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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−Xmin)/(Xmax−Xmin)mAI = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA
I— Schleifenstrom (mA)
X— Prozessvariable (eng units)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner entwirft Sender- und Empfängerschaltungen mit 4-20-mA-Stromschleifen, die für Prozesssteuerungstechniker, Integratoren der industriellen Automatisierung und Instrumententechniker unverzichtbar sind. Die 4-20-mA-Stromschleife ist der vorherrschende Standard für die analoge Sensorübertragung in industriellen Umgebungen gemäß ISA-50.00.01 und IEC 60381-1. Ein Transmitter wandelt eine Prozessvariable (Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand) in einen proportionalen Strom um: I = 4 + 16 * (X - Xmin)/(Xmax - Xmin) mA. Der aktive Nullpunkt (4 mA bei Nulleingang, nicht 0 mA) ermöglicht die Erkennung von Drahtbrüchen (0-1 mA = Fehler) und versorgt 2-Draht-Transmitter mit Strom. Der Strom ist in der gesamten Serienschleife konstant und unempfindlich gegen Spannungseinbrüche über Kabelstrecken von bis zu 3000 m bei 24-V-Versorgung. Der Empfänger wandelt Strom über einen Bürdenwiderstand in Spannung um (normalerweise 250 Ohm für eine Ausgangsleistung von 1-5 V). Maximaler Schleifenwiderstand = (Vsupply — VTX_min)/20 mA; bei 24-V-Versorgung und 12 V minimaler Transmitterspannung ist R_max = 600 Ohm. Das HART-Protokoll (IEC 62591) überlagert +/-0,5 mA FSK bei 1200 bps für die digitale Kommunikation, ohne das analoge Signal zu stören.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwurf einer Signalkonditionierung für einen Honeywell STD800-Drucktransmitter (0-1000 kPa, 4-20 mA Ausgang) in einer Raffinerie. Die Stromversorgung erfolgt über 24 V DC, das Kabel ist 500 m lang mit 18 AWG, der PLC-Eingang hat eine Belastung von 250 Ohm.

Lösung:

  1. Kabelwiderstand: 18 AWG = 20,9 Ohm/km 0,5 km 2 (Hin- und Rückfahrt) = 20,9 Ohm
  2. Gesamter Schleifenwiderstand: R_Loop = 250 (Bürde) + 20,9 (Kabel) = 270,9 Ohm
  3. Spannung bei 20 mA: V_Loop = 0,020 * 270,9 = 5,42 V
  4. Senderspannung: V_Tx = 24 — 5,42 = 18,58 V (mindestens > 12 V, OK)
  5. Bei 600 kPa: I = 4 + 16 * (600/1000) = 13,6 mA
  6. ADC-Eingang: v_ADC = 13,6 mA * 250 Ohm = 3,40 V
  7. SPS-Skalierung: 4 mA = 0 kPa = 1,0 V; 20 mA = 1000 kPa = 5,0 V
  8. Auflösung mit 12-Bit-ADC (0-5 V): 5 V/4096/4 V * 1000 kPa = 0,31 kPa/LSB
Ergebnis: 13,6 mA bei 600 kPa ergeben 3,40 V am PLC-Eingang. Das System verfügt über 18,58 V für den Transmitter, was deutlich über einem Minimum von 12 V liegt.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie für 4-20-mA-Leitungen ein Twisted-Pair-Kabel mit einer Gesamtabschirmung von 18-24 AWG. Erden Sie die Abschirmung nur am Ende des Kontrollraums, um Erdschleifenströme gemäß ISA-RP12.06.01 zu vermeiden
  • ✓Fügen Sie an beiden Enden langer Kabelstrecken einen Überspannungsschutz (TVS-Diode oder Gasentladungsröhre) hinzu. Blitzbedingte Überspannungen können 1000 V überschreiten und Transmitter und SPS-Eingänge gemäß IEC 61643-21 beschädigen
  • ✓Stellen Sie bei HART-fähigen Transmittern eine Mindestlast von 230 Ohm für die Kommunikation sicher. Wenn die Belastung <230 Ohm beträgt, fügen Sie parallel zum HART-Modem einen externen 250-Ohm-Widerstand gemäß der HART Foundation-Spezifikation hinzu

