La plupart des capteurs industriels utilisent une sortie courant 4-20 mA. Ce standard permet des mesures précises sur de longues distances. Cet article explique la formule de conversion, fournit des exemples pour les capteurs de niveau, température et pression, et montre comment configurer ces formules dans l’interface ThingsLog.
Table des matières
- Pourquoi le standard 4-20 mA ?
- La formule de conversion universelle
- Exemples de calcul
- Configuration dans l’interface ThingsLog
- Calibration et vérification du signal
- Applications pratiques
- Dépannage des signaux 4-20 mA
- Intégration avec d’autres systèmes via API
- Questions fréquentes
Pourquoi le standard 4-20 mA ?
Les capteurs analogiques produisent soit une sortie en courant, soit une sortie en tension. Les capteurs à sortie courant (4-20 mA) sont adaptés aux grandes distances entre le capteur et l’enregistreur de données, ce qui leur confère une large utilisation industrielle. Les capteurs à sortie tension sont également très répandus — généralement moins chers, ils conviennent pour de courtes distances.
Le standard 4-20 mA présente plusieurs avantages clés par rapport aux sorties tension :
- Immunité au bruit électromagnétique — Le signal courant est peu sensible aux perturbations (moteurs, variateurs de fréquence, onduleurs)
- Détection de défaut intégrée — Un signal à 0 mA indique une rupture de câble (le signal minimal normal est 4 mA)
- Longue portée — Possible sur des centaines de mètres sans dégradation du signal
- Universalité — Standard adopté par pratiquement tous les fabricants de capteurs industriels
La formule de conversion universelle
La formule suivante permet de convertir un signal courant (en mA) en valeur physique (en m, bar, °C, etc.) :
Y = Limite basse + (Limite haute – Limite basse) × (X – 4) / 16
Où :
- Y — lecture de mesure dans l’unité spécifique (bar, m, °C, etc.)
- X — sortie courant du capteur en mA (toujours entre 4 et 20 mA)
- Limite basse — valeur minimale de la plage de mesure du capteur (à 4 mA)
- Limite haute — valeur maximale de la plage de mesure du capteur (à 20 mA)
La valeur 16 dans le dénominateur représente l’amplitude du signal (20 – 4 = 16 mA). Cette formule est une interpolation linéaire entre les deux points extrêmes de la courbe de réponse du capteur.
Exemples de calcul
Capteur de niveau (0–4 m), signal de sortie : 5 mA
Y (m) = 0 + (4 – 0) × (5 – 4) / 16 = 0,25 m
Capteur de température (-20 à +100°C), signal de sortie : 10 mA
Y (°C) = -20 + (100 – (-20)) × (10 – 4) / 16 = -20 + 120 × 6/16 = 25°C
Capteur de pression (0–10 bar), signal de sortie : 12 mA
Y (bar) = 0 + (10 – 0) × (12 – 4) / 16 = 10 × 8/16 = 5 bar
Capteur d’humidité relative (0–100 % HR), signal de sortie : 16 mA
Y (% HR) = 0 + (100 – 0) × (16 – 4) / 16 = 100 × 12/16 = 75 % HR
Configuration dans l’interface ThingsLog
Dans l’interface ThingsLog, vous pouvez définir une formule de conversion pour les ports d’entrée de capteurs analogiques.
Configuration du capteur de niveau (0–4 m)
Formule à saisir dans l’interface :
Y = (4 – 0) × (X – 4) / 16 = 0,25 × (X – 4)
Avec cette configuration, le logger convertira le signal courant en mètres et déclenchera une alarme si le niveau descend sous 1 m ou dépasse 3,5 m.
Configuration du capteur de température (-20 à +100°C)
Formule à saisir dans l’interface :
Y (°C) = -20 + 120 × (X – 4) / 16 = -50 + 7,5 × X
Avec cette configuration, le logger convertira le signal courant en °C et déclenchera des alarmes si la température sort de la plage 2–8°C (idéal pour la surveillance de la chaîne du froid).
Calibration et vérification du signal
Avant de mettre en service un capteur 4-20 mA sur un logger ThingsLog, il est recommandé de vérifier la calibration sur le terrain. Un simple multimètre placé en série dans la boucle de courant permet de mesurer le signal réel en mA et de le comparer à la valeur attendue d’après la formule de conversion.
La procédure de vérification en trois étapes :
- Point zéro (4 mA) — Amenez le capteur à sa valeur minimale (cuve vide, pression atmosphérique, température de référence) et vérifiez que le signal est bien de 4,00 mA ± 0,02 mA.
- Pleine échelle (20 mA) — Amenez le capteur à sa valeur maximale (cuve pleine, pression maximale) et vérifiez 20,00 mA ± 0,02 mA. Si l’accès à la pleine échelle n’est pas possible sur site, un générateur de courant de calibration peut simuler la valeur.
- Point intermédiaire (12 mA) — Vérifiez un point à mi-parcours de la plage (environ 50 % de la valeur physique). Un écart significatif à ce stade indique une non-linéarité du capteur nécessitant un remplacement.
