Les entrées analogiques sur IPX800 V4

ANALOGIQUES
Nom			ANALOGIQUES
Famille			IPX800 V4
Wiki créé le			01/09/2017
Wiki mis à jour le			15/08/2018
Auteur			fgtoul

Définition

Un capteur analogique est un dispositif permettant de mesurer une grandeur physique telle que

• pression, humidité, luminosité, température, conductivité,
• etc.

A la sortie du capteur, nous obtenons une grandeur électrique, fonction de la grandeur physique mesurée.

La sortie peut prendre une infinité de valeurs continues. Le signal des capteurs analogiques peut être du type :

• sortie tension
• sortie courant

Ces capteurs peuvent être raccordés aux entrées analogiques de l'IPX800, moyennant quelques précautions.

Les Entrées analogiques de l’IPX800 V4

Les entrées analogiques de l’IPX800 permettent de mesurer des tensions, allant de 0V à 3.3V maximum. Il convient de connecter le capteur entre le GND et 3.3V. Le fil correspondant à la mesure sera connecté à l’entrée analogique

(cas des capteurs TC-100 ; TC4012 ; SHT-X3 vendus par GCE)

Si des tensions supérieures à 3.3 V doivent être mesurées, alors il faudra utiliser un pont diviseur afin de ramener cette tension à 3.3v maximum. Si le capteur nécessite une alimentation plus élevée, ne pas lui raccorder le 3.3V.

Le Convertisseur Analogique vers Numérique (CAN en français, ADC en anglais)

Chaque entrée analogique de l’IPX constitue un CAN, capable de traduire une tension (de 0 à 3.3 V) en une grandeur numérique codée sur 16 bits (Résolution) pour la V4.

Chaque bit peut prendre 2 valeurs (0 ou 1). Nous obtenons alors 2¹⁶ combinaisons différentes, soit 65536 valeurs possibles (de 0 à 65535 inclus).

Pour une valeur analogique 0 V, l’IPX800 retourne une valeur numérique 0.

Pour une tension pleine échelle 3.3 V (le maximum) , l’IPX800 V4 retourne 65535.

Entre chaque point de mesure, il y a donc 3.3 / 65535 = 0,000050354 V

Donc, pour chaque grandeur analogique (tension de 0 à 3.3v), le convertisseur renvoie une valeur de 0 à 65535, représentant le multiple de 0,000050354 V le plus proche de la valeur mesurée.

Pour retrouver la valeur analogique mesurée, il suffit alors de calculer le produit entre la valeur numérique fournie par l’IPX et 0,000050354. Nous avons là une fonction « voltmètre ».

Exemple :

l’IPX800 V4 renvoie une valeur brute de 619.

619 * 0,000050354 = 0.031169126

La tension appliquée à l’entrée analogique est donc de 0.03 V

Application : un anémomètre analogique

Soit un anémomètre avec les caractéristiques suivantes :

Sortie : 0.4V à 2V La tension va varier de 0,4V (Vent à 0m/s) à 2V ( vent à 32,4m/s).

Nous n’utilisons donc pas la totalité de la plage possible de lectures de l’IPX qui peut aller jusqu’à 3.3v.

- Pour une lecture de 2V, nous aurons donc une valeur numérique de 2 / 0,000050354 = 39719.

39719 sera donc la valeur numérique maxi calculée par l’IPX pour 32.4 m/s

- Pour une lecture de 0.4v nous aurons une valeur numérique de 0.4 / 0,000050354 = 7944

7944 sera la valeur minimale calculée par l’IPX800.

Nous avons donc 39719 - 7944 = 31775 valeurs numériques utilisables par l’IPX800 correspondant à une plage [0.4 V ; 2 V].

Voyons cela sur un graphique

Avec le graphique nous voyons que l’IPX peut faire correspondre 31775 valeurs proportionnelles à la tension de sortie de notre capteur.

