans la boucle représente linéairement la mesure : 4 mA correspond à 0 % de l'échelle, 20 mA à 100 %, et toute valeur intermédiaire à un pourcentage proportionnel. La norme internationale qui définit ce signal (CEI 60381-1) est payante ; seul son objet est cité ici.

Trois raisons expliquent son succès. Un courant est le même en tout point d'une boucle série : il n'est pas affecté par la résistance des câbles ni par la chute de tension sur de longues distances, contrairement à une tension. Il transporte la mesure et l'énergie sur les mêmes deux fils, pour les transmetteurs alimentés par la boucle. Enfin, son zéro décalé sert d'alarme gratuite.

Le 4-20 mA et le 3-15 psi pneumatique sont dits à « zéro vivant » : leur plage commence à une valeur non nulle. Ce zéro vivant permet de distinguer un 0 % légitime d'un signal défaillant, par exemple un tube qui fuit ou un câble coupé.

— Tony R. Kuphaldt, Lessons in Industrial Instrumentation, § 13.1 (traduit)

Autrement dit, 0 mA ne signifie jamais « mesure à zéro » : c'est un défaut. Les systèmes de conduite surveillent les valeurs hors de la plage utile et déclenchent une alarme de défaut de ligne. La recommandation NAMUR NE 43 harmonise les niveaux de courant que les transmetteurs numériques utilisent pour signaler leur propre défaillance ; ses valeurs exactes figurent dans le document de l'association (non libre d'accès) et dans la notice de chaque appareil, qu'on consultera plutôt que de les retenir de mémoire.

La relation entre le pourcentage de la mesure et le courant est une droite : I (mA) = 4 + 16 × (valeur − LRV) ÷ (URV − LRV). La pente est de 16 mA pour 100 % de l'échelle, l'ordonnée à l'origine de 4 mA.

Exemple : transmetteur de pression réglé de 0 à 10 bar. À 2,5 bar (25 %), le courant est de 4 + 16 × 0,25 = 8 mA. À 7,5 bar, il vaut 4 + 16 × 0,75 = 16 mA. Réciproquement, un courant de 14 mA correspond à (14 − 4) ÷ 16 = 62,5 % de l'échelle, soit 6,25 bar.

Chaque appareil de la chaîne doit être réglé sur la même échelle : si le transmetteur est réglé de 0 à 10 bar et que l'affichage en salle de contrôle est paramétré de 0 à 16 bar, la mesure affichée est fausse même si tous les appareils sont en parfait état. Cet accord n'est jamais automatique : le technicien l'établit, appareil par appareil. Un exemple : chaîne thermocouple, transmetteur, résistance de 250 Ω, afficheur. L'afficheur reçoit de 1 à 5 V et doit être gradué de la même plage de température que celle réglée au transmetteur.

Un transmetteur « deux fils » (alimenté par la boucle) reçoit son énergie et transmet sa mesure sur la même paire de conducteurs. Il se comporte comme une charge qui règle le courant de la boucle sans le produire : une alimentation externe, souvent de 24 V continus, fournit l'énergie, et le transmetteur limite le courant à la valeur représentative de la mesure.

Les contraintes sont strictes : l'appareil doit fonctionner avec moins de 4 mA et une tension modeste à ses bornes. Avec une alimentation de 24 V et une résistance de 250 Ω en bout de boucle (5 V de chute à 20 mA), il reste au moins 19 V au transmetteur. Chaque ohm de câble ou de résistance supplémentaire retire des volts à ce budget. Exemple : 2 × 100 Ω de câble ajoutent 4 V de chute à 20 mA, il ne reste alors que 15 V. Si la fiche technique exige davantage, le transmetteur ne tient plus la valeur à 20 mA : la mesure plafonne.

Quand un appareil consomme trop de puissance (analyseur, par exemple), on passe à un transmetteur « quatre fils », dont l'alimentation est séparée du signal. On distingue encore, pour ces derniers, les sorties actives (qui fournissent le courant) et passives (qui le laissent circuler), ce qui change le câblage : mal repérer le type, c'est une boucle qui ne démarre pas.

