- Analog Devices explique comment modifier la conception d’un capteur de température à résistance (RTD — Resistance Temperature Detector) pour environnements industriels afin de répondre aux exigences des usines qui requièrent des capteurs de température plus compacts conjuguant des interfaces de communications flexibles et des possibilités de configuration à distance.
- Cet objectif peut être atteint en associant un frontal analogique (AFE) et un émetteur-récepteur IO-Link.
- Le recours à un émetteur-récepteur utilisant le protocole IO-Link permet au capteur de fonctionner indépendamment de l’interface avec le réseau industriel utilisé pour se connecter à un contrôleur de processus.
- Cet article se concentre sur les capteurs de température à résistance RTD, mais cette modification de la conception peut être appliquée aux capteurs de température exploitant des thermistances ou des thermocouples.
Auteurs : Brian Condell, ingénieur d’applications produit, et Michael Jackson, spécialiste du marché de l’automatisation, Analog Devices
Comme le veut le célèbre adage, on ne répare pas ce qui n’est pas cassé. En d’autres termes, on ne modifie pas un appareil qui fonctionne. Il ne fait aucun doute que ce conseil s’applique aux circuits utilisés dans la conception d’un grand nombre de capteurs RTD chargés de mesurer la température dans les installations de fabrication industrielle en service aux quatre coins du monde. Mais nombre de capteurs RTD actuellement opérationnels ne sont pas adaptés aux exigences des usines modernes et de l’Industrie 4.0. Aujourd’hui en effet, les ingénieurs en automatisation exigent des capteurs de température dotés de caractéristiques absentes des solutions existantes, tant sur le plan des dimensions que de la flexibilité des interfaces de communications ou des possibilités de configuration à distance. Le présent article fait un tour d’horizon des éléments utilisés dans la conception d’un large éventail de capteurs de température à résistance, et décrit les limites imposées à leur utilisation. Nous montrerons enfin comment modifier rapidement la conception de ce type de capteur en vue de le doter des caractéristiques que requiert l’Industrie 4.0.
Éléments constitutifs d’un capteur de température
Les composants utilisés pour constituer un capteur de température industriel à résistance sont représentés à la figure 2.
Un capteur de température à résistance (RTD) traduit un paramètre physique (la température) en un signal électrique, et est généralement utilisé pour détecter des températures comprises entre -200 et +850 degrés avec une réponse hautement linéaire dans cette plage. Les métaux couramment utilisés dans les capteurs RTD sont le nickel (Ni), le cuivre (Cu) et le platine (Pt), les capteurs de température RTD en platine Pt100 et Pt1000 étant les plus répandus. Si un capteur RTD peut comporter deux, trois ou quatre fils, les versions à 3 et 4 fils demeurent les plus courantes. Ces capteurs étant de type passif, un courant d’attaque est nécessaire pour produire une tension de sortie, par exemple à l’aide d’une référence de tension mise en tampon par un amplificateur opérationnel qui applique le courant au capteur afin de générer un signal de tension de sortie qui varie en fonction des variations de température — de quelques dizaines à quelques centaines de millivolts (mV) en fonction du type de capteur RTD utilisé et de la température mesurée (figure 3).
Le frontal analogique (AFE) amplifie et conditionne le signal RTD de faible amplitude qui est ensuite numérisé par le convertisseur analogique-numérique (CAN) pour que le microcontrôleur exécute un algorithme chargé de compenser toute non-linéarité. Cette opération envoie le signal de sortie numérique à un contrôleur de processus via une interface de communications. Le frontal analogique est généralement mis en œuvre au moyen d’une chaîne de signal dont chaque composant exécute une fonction spécifique (figure 4).
Nombre de capteurs de température sont actuellement conçus à l’aide de cette approche discrète qui nécessite une carte électronique (PCB) suffisamment grande pour embarquer la totalité des circuits intégrés, ainsi que le routage des signaux et de l’alimentation, fixant par conséquent les dimensions minimales du boîtier sur lequel est monté le capteur. Une approche à la fois plus simple et plus performante utilise un frontal analogique intégré tel que le circuit AD7124-4 (figure 5). Compact, ce frontal analogique réunit dans un seul boîtier un multiplexeur, une référence de tension, un amplificateur à gain programmable (PGA) et un convertisseur analogique/numérique sigma-delta (Σ-Δ ADC). Il délivre également les courants d’attaque du capteur RTD et peut à ce titre remplacer cinq composants de la chaîne de signal représentée à la figure précédente. Ce frontal permet ainsi de réduire de manière significative l’espace occupé sur la carte et de réaliser un capteur avec un boîtier beaucoup plus compact.
Interface de communications
La plupart des capteurs industriels sont conçus pour être connectés à un contrôleur de processus via un (ou plusieurs) réseau(x) industriel(s), parmi lesquels les nombreuses variantes des bus de terrain ou des réseaux Ethernet. Cette flexibilité nécessite un circuit intégré pour applications spécifiques (ASIC) capable de gérer les différents protocoles réseau sélectionnés. Or, une telle approche présente plusieurs inconvénients : l’incorporation d’un ASIC associé à un réseau industriel spécifique lors de la conception du capteur augmente sensiblement le coût, notamment dans le cas de réseaux industriels propriétaires. Cette approche limite également le marché des capteurs aux utilisateurs de ce réseau. Pour qu’un capteur fonctionne avec différents protocoles, il est indispensable de modifier sa conception en vue d’inclure l’ASIC nécessaire — une opération particulièrement fastidieuse qui présente des risques élevés et peut s’avérer fort onéreuse. Enfin, le nombre et le type de fonctions de diagnostic varient considérablement d’un type de réseau à l’autre (certains n’en proposant aucune). En fonction du choix, les opérateurs en atelier risquent de rencontrer des difficultés pour identifier et assurer l’entretien des capteurs, au-delà des problèmes de performance pouvant survenir une fois installés sur site.
Une approche plus intéressante consiste à concevoir un capteur indépendant de tout réseau industriel : cette solution permet, d’une part, de réduire les coûts de développement et, d’autre part, d’élargir la clientèle potentielle. Dans cette optique, on utilisera le protocole de communications à trois fils IO-Link conçu pour relier des capteurs (et des actionneurs) aux différents réseaux de contrôle industriel. Dans les applications IO-Link, un émetteur-récepteur assure l’interface physique avec un microcontrôleur exécutant le protocole de la couche de liaison de données. Avantage majeur, le protocole IO-Link prend en charge quatre types de transmission différents — données de processus, données de diagnostics, données de configuration et données d’évènements —, ce qui permet d’identifier, de localiser et de réparer rapidement les capteurs en cas de dysfonctionnement. Ce protocole est par ailleurs capable d’exécuter des tâches de configuration à distance. Prenons un exemple : s’il est nécessaire de modifier le seuil de température associé au déclenchement d’une alarme de processus, cette opération peut être exécutée sans qu’il soit nécessaire de dépêcher un technicien sur site. Le circuit MAX14828 est un émetteur-récepteur IO-Link basse consommation et de dimensions réduites disponible en boîtier TQFN à 24 contacts (4 × 4 mm) ou WLP (2,5 × 2,5 mm), ce qui facilite son intégration dans un capteur RTD pour environnements industriels, ainsi que d’autres types de capteurs. L’émetteur-récepteur permet d’utiliser un capteur indépendant du réseau industriel employé, car il communique directement avec un hôte IO-Link installé du côté du contrôleur de processus et qui gère les communications avec l’ASIC d’interface (figure 6).
