Conditionneur PT100/PT1000 à sortie 4-20mA

Modérateurs: Balajol, monteric, ramses

Messagepar Forhorse » Ven Juil 01, 2011 17:45 pm

Bonjour à tous,

Loin de moi l'idée de vouloir faire concurrence à Patrick est à son (fameux) conditionneur à sortie 0-10V. J'aimerais simplement vous présenter un petit montage que j'ai réalisé et qui sera peut-être utile à d'autres.

Pour la petite histoire, je me suis lancé depuis peu dans le solaire thermique (qui ferra l'objet d'un autre sujet) et comme tout le monde j'ai eu besoin de connaitre la température de l'installation dans un but de régulation. J'ai naturellement réalisé le conditionneur proposé par Patrick, et ça a parfaitement fonctionné.
J'ai eu cependant beaucoup de mal à trouver (récupérer) du câble blindé à 3 brins et sans blindage ma mesure se trouvait fortement perturbée.
Il est idiot de s'embêter avec tout ça, car l'industrie connait un autre standard pour les transmission analogique : les boucles de courant à 4-20mA

Le standard 4-20mA offre quelque avantages en comparaison du 0-10V :
- Quasiment insensible aux perturbations électromagnétiques même sans câble blindé.
- Les liaisons peuvent atteindre facilement 300m
- Seulement 2 fils sont nécessaires, qui servent à la fois à transmettre l'information et à alimenter le capteur.

L’inconvenant majeur c'est que la lecture par une entrée analogique en tension comme celle des millénium 2/3 nécessite soit un circuit d'adaptation, soit une perte de 20% de l’échelle si la lecture se fait sur une simple résistance.

Si on pèse le pour et le contre, par rapport à nos installation classique le 4-20mA n'est pas adapté partout. Mais il trouvera parfaitement sa place pour des lectures de sondes placées loin de la régulation (celle du capteur sur le toit par exemple)

1. Le schéma

La philosophie de Patrick, pour sont convertisseur était (si je ne me trompe pas) de proposer un schéma simple utilisant autant que possible des composants courants.
La mienne pour ce convertisseur à été un peu différente : je voulais quelque chose d’extrêmement simple, avec le moins de composants possible quitte à aller dénicher des composants un peu particuliers et/ou spécifiques tel que savent très bien nous proposer les fabricants de circuit intégré.
J'ai trouvé mon bonheur dans le XTR105

Aucun mérite dans ce que je vous propose, je n'ai fait que d'appliquer bêtement la datasheet. Le XTR105 est spécifiquement prévu pour cet usage. Vous n'avez qu'a déterminer le type de sonde utilisée; la plage de mesure et d'appliquer les formules pour trouver la valeur des composants.
Image

Aucun ajustable sur mon schéma. Là encore ma philosophie (pour ce montage) diffère de ce que propose Patrick.
Bien souvent dans ce genre de montage, la phase la plus critique est l’étalonnage. Il faut suivre une procédure rigoureuse, utiliser des références très précises et disposer d'appareils de mesure tout aussi précis qui ne sont pas forcement à la portée de l'amateur, si bien qu'au final la précision de ce qu'on à réaliser est parfois aléatoire.
J'ai fait le pari, qu'en calculant très précisément la valeur des composants (là encore tout est dans la datasheet) et en choisissant des composants au valeurs réelle les plus proche possible de la théorie, on s'affranchit de l’étape fastidieuse (et parfois douteuse) de l’étalonnage.
Ce qui est perdu dans l'impossibilité de réglage est gagné dans la répétabilité (deux conditionneurs réalisé selon le même schéma donneront le même résultat sans qu'on ai besoin d'ajuster quoi que ce soit) et dans la durée (pas de dérive à cause d'un potentiomètre qui bouge, s'oxyde, etc...)
On verra plus loin si le pari est gagné ou non.

