Capteurs et détecteurs : inductif, PNP, NPN, 2 fils et 3 fils

Un automate ne voit rien. Il ne sait pas que le carton est arrivé au bout du convoyeur, que le vérin est sorti ou que la cuve est pleine : ce sont les détecteurs et les capteurs qui le lui disent, un fil après l'autre. Quand une machine s'arrête sans raison apparente, le technicien commence presque toujours par regarder le voyant d'un détecteur. Savoir les reconnaître, les choisir et les raccorder est donc une compétence de base, que le référentiel du bac pro MELEC range dans l'« acquisition de l'information », avec le choix et la mise en service.

Ce chapitre prolonge celui sur le grafcet et l'automate programmable, qui explique le câblage des entrées en 24 V. Ici, on se place du côté du détecteur : ce qu'il y a dedans, ce qu'il sait détecter, ce que veulent dire PNP, NPN, 2 fils et 3 fils, et comment on choisit le bon modèle.

Capteur ou détecteur : tout ou rien et analogique

Les deux mots sont souvent employés l'un pour l'autre, mais l'usage du métier les distingue. Un détecteur délivre une information tout ou rien (TOR) : sa sortie n'a que deux états, comme un contact ouvert ou fermé. Il répond à une question fermée : la pièce est-elle là, oui ou non ? Un capteur au sens strict délivre une information analogique : un signal qui varie de façon continue avec la grandeur mesurée, par exemple une température, une pression, une distance ou un niveau. Il répond à la question : combien ?

La différence se retrouve sur l'automate. Un détecteur TOR se raccorde sur une entrée TOR, qui ne retient qu'un bit, 0 ou 1. Un capteur analogique se raccorde sur une entrée analogique, qui convertit le signal en un nombre. Une troisième catégorie, les capteurs numériques, envoie des impulsions ou des données : c'est le cas du codeur incrémental monté en bout d'arbre d'un moteur.

Tout détecteur comprend une partie sensible, une électronique de mise en forme et un étage de sortie qui commute. C'est ce dernier qui intéresse l'électricien au raccordement : c'est lui qui est PNP, NPN ou à contact.

L'interrupteur de position, ou fin de course

C'est le plus ancien et le plus simple : l'objet à détecter vient pousser physiquement un organe mécanique, qui actionne un contact électrique. Un interrupteur de position se compose de trois éléments : un corps, un contact électrique et une tête de commande munie de son dispositif d'attaque, poussoir, levier à galet ou tige souple selon la façon dont l'objet arrive.

Le contact est le plus souvent bipolaire, avec un contact à ouverture et un contact à fermeture (« O + F »). Il existe en deux technologies. Le contact à action brusque bascule d'un coup, à une vitesse indépendante de celle de l'organe de commande : les points d'action et de relâchement ne sont pas confondus, ce qui évite les hésitations quand la came avance lentement. Le contact à action dépendante, ou rupture lente, suit le mouvement de l'organe de commande.

Sa grande qualité tient à sa sortie : un contact sec, libre de potentiel. Il se raccorde sur n'importe quelle entrée et se contrôle à l'ohmmètre. Les modèles dits à manœuvre positive d'ouverture ajoutent une garantie : le contact à ouverture est forcé mécaniquement par l'organe de commande, même si ses pastilles sont collées. C'est ce type de contact qu'on exige pour surveiller un protecteur de machine, sujet traité dans le cours sur la sécurité des machines.

Ses limites sont celles de toute mécanique : il s'use, supporte mal les cadences élevées, et l'objet doit avoir assez de masse pour l'actionner. Un flacon vide ne poussera jamais un levier à galet.

Le détecteur inductif : détecter le métal sans contact

Le détecteur de proximité inductif est le plus répandu sur les machines. Il contient un oscillateur dont le bobinage forme la face sensible. Cet oscillateur crée devant lui un champ électromagnétique alternatif, à une fréquence de 100 à 600 kHz selon le modèle. Quand une pièce conductrice entre dans ce champ, des courants induits (courants de Foucault) y prennent naissance. Ils prélèvent de l'énergie sur l'oscillateur, dont les oscillations s'amortissent ; passé un certain seuil, l'électronique fait basculer la sortie.

Conséquence directe du principe : un inductif ne détecte que les métaux, et de très près. Les portées vont de moins d'un millimètre pour les plus petits modèles à quelques dizaines de millimètres pour les plus gros. En échange, il ne s'use pas, accepte des cadences élevées et reste indifférent à l'huile et à la poussière.

