Boucle de courant 4-20 mA : câblage, longueur, blindage et bonnes pratiques CEM
La boucle de courant 4-20 mA est l'une des solutions les plus utilisées dans l'industrie pour transmettre une information analogique sur plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de mètres.
Sa robustesse repose notamment sur le fait que l'information est transmise sous forme de courant, ce qui la rend relativement peu sensible aux chutes de tension et à certaines perturbations électriques.
Cependant, une boucle 4-20 mA n'est pas totalement immunisée contre les perturbations électromagnétiques. Le choix du câble, son installation, son blindage, le raccordement des masses et la mise à la terre peuvent avoir une influence importante sur la qualité du signal.
Dans cet article, nous détaillons les principales règles à respecter pour réaliser une liaison 4-20 mA fiable, y compris dans un environnement industriel perturbé.
Comment fonctionne une boucle 4-20 mA ?
Dans une boucle 4-20 mA, l'information est représentée par une valeur de courant :
4 mA correspond généralement à 0 % de la mesure ;
20 mA correspond généralement à 100 % ;
une valeur comprise entre 4 et 20 mA représente la grandeur mesurée.
L'utilisation de 4 mA comme valeur basse, plutôt que 0 mA, présente un avantage important : une rupture de câble ou une absence de courant peut être détectée.
Par exemple :
Courant | Valeur typique |
4 mA | 0 % |
8 mA | 25 % |
12 mA | 50 % |
16 mA | 75 % |
20 mA | 100 % |
0 mA | Défaut possible / boucle interrompue |
Quelle longueur maximale pour un câble 4-20 mA ?
Il n'existe pas une longueur maximale universelle pour une boucle 4-20 mA.
La distance maximale dépend principalement de :
la tension d'alimentation disponible ;
la résistance du câble ;
la résistance d'entrée du récepteur ;
la consommation du transmetteur ;
la température du câble ;
le type de transmetteur ;
les éventuelles barrières ou équipements placés dans la boucle.
La principale contrainte est la tension disponible en bout de ligne.
Plus le câble est long, plus sa résistance augmente. La tension disponible pour alimenter le transmetteur diminue alors.
Exemple simplifié
Supposons :
alimentation : 24 V ;
transmetteur : besoin de 10 V minimum ;
résistance de charge : 250 Ω ;
courant maximal : 20 mA.
La charge nécessite :
U = R × I
U = 250 × 0,020 = 5 V
Il reste donc :
24 - 10 - 5 = 9 V
pour la chute de tension dans le câble.
La résistance maximale admissible du câble et de l'aller-retour sera alors :
R = U / I = 9 / 0,020 = 450 Ω
Il faut ensuite comparer cette valeur à la résistance réelle du câble pour déterminer la longueur maximale.
À retenir
La longueur d'une liaison 4-20 mA ne doit donc pas être déterminée uniquement en fonction du type de signal.
Il faut réaliser un bilan de tension de la boucle.
Dans de nombreuses installations industrielles, plusieurs centaines de mètres sont parfaitement réalisables avec un câble correctement dimensionné.
Pourquoi utiliser une paire torsadée ?
Pour une boucle 4-20 mA, l'utilisation d'une paire torsadée est fortement recommandée.
Les deux conducteurs de la boucle sont torsadés l'un autour de l'autre.
Cette géométrie permet de réduire la surface de boucle et donc la sensibilité aux champs électromagnétiques environnants.
Les perturbations électromagnétiques qui affectent les deux conducteurs de manière similaire peuvent ainsi être en grande partie rejetées par le système.
La paire torsadée est particulièrement intéressante lorsque le câble passe à proximité :
de moteurs ;
de variateurs de vitesse ;
de contacteurs ;
de transformateurs ;
de câbles de puissance ;
de relais ;
de convertisseurs de puissance.
Bonne pratique
Pour une boucle analogique sensible, privilégier un câble :
1 paire torsadée + blindage
plutôt qu'un câble multiconducteur non torsadé.
Le blindage du câble : pourquoi est-il important ?
Dans un environnement industriel, le câble 4-20 mA peut être soumis à différentes perturbations électromagnétiques.
Le blindage constitue une protection supplémentaire.
Il existe principalement deux grandes constructions de blindage :
blindage par feuillard ;
blindage par tresse.
Certains câbles utilisent également une combinaison des deux.
