Module transmetteur de température

Un module transmetteur de température prend le signal brut d’une sonde à résistance ou d’un thermocouple et le convertit en un signal de boucle standard que le reste d’un système de contrôle peut lire. Il existe parce que les deux familles de capteurs produisent des signaux qu’une carte d’entrée d’automate programmable, un enregistreur ou un indicateur de tableau ne savent pas exploiter directement : une sonde à résistance rend une faible résistance qui dépend de la longueur des fils, et un thermocouple rend quelques dizaines de millivolts qui dépendent de la température des bornes autant que de la température mesurée. Conditionner ce signal au capteur plutôt qu’au bout d’un long câble, c’est à cela que sert le module.

Le module présenté ici est une conception à deux fils sous une alimentation de 24 V DC, avec une sortie 4-20 mA de série et une version 0-10 V sur le même boîtier. Les entrées couvrent les éléments résistifs au platine et en cuivre les plus courants et huit types de thermocouple, les types au tungstène-rhénium et le Pt1000 étant réalisés sur commande, et la valeur d’exactitude énoncée dans la documentation est 0,2 %FS. L’embase mesure 44×40 mm, avec un bornier au pas de 8 mm, deux potentiomètres de réglage et des vis de fixation M3×5, et le boîtier est en nylon ignifugé PA66.

Le type d’entrée étant une configuration plutôt qu’un instrument distinct, un seul type de module couvre une large plage de températures de procédé : le même boîtier sert sur une Pt100 à -200 °C comme sur un thermocouple type B à 1800 °C, la différence tenant à l’entrée réglée à la commande et à l’étendue qui lui est assignée.

Comment fonctionne un transmetteur de température

La chaîne de mesure commence à l’élément. Une sonde à résistance est lue en faisant passer dans l’élément un faible courant d’excitation et en mesurant la tension qui en résulte ; la documentation donne ce courant comme 0,2 mA, valeur assez basse pour que l’auto-échauffement de l’élément reste petit. Un thermocouple est lu comme une tension, et parce que cette tension naît entre la soudure de mesure et les bornes où aboutissent les fils, la température de ces bornes doit être connue et compensée. Cette compensation est la raison pour laquelle un thermocouple se relie à un transmetteur avec du fil de thermocouple plutôt qu’avec du cuivre : une liaison en cuivre introduit ses propres tensions au point où le fil de thermocouple s’arrête.

Le signal est ensuite linéarisé et mis à l’échelle. Une sonde à résistance suit une courbe publiée et un thermocouple suit un polynôme propre à son type, et l’étage d’entrée résout le signal entrant avec assez de finesse pour que la linéarisation ne soit pas l’erreur limitante : la documentation fournie annonce un convertisseur sigma-delta à 24 bits, soit bien plus de résolution que la valeur d’exactitude de 0,2 %FS n’en exige. Résolution et exactitude sont deux grandeurs différentes, et c’est la valeur d’exactitude, avec le coefficient de température, qui décrit ce que le module fournit réellement.

L’étage de sortie attaque une boucle de courant. Dans un montage à deux fils, la même paire de conducteurs porte l’alimentation et le signal, et le courant tiré par le module est la mesure : le module doit donc fonctionner sur la tension qui reste après que la résistance de la boucle a prélevé sa part. C’est pourquoi la charge et l’alimentation sont liées : une charge de 250 Ω ou de 500 Ω, additionnée de la résistance des câbles, voilà ce que la source de 24 V DC doit attaquer, et la documentation énonce une limite de résistance des fils pour cette raison plutôt que comme une recommandation de câblage.

Deux potentiomètres sont montés sur le module, pour le zéro et pour l’étendue. Ils y sont parce que le transmetteur est le point de la boucle où l’ensemble installé peut être réglé : la tolérance de l’élément, la résistance des fils et la résistance de charge se retrouvent en un seul décalage et en une seule erreur de gain, et l’un et l’autre se corrigent au module contre un thermomètre étalon.

Comment choisir le transmetteur

Commencez par le capteur, car le type d’entrée est fixé pour le module. Une Pt100 est le choix habituel là où la température doit être défendable et tient dans sa plage ; un thermocouple prend le relais là où la température est assez élevée, ou le point assez petit, pour qu’un élément résistif soit peu pratique. La documentation liste Pt100, Cu50, Cu100 et Pt1000 du côté résistif, et les types B, E, J, K, N, R, S et T, plus WRe3-25 et WRe5-26, du côté thermocouple.