Häufige Fehler

  • ✗Reihenschaltung mehrerer Empfänger ohne Summierung der Belastungswiderstände: zwei 250-Ohm-Eingänge in Reihe = 500 Ohm Last, halbiert den zulässigen maximalen Kabelwiderstand; sicherstellen, dass der gesamte Schleifenwiderstand unter (Vsupply — VTX_min) /20 mA bleibt
  • ✗Interpretation von 4 mA als „Fehler“ statt als „Null“: 4 mA stehen für einen Prozesseingang von Null gemäß ISA-50,00.01; der Fehlerzustand ist <3,6 mA (NAMUR NE43 definiert 3,6-3,8 mA als Unterschreitung des Bereichs, <3,6 mA als Sensorausfall)
  • ✗Messung von 4-20 mA mit einem Voltmeter über einen offenen Regelkreis: Durch das Einsetzen eines hochohmigen Voltmeters wird der Strompfad unterbrochen; die Spannung am bekannten Belastungswiderstand (V = I * R_Burde) messen oder ein anklemmendes mA-Messgerät verwenden

Häufig gestellte Fragen

Der 4-mA-Live-Zero erfüllt gemäß ISA-50.00.01 drei wichtige Funktionen: (1) versorgt 2-Draht-Transmitter — der Transmitter arbeitet mit dem Regelstrom, den er reguliert und benötigt mindestens 3,5-4 mA, (2) ermöglicht die Erkennung von Kabelbrüchen — ein Messwert von 0-3,6 mA zeigt einen offenen Stromkreis oder einen ausgefallenen Sender an, verglichen mit einem echten Nullprozesswert. (3) ermöglicht Transmitter mit einer einzigen 24-V-Versorgung ohne separate Stromverdrahtung. NAMUR NE43 definiert: 21 <3.6 mA = sensor failure, 3.6-3.8 mA = under-range, 20.5-21 mA = over-range, > mA = gesättigter Ausgang.
Die maximale Länge hängt vom Kabelwiderstand und den Anforderungen an die Senderspannung ab. Bei 24-V-Versorgung, 250 Ohm Belastung, 12 V Mindest-Senderspannung: R_Cable_max = (24 - 12 - 250*0,020) /0,020 = 350 Ohm. Bei 18 AWG (20,9 Ohm/km) gilt die maximale Länge = 350/20,9/2 = 8,4 km Hin- und Rückfahrt = 4,2 km in eine Richtung. Der praktische Grenzwert mit Spielraum für Steckverbinder und Temperaturschwankungen liegt in der Regel bei 2—3 km. Verwenden Sie für längere Läufe 4-20 mA-Digitalkonverter (HART, Modbus) am Feldende gemäß ISA-50.00.01.
HART (Highway Addressable Remote Transducer per IEC 62591) moduliert unter Verwendung der Bell 202-Frequenzen (1200 Hz = '1', 2200 Hz = '0') bei 1200 bps ein FSK-Signal mit +/-0,5 mA auf den Gleichstrom. Die AC-Komponente liegt bei jedem Bit im Durchschnitt auf Null, sodass der 4-20-mA-Prozesswert dadurch nicht beeinträchtigt wird. Der Bürdenwiderstand (mindestens 230 Ohm pro HART-Spezifikation) wandelt die Strommodulation in eine Spannung um, die ein HART-Modem erkennen kann. HART ermöglicht Fernkonfiguration, Diagnose und sekundäre Variablen und gewährleistet gleichzeitig die Abwärtskompatibilität mit reinen analogen Empfängern.

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