Portée nominale et portée de travail

La norme des détecteurs de proximité (IEC 60947-5-2) définit plusieurs portées, et l'élève doit savoir laquelle utiliser. Elles sont mesurées avec une plaquette carrée en acier de 1 mm d'épaisseur, dont le côté est égal au diamètre de la face sensible pour un détecteur cylindrique (trois fois la portée nominale pour un détecteur rectangulaire).

La portée nominale Sn est la valeur du catalogue : elle sert à désigner l'appareil et ne tient pas compte des dispersions. La portée réelle Sr, mesurée sous tension et à température assignées, est comprise entre 0,9 Sn et 1,1 Sn. La portée utile Su, mesurée dans toutes les limites admises de tension et de température, est comprise entre 0,9 Sr et 1,1 Sr. Dans le pire des cas, le détecteur ne « voit » donc qu'à 0,9 × 0,9 × Sn. D'où la portée de travail Sa, la seule sur laquelle on règle une machine :

0 ≤ Sa ≤ 0,81 × Sn

Un détecteur de Sn = 10 mm se règle pour que la pièce passe à 8,1 mm au plus de la face sensible ; en pratique, on vise nettement moins. S'y ajoute la course différentielle, ou hystérésis : le détecteur s'enclenche à une certaine distance et ne relâche qu'un peu plus loin. Sans cet écart, une pièce qui vibre en limite de portée ferait battre la sortie.

Ce qui réduit la portée

Les portées du catalogue valent pour une cible en acier au moins aussi grande que la face sensible. Deux cas obligent à corriger. Une pièce plus petite que la face sensible est détectée de moins loin. Un autre métal que l'acier aussi : on multiplie la portée par un facteur de correction donné par le constructeur, égal à 1 pour l'acier de référence, plus faible pour l'inox, plus faible encore pour le laiton, l'aluminium et le cuivre. Certains modèles, dits à facteur 1, détectent tous les métaux à la même distance. Dans tous les cas, c'est la notice du détecteur qui donne le chiffre.

Noyable ou non noyable

Un détecteur noyable possède un blindage qui empêche le champ de s'étendre sur les côtés : on peut le monter à fleur dans un support métallique. Un détecteur non noyable n'a pas ce blindage ; sa portée est plus grande à encombrement égal, mais sa tête doit dépasser du support et rester dégagée de toute masse métallique, sans quoi il détecte son propre support. Pour la même raison, la notice impose une distance minimale entre deux détecteurs voisins.

Dans la même famille des détecteurs sans contact, le détecteur magnétique réagit à un aimant : c'est lui qu'on fixe sur le corps d'un vérin pour repérer la position du piston, comme on le voit dans le cours sur la pneumatique et les vérins.

Le détecteur capacitif : tous les matériaux, même à travers une paroi

Extérieurement, il ressemble à un inductif. Le principe diffère : sa face sensible forme l'armature d'un condensateur. Tout objet qui s'en approche modifie la capacité de ce condensateur, d'autant plus que sa constante diélectrique est élevée, et cette variation fait basculer la sortie. Le détecteur capacitif voit donc les métaux, mais aussi le plastique, le bois, le verre, le carton, les poudres et les liquides.

Son usage typique est le contrôle de niveau : granulés dans une trémie, liquide dans un bidon. L'eau, dont la constante diélectrique est très élevée, est détectée facilement, y compris à travers la paroi d'un réservoir en plastique ou en verre. Un potentiomètre de sensibilité permet de régler le détecteur pour qu'il ignore la paroi et ne réagisse qu'au produit.

Cette sensibilité à tout est aussi son défaut : l'humidité ou un dépôt sur la face sensible peuvent le déclencher à tort.

Le détecteur photoélectrique : barrage, reflex, proximité

Une cellule photoélectrique associe un émetteur de lumière, une diode électroluminescente infrarouge ou rouge, et un récepteur. La lumière est émise par impulsions, ce qui permet au récepteur de ne pas confondre son faisceau avec l'éclairage ambiant. La détection a lieu quand l'objet modifie assez la quantité de lumière reçue, soit parce qu'il coupe le faisceau, soit parce qu'il le renvoie. Cinq systèmes de base en découlent.

