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Sensor

4–20 mA Schleifensender

Berechnet das Spannungsbudget der 4–20-mA-Stromschleife, Sensorwert aus Strom und maximalen Schleifenwiderstand für industrielle Sensorsender.

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Formel

I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA

I— Loop current (mA)
X— Process variable (eng units)

Wie es funktioniert

Die 4—20-mA-Stromschleife ist der vorherrschende Standard für die Sensorübertragung in der industriellen Prozesssteuerung. Ein Transmitter wandelt eine Prozessvariable (Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand) in einen proportionalen Strom im Bereich von 4—20 mA um. Der Strom ist überall in der Reihenschleife konstant, wodurch er immun gegen Spannungseinbrüche bei langen Kabelstrecken ist (im Gegensatz zu Spannungssignalen). Der aktive Nullwert (4 mA bei Nulleingang, nicht 0 mA) ermöglicht die Erkennung eines Drahtbruchs (0 mA) im Vergleich zu einem echten Nullwert. Die Abbildung ist linear: I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − x_min) mA, wobei X die Prozessvariable ist. Der Empfänger wandelt Strom über einen Bürdenwiderstand (typischerweise 250 Ω, ergibt 1—5 V) für den ADC-Eingang in Spannung um. Das Spannungsbudget erfordert: V_Supply ≥ V_Transmitter_min + I × R_Loop_Total. Bei einer 24-V-Versorgung und einer Mindest-Senderspannung von 12 V beträgt der maximale Schleifenwiderstand (24 − 12) /0,02 = 600 Ω, ausreichend für ~300 m 24-AWG-Kabel. Das HART-Protokoll (Highway Addressable Remote Transducer) überlagert den Strom von 4—20 mA mit einem FSK-Signal von ±0,5 mA, ohne das Prozesssignal zu stören, und ermöglicht so die digitale Konfiguration und Diagnose.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein Drucktransmitter ist für 0—500 kPa (4—20 mA) kalibriert. Der PLC-Eingang verwendet einen 250-Ω-Bürdenwiderstand. Die 24-V-Versorgung versorgt ein 120 m langes 22-AWG-Kabel (0,054 Ω/m × 2 = 10,8 Ω). Wie hoch ist die Senderspannung bei 200 kPa? Lösung: 1. Schleifenstrom bei 200 kPa: I = 4 + 16 × (200/500) = 4 + 6,4 = 10,4 mA 2. Schleifenwiderstand: R_Loop = 250 (Bürde) + 10,8 (Kabel) = 260,8 Ω 3. Spannung über der Schleife: V_Loop = 10,4 × 10³ × 260,8 = 2,71 V 4. Senderspannung: v_TX = 24 − 2,71 = 21,29 V (deutlich über dem Minimum von 12 V ✓) 5. ADC-Eingang: v_ADC = 10,4 × 10³ × 250 = 2,60 V → 200 kPa Ergebnis: 10,4 mA bei 200 kPa, 2,60 V am ADC, 21,3 V für den Sender verfügbar.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie 24 AWG oder ein schwereres Twisted-Pair-Kabel mit einer Gesamtabschirmung für Leitungen von 4—20 mA. Erden Sie die Abschirmung nur an einem Ende, um Erdschleifenströme zu vermeiden.
  • ✓Fügen Sie parallel zum Burde-Widerstand eine Transientenschutzdiode (z. B. 1N4007) hinzu, um induktive Spitzen abzufangen, die durch Kabeltrennung entstehen.
  • ✓Bei HART-fähigen Transmittern beträgt die Mindestlast für die HART-Kommunikation 230 Ω. Verwenden Sie immer eine Last von mindestens 250 Ω, um sicherzustellen, dass HART-FSK-Signale erkannt werden können.

Häufige Fehler

  • ✗Wenn mehrere Empfänger in Reihe geschaltet werden und vergessen wird, ihre Belastungswiderstände zu summieren — wenn zwei 250-Ω-Eingänge in Reihe geschaltet sind, beträgt die Gesamtlast 500 Ω, wodurch sich der zulässige maximale Kabelwiderstand halbiert.
  • ✗Wird der 4-mA-Strom für die Erkennung von „Null“ und nicht für die Fehlererkennung verwendet, stehen 4 mA für einen Prozesseingang von Null; ein echter Drahtbruch gibt 0—1 mA aus, was die Fehleranzeige ist.
  • ✗Messung von 4—20 mA mit einem Voltmeter auf der anderen Seite der Schleife — Sie müssen über einen bekannten Bürdenwiderstand messen; die Messung der Leerlaufspannung des Regelkreises liefert die Versorgungsspannung, nicht das Signal.

Häufig gestellte Fragen

Der 4-mA-Live-Zero dient drei Zwecken: Er versorgt Zweileiter-Transmitter (der Sender zieht für den Betrieb mindestens 4 mA aus der Schleife), er unterscheidet einen echten Nullwert von einem Verdrahtungsfehler (0—1 mA weist auf einen offenen Stromkreis oder einen Kurzschluss des Senders hin) und ermöglicht Transmitter an einer einzigen 24-V-Versorgung ohne separate Stromverdrahtung.
Dies hängt vom Kabelwiderstand und der erforderlichen Senderspannung ab. Bei einer 24-V-Versorgung, einer Belastung von 250 Ω und einer minimalen Transmitterspannung von 12 V: maximaler Außenwiderstand = (24 − 12) /0,02 = 600 Ω. Wenn man die Last von 250 Ω abzieht, bleiben 350 Ω für das Kabel übrig. Bei 0,11 Ω/m für 22 AWG sind damit 350/0,11 = 3180 m Kabel möglich. Die praktische Grenze liegt bei guten Kabeln in der Regel bei 1000—1500 m.
HART moduliert ein ±0,5 mA FSK-Signal mit 1200 bps auf den 4—20 mA Gleichstrom mithilfe der Bell 202-Modulation (Markierung = 2200 Hz, Leerzeichen = 1200 Hz). Der Durchschnittswert der AC-Komponente ist Null, sodass der Messwert der Prozessvariablen nicht beeinflusst wird. Der Bürdenwiderstand von mindestens 230 Ω wandelt die Strommodulation in eine Spannung um, die das HART-Modem erkennen und demodulieren kann.

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