Messung von Sensorausgangssignalen

In der modernen Prozesswelt – die ohne automatisierte Steuerung in dieser Form kaum denkbar wäre – existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Arten von Prozesssignalen. Dazu gehören analoge Signale, wie sie beispielsweise bei Thermoelementenoder Widerstandstemperatursensoren verwendet werden, sowie digitale Signale, die eine präzise Steuerung von Prozessvariablen und die Anzeige von Messwerten ermöglichen.

Analoge Signale, insbesondere das 4–20‑mA‑Stromsignal, sind heute die am weitesten verbreitete Form der Signalübertragung in prozessgesteuerten Anwendungen. Sie werden häufig genutzt, um Messgrößen wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit oder Durchfluss zuverlässig zu übertragen.

Analoge und digitale Sensoren

Es gibt zwei Arten von Sensoren, die sich anhand der Art ihres Ausgangssignals unterscheiden:

• Digital – liefern ein diskontinuierliches, diskretes Signal in Form von Bits.
• Analog – erzeugen ein kontinuierliches Signal. Sie wandeln nicht‑elektrische physikalische Größen aus der Umgebung in ein entsprechendes elektrisches Signal um.

Was ist ein 4-20 mA-Ausgang?

Eine 4–20‑mA‑Stromschleife ist eine einfache und äußerst zuverlässige Methode zur Übertragung analoger Messwerte von Sensoren an ein Auswertegerät.

Komponenten einer Stromschleife:

• Sensor – wandelt die gemessene physikalische Größe in ein elektrisches Signal um.
• Stromschleifen‑Transmitter/Sender – konvertiert das Sensorsignal in ein 4–20‑mA‑Signal.
• Gleichspannungsquelle – üblicherweise 24 V.
• Anschlussleitungen – bilden den Stromkreis; ihr Leitungswiderstand muss insbesondere bei langen Kabeln berücksichtigt werden.
• Empfänger – Gerät, das die Messwerte verarbeitet oder anzeigt.
• Stromschleifenbudget – Damit eine Stromschleife korrekt funktioniert, benötigt sie ein positives Energiebudget. Zur Berechnung müssen folgende Werte bekannt sein: maximale Versorgungsspannung der Schleife und minimal benötigte Versorgungsspannung bzw. der Innenwiderstand aller Komponenten

Die Stromschleife besteht aus vier Elementen: einem Schreiber, einem Empfänger, einem Messumformer und den Anschlussleitungen.

Wenn der Widerstand von Schreiber und Empfänger bekannt ist, lässt sich der Spannungsabfall über diese Komponenten mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnen.

Vor- und Nachteile einer 4-20 mA-Stromschleife

Vorteile einer 4-20-mA-Stromschleife

• Standard in vielen Branchen – einfacher Anschluss und breite Kompatibilität.
• Höhere Immunität gegenüber elektrischen Störungen – elektromagnetische Einflüsse wirken sich hauptsächlich als Spannungssignale aus und verursachen damit nur minimale Änderungen des Stroms bzw. des Eingangswiderstands des Empfängers.
• Sehr einfache Installation und Konfiguration.
• Geringerer Verkabelungsaufwand, was zu niedrigeren Installationskosten führt.
• Ideal für große Entfernungen – der Strom in einer 4–20‑mA‑Schleife wird über lange Leitungen weniger gedämpft als ein Spannungssignal.
• Einfache Fehlererkennung – z. B. bei Sensorkabelbruch, da 4 mA = 0 % Signal entspricht.

Nachteile einer 4-20-mA-Stromschleife

• Höherer Stromverbrauch im Vergleich zu Sensoren mit Spannungsausgang.
• Erfordert eine Versorgungsspannung von mindestens 10 V DC, was batteriebetriebene Anwendungen einschränkt.
• Übertragung nur eines Prozesssignals pro Stromschleife – für mehrere Messgrößen sind mehrere Schleifen notwendig.
• Erheblicher Verkabelungsaufwand, der zu Erdschleifenproblemen führen kann, wenn mehrere unabhängige Schleifen nicht sauber voneinander isoliert sind.

Universelle Eingänge bei JUMO-Kompaktreglern

Die meisten JUMO-Kompaktregler verfügen über universelle Analogeingänge, an die verschiedene Komponenten – beispielsweise Sensoren zur Erfassung des Istwerts – angeschlossen werden können. In der Mess‑ und Regeltechnik erfolgt die Übertragung von Messwerten über genormte Signale. Am häufigsten kommt dabei ein Stromsignal von 4–20 mA zum Einsatz, doch auch 0–20 mA, 2–10 V und 0–10 V stehen als Standardsignale zur Verfügung.

Die folgende Grafik zeigt, wie ein gemessener Druckwert über ein 4–20‑mA‑Signal übertragen wird:

4–20‑mA‑Druckmessumformer – Anschluss und analoge Messungen

Der gezeigte Druckmessumformer JUMO dTRANS p20 erfasst den Relativdruck im Bereich von 0 bis 10 bar und überträgt diesen Wert über ein analoges 4–20‑mA‑Signal an den Prozess‑ und Software‑Controller JUMO DICON touch. Der universelle Analogeingang des Reglers ist auf 4–20 mA eingestellt und auf den Messbereich von 0 bis 10 bar skaliert. Der erfasste Druck steht damit direkt im Regler zur Verfügung, und alle Einstellungen beziehen sich auf die skalierte Einheit bar.

Die Spannungsversorgung des Druckmessumformers erfolgt über das zugehörige Netzteil.

4–20‑mA‑Temperatursensor

JUMO bietet eine große Auswahl an Sensoren mit analogem 4–20‑mA‑Ausgang, darunter auch den pt100-Temperatursensor mit integriertem 4-20-mA-Messumformer JUMO E temp B.

Über die Autorin

Mein Name ist Ewelina Szmit und ich bin seit mehreren Jahren im Bereich Content-Marketing tätig, wo ich meine beruflichen Fähigkeiten mit meiner Leidenschaft für das Schreiben verbinde. Ich bin davon überzeugt, dass selbst die technischsten Themen auf interessante und für alle zugängliche Weise präsentiert werden können. Außerhalb der Arbeit lebe ich meine kreative Seite mit Zeitungscollagen aus. In meiner Freizeit bin ich gerne aktiv, gehe mit meinem Hund spazieren oder laufen.

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