Le protocole HART superpose une communication numérique au courant 4-20 mA. Le signal analogique continue de circuler normalement ; la couche numérique, qui utilise deux fréquences audio (1 200 Hz et 2 200 Hz) à 1 200 bits par seconde, permet de configurer l'appareil, de lire des variables secondaires et de recueillir des informations de diagnostic. Le courant alternatif ajouté est de l'ordre de 1 mA crête à crête, ce qui ne perturbe pas la mesure lue par un système analogique.

Un communicateur HART portable ou un logiciel permet notamment de :

• changer le réglage de zéro et d'étendue à distance (réétalonnage de plage) ;
• forcer l'appareil à délivrer un courant fixe pour tester le reste de la boucle ;
• programmer l'identification de l'appareil (tag du plan de boucle).

Une condition de câblage compte : la résistance totale de la boucle (résistances de précision plus câbles) doit se situer entre 250 et 1 100 Ω pour que la communication fonctionne. La plupart des boucles munies d'une unique résistance de 250 Ω la respectent. Le piège classique est le banc d'étalonnage : un transmetteur alimenté par une alimentation de laboratoire, sans aucune résistance de 250 Ω dans le circuit, ne communique pas.

Le HART est une technologie ancienne mais toujours très répandue. D'autres solutions numériques plus complètes existent (bus de terrain tels que PROFIBUS PA et FOUNDATION Fieldbus, communications sans fil), mais le 4-20 mA enrichi du HART reste la liaison de référence des instruments de terrain, notamment parce qu'il conserve la compatibilité avec l'existant.

Le principe général du dépannage d'une boucle est simple : chaque instrument a une entrée et une sortie, et la sortie doit correspondre à l'entrée. Si la sortie d'un instrument ne correspond pas à son entrée, l'instrument est en cause ; sinon on remonte ou on descend la chaîne. Il faut pour cela mesurer le courant ou la tension en différents points.

• Milliampèremètre en série. Le plus direct, mais il oblige à ouvrir la boucle : le courant tombe à 0 mA le temps de brancher l'appareil, ce qui fait lire un défaut au système et peut déclencher une alarme ou un arrêt. On neutralise la sortie concernée (mode manuel, bypass, autorisation) avant d'intervenir.
• Pince ampèremétrique à effet Hall. Elle mesure le courant sans ouvrir la boucle, mais elle est sensible aux champs magnétiques proches ; on effectue le zéro avant mesure.
• Diode de test. Une diode placée dans la boucle chute 0,7 V environ. Un milliampèremètre branché en parallèle sur ses bornes court-circuite la diode et fait passer le courant par l'appareil, sans jamais couper la boucle. Certains transmetteurs ont des bornes « TEST » pour cet usage.
• Résistance shunt. Une résistance de faible valeur connue, en série : on mesure la tension à ses bornes et on en déduit le courant par la loi d'Ohm. Une résistance de 250 Ω retire 1 à 5 V à la boucle : elle peut « affamer » un transmetteur ; on préfère des valeurs bien plus faibles.

Un signal en courant est robuste, mais il n'est pas immunisé contre tout. Les câbles d'instrumentation qui cheminent à côté de câbles de puissance, de variateurs ou de postes de soudage captent des parasites. Pour limiter ces effets :

• utiliser une paire torsadée blindée pour le signal, avec le blindage raccordé à la terre à une seule extrémité (deux points de terre créeraient une boucle de masse) ;
• séparer les cheminements de courants forts et de courants faibles, et croiser les conducteurs à angle droit plutôt qu'en parallèle quand le croisement est inévitable ;

Ces règles de câblage sont détaillées dans les guides d'installation du constructeur et dans le dossier de conception du site. Le chapitre 4.2 les reprend dans le contrôle de mise en service : continuité, isolement, repérage et blindage figurent sur la liste de vérification.