Puis l’étendue de sortie, la décision qui influe le plus sur la lecture en pratique. La boucle 4-20 mA porte une plage de courant fixe, et l’étendue qu’on lui assigne décide quelle température représente chaque milliampère. Assigner une étendue étroite autour de la plage de travail donne une lecture plus fine sur cette plage, mais tout ce qui en sort est écrêté. La documentation liste les étendues assignables de -20-60 °C jusqu’à 0-600 °C selon les échelons donnés au tableau de sélection, et une marque 0-100 °C apparaît sur la version 0-10 V.

Puis la boucle elle-même. L’alimentation est de 24 V DC et la charge est annoncée à 250 Ω ou 500 Ω, avec une limite de résistance des fils à respecter. Là où le trajet est long, ou là où l’instrument récepteur présente une charge plus lourde, c’est la tension disponible au module qui contraint le montage, et la documentation propose une réalisation sur commande lorsque la résistance des fils d’un trajet vers une Pt100 dépasse 35 Ω.

Puis l’environnement et le montage. La documentation donne une plage de service de -30 à 80 °C dans le tableau des paramètres, mais décrit -20 à +60 °C comme la plage de travail usuelle, et elle liste aussi une plage de transport et de stockage de -40 à 120 °C. Le boîtier est une embase de 44×40 mm avec des vis M3×5, qui convient à une armoire ou à un coffret de terrain plutôt qu’à un mur.

Enfin la sonde assortie. La documentation décrit les sondes prévues avec le module, notamment une Pt100 enroulée de φ4×30 mm sur un fil étanche de 0,5 m, une Pt100 plate de 7,5×20×3,6 mm, une version étanche filetée en M6×1 sur un fil de 1,5 m, et une version haute température sur un filetage M12×1 annoncée jusqu’à 420 °C. L’isolation des fils n’est pas la même d’une option à l’autre, et seules les tresses d’acier inoxydable portent l’annonce haute température.

Limites et points à confirmer

L’annonce d’exactitude a besoin d’une référence pour signifier quelque chose. 0,2 %FS est un pourcentage de l’étendue assignée plutôt que de la température mesurée, si bien qu’une étendue de 0-600 °C et une étendue de 0-50 °C produisent des erreurs absolues très différentes à partir du même chiffre. La documentation n’énonce aucune norme de référence derrière cette valeur, qui doit donc être lue comme la spécification du fournisseur et confirmée contre un certificat là où l’application en dépend.

Les deux coefficients de température ne sont pas réconciliés. Une valeur générale ≤ 25 ppm/°C FS et une valeur propre à la Pt100 de ≤ 250 ppm/K FS sur une étendue de 100 °C diffèrent d’un ordre de grandeur, et la documentation ne dit pas à quelles entrées s’applique la valeur générale. Là où le module travaille loin de la température d’étalonnage, cet écart compte plus que la valeur d’exactitude, et tant qu’il n’est pas résolu c’est le chiffre le plus large qu’il faut retenir.

Certaines limites de la documentation demandent une lecture attentive. La résistance des fils est annoncée comme inférieure à 80 Ω pour une charge de 500 Ω comme pour une charge de 250 Ω, ce qui est inhabituel : la résistance admissible des fils diminue normalement quand la charge augmente, parce que les deux consomment la même tension de boucle. Cette valeur a été signalée plutôt que publiée comme deux limites vérifiées distinctes. La limite de courant de sortie de 20,3 mA est de même une valeur de saturation, et non un point de fonctionnement.

Plusieurs paramètres qu’une fiche technique énonce d’ordinaire sont absents : l’indice de protection, les limites d’humidité ambiante, la tension d’isolement entre l’entrée et la sortie, et la stabilité à long terme. Ils figurent sur cette page comme Information requise plutôt que comme des estimations. La documentation dit aussi que les composants sont importés, sans nommer ni grade ni origine, ce qui n’est pas publié ici faute de pouvoir être étayé d’après le document fourni.

Deux points pratiques sur l’ensemble. La documentation énonce que les sondes assorties sont assemblées à la main et peuvent comporter une variation de mesure, si bien que la sonde et le transmetteur appariés doivent être traités comme un ensemble à régler plutôt que comme deux pièces interchangeables indépendantes. Et le produit ne porte aucune désignation dans le document fourni : l’identification portée sur le boîtier est une étiquette de configuration, si bien qu’une commande doit énoncer le type d’entrée, la forme de sortie et l’étendue assignée plutôt qu’un code.