Blindage par feuillard
Le blindage par feuillard est généralement constitué d'une feuille métallique, souvent en aluminium, associée à un drain métallique.
Il offre une excellente couverture du câble et constitue une bonne protection contre les perturbations électriques et les champs électromagnétiques de fréquence relativement élevée.
Avantages
couverture importante ;
faible coût ;
faible diamètre ;
bonne protection contre les perturbations électriques ;
particulièrement intéressant pour les signaux analogiques et numériques.
Inconvénient
Le feuillard est mécaniquement plus fragile qu'une tresse.
Il faut donc être attentif lors du dénudage et du raccordement.
Blindage par tresse
La tresse est constituée de fils métalliques entrelacés autour des conducteurs.
Elle présente une bonne résistance mécanique et une faible impédance de blindage, notamment à basse fréquence.
Elle est particulièrement intéressante lorsque le câble est soumis à des contraintes mécaniques ou lorsque la mise à la terre du blindage doit être très efficace sur une large plage de fréquences.
Avantages
bonne résistance mécanique ;
bonne conductivité ;
faible résistance du blindage ;
bonne efficacité contre certaines perturbations basse fréquence.
Inconvénient
La couverture n'est généralement pas de 100 %.
Feuillard ou tresse : lequel choisir ?
Il ne faut pas considérer qu'un type de blindage est systématiquement supérieur à l'autre.
Le choix dépend de l'environnement électromagnétique et des contraintes mécaniques.
Pour une liaison analogique industrielle, un câble avec :
paire torsadée + blindage
constitue généralement une très bonne base.
Dans un environnement particulièrement perturbé, un câble combinant :
feuillard + tresse
peut apporter une protection supplémentaire.
Le blindage ne remplace pas le torsadage
Il est important de comprendre que le blindage et le torsadage ont des fonctions complémentaires.
La paire torsadée permet notamment de réduire le couplage des perturbations sur les conducteurs.
Le blindage crée une protection supplémentaire autour de la paire.
On peut donc avoir :
Paire torsadée seule
ou
Paire torsadée + blindage
Dans une installation industrielle, la deuxième solution est généralement préférable lorsque l'environnement est électromagnétiquement perturbé.
Attention au cheminement du câble
Même avec un câble blindé, son cheminement est essentiel.
Éviter de faire circuler une liaison 4-20 mA parallèlement et à proximité immédiate de câbles de puissance.
Il est préférable de :
séparer les câbles de signal des câbles de puissance ;
utiliser des chemins de câbles séparés lorsque cela est possible ;
croiser les câbles de puissance à 90° lorsque leur croisement est nécessaire ;
éviter les grandes boucles de câble ;
éloigner les liaisons analogiques des variateurs et moteurs.
Le blindage ne doit pas être considéré comme une solution permettant d'annuler les effets d'une mauvaise installation.
Comment raccorder le blindage à la terre ?
C'est l'un des sujets les plus importants concernant les boucles 4-20 mA.
Une mauvaise connexion du blindage peut créer une boucle de masse et provoquer des courants circulant dans le blindage.
Ces courants peuvent à leur tour générer des perturbations sur le signal.
Principe généralement utilisé pour une liaison analogique
Dans de nombreuses installations, le blindage est raccordé à la terre à une seule extrémité.
Par exemple :
Capteur → câble blindé → automate
Le blindage peut être raccordé côté armoire / automate à la terre fonctionnelle ou au point de masse prévu par l'installation.
L'autre extrémité du blindage reste isolée.
Cela permet notamment d'éviter qu'un courant de boucle de masse circule dans le blindage.
Pourquoi ne pas toujours raccorder le blindage aux deux extrémités ?
Si les deux équipements sont reliés à des potentiels de terre légèrement différents, le blindage peut constituer un chemin pour un courant de circulation.
On peut alors créer une boucle de masse.
Cette situation peut provoquer :
du bruit sur le signal ;
une ondulation du courant mesuré ;
des erreurs de mesure ;
des perturbations variables selon le fonctionnement des machines.
C'est pourquoi le raccordement du blindage à une seule extrémité est souvent utilisé pour les signaux analogiques basse fréquence.
Mais le raccordement aux deux extrémités peut être nécessaire dans certains cas
Il ne faut cependant pas transformer la règle du « blindage à une seule extrémité » en règle absolue.
À haute fréquence, le comportement électromagnétique est différent.
