Capteurs de pression 4-20 mA pour le niveau d'eau : comment choisir, mettre à l'échelle et vérifier un appareil au Canada

Un capteur de pression 4-20 mA transforme la pression en un courant compris entre 4 mA (bas de l'étendue) et 20 mA (haut de l'étendue), transmis sur les deux mêmes fils qui l'alimentent : un automate, une entrée SCADA ou un enregistreur de données peut donc le lire sur un long câble. Immergé dans un puits, un réservoir ou un puisard, un modèle ventilé fait office de transmetteur de niveau d'eau : le courant indique combien de mètres d'eau se trouvent au-dessus du capteur. ERE distribue le transmetteur de pression 4-20 mA de Heron, offert en quatre plages de 10 m à 120 m d'eau. Ce guide explique comment choisir la plage, mettre le signal à l'échelle, dimensionner l'alimentation de la boucle et valider les lectures avec un ruban.

Dans ce guide

• Ce que fait un capteur de pression 4-20 mA
• Pourquoi un signal 4-20 mA plutôt qu'une sortie en tension
• Transmetteur, enregistreur ou système de télémétrie
• Convertir le 4-20 mA en niveau d'eau
• Choisir la plage de pression
• Tension d'alimentation et résistance de la boucle
• Câbles ventilés et problèmes possibles
• Installer et vérifier le transmetteur
• Que signifient les anomalies de lecture courantes
• Où ces transmetteurs sont utilisés

Que fait un capteur de pression 4-20 mA ?

Il convertit une pression en un courant proportionnel qu'un autre appareil peut lire. Au bas de son étendue, le transmetteur laisse passer 4 mA; au haut, 20 mA; entre les deux, la relation est linéaire. Le transmetteur Heron est un modèle à deux fils qui exige une alimentation externe : une seule paire de conducteurs transporte donc à la fois l'alimentation et la mesure.

Sur un modèle submersible, la pression est le poids de l'eau au-dessus du capteur; le courant mesure donc directement la profondeur du capteur sous la surface. L'appareil Heron utilise un transducteur en silicium piézorésistif en acier inoxydable 316, dans un corps en acier inoxydable 316 et en Delrin de 22 mm (0,9 po) de diamètre et de 14,5 cm (5,7 po) de longueur, avec un câble ventilé gainé de polyuréthane (fiche technique Heron A-825, rév. 2). Sa température d'utilisation va de -20 °C à 80 °C et il est garanti deux ans.

Deux limites le définissent. La sortie est analogique : le transmetteur n'a ni mémoire ni horloge, et c'est l'appareil qui lit la boucle qui doit enregistrer les données. Il faut aussi un lecteur, par exemple une entrée analogique d'automate, une unité distante SCADA, un afficheur de panneau ou un enregistreur de données doté d'une entrée 4-20 mA.

Pourquoi un signal 4-20 mA plutôt qu'une sortie en tension ?

Parce que le courant supporte les longs câbles et qu'un fil coupé se voit. Dans une boucle de courant, le même courant traverse tous les éléments du circuit : la résistance du câble ne change donc pas la valeur lue par le récepteur, tant que l'alimentation offre une marge suffisante. Le manuel de l'USGS sur les capteurs de pression submersibles en hydrologie note que les signaux en mode courant (4-20 mA) sont moins sujets à la dégradation que les transmissions en tension continue, plus courantes, et les présente comme une solution aux longs câbles qu'exigent les puits profonds. La fiche produit d'ERE décrit le même avantage : une grande immunité au bruit sur les longs câbles.

Deux raisons pratiques s'ajoutent. Le bas de l'étendue est à 4 mA et non à 0 mA : une lecture de 0 mA signale donc une boucle coupée, et non un niveau d'eau nul. Et ce signal est une convention de la conduite de procédés que les automates, les afficheurs de panneau et les unités de télémétrie acceptent tous; les signaux analogiques en courant continu pour la commande de procédés sont normalisés dans la norme CEI 60381-1.

