Fonctionnement des boucles de courant 4-20mA

Bref historique de la norme 4-20 mA

La boucle de courant 4-20 mA s’est imposée comme norme industrielle pour la transmission de signaux analogiques au milieu du XXᵉ siècle. Son adoption est étroitement liée au développement de la microélectronique basse consommation, qui a rendu possible le fonctionnement fiable des capteurs et des transmetteurs avec seulement quelques milliampères de courant.

Cette norme présentait plusieurs avantages déterminants : une excellente immunité au bruit, une grande fiabilité sur de longues distances de câblage, ainsi qu’une compatibilité simple avec les alimentations industrielles 24 V CC. L’un de ses atouts majeurs réside dans l’utilisation d’un zéro actif : un courant de 4 mA représente la valeur minimale du signal (0 %), ce qui permet de détecter facilement les défauts, tels qu’un capteur défaillant ou un câble coupé — un avantage que les signaux en tension ou à courant nul n’offraient pas de manière fiable.

Grâce à ces caractéristiques, la norme 4–20 mA a été rapidement adoptée dans le contrôle des procédés, l’instrumentation et l’automatisation industrielle, où elle demeure encore aujourd’hui une référence largement utilisée.

Pourquoi le standard 4-20 mA ?

Un zéro actif à 4 mA

Contrairement à un signal 0–20 mA, le 4 mA représente la valeur zéro du procédé. Avantage clé :

• 0 mA indique une panne (câble coupé, capteur HS, perte d’alimentation)

• Détection immédiate des défauts, impossible avec un vrai zéro électrique.

  
  

Alimentation des capteurs (boucle 2 fils)

Le courant minimal de 4 mA permet d’alimenter l’électronique du capteur.

• Pas besoin d’alimentation séparée.

• Architecture simple, fiable et économique

• Idéal pour les environnements industriels

  
  

Excellente immunité au bruit

Le signal est transmis en courant et non en tension :

• Peu sensible aux perturbations électromagnétiques

• Indépendant de la résistance des câbles

• Fiable sur de longues distances (centaines de mètres, voire plus)

  
  

Compatibilité industrielle universelle

• Fonctionne parfaitement avec les alimentations 24 V CC

• Compatible avec automates, cartes d’acquisition, indicateurs, régulateurs

• Standard mondial, multi-constructeurs

  
  

Gestion des états anormaux

Les valeurs hors plage sont normalisées :

• < 4 mA → sous-échelle / défaut

• > 20 mA → sur-échelle / défaut

• Facilite le diagnostic et la maintenance

Différences techniques : capteurs 4-20mA en 2 fils, 3 fils et 4 fils

Capteur 2 fils (alimenté par la boucle)

Principe : L'alimentation et le signal passent par les mêmes deux conducteurs (boucle de courant).

Caractéristiques :

• Signal typique : 4-20 mA

• Alimentation via la boucle (souvent 24 V CC)

• Courant minimal 4 mA pour alimenter l’électronique

Avantages :

• Câblage très simple

• Haute fiabilité industrielle

• Détection facile des défauts (0 mA = panne)

• Idéal pour longues distances

Limitations :

• Puissance disponible limitée

• Moins adapté aux capteurs gourmands ou très rapides

Usages typiques :

• Pression, débit, température, niveau

• Environnements ATEX / zones dangereuses

  
  

Capteur 3 fils

Principe : deux fils pour l’alimentation, un fil séparé pour le signal.

Caractéristiques :

• Alimentation : 0 V / +24 V

• Signal de sortie : 4-20 mA, 0-10 V, 0-5 V

• Le signal n’alimente pas le capteur.

Avantages :

• Plus de puissance disponible qu’en 2 fils

• Meilleure dynamique et vitesse de réponse

• Compatible sortie courant ou tension

Limitations :

• Nécessite un fil supplémentaire.

• Sensible aux boucles de masse (selon installation)

Usages typiques :

• Capteurs actifs

• Applications avec précision ou rapidité accrue

  
  

Capteur 4 fils

Principe : alimentation totalement séparée du signal.

