L’étalonnage des transmetteurs WirelessHART

De Heikki Laurila 30/06/2020

L’étalonnage des transmetteurs WirelessHART

Les transmetteurs WirelessHART sont de plus en plus populaires. En quoi consistent-ils et en quoi sont-ils différents des transmetteurs HART avec liaison filaire ? Pourquoi les transmetteurs WirelessHART doivent-ils être étalonnés et comment cet étalonnage est-il réalisé ?

Bref historique de la communication HART

Le protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer) a été développé au milieu des années 80 par Rosemount Inc. pour être utilisé avec des instruments de mesure dits « intelligents ». À l’origine invention propriétaire, le protocole a rapidement été mis à disposition gratuitement
et, en 1990, le HART User Group a été créé. Puis, en 1993, la marque déposée et tous les droits afférents au protocole ont été transférés à la HART Communication Foundation (HCF). Malgré tout, le protocole reste libre de droits et gratuit sans redevance (Source : HCF).

HART est un protocole de communication numérique qui permet de communiquer avec un instrument de terrain. La communication permet de lire et d’écrire des paramètres, de lire des résultats de mesure, de recevoir des données de diagnostic…

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Signal HART avec liaison filaire

Le protocole HART avec liaison filaire utilise un signal de communication numérique en modulation par déplacement de fréquence (FSK) superposé sur un signal analogique standard 4-20 mA. Le transmetteur HART en liaison filaire est compatible avec les systèmes de contrôle analogique.

WirelessHART

Le WirelessHART a été approuvé et ratifié par le conseil d’administration du HCF et introduit sur le marché en septembre 2007, devenant ainsi la première norme de communication industrielle sans fil à être mise en circulation. Le réseau WirelessHART utilise des émetteurs compatibles
avec le protocole de communication IEEE 802.15.4 utilisant la bande de fréquence 2,4 GHz. Chaque instrument présent dans le réseau maillé peut servir de routeur pour les messages provenant d’autres instruments. Cependant, le transmetteur WirelessHART ne possède pas de signal analogique 4-20 mA. Il ne possède qu’un signal numérique, soit sans-fil, soit
disponible via une borne à vis.

Le transmetteur étant sans fil, il ne peut pas être alimenté via des câbles, il nécessite donc une batterie. L’autonomie de la batterie et la vitesse de communication sont inversement proportionnelles. Certains transmetteurs
sans fil peuvent être programmés pour envoyer des signaux sans fil relativement peu souvent, ce qui permet d’économiser la batterie. La vitesse de communication peut aussi être augmentée si nécessaire. On peut même utiliser WirelessHART dans un circuit de commande. En pratique, les transmetteurs WirelessHART sont habituellement utilisés pour des applications de surveillance à variation lente ou pour des applications difficiles à câbler.

Tout transmetteur HART de type filaire peut être transformé en sans-fil en lui ajoutant un adaptateur sans fil disponible chez de nombreux fournisseurs d’instruments. Si le système de commande est analogique et ne lit que les signaux en mA, alors on peut fabriquer un hôte WirelessHART pour traiter
toutes les informations supplémentaires disponibles dans les instruments HART. Cela peut inclure des informations qui ne sont pas disponibles via le système de commande analogique comme des diagnostics avancés ou de la maintenance préventive.

Statut actuel et futur du HART

Plus de 30 millions d’instruments HART sont installés et en service dans le monde. La technologie filaire HART est le protocole de communication de terrain le plus utilisé pour l’instrumentation de process intelligente. De la même manière, le protocole HART représente quasiment la moitié des transmetteurs intelligents installés. Plusieurs études estiment que l’utilisation du protocole HART va continuer à se développer. La nouvelle norme WirelessHART semble ainsi être un nouveau propulseur pour le protocole HART. Des données issues de plusieurs études prédisent d’ailleurs une croissance exponentielle pour le WirelessHART durant les 10 prochaines années.

Que signifie « étalonnage » ?