Le compromis, c'est qu'une boucle ne transporte qu'une seule valeur. Pour un enregistrement horodaté complet ou plusieurs paramètres avec une même sonde, un enregistreur ou un protocole numérique convient mieux, ce qui mène à la question suivante.

Faut-il acheter un transmetteur, un enregistreur de données ou un système de télémétrie ?

Achetez un transmetteur quand un automate ou un système SCADA a besoin du niveau en continu; achetez un enregistreur quand vous voulez un historique sans câblage vers un panneau ni alimentation externe.

Les enregistreurs non ventilés, comme le Solinst Levelogger 5, mesurent la pression absolue et exigent un Barologger 5 pour retirer ensuite la pression atmosphérique; l'article sur le barologue explique cette méthode, et le guide des enregistreurs de niveau d'eau compare les modèles en détail.

Comment convertir un signal 4-20 mA en niveau d'eau ?

Soustrayez 4 du courant, divisez par 16 et multipliez par la plage : hauteur d'eau au-dessus du capteur = (mA − 4) ÷ 16 × plage. Le 16 correspond à l'écart entre 4 mA et 20 mA : 4 mA équivalent à 0 m et 20 mA à l'étendue de mesure.

Cette hauteur est mesurée à partir du capteur, et non à partir du sol. Pour obtenir la profondeur de l'eau, il faut la profondeur de suspension, soit la distance entre un point de référence fixe (habituellement le dessus du tubage du puits) et le capteur : profondeur de l'eau = profondeur de suspension − hauteur d'eau au-dessus du capteur. Pour un transmetteur de 10 m suspendu à 8,00 m sous le point de référence :

La plupart des automates et des enregistreurs font ce calcul dans un bloc de mise à l'échelle d'entrée : entrez 4 mA comme 0 et 20 mA comme la plage, puis appliquez la profondeur de suspension comme décalage. Pour travailler en pression, un mètre d'eau douce équivaut à environ 9,81 kPa. La conversion suppose de l'eau douce : un liquide plus dense, comme une eau souterraine salée ou une saumure, produit plus de pression par mètre, et un niveau mis à l'échelle comme de l'eau douce est alors lu trop haut. C'est une raison de plus de comparer le résultat avec un ruban.

Quelle plage de pression faut-il choisir ?

Choisissez la plus petite plage dont l'étendue de mesure dépasse la colonne d'eau maximale prévue au-dessus du capteur, avec une marge. La précision est exprimée en pourcentage de l'étendue de mesure : une plage plus grande donne donc une erreur absolue plus grande. Heron exprime ses plages en mètres et en pieds, ce qui, pour un transmetteur de niveau, désigne la hauteur d'eau au-dessus du capteur. Il indique quatre plages, une précision de ±0,05 % de l'étendue de mesure, une stabilité de ±0,20 % de l'étendue de mesure par année et une surpression admissible de 2X (fiche A-825). Appliqué à chaque plage :

Les colonnes de précision et de stabilité appliquent les pourcentages de Heron à chaque plage; ils ont été calculés par ERE, et Heron ne les publie pas par plage. Deux constats s'imposent. Dans un puits où la colonne d'eau est de 5 m, un transmetteur acheté sur la plage de 120 m plutôt que sur celle de 10 m perd un facteur douze en précision absolue. Et la stabilité vaut quatre fois la précision : sur une année de déploiement, la dérive est donc généralement une source d'erreur plus grande que la précision annoncée.

La procédure de l'USGS pour mesurer le niveau d'eau avec un capteur de pression submersible (GWPD 16) fixe la cible ainsi : l'erreur de mesure et la norme de précision pour la plupart des situations sont de 0,01 pied, de 0,1 pour cent de l'étendue de variation du niveau d'eau ou de 0,01 pour cent de la profondeur de l'eau, selon la valeur la moins restrictive. Elle précise aussi que l'appareil doit être installé de sorte que le niveau d'eau demeure dans l'étendue de mesure du capteur, et que les puits où l'écart entre les niveaux maximal et minimal est grand peuvent être suivis, à résolution réduite, avec un capteur de plage plus élevée. Sur la plage de 10 m, ±5 mm représente environ 0,016 pi avant dérive, soit près de 0,01 pi sans y entrer : un projet qui vise cette limite devrait prévoir des vérifications régulières avec un ruban.