Caractéristiques :

• 2 fils d'alimentation (L / N ou + / −)

• 2 fils signal (4–20 mA ou tension)

• Peut utiliser une alimentation AC ou DC

Avantages :

• Puissance élevée disponible

• Très haute précision et stabilité

• Indépendance totale signal / alimentation

Limitations :

• Câblage plus complexe

• Coût et installation plus élevés

• Détection de coupure moins évidente qu’en 2 fils

Usages typiques :

• Analyseurs, capteurs optiques, ultrasons, gaz

• Laboratoires, systèmes complexes

  
  

Tableau comparatif synthétique

Type	Fils	Alimentation	Signal	Avantage clé
2 fils	2	Par la boucle	4–20 mA	Simplicité & robustesse
3 fils	3	Séparée	4–20 mA / 0–10 V	Plus de puissance
4 fils	4	Totalement séparée	Courant / tension	Performance maximale

Capteur de courant sortie 4-20mA en technique 2 fils

Comment fonctionne un capteur alimenté par boucle (2 fils) ?

Il est possible d’alimenter un capteur et de transmettre une information analogique sur les mêmes deux fils grâce à une boucle de courant 4-20 mA, lorsque l’émetteur est alimenté par boucle (loop-powered).

Dans cette configuration, le capteur ne se comporte pas comme une source de courant, mais comme un régulateur de courant. Le courant est fourni par une alimentation externe, généralement 24 V CC, et circule à travers l’ensemble des éléments de la boucle : l’alimentation, le capteur, le câblage et la résistance de charge du récepteur (automate, carte d’entrée analogique, afficheur, etc.).

Le capteur module le courant circulant dans la boucle entre 4 mA et 20 mA afin de représenter la grandeur mesurée (pression, température, débit, etc.). En parallèle, il prélève l’énergie nécessaire à son propre fonctionnement directement sur la boucle, ce qui élimine le besoin d’une alimentation dédiée.

Ce principe permet une architecture simple, robuste et fiable, particulièrement bien adaptée aux environnements industriels et aux longues distances de câblage.

 Capteur de courant sortie 4-20mA en technique 3 fils

Comment fonctionne un capteur en 3 fils ?

Un capteur 3 fils est un capteur alimenté séparément dont le signal de sortie est transmis sur un conducteur dédié. Contrairement au capteur 2 fils (alimenté par la boucle), l’alimentation et le signal ne partagent pas le même courant.

Principe de fonctionnement

Le capteur est raccordé par trois conducteurs :

1. +V alimentation (généralement +24 V CC)

2. 0 V (masse commune)

3. Sortie signal (4–20 mA ou tension)

L’alimentation fournit l’énergie nécessaire à l’électronique interne du capteur. Le capteur mesure la grandeur physique (pression, température, courant, etc.) et génère ensuite un signal de sortie actif, indépendant de son alimentation.

Signal de sortie

• 4–20 mA (actif) Le capteur fournit lui-même le courant vers l’entrée du récepteur. L’entrée analogique doit être passive.

• 0–10 V / 0–5 V Le capteur délivre une tension proportionnelle à la mesure, référencée au 0 V commun avec l'alimentation.

Résistance de charge boucle 4-20mA

Comment déterminer la résistance de charge dans une boucle 4-20mA

La résistance de charge (ou burden resistor) d’une boucle 4–20 mA doit être choisie de façon à garantir que le capteur/transmetteur dispose d’une tension suffisante pour fonctionner correctement sur toute la plage de courant.

Principe de base

Dans une boucle 4–20 mA, la tension de l’alimentation doit couvrir :

• la chute de tension dans le capteur

• la chute de tension dans le câblage

• la chute de tension dans la résistance de charge

Si la tension est insuffisante, le courant ne pourra pas atteindre 20 mA.

Formule de calcul

Résistance de charge maxi = (tension d'alimentation de boucle - tension mini de fonctionnement du capteur) / Courant de boucle maximum

Exemple pratique

• Alimentation : 24 V CC

• Tension minimale capteur : 11 V

• courant maximum boucle 21 mA

La résistance de charge totale (entrée automate + résistances ajoutées)

doit donc être ≤ 619 Ω.

Cas courant : entrée automate 250 Ω

• Une entrée analogique 250 Ω produit une tension :

  • 4 mA → 1 V

  • 20 mA → 5 V

• C’est une valeur standard, compatible avec la majorité des transmetteurs 24 V.

