Boucle 4-20 mA : saturation ADC et perturbations du relais voisin
Une carte de conditionnement mesure la pression d'un circuit d'eau par une boucle 4-20 mA. L'alimentation de boucle est de 24 V, le convertisseur analogique-numérique est un 12 bits référencé à 3,300 V, et la résistance de mesure vaut 165 Ω. Le câble de liaison mesure 80 m, soit 160 m en boucle, avec une résistance de 0,037 Ω/m. Le transmetteur exige au moins 12 V à ses bornes. Sur le banc, la sortie ADC sature à 4 090 counts pour 20 mA. Lorsque le relais de la pompe voisine colle, la mesure saute de ±3 % pendant 200 ms. Le câble est blindé, mais le blindage est raccordé aux deux extrémités. Le client exige une résolution meilleure que 0,05 % de l'étendue et une précision de ±0,5 %.
1. Le choix de 165 Ω est-il correct ? Si non, proposez une valeur, puis vérifiez la résolution et la conformité de la boucle.
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Diagnostic. À 20 mA, la tension aux bornes du shunt vaut 165 × 0,020 = 3,300 V, soit exactement la référence de l'ADC. La moindre tolérance de la résistance, l'offset de l'amplificateur ou une alimentation à 20,5 mA font dépasser la pleine échelle : c'est la saturation observée à 4 090 counts. Le montage n'a aucune marge de tête.
Nouvelle valeur. On vise 85 à 90 % de la pleine échelle à 20 mA. 150 Ω donne 3,000 V à 20 mA (3 723 counts) et 0,600 V à 4 mA : la marge est suffisante pour absorber les tolérances.
Résolution. Un LSB vaut 3,300 / 4 095 = 0,806 mV. Avec 150 Ω, cela correspond à 0,806 mV / 150 Ω = 5,37 µA, soit 5,37 µA / 16 mA = 0,034 % de l'étendue. L'exigence de 0,05 % est tenue sur le papier.
Conformité de la boucle. Chute dans le shunt : 20 mA × 150 Ω = 3,00 V. Résistance de ligne : 160 m × 0,037 Ω/m = 5,92 Ω, soit 0,118 V à 20 mA. Tension disponible au transmetteur : 24 − 3,00 − 0,12 = 20,88 V, très supérieure aux 12 V exigés.
Réserve. La résolution théorique n'est pas la précision : le bruit et la non-linéarité dégradent le nombre de bits effectifs. Avec 10 bits effectifs, on serait à 0,13 %, hors spécification. Il faut donc moyenner ou suréchantillonner (16 échantillons gagnent environ 2 bits) avant de conclure au respect du ±0,5 %.
2. Expliquez l'origine des sauts de ±3 % lors du collage du relais et proposez un correctif matériel complet, en justifiant le traitement du blindage.
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Origine. Trois couplages se cumulent. D'abord, la force électromotrice de self-induction de la bobine du relais au collage/collage produit une pointe qui remonte l'alimentation. Ensuite, le blindage raccordé aux deux extrémités forme une boucle de masse : les courants de masse circulent dans le blindage et injectent une tension dans le signal utile. Enfin, le câble de mesure chemine probablement près des conducteurs de puissance de la pompe, ce qui crée un couplage capacitif et inductif.
Correctifs, du plus efficace au moins efficace.
- Diode de roue libre aux bornes de la bobine du relais, plus un réseau RC (100 Ω + 100 nF) pour amortir l'oscillation. C'est la cause première, à traiter en premier.
- Blindage raccordé en un seul point, du côté de la carte de mesure, sur la masse analogique ; l'autre extrémité reste ouverte et isolée.
- Paire torsadée blindée pour le signal, cheminement séparé des câbles moteur (distance minimale 30 cm, croisement à 90° si obligatoire).
- Filtre passe-bas différentiel en entrée d'ADC : 1 kΩ et 100 nF donnent une fréquence de coupure de 1,6 kHz, largement au-dessus de la bande du signal (quelques hertz), ce qui n'atténue pas la mesure mais coupe les transitoires.
- Protection : TVS bidirectionnelle et self de mode commun contre les surtensions et les perturbations HF.
- Plan de masse : séparation masse analogique / masse numérique, point étoile unique sous l'ADC.
Validation. Le contrôle final se fait relais en fonctionnement : relevé de la dispersion sur 100 mesures, et vérification que l'écart reste sous 0,5 % de l'étendue.
3. Le client veut supprimer le filtre et le blindage pour réduire le coût de la carte. Chiffrez l'argument technique et proposez un compromis acceptable.
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Ce que coûte la suppression. Sans blindage ni filtre, la mesure saute de ±3 % pendant 200 ms à chaque collage de relais. Sur une régulation de pression, cela signifie des actions de pompe intempestives, donc une usure mécanique accélérée et un risque de dépassement de la plage 0-4 bar. Le coût des composants concernés est dérisoire : un blindage de câble, un réseau RC et une TVS représentent quelques euros sur une carte, contre un remplacement de pompe ou un lot de produit non conforme. La suppression fait économiser moins de 2 % du coût matière et fait perdre la conformité à la précision de ±0,5 %.
Compromis acceptable.
- Conserver la diode de roue libre sur la bobine du relais : coût quasi nul, effet majeur.
- Remplacer le blindage par une paire torsadée simple si le câble est court et éloigné de la puissance, en vérifiant par mesure la marge restante.
- Garder un filtre RC unique en entrée d'ADC (une résistance et un condensateur) plutôt qu'un filtre par canal.
- Déplacer le filtrage numérique côté logiciel : moyenne glissante sur 8 échantillons, rejet des valeurs aberrantes par écart médian. C'est gratuit en composants mais coûte du temps CPU et ajoute de la latence.
Condition de validation. Le compromis n'est acceptable que si l'essai relais en fonctionnement montre une dispersion inférieure à 0,5 % de l'étendue, mesurée sur 100 acquisitions. Sans cet essai, on ne fait que déplacer le risque vers le client.