Quelle tension d'alimentation et quelle résistance de boucle la boucle permet-elle ?

L'alimentation de la boucle doit se situer entre 7,5 V et 35 V c.c., et, après la chute de tension dans l'entrée de lecture et dans toute rallonge de câble, le transmetteur doit encore recevoir au moins 7,5 V au courant maximal. La règle habituelle de charge : résistance maximale de la boucle = (tension d'alimentation − 7,5 V) ÷ 0,020 A. La valeur de 7,5 V est l'alimentation minimale de la fiche technique de Heron; les limites de résistance ci-dessous sont des calculs d'ERE à partir de cette valeur : demandez-nous de confirmer une boucle qui s'approche de la limite.

Le piège classique est une résistance de mesure de 250 Ω, qui convertit le 4-20 mA en 1-5 V pour une entrée en tension. À 20 mA, elle chute de 5 V : une alimentation de 12 V ne laisse donc que 7 V au transmetteur, sous le minimum, et la lecture s'aplatit près du haut de l'étendue. Une alimentation de 24 V laisse 19 V et fonctionne. Selon la fiche produit d'ERE, le transmetteur est aussi protégé contre l'inversion de polarité, ce qui pardonne une paire inversée pendant la mise en service.

Pourquoi le câble doit-il être ventilé, et que peut-il arriver ?

Parce qu'un câble ventilé contient un mince tube qui relie le côté référence du capteur à l'atmosphère : le transmetteur mesure donc la pression de l'eau par rapport à l'air, sans baromètre distinct. L'USGS l'énonce directement : les capteurs de pression différentielle exigent un tube de ventilation reliant l'orifice de référence à l'atmosphère, mais pas de baromètre pour corriger la submersion. Le câble Heron est ventilé, et la fiche produit d'ERE indique qu'il assure une compensation barométrique en temps réel.

Le tube de ventilation est aussi le point faible. L'USGS note que les tubes de ventilation des longs câbles risquent davantage de s'obstruer, et que les variations de température, d'humidité et de pression atmosphérique entre le niveau d'eau et la surface peuvent congestionner le tube et laisser l'humidité descendre vers le capteur. La procédure GWPD 16 part du principe que, dans une installation existante, le tube de ventilation est dégagé et le dessiccant en place; ses étapes de visite comprennent la vérification du dessiccant et son remplacement au besoin; et elle avertit que, si le tube de ventilation passe dans le câble, il ne faut pas pincer le câble au point d'obstruer le tube. Gardez l'extrémité ventilée du câble au sec et ouverte à l'air.

Comment installer et vérifier un transmetteur de niveau 4-20 mA ?

Notez la profondeur de suspension, mettez l'entrée à l'échelle, puis comparez le résultat avec une mesure manuelle avant de partir. La procédure GWPD 16 explique pourquoi cette dernière étape n'est pas facultative : les capteurs de pression sont sujets à la dérive, au décalage et au glissement du système de suspension; il faut donc comparer les lectures au niveau d'eau du puits à chaque visite et réétalonner le capteur périodiquement et à la fin du suivi. Elle demande aussi de tracer une marque permanente sur le câble au point de suspension pour repérer un glissement ultérieur, et de prendre les mesures d'étalonnage en place au 0,01 pied près. Une séquence pratique :

1. Choisir la plage. Estimez la colonne d'eau maximale prévue au-dessus du capteur et choisissez la plus petite plage dont l'étendue de mesure la dépasse avec une marge.
2. Suspendre le capteur et noter la profondeur. Suspendez le transmetteur à une profondeur connue sous un point de référence fixe, inscrivez la profondeur de suspension sur la fiche de terrain et marquez le câble au point de suspension pour repérer un glissement ultérieur.
3. Câbler la boucle. Raccordez en série l'alimentation, le transmetteur et l'entrée de lecture selon le schéma de câblage fourni avec l'appareil, puis confirmez qu'au moins 7,5 V sont présents aux bornes du transmetteur au courant maximal.
4. Mettre l'entrée à l'échelle. Réglez l'entrée de lecture pour que 4 mA équivalent à 0 m d'eau au-dessus du capteur et 20 mA à l'étendue de mesure, puis soustrayez le résultat de la profondeur de suspension pour obtenir la profondeur de l'eau.
5. Comparer avec un ruban. Mesurez la profondeur de l'eau avec une sonde de niveau d'eau, comparez-la au niveau calculé par le transmetteur et notez l'écart avant de quitter le puits.
6. Revérifier à chaque visite. Répétez la comparaison avec le ruban à chaque visite, confirmez que le tube de ventilation est ouvert et sec, et corrigez ou réétalonnez si l'écart augmente.

