TP3 La boucle de courant - sur le site de Claude Lahache

Mesure industrielle de niveau TP3
Simulation de la boucle de courant 4-20 mA
Présentation
Au sein de ce système, nous nous intéressons au fonctionnement du convertisseur courant / courant.
(cf. le schéma fonctionnel ci-dessous, ainsi que le schéma structurel N°: 953.41-01)
Ce convertisseur a pour fonction d’élaborer un courant continu Ib variant de façon affine avec la hauteur h de
liquide, dans le respect de la norme « 4 – 20mA »
Alimentation
Imes
PT5
Oscillateur
2
1
Pont de
mesure
alternatif
PT10
4
Redresseur
3
Convertisseur
Courant /
Courant
Régulateur
de tension
Vr
Ib
Va
Tête de mesure (sonde)
Cm
h
Rappel : Selon la norme « 4 – 20mA », les 4 mA sont utilisés pour l'alimentation du capteur et de l’électronique
associée (conditionnement). Les 16 mA restants sont une image de la grandeur mesurée.
L’étude menée ici devra permettre d’ajuster au mieux la valeur de quelques résistances du circuit, afin de caler la
variation de hauteur h dans la plage 4 – 20mA.
Dans un premier temps, nous cherchons à comprendre le rôle de chacune de ces résistances.
Schéma de simulation
Saisir le schéma proposé ci-dessous. Vérifier qu'il est la transposition du schéma structurel VEGA.
Ib
Imes
TP3 VEGA - Boucle de courant
Page 1
Claude Lahache
Par rapport au schéma structurel les simplifications suivantes ont été apportées :
- La régulation de tension n'est pas simulée. On suppose que le circuit est directement alimenté par une tension
régulée Valim = 8,3V (valeur issue de la mesure de la tension au point PT10).
- La résistance « Charge » de 4400 Ω simule la consommation propre de l'ensemble des circuits du capteur
(oscillateur, redresseur, Ampli-Op). Elle a été calculée de façon à avoir un courant Ib=4mA lorsque le niveau h
est nul.
- Le redresseur hybride se comporte en sortie comme un générateur de courant continu. Ce courant continu est
proportionnel à h. Il est modélisé par une source de courant continu IDC appelée Imes .
-3
On donne la relation liant Imes à la hauteur h : Imes ≈ 3,8×
×10 .VPT5
- où VPT5 est la valeur efficace de la tension alternative en entrée du redresseur
L'étude du redresseur a montré une caractéristique linéaire pour VPT5 variant de 0 à 110 mV (eff) qui
correspond à une variation Imes de 0 à 420 µA.
Remarque : Ecart simulation / schéma réel
-
Pour le transistor T2 prendre un bipolaire PNP 2N2907A au lieu d'un BC856 qui n'existe pas dans notre
librairie Pspice.
La diode D7 qui est une BAV99 (double diode) a été remplacée par 2 diodes 1N4148.
La diode D11 devrait être une zener LL4567A de tension zener Vz=6,4V. Elle est simulée par une diode
D1N750 dont on modifie le modèle de la façon suivante : sélectionner la diode puis choisir "Edit / Model"
dans la barre des menus; dans la boite de dialogue qui apparaît valider l'option "Edit Instance Model", la
conséquence est l'affichage du modèle SPICE de la diode 1N750. Modifier le paramètre « Bv » de la valeur par
défaut à 6,4V; valider et fermer ces diverses boites.
Trois résistances ont été rendues paramétrables dans cette simulation: R25, R21, R16
La simulation consiste à étudier l'influence de ces 3 résistances sur le courant de boucle Ib en fonction de Imes c'est
à dire de h.
CONSEILS :
On utilisera pour cela l'analyse paramétrique en plus de l'analyse "DC Sweep" pour faire varier Imes.
Prendre pour Imes une plage allant de 1 à 400µA .
Pour définir la résistance R25 en paramètre, double cliquer sur sa valeur numérique et lui attribuer la valeur
{var25} (avec accolades). Placer le composant "PARAM" et déclarer « var25 » (sans accolades) comme grandeur
n°1 dans le champ "NAME1"; lui attribuer une valeur par défaut (valeur prise en compte en l'absence d'analyse
paramétrée) dans le champ "VALUE1".
Dans "Analysis Setup", cocher "Parametric" en plus de "DC Sweep"; déclarer "var25" comme paramètre global,
donner la liste des valeurs souhaitées :200, 220, 240 par ex (le séparateur est la virgule !).
On procédera de même avec les 2 autres résistances R21 et R16.
Domaine de variation de chaque résistance : Nous ferons varier chaque résistance de ± 20% autour de sa valeur par
défaut (celle du schéma structurel VEGA) ; 3 ou 4 valeurs seront donc nécessaires.
TP3 VEGA - Boucle de courant
Page 2
Claude Lahache
Simulation n°1
On utilise les valeurs par défaut du schéma VEGA : R25 ≈ 220 Ω; R21 ≈ 68 Ω; R16 ≈ 2,2 kΩ;
Faire varier Imes entre 1 et 400 µA. Relever la courbe IB = f(Imes).
La courbe obtenue sera notre courbe de référence.
IB (mA)
30
20
10
0
100
200
300
400
Imes (µA)
Remarques :
- Linéarité de cette courbe ?
-
Position vis-à-vis de la norme 4-20 mA ?
Simulation n°2
Etude de l'influence de R25 sur la caractéristique Ib=f(Imes). (1 ≤ Imes ≤ 400µA)
(R21 et R16 sont fixées à leur valeur par défaut)
IB (mA)
30
20
10
0
100
200
Sur quelle partie de la courbe la résistance R25 agit-elle ?
TP3 VEGA - Boucle de courant
Page 3
300
400
Imes (µA)
Claude Lahache
Simulation n°3
Etude de l'influence de R16 (R25 et R21 fixées à leur valeur par défaut) sur la caractéristique Ib=f(Imes).
(1 ≤ Imes ≤ 400µA)
IB (mA)
30
20
10
0
100
200
300
400
Imes (µA)
Sur quelle partie de la courbe la résistance R16 agit-elle ?
Simulation n°4
Etude de l'influence de R21 (R25 et R16 fixées à leurs valeurs par défaut) sur la caractéristique Ib=f(Imes).
IB (mA)
30
20
10
0
100
200
300
400
Imes (µA)
Sur quelle partie de la courbe la résistance R21 agit-elle ?
TP3 VEGA - Boucle de courant
Page 4
Claude Lahache
Simulation n°5
Objectif fixé : Ajuster les 3 résistances R25, R21 et R16 de façon à répondre au cahier des charges suivant :
Ib doit évoluer le plus linéairement possible (entre 4 et 20mA) avec Imes , quand Imes varie entre 200 et 350µ A.
Procédure conseillée :
- a) Régler R16 afin de démarrer la croissance de Ib pour Imes=200µA.
- b) Régler R21 pour que la croissance de Ib se poursuive jusqu’à Imes=350µA.
- c) Régler R25 pour ne pas dépasser Ib=20mA.
Relever la caractéristique Ib=f(mes) correspondant au réglage réalisé. Préciser les valeurs auxquelles les 3
résistances ont été ajustées.
IB (mA)
30
20
10
0
TP3 VEGA - Boucle de courant
100
200
Page 5
300
400
Imes (µA)
Claude Lahache