Un blindage raccordé aux deux extrémités peut améliorer l'efficacité du blindage contre certaines perturbations haute fréquence, à condition que l'installation de masse et de terre soit conçue pour cela.
Le choix dépend donc :
de la fréquence des perturbations ;
de la structure de l'installation ;
du type d'équipement ;
de la conception CEM ;
de la stratégie de mise à la terre du constructeur.
Il faut toujours se référer aux recommandations du fabricant du transmetteur et du système d'automatisation.
Terre de protection et terre fonctionnelle
Il est également important de distinguer deux notions.
PE – Terre de protection
La terre de protection est destinée principalement à assurer la sécurité électrique des personnes et des équipements.
Elle est généralement associée au conducteur de protection PE.
FE – Terre fonctionnelle
La terre fonctionnelle peut être utilisée pour assurer le bon fonctionnement d'un système, notamment pour la CEM.
Elle permet de créer une référence ou un chemin contrôlé pour les perturbations électromagnétiques.
Dans une installation industrielle, le blindage d'un câble de signal doit être raccordé au point de terre ou de masse prévu par l'architecture CEM de l'installation, et non raccordé arbitrairement à n'importe quel point métallique.
Attention aux « queues de cochon »
Une erreur très fréquente consiste à raccorder le blindage avec une longue petite longueur de fil :
Blindage ───────────────┐
│
└──────── TerreCette « queue de cochon » augmente l'impédance du raccordement, particulièrement lorsque la fréquence des perturbations augmente.
Pour une bonne efficacité CEM, il est préférable d'utiliser un raccordement du blindage le plus court et le plus large possible.
Dans une armoire électrique, un raccordement à 360° du blindage à l'aide d'un presse-étoupe CEM ou d'un système de serrage adapté peut être préférable à un simple fil de quelques centimètres.
Cas d'un environnement fortement perturbé
Dans une installation comportant :
variateurs de vitesse ;
moteurs de forte puissance ;
alimentations à découpage ;
convertisseurs ;
relais de puissance ;
grandes armoires électriques ;
il est particulièrement important de combiner plusieurs bonnes pratiques :
Paire torsadée + blindage + séparation des câbles + raccordement de blindage adapté + bonne équipotentialité.
Aucune de ces mesures ne doit être considérée isolément.
La CEM résulte de l'ensemble de l'installation.
Et si le signal 4-20 mA présente du bruit ?
Avant de modifier le capteur, plusieurs points doivent être contrôlés :
- Vérifier l'alimentation
Une alimentation perturbée peut se retrouver directement dans la boucle.
- Vérifier le câblage.
Contrôler :
longueur ;
section ;
torsadage ;
continuité ;
connexions.
- Vérifier le blindage
Contrôler où le blindage est raccordé et s'il existe plusieurs chemins de masse.
- Vérifier le cheminement
Rechercher une proximité avec :
moteurs ;
variateurs ;
câbles de puissance ;
transformateurs.
- Vérifier les masses
Un problème d'équipotentialité entre les équipements peut être à l'origine de courants parasites.
Les 7 règles essentielles à retenir
Pour obtenir une boucle 4-20 mA fiable :
1. Utiliser une paire torsadée.
2. Privilégier un câble blindé dans un environnement industriel.
3. Vérifier la longueur à partir du bilan de tension et de la résistance du câble.
4. Éloigner les câbles analogiques des câbles de puissance.
5. Éviter les grandes boucles et les cheminements inutiles.
6. Raccorder le blindage conformément à la stratégie CEM de l'installation.
7. Réaliser les connexions de blindage avec une liaison courte et à faible impédance.
Conclusion
La robustesse d'une boucle 4-20 mA ne dépend pas uniquement du capteur ou du transmetteur.
Le câble, le torsadage, le blindage, le cheminement et la mise à la terre jouent un rôle essentiel dans la qualité de la transmission.
Dans une installation simple, une paire torsadée correctement câblée peut être suffisante. Dans un environnement industriel fortement perturbé, il devient nécessaire de porter une attention particulière à la CEM et à l'équipotentialité de l'installation.
Le choix du câble et du raccordement du blindage doit également tenir compte de l'environnement électrique, de la fréquence des perturbations et des recommandations des fabricants.
Une boucle 4-20 mA bien conçue est une boucle où le capteur, le câble et l'installation électrique sont considérés comme un ensemble.
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