Le schéma proposé ci-dessus est valable pour une PT100 avec une gamme de mesure de 0°C à 100°C ce qui correspond à un courant de sortie de 4 à 20mA
En ajustant 3 résistances on peut très bien l'adapter pour d'autres sondes ou d'autres plages de mesure

Ici le calcul donne les valeurs suivantes :
- RZ (resistance de la sonde à 0°C) vaut donc 100ohms, c'est une valeur classique facile à trouver.
- RG (valeur du gain de l'ampli) vaut théoriquement 81.35ohms. Je n'ai pas trouvé d'association de résistance qui donne cette valeur. le plus proche trouvé est 81.34ohms en association une résistance de 75ohms et une de 6.34ohms en série
- Rlin1 (correction de la linéarité d'une sonde RTD) vaut théoriquement 31.8 kilo-ohms. Cette valeur n'est pas critique, une résistance de 31.6 kilo-ohms à été choisie.
- Q1 est un TIP31C (la datasheet propose également le TIP29C et le 2N4922) On peut s'en passer pour simplifier encore le circuit mais dans ce cas il est précisé que le courant circulant dans le circuit-intégré fait chauffer celui-ci et provoque donc une dérive de la mesure. Pour des raisons de précision, j'ai décidé de le garder.
- D1 est une diode zener de 36V (pour une alimentation en 24V) qui à uniquement un rôle de protection contre les surtensions, on peut parfaitement s'en passer.
- Le pont de diode est lui aussi facultatif. Il permet de créer un conditionneur sans polarité, réduisant les risques lors de l'installation de celui-ci sur site (encore un avantage de ce montage, câblage ultra simple : 2 fils, et pas de polarité)

- RL qui doit faire 500ohms pour une mesure en 0(2)-10V est à placer au niveau de l'entrée du M2/M3 (explication plus tard)

Pour RZ et RG on à intérêt à prendre des résistances les plus précise possible. Pour ma part j'ai tapé dans la gamme 0.1% à 25ppm
Rlin1 et RL auront elle aussi intérêt à être précise, 1% de tolérance n'est pas du luxe.

Pour PT1000 voir plus bas
Fichiers joints
schemab.gif
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Messagepar Forhorse » Ven Juil 01, 2011 18:02 pm

2. Circuit imprimé

Le schéma est simple, le circuit imprimé le sera tout autant.
J'ai du simplement m'adapter au type de composants imposé par les contraintes de valeurs de résistances que je m'étais fixé.
Ces valeurs très spécifiques ne sont pas disponible, en petite quantité, dans tous les formats. Le CMS 0805 semble être incontournable alors que personnellement je préfère quand même m'en tenir au 1206
Le XTR105 est au format DIP car moins chère qu'en SOIC (aller comprendre pourquoi)
Au final l'ensemble tient sur un circuit de 40x40mm

Le côté composants, avec le XTR105, le transistor, le pont de diode, la zener et les borniers
Image

Le côté cuivre avec les résistances et les condensateurs.
RG (x2) et Rlin1 sont en 0805; le reste est en 1026
Image

Le typon au format PDF pour l'imprimer facilement
http://forum.apper-solaire.org/files/pcb_pt100_420ma_711.pdf
Fichiers joints
PCB-PT100-420mA.pdf
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Messagepar Forhorse » Ven Juil 01, 2011 18:48 pm

3. Réalisation

La première étape, consiste à s'approvisionner en composants.
L’inconvénient majeurs de ce montage est qu'il requière des composants spécifiques et très précis. Inutile donc de fouiller vos tiroirs, vous allez certainement devoir acheter la totalité.
Pas la peine non plus de vous rendre dans la petite boutique d’électronique du coin de la rue, vous avez 80% de chance qu'ils n'aient même pas la moitié de ce que réclame ce montage.
Il faut donc se tourner vers de fournisseur professionnel. Donc pas vraiment le choix, sorti de Radiospares, Farnell ou Digikey, vous serez vite perdu.