On parle de commutation claire quand la sortie est active lorsque le récepteur reçoit de la lumière, et de commutation sombre quand elle est active lorsqu'il n'en reçoit pas. Sur un barrage, « objet présent » correspond à « pas de lumière » : pour avoir un 1 à l'automate quand l'objet est là, il faut la commutation sombre. Sur un système de proximité, c'est l'inverse.

Quand la lumière ne convient pas (objet transparent, couleur changeante, poussière en suspension), on se tourne vers le détecteur à ultrasons, qui émet une onde sonore et mesure le temps de retour de l'écho. Il détecte tout objet qui renvoie le son, quelles que soient sa couleur et sa transparence.

Sorties 2 fils, 3 fils, PNP et NPN

Un détecteur électronique a besoin d'énergie pour fonctionner. La façon dont il la reçoit définit deux familles.

Le détecteur 3 fils

Deux fils l'alimentent en permanence, le troisième porte le signal. Il fonctionne en courant continu, le plus souvent dans une plage de 10 à 30 V, ce qui couvre le 24 V des armoires d'automatisme. Les couleurs sont normalisées : brun (BN) au +, bleu (BU) au 0 V, noir (BK) pour la sortie. Sur un connecteur M12 à 4 broches, le brochage habituel est la broche 1 pour le +, la 3 pour le 0 V et la 4 pour la sortie ; on le confirme toujours sur la notice. L'étage de sortie est un transistor, qui existe en deux polarités.

Un détecteur PNP relie sa sortie au + quand il est actif : il « donne » du 24 V sur le fil noir, et la charge se branche entre le fil noir et le 0 V. Un détecteur NPN relie sa sortie au 0 V quand il est actif : la charge se branche entre le + et le fil noir. Dans les deux cas, la « charge » est l'entrée de l'automate ou la bobine d'un petit relais.

Pour s'en souvenir : PNP, le Positif est commuté ; NPN, le Négatif est commuté. En Europe, le PNP domine largement. Un détecteur porte en plus une fonction de sortie : NO (à fermeture, actif quand l'objet est présent) ou NF (à ouverture, actif quand l'objet est absent). Certains modèles à 4 fils offrent les deux fonctions : la seconde sortie, complémentaire de la première, arrive sur un fil blanc (WH), broche 2 du connecteur M12.

Le détecteur 2 fils

Il n'a pas de fil d'alimentation séparé : il se branche en série avec la charge, exactement comme un interrupteur de position, et il existe en continu comme en alternatif. C'est pratique pour remplacer un fin de course sans tirer de fil. Mais son électronique s'alimente à travers la charge, ce qui a deux conséquences.

À l'état ouvert, il laisse passer un petit courant résiduel (ou courant de fuite), de l'ordre du milliampère : la valeur exacte figure sur la notice. À l'état fermé, il conserve à ses bornes une tension de déchet de quelques volts, que la charge ne reçoit pas. Il faut donc vérifier que le courant résiduel est trop faible pour que l'entrée le prenne pour un 1, et que la tension restante suffit pour qu'elle voie bien un 1. Même phénomène dans le bâtiment, où un détecteur de mouvement 2 fils peut faire scintiller une lampe LED pour la même raison.

Raccorder un détecteur à une entrée d'automate

La méthode tient en quatre vérifications, dans cet ordre.

La polarité de la carte. On repère où est relié le commun des entrées. S'il est au 0 V, la carte attend qu'on lui amène du + : il lui faut des détecteurs PNP. S'il est au +24 V, il lui faut des NPN. Beaucoup de cartes acceptent les deux selon le câblage du commun, mais toutes les entrées qui partagent ce commun reçoivent alors le même type de détecteur. Les contacts secs et les 2 fils s'accommodent des deux.

L'alimentation. Le brun et le bleu se prennent sur la même alimentation 24 V que celle des entrées, protégée par son propre disjoncteur ou fusible. Sa sortie est en très basse tension de sécurité (TBTS) ou en très basse tension de protection (TBTP) quand le 0 V est relié à la terre, ce qui protège les personnes au niveau des détecteurs répartis sur la machine.

Le courant de sortie. Une entrée d'automate ne consomme que quelques milliampères : aucun détecteur n'est en difficulté. Il en va autrement si la sortie commande directement un relais ou un voyant : on compare le courant de la charge au courant maximal de sortie indiqué par la notice.

Le temps de présence. L'automate ne lit ses entrées qu'une fois par cycle, après un filtrage de quelques millisecondes. Une pièce qui passe trop vite devant le détecteur peut produire une impulsion plus courte que ce délai : l'automate ne la voit pas. On calcule la durée du signal, t = longueur de la pièce / vitesse, et on la compare au temps de filtrage augmenté du temps de cycle.

À la mise en service, on contrôle le voyant du détecteur, celui de l'entrée, puis la tension entre l'entrée et le 0 V : environ 24 V quand un PNP est actif, environ 0 V au repos. La méthode est celle du cours sur les mesures en électricité.

Les capteurs analogiques en bref

Dès qu'il faut une valeur et non un oui ou un non, on passe au capteur analogique. Il comporte un élément sensible, dont une propriété électrique varie avec la grandeur physique, et un transmetteur qui transforme cette variation en signal normalisé : 4-20 mA ou 0-10 V. La relation est une droite : pour un capteur de niveau 0-2 m en 4-20 mA, 4 mA signifie 0 m, 20 mA signifie 2 m et 12 mA signifie 1 m.

Un capteur analogique se caractérise par son étendue de mesure, sa précision et son temps de réponse. Le détail des signaux, l'avantage du 4 mA qui permet de repérer un fil coupé et la vérification d'une boucle sont traités dans le cours sur la régulation et les signaux 4-20 mA.

Choisir un détecteur : la méthode en deux temps

Le choix se fait en deux temps : la famille d'abord, la référence ensuite.

Premier temps, la famille. On se pose les questions dans l'ordre. L'objet est-il solide, liquide ou en vrac ? Peut-on le toucher ? S'il est solide, assez lourd, lent, et que le contact est permis, l'interrupteur de position suffit et reste le plus simple. Sinon : l'objet est-il métallique et passe-t-il à quelques millimètres ? C'est un inductif. Non métallique, ou liquide, à courte distance ? Un capacitif. Plus loin, ou de nature quelconque ? Un photoélectrique, en choisissant le système selon la portée, la brillance de l'objet et la propreté de l'ambiance.

Second temps, la référence. On affine avec l'environnement (température, humidité, poussière, projections, chocs), qui fixe la matière du boîtier et l'indice de protection ; la source d'alimentation ; le signal de sortie (contact, 2 fils, 3 fils PNP ou NPN, NO ou NF) ; le raccordement (câble surmoulé, connecteur, bornier) ; et la place disponible, qui décide du diamètre et du montage noyable ou non. Pour un inductif, on termine par la portée : la distance réelle de passage de la pièce doit rester inférieure à 0,81 × Sn, corrigée du facteur du métal.

Exemple : contrôler la présence d'un bouchon en aluminium sur des flacons qui défilent à 15 mm d'une équerre. Métal, courte distance : inductif. Aluminium : avec un facteur de 0,4 donné par la notice, un détecteur de Sn = 15 mm n'offre que 0,81 × 15 × 0,4 = 4,9 mm. C'est trop peu : on retient une cellule photoélectrique de proximité avec effacement de l'arrière-plan, réglée sur le bouchon.

Pour aller plus loin (BTS)

Compatibilité d'un 2 fils avec une entrée. La norme des automates (IEC 61131-2) classe les entrées TOR en types. Le type 1 est prévu pour les contacts mécaniques et les détecteurs 3 fils ; les types 2 et 3 acceptent les détecteurs 2 fils, le type 3 étant la version à faible consommation. La vérification se fait avec deux inégalités tirées des notices. À l'état ouvert, le courant résiduel du détecteur doit être inférieur au courant maximal que l'entrée garantit encore comme un 0. À l'état fermé, la tension d'alimentation diminuée de la tension de déchet doit dépasser le seuil garanti pour un 1, et le courant absorbé par l'entrée doit dépasser le courant minimal dont le détecteur a besoin pour rester alimenté.

Associations. On peut câbler des détecteurs en série (fonction ET) ou en parallèle (fonction OU), mais les défauts des 2 fils s'additionnent : en série, les tensions de déchet se cumulent et chaque détecteur ne dispose plus que d'une partie de la tension ; en parallèle, les courants résiduels s'ajoutent. Mieux vaut une entrée par détecteur et la logique dans le programme.