Cela revient donc à dire que l’IPX peut faire correspondre 31775 valeurs proportionnelles à la vitesse du vent, dans la plage [0 ; 32.4] m/s

Chaque valeur numérique retournée est donc un multiple de 32,4 / 31775=0,001019669 m/s

De là, nous déduisons la formule (avec prise en compte de l’origine à 7944)

Soit A la valeur analogique recherchée, et D la valeur renvoyée par l’IPX.

Nous avons déterminé que A = (D - 7944) * 0,001019669

Dans l’IPX800, nous écrirons la formule sous la forme

analogue vers valeur : (x - 7944) * 0,001019669

Inversement Soit A la valeur analogique recherchée, et D la valeur renvoyée par l’IPX. Nous savons que

A = (D - 7944) * 0,001019669 <=> A / 0.001019669 = D - 7944 <=> D = (A / 0.001019669) + 7944

Dans l’IPX800, nous écrirons la formule sous la forme

valeur vers analogue : (x / 0,001019669) + 7944

Pour vérifier la formule, prenons la valeur 39719 calculée ci-dessus,

elle retourne bien (39719 - 7944) * 0,001019669 = 32.4

Mesurer une tension supérieure à 3.3 V

Principe

La tension applicable sur une entrée analogique de l’IPX800 doit impérativement être inférieure à 3.3 V.

Au dessus, elle ne sera pas mesurée et vous risquez d’endommager l’IPX.

Si vous devez mesurer une tension plus grande, il faut utiliser un pont diviseur de tension.

Le but n’est pas ici d’expliquer le fonctionnement d’un diviseur de tension, mais de voir son application à l’IPX800. Nous savons que l’impédance interne de l’entrée analogique de l’IPX800 est de 4700 Ω

Aux bornes de l’entrée analogique, la tension Vs est telle que

Vs = (R1 / (R1+R2)) * Ve

Isolons le terme R2 :

   R2 = R1 * (Ve / Vs) - R1
   R2=4700 * (Ve / Vs) - 4700
   Nous utiliserons cette formule pour calculer notre résistance R2 en Ω

Exemple d’un capteur analogique avec sortie 0 – 10v

      La résistance R1 est interne à l’IPX800. Elle est représentée ici pour la compréhension du schéma. Ne pas la câbler.
      Adaptez les branchements en fonction des recommandations constructeur.
        
      Vérifiez la compatibilité de votre montage à l'aide d'un voltmètre avant de connecter le tout à l'IPX800.

Vs = (R1 / (R1 + R2)) * Ve

R2 = 4700 * (Ve / Vs) - 4700

Remplaçons par les valeurs numériques.

Nous ajouterons 10% de marge à notre tension d’entrée par mesure de sécurité (soit 11V au lieu de 10V) :

R2 = 4700 * ((11 / 3.3) – 4700

R2 = 10966 Ω

Il conviendra de prendre une résistance de 11 kΩ. (valeur standard supérieure la plus proche)

Recalculons la tension max aux bornes de l’IPX

Vs = (R1 / (R1 + R2)) * Ve

Vs=(4.7 / (4.7 + 11)) * 10 <=> Vs=3.0 V

Pour 10 V en sortie du capteur, l’IPX800 ne « verra » donc que 3.0 V aux bornes de son entrée analogique.

nous devons nous assurer que notre résistance peut supporter le courant qui circulera

Ve = I * (R1 + R2)

<=> I = Ve / (R1 + R2)

<=> I = 10 / (11000 + 4700) = 0.00063 A

P = Ve * I <=> P = 10 * 0.00063 A <=> P = 0.007 W => Une résistance 1/4W suffira.

Exemple d’un capteur analogique avec sortie 0.5 – 4.5 V

Notre capteur ayant une sortie 0.5v - 4.5V, ajoutons 10% environ et faisons nos calculs avec 5V maximum.

Cette marge de 10% peut être réduite en fonction de la précision du capteur sur la sortie.

Vs = (R1 / (R1 + R2)) * Ve

R2 = 4700 * (Ve / Vs) - 4700

Remplaçons par les valeurs numériques.