ThingsLog permet de configurer des alertes sur les valeurs de courant hors plage (X < 3,8 mA ou X > 20,5 mA), ce qui détecte automatiquement les dérives de calibration ou les pannes de capteur sans intervention humaine sur site.
Applications pratiques
| Type de capteur | Plage typique | Application ThingsLog |
|---|---|---|
| Pression d’eau | 0–10 bar | Surveillance réseau d’eau, détection fuites |
| Niveau (pression hydrostatique) | 0–200 m | Citernes, puits, barrages |
| Température | -40 à +150°C | Chaîne du froid, process industriels |
| Humidité relative | 0–100 % HR | Surveillance microclimats, serres |
| Débit électromagnétique | 0–X m³/h | Comptage eau, process liquides |
| CO₂ / qualité d’air | 0–5000 ppm | Surveillance atmosphère, serres |
Dépannage des signaux 4-20 mA
Plusieurs anomalies peuvent affecter la qualité du signal 4-20 mA :
- Signal à 0 mA — Rupture de câble ou court-circuit. Le capteur ou le câble est défectueux
- Signal constant à 4 mA — Capteur en défaut ou hors de sa plage de mesure (valeur minimale bloquée)
- Signal à 20 mA constant — Dépassement de la plage haute du capteur ou court-circuit alimentation
- Signal instable / bruité — Perturbation électromagnétique : utiliser un câble blindé et vérifier la mise à la terre
- Décalage de zéro — Recalibration du capteur nécessaire si le signal à vide n’est pas exactement 4 mA
La plateforme ThingsLog permet de détecter automatiquement ces anomalies en configurant des alertes sur les valeurs hors plage (par exemple, alerte si X < 3,8 mA ou X > 20,5 mA).
Intégration avec d’autres systèmes via API
Pour les utilisateurs avancés, ThingsLog expose une API REST qui permet d’interroger les données de mesure des capteurs analogiques depuis n’importe quelle application tierce. Cette intégration est particulièrement utile pour :
- Systèmes SCADA — Intégrer les valeurs IoT dans un superviseur industriel existant (Ignition, WinCC, Wonderware)
- ERP et MES — Faire remonter les consommations d’eau ou d’énergie dans les systèmes de gestion de production
- Tableaux de bord personnalisés — Créer des visualisations sur mesure avec des outils comme Grafana, Power BI ou Tableau
- Automatisations — Déclencher des actions (fermeture d’une vanne, démarrage d’une pompe) via MQTT ou webhook lorsqu’un seuil est franchi
L’API ThingsLog est documentée et accessible via un token d’authentification. Toutes les valeurs converties (en unités physiques, après application de la formule de conversion) sont disponibles dans la réponse JSON, sans nécessité de recalculer la conversion côté client.
Pour les utilisateurs souhaitant recevoir des données en temps réel sans polling régulier, ThingsLog supporte également MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), un protocole léger idéal pour les architectures IoT distribuées. Chaque nouvelle mesure du capteur est publiée sur un topic MQTT dédié, permettant à n’importe quel subscriber d’être notifié instantanément.
Questions fréquentes
Pourquoi le signal minimum est-il 4 mA et non 0 mA ?
Le choix de 4 mA comme valeur minimale (plutôt que 0 mA) permet de distinguer la valeur physique minimale d’une rupture de câble. Un câble coupé ne transmet aucun courant (0 mA), ce qui est différent d’un capteur mesurant sa valeur minimale (4 mA). Cette “live zero” est une fonctionnalité de sécurité fondamentale du standard 4-20 mA, très appréciée dans les applications industrielles critiques.
Combien d’entrées analogiques 4-20 mA un logger ThingsLog peut-il gérer ?
Les loggers ThingsLog disposent de 1 à 4 entrées analogiques selon le modèle, chacune configurable indépendamment avec sa propre formule de conversion. Il est donc possible de connecter simultanément un capteur de pression, un capteur de niveau et un capteur de température sur le même logger, avec des formules, des unités et des seuils d’alerte distincts pour chacun.
La formule de conversion peut-elle être modifiée à distance sans accès physique au logger ?
Oui. La reconfiguration du logger ThingsLog, y compris les formules de conversion des capteurs analogiques, peut être réalisée entièrement à distance (OTA — Over The Air) depuis l’interface web. Il n’est pas nécessaire de se déplacer sur site pour modifier les plages de mesure, les formules ou les seuils d’alerte. Cette fonctionnalité est particulièrement précieuse pour les sites distants ou d’accès difficile.
Quelle est la précision de mesure d’un signal 4-20 mA avec ThingsLog ?
La précision dépend à la fois du capteur lui-même et de la résolution de conversion analogique-numérique du logger. Les loggers ThingsLog utilisent des convertisseurs ADC 12 bits sur leurs entrées analogiques, ce qui offre une résolution de 1/4096 de la plage de mesure — soit environ 0,025 % de la plage totale. Pour un capteur de pression 0-10 bar, cela représente une résolution de 0,002 bar, bien en dessous des incertitudes typiques des capteurs industriels (±0,1 % à ±0,5 %).
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