Un grand nombre de capteurs qui captent et traduisent des données du monde réel en signaux électriques sont des capteurs analogiques, et s’ils sont répertoriés comme des capteurs numériques, c’est parce qu’ils ont des convertisseurs analogiques-numériques intégrés. Traditionnellement, les capteurs filaires ont modifié un courant électrique en réponse aux conditions environnementales. Les capteurs vont des exemples familiers comme les photodiodes et les photomultiplicateurs qui produisent du courant lorsqu’ils sont exposés à un rayonnement électromagnétique, aux transducteurs de pression submersibles utilisés pour mesurer les niveaux de fluide. Le signal de courant standard utilisé aujourd’hui pour les capteurs industriels ou environnementaux, généralement câblés à des automates programmables (automates) est de 4 à 20 Ma, 4mA représentant zéro pour cent (0%) de la valeur mesurée et 20mA représentant 100 pour cent (100%) de la valeur mesurée.
D’autres plages de courant ont été historiquement utilisées pour les émetteurs en boucle de courant, mais elles ont en commun un rapport de 1: 5 en mA, soit un biais de 20%. Par exemple, avant le transistor, les boucles de courant 10-50 mA étaient courantes. Un « zéro vivant » de 10 Ma a été utilisé car c’était le plus bas auquel les instruments basés sur des amplificateurs magnétiques pouvaient fonctionner, et 50 mA a été utilisé pour maintenir le rapport 1: 5. (Le zéro en direct est mesuré comme une entrée zéro même si le signal réel est de 4mA, et non de 0mA. Un zéro mort serait 0mA, à quel point vous avez un circuit ouvert.) Lorsque les transistors étaient largement utilisés, ils fonctionnaient de manière fiable à une valeur (alors) faible de 4mA, de sorte que la norme de l’industrie est passée à 4–20mA (en maintenant le rapport 1: 5 mA). La norme pour 4-20mA (ISA SP50) a été publiée à l’origine en 1966.
Les signaux de courant sont souvent utilisés dans les capteurs car la réponse de courant est généralement plus linéaire que la réponse de tension. Les signaux de courant fournissent également généralement une faible impédance aux capteurs, avec l’avantage d’une meilleure immunité au bruit. Une considération pratique est que les signaux de courant peuvent s’étendre beaucoup plus loin que les signaux de tension, permettant des longueurs de fil de signal robustes allant jusqu’à 1 000 mètres.
Les tensions d’alimentation utilisées avec les boucles CC 4-20 Ma varient (9, 12, 24 VCC, etc.) selon l’application. Cependant, l’alimentation doit être à un potentiel 10% plus élevé que la chute de tension des composants combinés du circuit (c’est-à-dire émetteur, récepteur et fil). La plupart des boucles 4-20mA utilisent deux fils, mais il existe également des configurations à trois et quatre fils qui séparent une alimentation positive de la connexion de sortie. Les composants d’une boucle 4-20mA comprennent 1) un capteur, 2) un émetteur, 3) une source d’alimentation, 4) un circuit / boucle (c’est-à-dire un câblage) et 5) un récepteur.
Il y a des avantages et des inconvénients à utiliser une boucle de courant 4-20mA. Les avantages sont que la boucle de courant 4-20 mA est la norme dominante de l’industrie, est meilleure pour les longues distances, est la plus simple à connecter et à configurer, utilise moins de câblage que les systèmes similaires et est très facile à dépanner pour les problèmes courants tels que les fils cassés. Les inconvénients de l’utilisation de 4-20mA pour une boucle d’entrée de capteur active sont que les boucles de courant ne peuvent transmettre qu’un seul signal de processus, ce qui nécessite plusieurs boucles lorsque de nombreuses variables de processus doivent être transmises. De plus, l’utilisation de plusieurs boucles peut entraîner des problèmes de boucles de masse si les boucles individuelles ne sont pas isolées.
Un autre avantage des boucles de courant 4-20mA est la sécurité. Même si l’alimentation est de 24 volts, le choc n’est pas un danger car le courant est faible (P = VI). En outre, la boucle de courant 4-20mA est intrinsèquement sûre pour les zones dangereuses pouvant contenir des niveaux dangereux de poussière ou de vapeur, car la faible consommation d’énergie ne provoque pas de combustion si des conditions de fonctionnement normales ou de défaut sont en jeu.
Bien sûr, si l’utilisation de capteurs sans fil continue de croître, la distance de boucle d’entrée 4-20mA de 1 000 mètres ne sera pas aussi impressionnante que dans les années 1960. Cependant, la boucle de capteur 4-20mA à l’ancienne est intrinsèquement immunisée contre le piratage via Internet et sera toujours plus fiable pour les performances en temps réel que les capteurs sans fil.