R2 = 4700 * ((5 / 3.3) – 4700

R2 = 2421 Ω

Il conviendra de prendre une résistance de 2.7 kΩ. (valeur standard supérieure la plus proche)

Recalculons la tension max aux bornes de l’IPX

Vs = (R1 / (R1 + R2)) * Ve

Vs=(4.7 / (4.7 + 2.7)) * 4.5 <=> Vs=2.85 V

Pour 4.5 V en sortie du capteur, l’IPX800 ne « verra » donc que 2.85 V aux bornes de son entrée analogique.

Une résistance 1/4W suffira.

Appliquons cela à un cas concret

Prenons un capteur de pression avec une sortie 0.5 - 4.5 V avec une plage de mesure de 0 à 5 Psi (0 à 0.344 bar).

Pour une lecture de 0 Psi, la sortie du capteur est de 0.5 V

- Pour une lecture de 0.5V sur l'entrée de l'IPX, nous aurons donc une valeur numérique de 0.5 / 0.000050354 = 9929.

9929 sera donc la valeur numérique mini calculée par l’IPX pour 0 Psi

- Pour une lecture de 5 Psi, le capteur émettra 4.5 V sur sa sortie.

Le pont diviseur ramènera alors cette tension à 2.85 V.

Nous aurons une valeur numérique de 2.85 / 0.000050354 = 56599

56599 sera la valeur maximale calculée par l’IPX800.

Nous avons donc 56599 - 9929 = 46670 valeurs numériques utilisables par l’IPX800 correspondant à une plage [0.5 V ; 4.5 V].

Cela revient donc à dire que l’IPX peut faire correspondre 46669 valeurs proportionnelles à la pression, dans la plage [0 ; 5] Psi

Chaque valeur numérique retournée est donc un multiple de 5 / 46670= 0,000107135 Psi

Nous obtenons alors la formule suivante (en Psi)

analogue vers valeur : (x - 9929) * 0,000107135

valeur vers analogue : (x /0,000107135) + 9930

conversion en bar :

nous savons que 1 Psi correspond à 0.0689475728 bar

analogue vers valeur : (x - 9929) * 0,000107135 * 0.0689475728

valeur vers analogue : (x / (0,000107135 * 0.0689475728)) + 9929

conversion en mètres (colonne d'eau)

nous savons que 1 bar correspond à une colonne d'eau de 10 mètres

analogue vers valeur : (x - 9929) * 0,000107135 * 0.0689475728 * 10

valeur vers analogue : (x / (0,000107135 * 0.0689475728 * 10)) + 9929

conversion en m³ ou en litres

Pour obtenir des m³ (dans le cas d'une cuve ou d'un puits), il faudra multiplier la hauteur en mètres par la superficie de la cuve (en m²)

Pour des litres, il faudra remultiplier par 1000

  les formules n'ont pas été simplifiées pour une meilleure compréhension

Utilisation de capteurs analogiques avec sortie en courant

Le courant de sortie est fonction linéaire de la gamme de mesure.

Exemple : variation de 0 à 20 mA pour une mesure de 0 à 40°C.

Nous pouvons les rencontrer sous différents formats :

 •	0-20 mA : fréquent
 •	4-20 mA : le plus répandu ; permet de détecter les ruptures de conducteur ou les défauts de mesure (si I < 4mA)
 •	0-10mA : rare
 •	0-16mA : rare

Les avantages de ces capteurs :

 •	Pas de perte de signal sur une longue distance. Le courant est constant sur toute la longueur de la boucle
 •	Peu sensible aux interférences électromagnétiques

Utilisation des capteurs 0-20 mA ou 4-20 mA

Pour utiliser ce type de capteur, il suffit d’ajouter une résistance de 165 Ω aux bornes de la sortie du capteur.

Préférez des résistances avec tolérance 0.1% pour plus de précision dans les mesures.

Avec la loi d’Ohm, nous prévoyons en effet que lorsque la sortie délivrera 20mA (son maximum), la tension aux bornes de la résistance sera

U = R * I

U = 165 * 0.020

U = 3.3 V

Nous faisons mesurer cette tension par l’IPX. La formule sera calculée en fonction de cette dernière.