Selon les normes internationales, l’étalonnage est la comparaison entre l’instrument à tester et un instrument de référence traçable (calibrateur) puis la documentation de cette comparaison. Bien que l’étalonnage ne comprenne pas de manière formelle des ajustages, en pratique, des ajustages sont possibles et souvent inclus dans le processus d’étalonnage.

Que signifie « configuration » ?

La configuration d’un transmetteur HART comprend le changement des paramètres et des réglages du transmetteur. La configuration est habituellement réalisée avec un communicateur HART ou un logiciel de configuration.

Il est important de garder en mémoire que, bien que le communicateur puisse être utilisé pour la configuration, il ne peut pas être utilisé pour un étalonnage métrologique. Configurer les paramètres d’un transmetteur HART avec un communicateur ne constitue pas un étalonnage métrologique
et ne garantit pas son exactitude. Pour un étalonnage métrologique, un étalon de référence traçable (calibrateur) est toujours requis.

Comment étalonner un transmetteur HART en liaison filaire

Il est bon de se rappeler qu’un transmetteur HART possède deux sorties différentes qui peuvent être utilisées et étalonnées: la sortie analogique en mA et la sortie numérique HART. Dans la majorité des cas, les clients utilisent la sortie analogique.

Pour étalonner une sortie analogique, générez ou mesurez l’entrée du transmetteur et mesurez en même temps sa sortie. Vous aurez pour cela besoin d’un calibrateur double fonction capable de gérer l’entrée et la sortie en même temps, ou bien, alternativement, de deux calibrateurs à fonction unique ; par exemple, si vous voulez générer une entrée en pression et la mesurer de manière précise avec un calibrateur tout en mesurant la sortie analogique 4-20 mA avec un ampèremètre.

Le processus d’étalonnage change légèrement si vous voulez étalonner la sortie numérique HART. À l’évidence, vous devrez toujours générer/mesurer l’entrée du transmetteur de la même manière que pour le transmetteur analogique à l’aide d’un calibrateur. Cependant, pour lire la sortie du transmetteur numérique HART, vous aurez besoin d’un communicateur
HART capable d’afficher le signal numérique HART de sortie. Un transmetteur HART peut posséder différentes variables numériques en fonction du type de transmetteur.

En cas de sortie analogique ou numérique, vous balayez la plage du transmetteur et relevez à certains points les signaux d’entrée et de sortie pour documenter l’étalonnage.


Comment étalonner un transmetteur WirelessHART

En premier lieu, il ne faut pas oublier que, bien que les transmetteurs WirelessHART aient une sortie différente des transmetteurs HART de type filaire, les transmetteurs WirelessHART ont aussi besoin d’être étalonnés. Sachant qu’un étalonnage vérifie l’exactitude d’un transmetteur, c’est-à-dire la relation entre l’entrée physique et la sortie du transmetteur, le besoin d’étalonnage ne change pas, que l’on travaille en sans-fil ou en liaison filaire, en numérique ou en analogique.

L’entrée d’un transmetteur WirelessHART doit être générée (ou mesurée) de la même manière que celle d’un transmetteur HART filaire ou analogique, en utilisant un étalon de référence ou un calibrateur. La sortie du transmetteur doit être relevée simultanément. Un transmetteur WirelessHART ne possède pas de sortie analogique, il n’a qu’une sortie numérique. La sortie numérique peut être relevée de deux manières différentes.

La première consiste à relever le signal de sortie sans fil, malheureusement le signal sans fil peut être très lent. En fonction de la configuration du transmetteur, il se peut qu’il ne transmette son signal de sortie qu’une fois par minute. Dans tous les cas, le signal sans fil n’est pas vraiment adapté
à l’étalonnage. Par exemple, dans le cas de l’étalonnage d’un transmetteur de pression, il se peut qu’il y ait des petites fuites au niveau des connecteurs de pression ou des flexibles, entraînant des changements fréquents du signal d’entrée.

