Bien que les technologies des microprocesseurs et des réseaux numériques aient fondamentalement réinventé la manière dont les systèmes d'acquisition de données actuels traitent les données, une grande partie des informations issues des laboratoires et des sites de production sont encore transmises à l'ancienne, via des signaux électriques analogiques. Pour bien comprendre le fonctionnement de la transmission des signaux analogiques, il faut d'abord aborder les principes fondamentaux de l'électricité.
Pour comprendre comment un signal analogique est transmis sur un circuit, il est important de comprendre les relations qui rendent possible la transmission des signaux analogiques. C'est la relation fondamentale entre la tension, le courant et la résistance électrique (Figure 3-1) qui permet à un courant ou à une tension variant en continu de représenter une variable de processus continue.
Alors que le débit de charge est le courant électrique, la tension est le travail effectué pour déplacer une unité de charge (1 coulomb) d'un point à un autre. L'unité de tension est souvent appelée différence de potentiel ou volt (V). L'unité du Système international d'unités (SI) pour le débit électrique est l'ampère (A), défini comme un coulomb par seconde (c/s).
Une source de signal de tension, V, provoquera le passage d'un courant, I, à travers une résistance, R. La loi d'Ohm, formulée par le physicien allemand Georg Simon Ohm (1787-1854), définit la relation suivante :
V=IR
Alors que la plupart des transmissions de signaux analogiques à canal unique utilisent des variations de courant ou de tension en courant continu (cc) pour représenter une valeur de données, les variations de fréquence d'un courant alternatif (ca) peuvent également être utilisées pour communiquer des informations. Au début du XIXe siècle, Jean Baptiste Joseph Fourier, mathématicien et physicien Français, a découvert que les signaux CA pouvaient être définis en termes d'ondes sinusoïdales. Une onde sinusoïdale est décrite par trois grandeurs : l'amplitude, la période et la fréquence. L'amplitude est la valeur maximale de l'onde dans le sens positif ou négatif, la période est le temps nécessaire pour accomplir un cycle complet de l'onde, et la fréquence est le nombre de cycles complets par unité de temps (l'inverse de la période).
Analog Signal Types
La plupart des signaux d'acquisition de données peuvent être décrits comme analogiques, numériques ou impulsionnels. Alors que les signaux analogiques varient généralement de manière fluide et continue dans le temps, les signaux numériques sont présents à des moments discrets (Figure 3-2). Dans la plupart des applications de contrôle, les signaux analogiques varient en continu sur une plage de courant ou de tension spécifiée, telle que 4-20 mA cc ou 0 à 5 V cc. Alors que les signaux numériques sont essentiellement activés/désactivés (la pompe est active ou inactive, la bouteille est présente ou absente), les signaux analogiques représentent des entités variables en continu telles que les températures, les pressions ou les débits. Comme les contrôleurs et les systèmes informatiques ne comprennent que les informations discrètes de type Activé/Désactivé, la conversion des signaux analogiques en représentations numériques est nécessaire (ce sujet est abordé au chapitre 1).
La transduction est le processus qui consiste à transformer une forme d'énergie en une autre. Un transducteur est donc un dispositif qui convertit l'énergie physique en un signal électrique de tension ou de courant pour la transmission. Il existe de nombreuses formes différentes de transducteurs électriques analogiques. Les transducteurs courants comprennent les cellules de charge pour mesurer la contrainte via la résistance, et les thermocouples et les détecteurs de température à résistance (RTD) pour mesurer la température via la tension et la résistance, respectivement. Les canaux de transmission peuvent être des fils ou des câbles coaxiaux.
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Pour une transmission résistante au bruit sur de longues distances, le signal brut du transducteur est souvent converti en un signal de 4-20 mA par un transmetteur à deux fils alimenté en boucle. La valeur inférieure de la plage d'une variable de processus, par exemple une température, est généralement désignée comme 4 mA, ce qui permet de distinguer facilement un défaut du transmetteur (0 mA) d'un signal valide. Si la source de courant est de bonne qualité, les boucles de courant ont tendance à être moins sensibles au bruit capté par les interférences électromagnétiques que les signaux basés sur la tension.
Bruit et mise à la terre
Lors de la transmission de signaux analogiques dans une usine de traitement ou une usine de fabrication, l'une des exigences les plus critiques est la protection de l'intégrité des données. Cependant, lorsqu'un système d'acquisition de données transmet des signaux analogiques de faible niveau par câble, une certaine dégradation du signal est inévitable et se produit en raison du bruit et des interférences électriques. Le bruit et la dégradation du signal sont deux problèmes fondamentaux dans la transmission des signaux analogiques.