   Attention :
   Si le capteur est susceptible d’émettre un courant plus fort (22 mA dans certains cas), utilisez une résistance de 150 Ω
   Il existe des capteurs à 2, 3 ou 4 fils. Adaptez les branchements en fonction des recommandations constructeur.

   * Vérifiez la compatibilité de votre montage à l'aide d'un voltmètre avant de connecter le tout à l'IPX800.
   
   * Déterminez vos formules avec la valeur réelle de la résistance, mesurée à l'ohmmètre.
   

Ci-dessus le cas d'un Capteur Actif. Grâce à son alimentation propre, il génère un courant (ou une tension) proportionnel au phénomène mesuré.

Il fonctionne comme un générateur.

Ci-dessus un capteur de pression alimenté en 9-32 Vcc

Ci-dessus le cas d'un capteur passif. Souvent de type résistif, Il se contente de transformer le courant ou la tension qui le traverse en une grandeur proportionnelle au phénomène mesuré.

Exemple d’un capteur de Pression 0 à 10 bars en 4-20 mA

Avec la loi d’Ohm, à 20 mA, nous savons que nous aurons 3.3V (le CAN traduira par 65535)

De même, à 4 mA, nous aurons 0.66 V (le CAN traduira par 13107)

La plage de mesure [0 ; 10] est donc répartie sur 52428 valeurs, soit un pas de 0.00019073

La formule de notre capteur sera donc

analogue vers valeur : (x - 13107) * 0.0001907377737
valeur vers analoguel: (x / 0.0001907377737) + 13107

Exemple d’un capteur de température 0 à 40°C en 4-20 mA

Avec la loi d’Ohm, à 20 mA, nous savons que nous aurons 3.3V (le CAN traduira par 65535)

De même, à 4 mA, nous aurons 0.66 V (le CAN traduira par 13107)

La plage de mesure [0 ; 40°C] est donc répartie sur 52428 valeurs, soit un pas de 0.0007629

La formule de notre capteur sera donc

   analogue vers valeur : (x - 13107) * 0.0007629
   valeur vers analogue :  (x / 0.0007629) + 13107

Exemple d’un capteur de température -20 à 120°C en 4-20 mA

Dans notre exemple, nous utiliserons une résistance de 150 Ohms.

Avec la loi d’Ohm, à 20 mA, nous savons que nous aurons 3.0V (le CAN traduira par 59578)

De même, à 4 mA, nous aurons 0.60 V (le CAN traduira par 11915)

La plage de mesure [-20 ; 120°C] est donc répartie sur 47663 valeurs, soit un pas de 140/47663=0.00293729

La formule de notre capteur sera donc

   analogue vers valeur :  ((x - 11915) * 0.00293729) - 20
   valeur vers analoguee:  ((x + 20) / 0.00293729) + 11915

Pour mesurer la tension aux bornes d’une batterie

Comme nous l’avons vu plus haut, pour mesurer une tension supérieure à 3.3V, il faut avoir recours à un pont diviseur de tension.

Rien de bien compliqué dans ce cas de figure, même si R1 n'est pas représentée ici, il s'agit bien d'un pont diviseur de tension.

Cas d'une charge entretenue :

Vous devez faire attention à bien déterminer la valeur de la résistance en fonction de la tension de charge de la batterie.

En effet, il n’est pas rare que des batteries pour automobile aient une tension grimpant jusqu’à 18 V.

Si nous ajoutons les 10% de marge, la résistance serait alors à calculer sur 20 V, et non sur 12 V

Annexes

@Didierm a créé deux outils permettant de calculer les résistances nécessaires pour créer un pont diviseur de tension ou de courant. Je vous invite à consulter son tutoriel et de télécharger ses fichiers. https://forum.gce-electronics.com/t/fichier-dechelle-0-20ma-et-tension-pour-ipx/962?u=fgtoul