Points d’attention

• Toujours utiliser la tension minimale garantie du capteur (datasheet)

• Inclure toutes les résistances de la boucle

• Prévoir une marge de sécurité

En résumé

• La résistance de charge est limitée par la tension disponible.

• Trop de résistance → le 20 mA n’est pas atteint, attention saturation de la mesure.

• Un calcul simple garantit une boucle fiable.

Charge maximale en fonction de la tension d'alimentation de la boucle 4-20mA

NAMUR NE43 Détection des défauts en signaux 4-20 mA

NAMUR NE43 — Détection des défauts en signaux 4-20 mA

La NAMUR NE43 est une recommandation internationale définie par l’association NAMUR (industrie des procédés) qui standardise le comportement des signaux 4-20 mA en cas de défaut. Son objectif est d’assurer une interprétation uniforme des états normaux et anormaux par les systèmes de contrôle (PLC, DCS).

Principe de la NE43

En fonctionnement normal, le signal utile est compris entre 4 mA et 20 mA.

La recommandation définit des zones de courant hors plage pour signaler des anomalies.

Plages de courant selon NAMUR NE43

Courant	Signification
< 3,6 mA	Défaut bas (câble coupé, capteur HS, sous-alimentation)
3,8 à 20,5 mA	Plage de mesure valide
> 21 mA	Défaut haut (surcharge, défaillance interne, sur-plage)

Pourquoi la NE43 est importante

• Détection claire et normalisée des défauts

• Interopérabilité entre capteurs et systèmes de contrôle

• Simplification de la configuration des entrées analogiques

• Amélioration de la sécurité et de la maintenance

Performances d’une boucle 4–20 mA

Bien que la boucle 4-20 mA soit réputée pour sa robustesse, ses performances peuvent se dégrader sous l’effet de plusieurs facteurs électriques, environnementaux et mécaniques. Voici une analyse structurée des principales causes de dégradation et de leurs effets.

Résistance excessive de la boucle

Causes :

• Longueur de câble importante

• Section de conducteur insuffisante

• Ajout de barrières ATEX, isolateurs, répartiteurs

• Résistance de charge trop élevée

Effets :

• Impossibilité d’atteindre 20 mA

• Saturation du signal

• Erreurs en haut de plage

  
  

Tension d’alimentation insuffisante

Causes :

• Alimentation sous-dimensionnée

• Chute de tension sur câbles

• Partage d’alimentation entre plusieurs boucles

Effets :

• Instabilité du courant

• Passage en défaut NE43 (< 3,6 mA)

• Mesures erronées ou figées

Parasites électromagnétiques (CEM)

Causes :

• Câbles non blindés

• Passage à proximité de moteurs, variateurs, contacteurs

• Mauvaise mise à la terre du blindage

Effets :

• Bruit superposé au signal

• Fluctuations de mesure

• Erreurs de lecture sur entrées analogiques sensibles

(Bien que le 4–20 mA y soit peu sensible, la CEM reste un facteur.)

Problèmes de masse et de référence

Causes :

• Boucles de masse (capteurs 3 fils / 4 fils)

• Mauvais schéma de mise à la terre

• Différences de potentiel entre équipements

Effets :

• Décalage du zéro

• Bruit basse fréquence

• Dérive lente du signal

  
  

Dégradation mécanique du câblage

Causes :

• Connexions oxydées

• Bornes desserrées

• Vieillissement des câbles

• Vibrations

Effets :

• Résistance de contact variable

• Coupures intermittentes

• Valeurs instables ou défauts sporadiques

  
  

Dérive thermique

Causes :

• Variation de température ambiante

• Coefficient de température des résistances

• Échauffement interne du capteur

Effets :

• Dérive du zéro ou de la pleine échelle

• Perte de précision

  
  

Vieillissement du capteur

Causes :

• Dérive des composants électroniques

• Encrassement (capteurs de pression, débit, gaz)

• Stress thermique et électrique

Effets :

• Perte de linéarité

• Offset croissant

• Besoin de recalibration

La boucle 4–20 mA reste un standard mondial en instrumentation industrielle grâce à sa simplicité, sa robustesse, sa compatibilité et sa sécurité. Elle permet à la fois de mesurer, transmettre et détecter les anomalies de manière fiable.