Si le signal de sortie n’est relevé que ponctuellement, cela peut entraîner une incertitude significative et une erreur entre l’entrée d’étalonnage relevée et les données de sortie. De plus, s’il y a besoin d’ajuster le transmetteur, ou de réaliser tout autre type de configuration, cela ne peut s’effectuer sans fil.

Transmetteur HART de type filaire et wirelessHART

Ainsi, tous les transmetteurs WirelessHART possèdent des bornes à vis permettant de s’y connecter au moyen d’une liaison filaire. Quand le transmetteur est connecté via les bornes à vis, la sortie numérique peut être relevée suffisamment rapidement pour les besoins d’un étalonnage. De plus, tous les types de méthodes, notamment les méthodes d’ajustage, et de configurations sont accessibles. Ainsi, le transmetteur WirelessHART doit être étalonné avec une liaison filaire aux bornes à vis du transmetteur.

L’entrée peut être générée ou mesurée à l’aide d’un calibrateur de référence. La sortie doit être relevée avec un communicateur HART capable de lire les données du transmetteur via les bornes à vis. Comme les transmetteurs WirelessHART sont conformes au protocole standard HART7, vous avez besoin d’un communicateur compatible avec le protocole HART7. Si vous utilisez un calibrateur pour l’entrée et un communicateur différent pour la sortie, les données devront être relevées manuellement et l’étalonnage documenté. Cependant, si vous utilisez un seul instrument combinant calibrateur et communicateur, alors l’entrée et la sortie peuvent être gérées simultanément avec le même appareil. Si cet appareil comporte aussi une fonction documentation, alors l’étalonnage peut être automatiquement documenté de manière dématérialisée. Si le transmetteur HART en liaison filaire doit être ajusté, il faudra alors réaliser un ajustage de la partie capteur (conversion A/N), ainsi que de la partie analogique (conversion N/A).Dans le cas d’un transmetteur WirelessHART, il n’y a pas de partie analogique, il suffit donc d’ajuster la partie capteur.

Pourquoi étalonner ?

La plupart des transmetteurs modernes se vantent d’être intelligents et très précis. Cela peut donc pousser certaines personnes à penser qu’il n’y a pas besoin de les étalonner du tout tellement ils sont « intelligents ». Alors, dans ce cas-là, pourquoi étalonner des transmetteurs intelligents ?

Tout d’abord, il faut savoir que la modification du protocole de sortie d’un transmetteur ne modifie pas fondamentalement son besoin d’étalonnage.

Il existe de nombreuses raisons d’étalonner les instruments lors de leur mise en service puis de manière périodique. Les principales raisons sont les suivantes :

  • même les meilleurs instruments présentent une dérive dans
    le temps, particulièrement quand ils sont utilisés dans des
    conditions rigoureuses de process.
  • pour des raisons réglementaires : comme les normes en
    vigueur, les systèmes de qualité, de sécurité, les normes
    environnementales…
  • pour des raisons économiques : toute mesure à des
    conséquences économiques directes.
  • pour des raisons de sécurité : la sécurité des employés ainsi
    que celle des clients/patients.
  • pour atteindre un niveau de qualité produit élevé et constant
    ainsi que pour optimiser les process.
  • pour des raisons environnementales.


Le Calibrateur et Communicateur Beamex MC6

Le Beamex MC6 est un instrument qui combine un communicateur de terrain ainsi qu’un calibrateur de process multifonction extrêmement précis.

Grâce au Beamex MC6, l’entrée du transmetteur intelligent peut être générée/mesurée et la sortie numérique relevée en même temps. Ainsi, ces deux actions peuvent être réalisées simultanément et les résultats peuvent être automatiquement enregistrés dans la mémoire du MC6 pour une consultation ultérieure ou un téléchargement vers un logiciel de métrologie.

En ce qui concerne la configuration des transmetteurs intelligents, le MC6 intègre un communicateur de terrain pour les protocoles HART, WirelessHART, FOUNDATION Fieldbus H1 et Profibus PA. Toute l’électronique nécessaire est incorporée, notamment l’alimentation électrique et les impédances requises pour les protocoles.