Le bruit est défini comme tout phénomène électrique ou magnétique indésirable qui corrompt un signal de message. Le bruit peut être classé en deux grandes catégories en fonction de sa source : le bruit interne et le bruit externe. Alors que le bruit interne est généré par des composants associés au signal lui-même, le bruit externe résulte de l'influence de phénomènes électriques ou magnétiques naturels ou artificiels sur le signal lors de sa transmission. Le bruit limite la capacité à identifier correctement le message envoyé et limite donc le transfert d'informations. Voici quelques-unes des sources de bruit interne et externe :
Interférences électromagnétiques (EMI) Interférences radioélectriques (RFI) Les fuites au niveau des bornes d'entrée Les signaux turbulents provenant d'autres instruments La captation de charges électriques provenant de sources d'alimentation La commutation de charges à courant élevé dans le câblage voisin Chauffage autonome dû à des changements de résistance Arcs électriques Foudre Moteurs électriques Transitoires et impulsions à haute fréquence passant dans l'équipement Câblage et installation incorrects Erreur de conversion du signal ; et Perturbations incontrôlables du processus.
Les fils de signal peuvent capter deux types de bruit externe : le mode commun et le mode normal. Le bruit en mode normal pénètre dans le chemin du signal sous forme de tension différentielle et ne peut être distingué du signal du transducteur. Le bruit capté sur les deux fils à partir de la terre est appelé interférence de mode commun.
Titre de la légende de l'image Les plages typiques pour les signaux de données et le bruit sont indiquées dans la figure 3-3. Le fait que le bruit nuise ou non au bon fonctionnement du système dépend du rapport entre la puissance totale du signal et le niveau total du bruit. C'est ce qu'on appelle le rapport signal/bruit. Si la puissance du signal est importante par rapport au signal de bruit, le bruit peut souvent être ignoré. Cependant, avec des signaux longue portée fonctionnant avec une puissance de signal limitée, le bruit peut perturber complètement le signal.
Les dispositifs à courant ont été largement adoptés dans les usines de traitement, avec une plage de courant courante de 4 à 20 mA. Les signaux à faible niveau de courant sont non seulement sûrs, mais ils sont également moins sensibles au bruit que les signaux de tension. Si un courant est couplé magnétiquement aux fils de connexion lors de la transmission du signal à partir d'une source de courant, cela n'entraîne aucun changement significatif dans le courant du signal. Si le transducteur est un dispositif à tension, l'erreur s'ajoute directement au signal. Après la transmission du courant, les signaux de tension peuvent être facilement dérivés à nouveau.
Même si les interférences internes et externes peuvent poser problème lors de l'envoi de signaux analogiques, la transmission de signaux analogiques est largement utilisée et réussie dans l'industrie. Les effets du bruit peuvent être réduits grâce à une conception technique minutieuse, une installation appropriée, des techniques d'acheminement des fils et des câbles, ainsi qu'un Blindage et une mise à la terre.
L'une des méthodes utilisées par les ingénieurs pour minimiser les effets du bruit consiste à maximiser le rapport signal/bruit. Cela implique d'augmenter la puissance du signal envoyé. Bien que cette méthode fonctionne dans certains cas, elle a ses limites. En augmentant le signal, les effets non linéaires deviennent dominants, car l'amplitude du signal est augmentée, ce qui amplifie le signal et le bruit dans les mêmes proportions.
Une mise à la terre correcte est également essentielle au bon fonctionnement de tout système de mesure. Une mise à la terre incorrecte peut entraîner des boucles de masse potentiellement dangereuses et une sensibilité aux interférences. Pour comprendre les principes du blindage et de la mise à la terre, il faut d'abord comprendre certains termes. Une mise à la terre est un chemin conducteur pour le courant entre un circuit électrique et la terre. Les fils de terre sont généralement fabriqués à partir de matériaux à très faible résistance. Comme le courant emprunte le chemin offrant la moindre résistance, les fils de terre connectés au système fournissent une référence stable pour effectuer des mesures de tension. Les fils de terre protègent également contre les signaux en mode commun indésirables et empêchent tout contact accidentel avec des tensions dangereuses. Les lignes de retour transportent les courants d'alimentation ou de signal (Figure 3-4). Une boucle de terre est une boucle potentiellement dangereuse qui se forme lorsque deux ou plusieurs points d'un système électrique sont mis à la terre à des potentiels différents.