Un Heron dipper-T2 mesure la profondeur statique de l'eau et les niveaux de rabattement dans les puits, les forages et les tuyaux verticaux, ce qui en fait un ruban tout indiqué pour cette vérification; le guide des sondes de niveau d'eau compare les options. L'USGS avertit aussi que les mesures manuelles au ruban deviennent plus difficiles en grande profondeur à cause de l'allongement du câble sous l'effet du poids et de la température : utilisez le même ruban et la même méthode à chaque visite, et lisez l'écart comme une tendance.

Que signifient les anomalies de lecture 4-20 mA courantes ?

La plupart des anomalies viennent de la boucle, de la ventilation ou de la mise à l'échelle plutôt que du capteur. Ce tableau aide à les cerner :

Où les transmetteurs de niveau 4-20 mA sont-ils utilisés ?

Partout où un contrôleur a besoin d'un niveau en direct : Heron mentionne les réservoirs, les puits, les rivières et les chambres, avec des usages comme le démarrage d'une pompe à un niveau d'eau bas ou élevé et son arrêt à un niveau bas ou élevé. En environnement, cela signifie généralement un puits de surveillance ou un puisard relié à un système SCADA ou à l'automate d'une station de traitement. Si vous n'avez besoin que d'un historique à long terme sans contrôleur, un enregistreur de données ventilé est plus simple; si vous avez besoin des deux, ils peuvent partager un même puits.

Pour comparer les instruments de niveau d'eau qu'ERE distribue, consultez la collection Niveau d'eau. Avec un approvisionnement multimarque, une seule soumission peut couvrir le transmetteur, le ruban qui sert à le vérifier et l'enregistreur du prochain puits.

Foire aux questions

Comment convertir 4-20 mA en pression ?

Soustrayez 4 du courant en milliampères, divisez par 16, puis multipliez par l'étendue de mesure du transmetteur : pression = (mA - 4) / 16 x étendue. Sur une plage de 10 m, 12 mA correspondent à (12 - 4) / 16 x 10 = 5 m d'eau au-dessus du capteur.

Qu'est-ce qu'un capteur de pression 4-20 mA ?

Un capteur de pression dont la sortie est un courant compris entre 4 mA (bas de l'étendue) et 20 mA (haut de l'étendue), transmis sur les deux mêmes fils qui l'alimentent. Un automate, une entrée SCADA ou un enregistreur de données lit le courant et le reconvertit en pression ou, pour un modèle submersible, en niveau d'eau.

Un transmetteur de niveau 4-20 mA ventilé exige-t-il un baromètre ?

Non. L'USGS note que les capteurs de pression différentielle exigent un tube de ventilation reliant l'orifice de référence à l'atmosphère, mais pas de baromètre pour corriger la submersion. Le tube de ventilation doit rester ouvert et sec; vérifiez-le à chaque visite.

Un transmetteur 4-20 mA peut-il se brancher directement à un enregistreur de données ?

Oui, si l'enregistreur possède une entrée de courant 4-20 mA et que la boucle est alimentée. Heron décrit le transmetteur comme facile à intégrer à un système SCADA existant, à un afficheur numérique ou à un enregistreur de données tiers. Le transmetteur ne mémorise rien : c'est l'appareil qui lit la boucle qui doit enregistrer les données.

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Read in English: 4-20mA Pressure Transmitters for Water Level: How to Choose, Scale and Verify One in Canada