Die Grundlagen von 4…20 mA-Stromschleifen

 
In Industrieanwendungen wird meist ein Strom von 4…20 mA verwendet, um Prozesssignale an einen Regler weiterzuleiten. Manchmal kommt ein analoges Spannungssignal oder eine digitale Anbindung zum Einsatz, die Verwendung einer Stromschleife birgt jedoch viele Vorteile bei der Weiterleitung von Prozesswerten an den Regler.

 

Dieser Artikel beleuchtet die Hintergründe der 4…20-mA-Stromschleifen gemäß Industriestandard genauer.

 

Warum Strom statt Spannung?

Die Beantwortung dieser Frage setzt ein grundlegendes Verständnis von Strom, Spannung und Widerstand voraus:

 

  • Strom: Strom bezeichnet den Fluss von Elektronen in einem Kreislauf. Eine Stromstärke von 1 A entspricht einem Fluss von 6,24 x 10¹⁸ Elektronen pro Sekunde. Um den Strom zu messen, muss ein Stromkreis geöffnet und ein Amperemeter in den Kreislauf integriert werden. Auf diese Weise müssen alle Elektronen das Messgerät durchlaufen, was eine präzise Strommessung gewährleistet.  

    Messeinheit: Ampere, Symbol: A

  • Widerstand: Widerstand ist das dem Stromfluss entgegengesetzte Wirken. Mit steigendem Widerstand nimmt der Stromfluss ab. Zur Messung des Widerstandes muss die den Widerstand erzeugende Komponente aus dem Stromkreis getrennt und der Widerstand dieser Komponente mit einem Ohmmeter gemessen werden.

    Messeinheit: Ohm, Symbol: Ω

  • Spannung: Die Spannung bezeichnet die Differenz der elektrischen Ladung an zwei verschiedenen Punkten des Stromkreises. Eine Differenz bei der elektrischen Ladung entsteht dann, wenn die Elektronen an einer Stelle des Stromkreises ein anderes Energieniveau haben, als die Elektronen an einer anderen Stelle oder wenn sich an einer Stelle des Stromkreises mehr Elektronen mit demselben Energieniveau befinden als an einer anderen Stelle. Eine Differenz der elektrischen Ladung von 1 V liefert genug Energie, damit ein Strom von 1 A einen Widerstand von 1 Ω überwinden kann. Schließen Sie den Spannungsmesser an zwei Punkten des Stromkreises gleichzeitig an.

    Messeinheit: Volt, Symbol: V

 

Das Ohmsche Gesetz beschreibt, in welchem Zusammenhang Strom, Spannung und Widerstand in einem Kreislauf zueinander stehen:

 

  • Strom = Spannung/Widerstand
  • Spannung = Strom x Widerstand
  • Widerstand = Spannung/Strom

 

Im Folgenden wird das Ohmsche Gesetz anhand einer Standard-AA-Batterie dargestellt:

 

 

Die Ladung an der linken Klemme (Punkt A) ist negativ im Vergleich zur Ladung an der rechten Klemme (Punkt B). Bei dieser Batterie beträgt die Differenz der Ladung (die Spannung) 1,5 V.

 

Wenn die Batterie an einen Kreislauf angeschlossen ist, ermöglicht das dem Strom, von der positiven zur negativen Klemme zu fließen. Die Lampe im dargestellten Stromkreis hat einen Widerstand von 5 Ω. Dieser Widerstand regelt die Strommenge, die durch den Kreislauf fließt.

 

 

Strom = Spannung/Widerstand, daher beträgt der die Schleife umfließende Strom 1,5 V/5 Ω = 0,3 A.

 

Die Stärke des Stromflusses kann durch eine Veränderung des Schleifenwiderstandes oder der Schleifenspannung verändert werden. Die Stromschleifen in Industrieanwendungen werden mit einer festen Energiequelle von 24 V betrieben. Der Schleifenstrom wird daher durch eine Anpassung des Widerstandes zum Stromfluss in der Schleife geändert.

 

Der Schleifenumformer

Ein Schleifenumformer misst eine Prozessvariable und reguliert den Schleifenstrom zwischen 0,004 und 0,02 A (4 mA…20 mA) durch eine Anpassung des Widerstandes gegen den Stromfluss der Schleife. Schleifenumformer können nahezu jede Prozessvariable messen, zum Beispiel Temperatur, Druck, Pegel oder Durchfluss.

 

Im folgenden Beispiel misst ein Schleifenumformer einen Temperatursensor. Der Umformer ist so programmiert, dass er den Fluss des Schleifenstroms bei einer Temperaturänderung zwischen 0…100°C zwischen 4…20 mA regelt.

 

 

 

In der Schleife ist auch eine Prozesssteuerung zur Messung des Schleifenstroms untergebracht. Das Widerstandssymbol in dieser Zeichnung stellt den Regler dar; die meisten Ausführungen haben einen festen Widerstand von 250 Ω. Auch der Schleifendraht selbst erzeugt einigen Widerstand, der bei der Berechnung der Schleifenstärke berücksichtigt werden sollte (weitere Infos dazu weiter unten).

 

Strom ist bei einer Reihenschaltung gleich, sodass der durch den Messumformer regulierte Schleifenstrom und der vom Regler gemessene Strom identisch sind.

 

Elektromagnetische Störung

Um präzise Prozessmessungen sicherzustellen, müssen Fehler aufgrund von elektromagnetischer Störung auf ein Minimum reduziert werden. Elektromagnetische Störungen treten in Industrieumgebungen häufig auf. Das sind einige ihrer Ursachen: Frequenzumrichter, Softstarter, direkt netzbetriebene Schütze, Funkgeräte, 50/60-Hz-Rauschen aus dem Stromnetz, Generatoren mit Schleifringen, Gleichstrommotorkommutatoren und elektrostatische Entladung innerhalb eines Prozesses oder durch einen Blitzeinschlag (weitere Informationen zum Thema finden Sie hier).

 

Stromsignale haben von Natur aus eine höhere Immunität gegen elektromagnetische Störungen als Spannungssignale, vor allem über längere Distanzen hinweg. Das ist einer der großen Vorteile bei der Verwendung von Strom anstelle von Spannung, um Prozessmessungen an eine Prozesssteuerung zu übertragen. Weitere Gründe, warum 4…20 mA ein weit verbreiteter Standardwert für die Prozesssteuerung ist:

 

  • Spannungssignale werden über eine weite Distanz hinweg aufgrund des Drahtwiderstandes leicht abgeschwächt. Das ist bei einer geringen Signalstärke besonders problematisch (z.B. mV-Ausgänge von Kraftmessdosen). Anders als Spannungssignale werden 4… 20-mA-Stromsignale über eine große Distanz hinweg (innerhalb gewisser Beschränkungen) nicht schwächer. Es macht keinen Unterschied, ob der Prozesssensor 5 m, 100 m oder sogar noch weiter vom Regler entfernt ist. Der vom Messumformer geregelte Stromfluss ist in allen Bereichen der Stromschleife korrekt und gleichbleibend.
  • Ein kaputter Draht in einer Stromschleife führt zu einem Stromfluss von 0 mA. Ein Regler erkennt diese ungewöhnlich niedrige Stromstärke schnell als Kabelfehler. Bei der Verwendung von Spannungssignalen können kaputte Drähte wie eine Antenne wirken, die elektromagnetischen Störungen vor Ort ermöglicht, Spannung auf die Signaldrähte aufzubringen. Wenn der Regler eine Spannung misst, ist es viel schwieriger, einen Kabelbruch zu erkennen.
  • Die meisten Strommessumformer können so programmiert werden, dass der Strom im Fall eines Sensorausfalls auf ein ungewöhnlich hohes oder niedriges Niveau geregelt wird. Der Messumformer kann den Schleifenstrom bei Ausfall des Thermoelementsensors beispielsweise auf 3,5 oder 23 mA bringen.

 

Schleifenstärke

Im obigen Beispiel regelt der Messumformer den in einer 24-V-Schleife betriebenen Stromfluss und es ist noch ein weiteres Gerät, der Regler, in der Schleife integriert.

 

Wenn wir nun zusätzlich dazu noch einen Messschreiber in die Schleife einbauen, muss festgestellt werden, ob die Schleife mit dem zusätzlichen Widerstand von 350 Ω weiterhin ordnungsgemäß funktioniert. Zu diesem Zweck wird die Schleifenstärke berechnet.

 

 

Die Schleifenstärke berechnet man wie folgt:

 

Zunächst wird die höchste Stromstärke in der Schleife bestimmt. In diesem Fall ist der Messumformer so konfiguriert, dass er den Schleifenstrom im Fall eines Sensorfehlers auf 23 mA erhöht. Der höchste Strompegel in der Schleife beträgt daher 0,023 A.

 

Das Ohmsche Gesetz besagt Folgendes: Spannung = Strom x Widerstand. Daher gilt:

 

  • Die Anforderung an die Schleifenspannung des Reglers ist die Folgende: 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
  • Die Schleifenspannungsanforderung des Messschreibers liegt bei 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

 

Laut Datenblatt werden zum Betrieb des Messumformers mindestens 8 V benötigt.

 

Letztendlich muss auch die Länge des Drahtes berücksichtigt werden. In diesem Beispiel beträgt der Abstand zwischen dem Messumformer und dem Regler/Messschreiber 40 Meter. Die Gesamtlänge des Schleifendrahts liegt daher bei 80 Metern. Vorausgesetzt, dass Drähte mit einem Querschnittsbereich von 0,445 mm² verwendet werden, beträgt der Gesamtwiderstand des Drahtes 10,7 Ω. Laut Ohmschem Gesetz: 0,023 A x 10,7 Ω = 0,25 V.

 

Ziehen Sie nun die Spannungsabfälle von der Schleifenspannungsquelle ab:

 

 

Schleifenspannung 24 V
Für den Regler benötigte Spannung -5,75 V
Für den Messschreiber benötigte Spannung -8,05 V
Für den Betrieb des Messumformers benötigte Spannung -8 V
Für den Schleifendrahtwiderstand benötigte Spannung -0,25
Verbleibende Spannung für andere Schleifenbelastungen 1,95 V

 

Nachdem wir die Schleifenstärke berechnet haben, wissen wir nun, dass diese Schleife über mehr als genug Spannung verfügt, um alle Schleifenbelastungen im Fall eines Sensorausfalls mit 23 mA zu versorgen.

 

Absicherung

Die Schleife sollte im Fall eines Kurzschlusses immer durch eine Sicherung geschützt sein. Die Sicherung schützt die Schleife vor einer zu hohen Stromstärke, wenn es zu einem Kurzschluss kommt, der die vom Messumformer geleistete Stromregelung von 4…20 mA umgeht. Wenn die Sicherung durchbrennt, fällt der Schleifenstrom auf 0 mA und infolgedessen wird dieser ungewöhnlich niedrige Stromwert von Regler und Messschreiber als Fehler erkannt.

 

 

2-Draht-Messumformer vs. 4-Draht-Messumformer

Bisher war von den sogenannten „2-Draht“-Messumformern die Rede. Der 2-Draht-Messumformer wird anhand des Schleifenstroms betrieben. Aus diesem Grund wird er auch als „schleifengespeister“ Messumformer bezeichnet.

 

Einige Vorteile der 2-Draht-Messumformer:

 

  • Bei der Installation sind keine separaten Stromkabel erforderlich.
  • Geringere Kosten
  • Sie können im Sensorkopf untergebracht werden (d.h. sehr nah am Sensor).
  • Sie haben einen sehr geringen Stromverbrauch.

 

Je nach Ihren Anforderungen können allerdings auch die 4-Draht-Messumformer die bessere Wahl sein.

 

 

In diesem Beispiel ist der Messumformer mit der 24-V-Quelle verbunden. Ein Teil des Stroms wird verwendet, um den Messumformer direkt zu versorgen. Der verbleibende Strom wird zur Versorgung der 4…20-mA-Stromschleife benötigt.

 

Einige Vorteile der 4-Draht-Messumformer:

 

  • Es ist nicht genügend Strom verfügbar, um zusätzliche Messumformereigenschaften, wie Kontaktausgänge und ein integriertes Display zu betreiben.
  • Es steht genügend Strom für eine höhere Sensoranregung zur Verfügung, so sind z.B. fast alle Kraftmessdosen 4-Draht-Messumformer, da jede Kraftmessdose bei einer Anregung von 29 mA üblicherweise 10 V benötigt.
  • 4-Draht-Messumformer können mit Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden. Schleifengespeiste Messumformer hingegen können nur mit Gleichspannung betrieben werden.

 

Aktiver vs. passiver Strom

Mit einer Stromschleife betriebene Geräte sind entweder aktiv oder passiv. „Aktiv“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Gerät über eine eigene Spannungsquelle betrieben wird. Auf einer Stromschleife kann nur jeweils ein aktives Gerät betrieben werden. Bei „passiven“ Geräten ist es genau umgekehrt – sie haben keine eigene Spannungsquelle, sondern sind stattdessen von einer externen Quelle abhängig. Weitere Informationen über aktive/passive Signale finden Sie hier (English).

 

 

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