Pour ma part j'ai commandé chez radiospares, via leur site dédiés aux particuliers. (http://www.rs-particuliers.com/)
Et pour vous faciliter le travail, je vais vous donner la référence RS de tous les composants.
- 1 XTR105 -> 252-1650 (12.96€TTC)
- 1 résistance 100R/0.1%/1206 -> 669-6503 (0.45€TTC) vendu par 5
- 1 résistance 6.34R/0.1%/0805 -> 614-5373 (1.65€TTC) vendu par 5
- 1 résistance 75R/0.1%/0805 -> 614-5373 (1.65€TTC) vendu par 5
- 1 résistance 31.6K/1%/0805 -> 679-1279 (0.02€TTC) vendu par 50
- 1 résistance 1K/1%/1206 -> 679-1844 (0.03€TTC) vendu par 50
- 2 condensateur 10nF/1206 -> 669-8410 (0.06€TTC) vendu par 25
- 1 transistor TIP31C/TO220 -> 485-9755 (0.87€TTC) vendu par 5
- 1 pont redresseur boitier WOB -> 687-5936 (0.18€TTC) vendu par 20
- 1 diode zener 36V -> 708-7782 (0.51€TTC) vendu par 10
- 2 bornier 2 plot à vis pas 5.08mm -> 425-8720 (0.30€TTC) vendu par 5

Hors circuit et frais de port, ramené au cout unitaire des composants, ce conditionneur coute donc 18.03€ (chez ce fournisseurs avec ces références)

Maintenant qu'on à réunit tous les composants, on peut faire chauffer le fer à souder.
Le circuit gravé et percé
Image

Côté cuivre et composants CMS
Image

Côté composants
La sonde se branche en haut, la sortie est à droite.
Les plus observateur auront remarqué que je n'ai pas mis la diode zener (pas en stock et oubli de commande)
Image
Fichiers joints
IMG_2078b.JPG
IMG_2077b.JPG
IMG_2076b.JPG
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Messagepar Forhorse » Ven Juil 01, 2011 19:06 pm

4. Essais et performance

Un petit coup de vernis de protection, on laisse sécher, et les essais peuvent débuter.
L'alimentation est fournie par une alim à découpage de 24V; la mesure est assurée par un modeste multimètre vendu comme étant étalonnée (vu la marque, ça vaut ce que ça vaut...)

Pour rappel, la plage de mesure va de 0°C à 100°C, la sortie de 4 à 20mA

Les essais commencent avec une résistance de 100ohms/1% pour vérifier le 0
Le courant mesuré est alors de 3.928mA, soit une erreur de 1.8% par rapport au 4mA attendu !
Plutôt pas mal :cool:
Je prend ensuite ce que j'ai sous la mains (je n'ai rien pour faire 138.5ohms d'une PT100 à 100°C)
J'ai donc mis 133.2ohms, ce qui correspond à une température de 86.1°C
selon la relation de notre convertisseur, à savoir y=4/25x+4 ou x est la température en °C et y le courant de sortie en mA, je devrais avoir 17.76mA pour cette valeur de résistance. La mesure donne 17.64mA soit 0.7% d'erreur
Un dernier essais en dépassement de gamme avec une résistance de 150ohms (130.5°C)
La théorie donne 24.88mA
la mesure donne 24.75mA soit 0.5% d'erreur :roll:

Le pari est donc gagné !
Me voici donc avec un convertisseur de mesure pour PT100, précis à environ 1.2% sans aucun réglage ni étalonnage.

Il ne reste plus qu'a le mettre en place et à le raccorder à l'automate (un M2 dans mon cas, mais ça ne fait pas de différence pour un M3)
Ceci ferra l'objet d'un post ultérieur.
(ceux qui ont tout compris savent déjà qu'il suffit de le raccorder à une résistance de 500ohms et de mesurer la tension sur cette résistance pour avoir une équivalence de 2 à 10V pour les température de 0 à 100°C)

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Messagepar Ottiti » Ven Juil 01, 2011 22:31 pm

Bonsoir

Merci beaucoup Forhorse, ce montage va surement intéresser du monde.
Un peu plus si tu avais pris des PT1000 :roll:
Mais bon il est tard je ne vais pas fouiner sur le Net pour trouver la réponse.
Beau travail
Sympa de ta part

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Messagepar moriss » Ven Juil 01, 2011 22:57 pm

super post, vite vite un modele pt1000 et le raccordement aux crouzet :p
hate de lire tout ça :cool:

moriss
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Messagepar Forhorse » Ven Juil 01, 2011 22:59 pm

