Grundlagen der 4-20 mA-Stromschleifen, Systemdesign und Konfiguration

Übertragen von Sensordaten mit Hilfe von Strom

Sensoren in Industriequalität verwenden üblicherweise Stromsignale zur Datenübertragung. Das unterscheidet sie von den meisten anderen Sensoren, wie Thermoelementen und Widerstandsdehnungsmessstreifen, die ein Spannungssignal verwenden. Während spannungsbasierte Sensoren in vielen Umgebungen ausreichen, werden strombasierte Sensoren manchmal bevorzugt. Der inhärente Nachteil der Verwendung von Spannungen zum Übertragen von Signalen in einer industriellen Umgebung ist beispielsweise der Spannungsabfall über lange Kabellängen aufgrund des Drahtwiderstands. Sie können Geräte mit hoher Eingangsimpedanz verwenden, um Signalverluste zu umgehen. Diese Geräte reagieren jedoch empfindlich auf das Rauschen, das von Motoren, Förderbändern und Funkübertragungen in der Nähe verursacht wird.

Der Knotenpunktsatz (das 1. Kirchhoffsche Gesetz) besagt, dass die Summe der Ströme, die zu einem Punkt fließen, gleich der Summe der Ströme ist, die von diesem Punkt wegfließen. In der Theorie muss jeder am Anfang einer Schleife anliegende Strom das Ende erreichen, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1: Nach dem Kirchhoffschen Gesetz müssen alle Ströme, die am Anfang einer Schleife vorhanden sind, das Ende erreichen.

Dies ist das Grundprinzip, nach dem eine Stromschleife arbeitet. Bei der Strommessung an einer beliebigen Position entlang einer einzelnen Schleife wird das gleiche Ergebnis erzielt. Durch die Verwendung von Stromsignalen und Datenerfassungsgeräten mit niedriger Impedanz profitieren industrielle Anwendungen von einer besseren Störfestigkeit und einer längeren Übertragungskabellänge.

Bestandteile der Stromschleife

Zu den Hauptkomponenten einer Stromschleife gehören eine Gleichstromversorgung, ein Sensor, ein DAQ-Gerät und die Drähte, die alles in Reihe schalten (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Stromschleifensystem

Die Gleichstromversorgung versorgt das System mit Strom. Der Sensor regelt den Stromfluss durch die Verbindungen auf 4 bis 20 mA, wobei 4 mA für einen Nullpunkt und 20 mA für das maximale Signal steht. Ein 0-mA-Signal bedeutet, dass die Schleife unterbrochen ist. Das Datenerfassungsgerät misst den regulierten Stromfluss. Eine effektive und genaue Methode zur Strommessung besteht darin, einen Präzisions-Shunt-Widerstand zwischen den Anschlüssen des Verstärkers des Datenerfassungsgeräts (in Abbildung 2) zu schalten, um das Stromsignal in einen Spannungsmesswert umzuwandeln, der schließlich auf den ursprünglichen Messwert des Messwandlers zurückgeführt wird.

Zum besseren Verständnis von Stromschleifen betrachten Sie in diesem Whitepaper den Entwurf eines Beispielsystems mit einem Sensor. Zu den Systemspezifikationen gehören:

• Der Sensor muss Druck messen
• Der Sensor befindet sich 610 m (2.000 ft) vom Messgerät entfernt.
• Eine Strommessung des DAQ-Geräts gibt dem Bediener Feedback zu den Messungen des Sensors

Dieses Beispiel beginnt mit der Ermittlung eines geeigneten Sensors für die Anwendung.

Auswählen eines Sensors

Der erste Schritt beim Entwurf eines Stromschleifensystems ist die Auswahl eines Sensors. Neben der Art der Messung (Durchfluss, Druck, Temperatur usw.) ist die Betriebsspannung ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines Sensors. Der strombasierte Sensor wird über eine Spannungsquelle mit Strom versorgt und kann so den Stromfluss durch die Drähte regulieren. Um die Funktion des Sensors aufrechtzuerhalten, sollte die zugeführte Spannung nicht kleiner als das erforderliche Minimum sein. Ebenso kann eine Spannung, die über dem angegebenen Maximum liegt, den Sensor beschädigen.

Für das Beispiel-Stromschleifensystem misst Ihr ausgewählter Sensor Druck und hat eine Betriebsspannung von 12 bis 30 V. Bei ausgewähltem Sensor muss das Stromsignal ordnungsgemäß gemessen werden, um eine genaue Darstellung des auf den Sensor angelegten Drucks zu erhalten.

Auswählen eines Strommess-Datenerfassungsgeräts

Ein wichtiger Aspekt beim Erstellen eines Stromschleifensystems ist die Vermeidung von Masseschleifen. Eine gängige Methode zur Verhinderung von Masseschleife bei einem Messdatenerfassungsgerät ist die Isolierung. Durch Isolierung können Sie Masseschleifen wie in Abbildung 3 vermeiden.

Abbildung 3. Masseschleife

Masseschleifen entstehen, wenn zwei verbundene Anschlüsse in einer Schaltung unterschiedliche Erdungspotenziale haben. Aufgrund dieser Differenz fließt Strom in die Verbindung, was zu Offset-Fehlern führen kann.

Die Isolierung des Datenerfassungsgeräts dient dazu, die Signalquelle elektrisch von der Verstärkermasse des Datenerfassungsgeräts zu trennen (vgl. Abbildung 4). