Boucle 4–20 mA
Raccorder et diagnostiquer une boucle de courant industrielle
À quoi ça sert ?
Raccorder, mesurer et diagnostiquer un transmetteur industriel 4–20 mA, convertir son courant en grandeur physique et acheminer la mesure vers Hardware Lab au travers d'une acquisition protégée et adaptée.
Calculateur 4–20 mA
Valeur = MIN + ((I − 4) / 16) × (MAX − MIN)
Procédure terrain
- 1Consigner l'installation et vérifier l'absence de tension dangereuse avant toute modification du câblage.
- 2Identifier le type du transmetteur : 2 fils alimenté par la boucle, 3 fils avec alimentation et sortie séparées, ou 4 fils avec alimentation isolée de la sortie.
- 3Identifier si l'entrée d'acquisition est active (elle fournit l'alimentation de boucle) ou passive (elle attend une boucle déjà alimentée). Ne jamais mettre deux alimentations actives en série sans validation du fabricant.
- 4Vérifier la tension d'alimentation et la charge maximale autorisée dans la documentation du transmetteur.
- 5Pour mesurer le courant, ouvrir la boucle hors tension puis insérer le multimètre configuré en mA continu et branché en série. Remettre sous tension seulement lorsque le montage est sécurisé.
- 6Contrôler la valeur : 4 mA au bas de plage, environ 12 mA à mi-plage et 20 mA au haut de plage.
- 7Si une résistance shunt est utilisée, calculer V = I × R et vérifier que la tension maximale reste compatible avec l'ADC.
- 8Pour un ADC limité à 3,3 V, ne pas utiliser directement un shunt 250 Ω donnant 5 V à 20 mA. Utiliser par exemple 150 Ω, qui donne 0,6 à 3,0 V, ou un module receiver correctement conçu.
- 9Ajouter les protections, l'isolation galvanique et le filtrage nécessaires avant l'ADC. Ne jamais envoyer la tension 24 V de boucle vers un GPIO ESP32.
- 10Raccorder l'ADC adapté à l'ESP32, puis l'ESP32 au PC par USB et vérifier la valeur brute avant d'appliquer l'étalonnage dans Hardware Lab.
- 11Configurer MIN, MAX et l'unité physique, puis comparer au moins deux points avec une référence terrain connue.
Valeurs attendues
Pourquoi 4–20 mA ?
Le courant représente une grandeur physique : 4 mA correspond au bas de plage et 20 mA au haut de plage.
Le zéro vivant à 4 mA permet d'alimenter un transmetteur 2 fils et de distinguer une mesure minimale normale d'une rupture de boucle proche de 0 mA.
La formule générale est : valeur = MIN + ((I_mA - 4) / 16) × (MAX - MIN).
Exemple pression 0–10 bar : 12 mA donne 5 bar. Exemple niveau 0–100 % : 8 mA donne 25 %.
Transmetteurs 2, 3 et 4 fils
Un transmetteur 2 fils reçoit son énergie et transmet sa mesure dans la même boucle série.
Un transmetteur 3 fils possède généralement alimentation +, 0 V commun et sortie courant. Vérifier si la sortie source ou absorbe le courant.
Un transmetteur 4 fils possède une alimentation séparée de la paire de sortie ; cette séparation n'implique pas automatiquement une isolation galvanique.
Entrée active ou passive
Une entrée active fournit l'alimentation de boucle. Une entrée passive mesure le courant d'une boucle alimentée ailleurs.
Avant raccordement, vérifier qui fournit la tension et calculer la tension disponible après les chutes dans le transmetteur, les câbles, protections et résistances.
Conversion courant → tension
Une résistance shunt transforme le courant en tension selon V = I × R.
Avec 250 Ω : 4 mA = 1 V et 20 mA = 5 V. Cette plage convient à certaines acquisitions industrielles 0–5 V, mais pas directement à un ADC ESP32 limité à 3,3 V.
Avec 150 Ω : la plage devient 0,6–3,0 V. Il reste à vérifier tolérance, puissance, précision, masse, protection et plage réelle de l'ADC.
Câble, blindage et protection
La boucle de courant tolère mieux les longues distances que de nombreux signaux en tension, mais la résistance totale du câble consomme une partie de la tension disponible.
Utiliser une paire torsadée adaptée. Raccorder le blindage selon la stratégie de mise à la terre du site, généralement à un seul point pour éviter les courants de boucle, sauf prescription contraire.
Prévoir protection surtension, filtrage et isolation selon la longueur, l'environnement CEM et les différences de potentiel entre masses.
Exemples de conversion
Pression 0–10 bar : 4 mA = 0 bar, 12 mA = 5 bar, 20 mA = 10 bar.
Niveau carburant 0–100 % : 4 mA = 0 %, 12 mA = 50 %, 20 mA = 100 %.
Température -20 à 120 °C : 12 mA correspond à 50 °C.
Pression huile 0–8 bar : 16 mA correspond à 6 bar.
Mesure au multimètre
Un ampèremètre se place en série : il faut ouvrir la boucle, insérer l'appareil sur l'entrée mA protégée et respecter la polarité.
Vérifier le fusible de l'entrée courant, le calibre, la catégorie de mesure et la tension maximale autorisée.
Diagnostic de panne
- Boucle ouverte
- Alimentation absente
- Fusible ou conducteur coupé
- Polarité incorrecte
- Mesurer la tension de boucle avec la procédure adaptée
- Contrôler la continuité hors tension
- Vérifier les bornes et la polarité
- Sous-plage réelle
- Code défaut du transmetteur
- Tension de boucle insuffisante
- Charge totale trop élevée
- Consulter la plage de défaut fabricant
- Mesurer le courant en série
- Calculer la tension disponible et la charge totale
- Procédé au minimum
- Capteur primaire défaillant
- Configuration de plage incorrecte
- Faire varier le procédé en sécurité
- Vérifier la configuration MIN/MAX
- Comparer avec un calibrateur si disponible
- Mauvais serrage
- Parasites CEM
- Masse ou blindage incorrect
- Alimentation instable
- Contrôler les bornes
- Mesurer l'alimentation
- Éloigner le signal des câbles de puissance
- Comparer courant terrain et valeur ADC
- Sur-plage
- Code défaut haut
- Mauvais shunt ou mauvais étalonnage
- Consulter la documentation
- Mesurer le courant réel en série
- Vérifier résistance et configuration de l'acquisition