Entrée analogique et résolution. Une entrée analogique convertit le signal en nombre entier. Un convertisseur sur n bits distingue 2ⁿ valeurs : 4 096 sur 12 bits. La plus petite variation visible, la résolution, vaut l'étendue de mesure divisée par le nombre de pas. Elle ne dit rien de la précision, qui reste celle du capteur (exercice 7).

Capteurs communicants. De plus en plus de détecteurs 3 fils parlent en plus le protocole IO-Link : sur le même câble à 3 fils et la même broche de sortie (la 4 du connecteur M12), ils échangent avec un module maître leurs réglages, des diagnostics et parfois une mesure. Sur une entrée ordinaire, le même appareil reste un détecteur TOR classique.

Les erreurs qui reviennent

Monter un PNP sur une carte câblée en logique négative, ou l'inverse. Le voyant du détecteur s'allume, celui de l'entrée jamais. Avant de soupçonner le détecteur, on regarde où va le commun.

Régler un inductif à sa portée nominale. À Sn, la détection n'est pas garantie : elle marche à l'atelier un matin frais et décroche l'après-midi ou quand la tension baisse. On reste sous 0,81 × Sn, en tenant compte du métal.

Remplacer un fin de course par un 2 fils sans vérifier le courant résiduel. L'entrée reste à 1, ou le petit relais ne retombe pas.

Confondre NO/NF et PNP/NPN. Le premier couple dit quand la sortie est active, le second dit vers quel potentiel elle commute. Un détecteur de remplacement doit être identique sur les deux points.

Exercices corrigés

Les cinq premiers exercices correspondent au niveau bac pro, les deux derniers au BTS. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Proposez une famille de détecteur pour chaque cas : a) une came en acier qui passe à 3 mm du support, 5 fois par seconde ; b) le niveau haut de granulés plastiques dans une trémie en polyéthylène ; c) le passage de palettes sur un convoyeur de 1,2 m de large, en entrepôt poussiéreux ; d) la fermeture d'une porte de carter, sur une machine lente.

Exercice 2. Un détecteur inductif a une portée nominale Sn = 8 mm. Calculez sa portée de travail maximale sur une pièce en acier, puis sur une pièce en aluminium, la notice donnant un facteur de correction de 0,4 pour ce métal.

Exercice 3. Un détecteur 3 fils PNP, NO, est raccordé sur l'entrée I0.3 d'un automate dont le commun des entrées est au 0 V. Indiquez où va chaque fil. Quelle tension mesure-t-on entre I0.3 et le 0 V, pièce présente puis pièce absente ?

Exercice 4. Sur la machine de l'exercice 3, le détecteur est remplacé par un modèle NPN, NO, pris par erreur dans le magasin. Que constate-t-on, et pourquoi ?

Exercice 5. Des pièces de 30 mm de long défilent à 1,5 m/s devant une cellule photoélectrique. L'entrée de l'automate a un temps de filtrage de 3 ms et le temps de cycle du programme est de 12 ms. L'automate verra-t-il chaque pièce ? Et si la vitesse passe à 3 m/s ?

Exercice 6 (BTS). Un détecteur 2 fils a les caractéristiques suivantes : courant résiduel 0,8 mA, tension de déchet 5 V, courant minimal 3 mA. On dispose de deux cartes d'entrées 24 V. Carte A : état 0 garanti jusqu'à 0,5 mA, état 1 garanti à partir de 15 V. Carte B : état 0 garanti jusqu'à 1,5 mA, état 1 garanti à partir de 11 V, courant d'entrée de 6 mA à l'état 1. Quelle carte convient ? Peut-on y câbler deux de ces détecteurs en série ?

Exercice 7 (BTS). Un capteur de distance à ultrasons mesure de 100 à 600 mm et délivre un signal 4-20 mA sur une entrée analogique 12 bits. a) Quelle distance correspond à 13,6 mA ? b) Quel courant attend-on à 250 mm ? c) Quelle est la résolution de la mesure ?

Sources

• Éduscol STI, Guide technique « L'essentiel de la détection » (magazine Intersections, novembre 2003) : familles de détecteurs, portées Sn, Sr, Su, Sa, systèmes photoélectriques, interrupteurs de position, démarche de choix.
• NI, Choisir le module d'entrées-sorties numériques adapté à son capteur : sorties PNP et NPN, capteurs 2 fils et 3 fils, courant de fuite.
• Éduscol, Référentiel du bac pro MELEC (arrêté du 8 janvier 2024).

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