Traitement du signal, interférences et isolation pour thermocouples et PT100

Sommaire

1. Conditionnement du signal, interférences et isolation
2. Interférences en mode série
3. Interférences en mode commun
4. Isolation
5. Résumé

Traitement du signal, interférences et isolation

Le conditionnement du signal est essentiel dans la mesure de température électronique : il garantit que le signal d’un thermocouple ou d’un capteur Pt100 est suffisamment précis, fiable et robuste pour être interprété par l’instrumentation. Comme les capteurs de température produisent de faibles signaux — souvent de quelques millivolts — ces signaux doivent être amplifiés, filtrés, convertis et protégés contre les interférences avant d’être utilisables.

Le conditionnement du signal comprend généralement plusieurs fonctions clés :

• Isolation
• Rejection d'interférences
• Conversion de signal (p. ex. tension-courant, analogique-numérique)
•  Réglage d'échelle et amplification
• Linéarisation et transmission 

Dans la plupart des systèmes de mesure de température, ces fonctions sont intégrées au transmetteur, qui sert d’interface du signal avec le système de contrôle ou de surveillance plus vaste.

L’instrumentation moderne a considérablement progressé pour résoudre les problèmes qui rendaient autrefois le conditionnement du signal complexe. Les systèmes avancés isolent et filtrent désormais efficacement les signaux, même dans des environnements industriels bruyants, permettant de mesurer la température avec une excellente précision et répétabilité.

On classe les interférences en deux modes, le mode série et le mode commun, selon le type de courant, alternatif ou continu, qui les caractérise. Le mode série est souvent généré par un phénomène inductif et ce type d’interférence est lié au courant secteur ; le mode commun de masse provient de différences de potentiel entre la masse du point de mesure et la masse à laquelle est reliée l’instrumentation.

Interférences en mode série

Les signaux parasites du mode série apparaissent sous l’effet du couplage inégal de lignes de signaux au sein de champs magnétiques locaux. Une ligne 220V 50Hz constitue un bon exemple de perturbation. Si l'on place un thermocouple ou une sonde à résistance à proximité de cette ligne, leur signal de sortie (quelques mV) est aussitôt perturbé de manière significative. On sait toutefois éliminer ou tout au moins réduire de façon importante les parasites dus aux courants alternatifs.

Plusieurs méthodes sont connues :

• Filtres passe-bas : la première méthode consiste à utiliser un filtre passe-bas qui élimine les fréquences élevées. Mais cette solution peut paraître onéreuse en regard de nombreuses applications
• Moyennage du signal : la deuxième méthode utilise la technique de la moyenne du signal de mesure, une technique tout à fait pertinente, favorisée par la relative lenteur de la plupart des changements de température. Le signal d’entrée est intégré par le convertisseur analogique / numérique sur un ou plusieurs cycles du signal parasite, de sorte que les bruits d’alimentation s’annulent, ainsi que leurs harmoniques 
• Échantillonneurs-bloqueurs : cette troisième méthode fait appel aux échantillonneurs-bloqueurs. Le taux de réjection en mode série s’exprime en dB. Plus grand est le chiffre, meilleure est la réjection ; 70 à 150 dB sont des valeurs courantes.ynchronise la conversion analogique-numérique sur la fréquence de l’interférence, ce qui réduit encore l’erreur.

Interférences en mode commun

Les tensions parasites de mode commun peuvent être d’origine électromagnétique et proviennent par exemple d’inductions sur la ligne du signal, ou encore ces tensions sont l’effet de différences de potentiels de masses non similaires. On réduit l’erreur par l’emploi d’une entrée différentielle d’impédance très élevée sur circuit de mesure flottant. Les tensions parasites deviennent négligeables devant la haute valeur d’impédance.
Les constructeurs ont également recours aux amplificateurs différentiels d’instrumentation avec garde. Cette caractéristique augmente considérablement la réjection de mode commun et de mode série. Le système est constitué d’un amplificateur alimenté par une
source flottante dont le point commun est connecté à la masse de la source de signal, d’une barrière d’isolement et d’une sortie dont le point commun est à la masse commune.  Le taux de réjection en mode commun s’exprime également en dB. Plus
grande est la valeur, meilleure est la réjection (valeur courante : 150 dB).

Isolement

De bonnes pratiques d’isolement sont essentielles pour maintenir l’intégrité du signal. Les interférences - qu’elles soient en mode série ou en mode commun - peuvent facilement pénétrer dans un système si l’isolement est insuffisant.

La plupart des transmetteurs modernes offrent  un isolement galvanique d'au moins 500 V de tension d’isolement par couplage électromagnétique (transformateurs) et optoélectronique (isolement trois voies entre l’entrée, la sortie et l’alimentation). Après cette étape, la valeur de mesure est intégrée (ou transférée) à l’aide de différentes techniques : 
modulation en amplitude, en fréquence, etc.

Dans ce contexte, le rôle du parent pauvre a longtemps été tenu par les opto-coupleurs, le transformateur d’isolement étant considéré comme la Rolls des systèmes d’isolement entrée-sortie, bien que cette tendance soit de moins en moins marquée en raison des progrès de l’électronique et de la miniaturisation. Pour une technique de transfert donnée, l’isolement par opto-couplage et le transformateur d’isolement ont en réalité les mêmes performances dans l’hypothèse où il a été tenu compte du temps de propagation propre à l’opto-coupleur. Les systèmes de haute qualité peuvent offrir des rapports de réjection en mode commun (CMRR ) allant jusqu’à 150 dB à 50 Hz  , garantissant une suppression extrêmement efficace des signaux indésirables et des données de température fiables, même dans les environnements les plus difficiles.

Résumé

Une mesure précise de la température avec des thermocouples et des RTD repose sur le conditionnement du signal - un ensemble de techniques utilisées pour amplifier, filtrer, isoler et convertir les signaux de capteurs de faible niveau. Il inclut également la gestion des interférences et le maintien de l’intégrité du signal depuis le capteur jusqu’à l’instrument.

Les interférences se répartissent en deux catégories :

• Mode série (par ex., le bruit secteur à 50 Hz) provient d’un couplage électromagnétique inégal entre les fils de signal et peut souvent être réduit à l’aide de moyennage, de filtrage passe-bas ou d’un échantillonnage verrouillé en phase.
• Mode commun provient de champs statiques ou électromagnétiques et de différences de potentiel de masse. Il est contré à l’aide d’entrées différentielles, d’amplificateurs d’isolement et de circuits de garde.

Isolement  est essentiel pour protéger le système de mesure et maintenir la précision. Les instruments modernes offrent un isolement galvanique robuste (typiquement 500 V ou plus) utilisant un couplage par transformateur ou un optocouplage, avec fort taux de réjection du mode commun - garantissant des performances stables même dans des environnements électriquement bruyants.