Le Beamex MC6 peut donc être utilisé aussi bien comme communicateur pour la configuration que comme calibrateur pour étalonner les instruments intelligents utilisant les protocoles énumérés ci-dessus.

Tandis qu’un communicateur HART classique peut être utilisé pour configurer et relever la sortie numérique HART, il ne peut pas être utilisé seul pour étalonner ou ajuster des transmetteurs. Vous aurez besoin pour cela d’un calibrateur supplémentaire, ce qui vous oblige à utiliser deux instruments séparés, vous empêchant ainsi de pouvoir profiter d’une procédure d’étalonnage et de documentation automatique. Un instrument tel que le Beamex MC6 est donc meilleur pour l’étalonnage de transmetteurs HART de type filaire ou sans fil.

Exemple

Prenons par exemple l’étalonnage d’un transmetteur de température WirelessHART Emerson 648. Le transmetteur est configuré pour une mesure de sonde résistive avec un capteur de type Pt100 (Alpha385). Déconnectez la sonde résistive et connectez le MC6 pour simuler la sonde résistive. Connectez le terminal HART du MC6 aux bornes à vis du transmetteur et configurez le MC6 pour relever la variable primaire (PV) du transmetteur, qui correspond à la sortie numérique. La plage à étalonner va de 0 °C à 100 °C
(32 °F à 212 °F). Configurez le MC6 pour produire un signal d’entrée variable de 0 à 100 °C (32 °F à 212 °F) par pas de 25 % croissant puis décroissant. Configurez ensuite le MC6 pour qu’il patiente 10 secondes à chaque étape pour permettre au transmetteur de se stabiliser. Bien évidemment, l’amortissement des transmetteurs doit être pris en compte lors du choix du délai d’étalonnage. Lors de la réalisation de ces étapes, nous avons programmé une erreur maximale tolérée (EMT) de 0,5 % de la pleine échelle.

Lorsque les câblages sont effectués, l’étalonnage peut commencer. L’étalonnage va passer automatiquement par les différentes étapes d’entrée requises, s’arrêtant pour les délais programmés, puis continuant à l’étape suivante. Une fois l’étalonnage terminé, une boîte de dialogue va apparaître et afficher si l’instrument est conforme ou non (conforme/non conforme). Enfin, enregistrez l’étalonnage dans la mémoire du MC6. Par la suite, téléchargez les résultats de l’étalonnage dans votre logiciel de métrologie pour qu’ils soient enregistrés dans votre base de données et imprimez si nécessaire un constat de vérification.

Si la vérification avant ajustage (as found) est non conforme, vous allez devoir réaliser un ajustage du transmetteur, vous pouvez pour cela utiliser la communication HART du MC6. Pendant l’ajustage, il est possible de simuler simultanément l’entrée nécessaire grâce au MC6, ainsi vous n’avez pas besoin d’autres appareils. Une fois l’ajustage terminé, réalisez une nouvelle procédure automatique d’étalonnage pour réaliser une vérification après ajustage (as left).

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Nous avons également réalisé une vidéo explicative à ce sujet, regardez la vidéo sur notre chaîne YouTube - Le comptoir des étalons: How to calibrate a WirelessHART transmitter

ou en Français Comment ajuster un transmetteur de pression HART

Nous vous remercions de l’intérêt porté à notre post, afin de vous proposer toujours plus d’informations pertinentes, merci de nous communiquer quels autres contenus pourraient vous intéresser.

 

Original post: Why and how to calibrate WirelessHART transmitters?

Published: September 2016

Sujets: HART, Etalonnage

Heikki Laurila

Ecrit par Heikki Laurila

Heikki Laurila is Product Marketing Manager at Beamex Oy Ab. He started working for Beamex in 1988 and has, during his years at Beamex, worked in production, the service department, the calibration laboratory, as quality manager, as product manager and as product marketing manager. Heikki has a Bachelor’s degree in Science. Heikki's family consists of himself, his wife and their four children. In his spare time he enjoys playing the guitar.

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