Si je trouve 5mn j'essayerais de faire les calculs et de trouver les références pour les PT1000
ça se résume en gros à changer la valeur des 3 résistances Rz, Rg et Rlin1
Et encore, pour Rz c'est simple : 1kohm

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Messagepar Forhorse » Ven Juil 01, 2011 23:49 pm

Alors pour une PT1000, toujours pour 0°C à 100°C il faut modifier les valeurs suivantes :
RZ = 1kohm
RG = 813.5ohm

les autres valeurs ne changent pas (Rlin1 reste à 31.6kohm)

les références qui vont bien :
- résistance 1kohm/0.1%/1206 -> 669-6547
- résistance 7.5R/0.1%/0805 -> 666-2342
- résistance 806R/0.1%/0805 -> 708-6102

Le cout est un peu réduit car ces valeurs sont moins chère. La précision théorique augmente encore car les calculs donnent une valeur de RG de 813.5ohms hors l'assemblage d'une résistance de 7.5 ohm et une de 806 ohms donne très exactement 813.5 ohms.

Le typon et l’implantation des composants reste strictement identique (même nombre de résistances, même boitier, même assemblage)

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Messagepar Ottiti » Sam Juil 02, 2011 13:14 pm

Merci de ta réactivité Forhorse

Je suis de l’époque transistor juste après les tubes, mais avant les Circuit intégrés :roll:

Je n'ai jamais soudé de sms, il y a t il une technique particulière ?.
J'avais entendu parlé de fer a air chaud mais est ce possible avec un fer classique ?

Merci encore
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Messagepar Forhorse » Sam Juil 02, 2011 14:32 pm

C'est très facile à souder, même du 0805 finalement.
Personnellement j'ai une panne de 0.1mm, mais quand j'ai la flemme de changer la panne, je le fais aussi très bien avec une classique de 1mm
(les pannes fines sont surtout utiles pour des composants avec pleins de pattes genre SOT ou SOIC, pour des résistances et de condensateurs ça ne change pas grand chose)
Il faut de la soudure fine (genre 0.7 ou mieux) car sinon le risque c'est de faire des grosses boulettes.
Une panne propre et surtout une bonne pince bruxelle (avec une qui se ferme quand on lâche c'est mieux)
Après avec une bonne vue, ou des lunettes ou une loupe, et une main qui ne tremble pas trop, ça reste largement faisable, surtout quand on en a pas 150 à souder.

Actuellement je travail sur un petit convertisseur 4-20mA / 0-10V qui utilisera a peut près les mêmes composants que le conditionneur de Patrick.

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Messagepar Ottiti » Sam Juil 02, 2011 18:26 pm

OK, Merci :cool:
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Messagepar ange199 » Dim Juil 17, 2011 11:56 am

Bonjour,
Merci beaucoup Forhorse pour ton partage!!
Je voulais vous demander si ce montage est fonctionnel pour des températures négatives de (-100° à 0°) et si on peut le connecter avec un PIC.

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Messagepar Forhorse » Dim Juil 17, 2011 14:37 pm

Pour la plage -100°/0°C le principe est le même, mais il faut modifier la valeur de Rz (et peut-être Rg)

Pas de soucis pour connecter ça sur un PIC ( a terme c'est aussi ce que j'ai prévu)
La méthode la plus simple est d'utiliser un résistance de 250 ohms comme charge (RL) et de mesurer la tension a ses bornes avec un canal de l'ADC du PIC.
On a alors un variation de 1 à 5V pour la plage de mesure. Et si on veut utiliser 100% de la résolution de l'ADC la possibilité la plus simple est de fixer la référence Vref- du PIC à 1V

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Messagepar ange199 » Dim Juil 17, 2011 16:16 pm

merci de m'avoir répondu.. et donc pas besoin d'un convertisseur de type rcv420 comme il est indiqué dans le datasheet du XTR105?

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Messagepar Forhorse » Lun Juil 18, 2011 12:24 pm

Franchement on peut s'en passer !
En plus le RCV420 demande une alimentation symétrique, ce qui est loin d'être pratique. Ce genre de composant n'est utile que si on cherche une précision extrême. pour les 10 bits de l'ADC d'un PIC c'est du luxe.

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