Il existe de nombreuses techniques de mise à la terre différentes conçues non seulement pour protéger les données transmises, mais aussi pour protéger les employés et les équipements. Tous les systèmes doivent être mis à la terre de deux manières. Tout d'abord, tous les équipements de mesure et les systèmes d'enregistrement doivent être mis à la terre afin que les mesures puissent être prises par rapport à un potentiel de tension nul. Cela permet non seulement de s'assurer qu'aucun potentiel n'est introduit au niveau du dispositif de mesure, mais aussi que les boîtiers ou armoires autour des équipements ne sont pas sous tension. Pour mettre à la terre un boîtier ou une armoire, un ou plusieurs conducteurs en cuivre épais sont reliés au dispositif à une tige de terre stable ou à une grille de terre désignée. Cette mise à la terre du système sert de base pour rejeter les signaux de bruit en mode commun. Il est très important que cette mise à la terre reste stable.
La deuxième mise à la terre est destinée à la mise à la terre du signal. Cette mise à la terre est nécessaire pour fournir une référence solide pour la mesure de tous les signaux de faible niveau. Il est très important que cette mise à la terre soit séparée et isolée de la mise à la terre du système. Si une ligne de retour de signal est mise à la terre à la source du signal et à la mise à la terre du système, une différence de potentiel entre les deux mises à la terre peut provoquer un courant circulant (Figure 3-5). Dans ce cas, le courant circulant sera en série avec les fils de signal et s'ajoutera directement au signal provenant de l'instrument de mesure. Ces boucles de masse sont capables de créer des signaux de bruit 100 fois supérieurs au signal d'origine. Ce courant peut également être potentiellement dangereux. Dans une configuration de mise à la terre à point unique, un courant minimal peut circuler dans la référence de masse. La figure 3-6 montre qu'en mettant le fil à la terre uniquement à l'extrémité du signal, le courant n'a pas de chemin, ce qui élimine la boucle de terre.
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Pour les mesures hors masse, le blindage ou le conducteur de masse est stabilisé par rapport au niveau bas du signal ou à un point situé entre les deux. Le blindage se trouvant à un potentiel supérieur à la masse de référence zéro, il est nécessaire de disposer d'une isolation appropriée.
Options de fils et de câbles
Un autre aspect important à prendre en compte dans la transmission de signaux analogiques est un système de câblage approprié, qui peut réduire efficacement les interférences parasites. La transmission de signaux analogiques se compose généralement de fils de signal à deux fils ou à trois fils. Dans les systèmes qui exigent une grande précision et une grande exactitude, le troisième fil de signal, ou blindage, est nécessaire. Dans la configuration à trois fils, le blindage est mis à la terre au niveau de la source du signal afin de réduire le bruit en mode commun. Cependant, cela n'élimine pas toutes les possibilités d'introduction de bruit. Il est essentiel d'empêcher la captation du bruit en protégeant les lignes de signal. Par exemple, dans le cas où le bruit et la fréquence du signal sont identiques. Dans ce scénario, le signal ne peut pas être isolé/filtré du bruit au niveau du dispositif récepteur.
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En général, des moyens de transmission à deux fils sont utilisés pour acheminer un signal analogique vers ou depuis la zone de terrain. Un fil transportant un courant et une tension alternatifs peut induire du bruit dans une paire de fils de signalisation à proximité. Une tension/un bruit différentiel sera créé, car les deux fils peuvent se trouver à des distances différentes du signal perturbateur. Il existe de nombreuses options de câblage différentes pour réduire l'entrée de bruit indésirable dans la ligne. Quatre types de fils sont fondamentaux dans l'acquisition de données : la paire simple, la paire blindée, la paire torsadée et le câble coaxial.
Bien que le fil simple puisse être utilisé, il n'est généralement pas très fiable pour filtrer le bruit et n'est pas recommandé. Une paire blindée est une paire de fils entourée d'un conducteur qui ne transporte pas de courant. Le blindage bloque le courant parasite et le dirige vers la terre. Lors de l'utilisation d'une paire blindée, il est très important de respecter les règles de mise à la terre. Là encore, le blindage ne doit être mis à la terre qu'à une seule source, afin d'éliminer la possibilité de courants de boucle de terre.
Les paires torsadées contribuent à éliminer le bruit dû aux champs électromagnétiques en torsadant les deux fils de signal à intervalles réguliers. Toute perturbation induite dans le fil aura la même amplitude et entraînera l'annulation de l'erreur.
Le câble coaxial est une autre alternative pour protéger les données contre le bruit. Un câble coaxial se compose d'un fil conducteur central séparé d'un cylindre conducteur extérieur par un isolant. Le conducteur central est positif par rapport au conducteur extérieur et transporte un courant (Schéma 3-7). Les câbles coaxiaux ne produisent pas de champs électriques et magnétiques externes et ne sont pas affectés par ceux-ci. Cela les rend idéaux, bien que plus coûteux, pour la transmission de signaux.
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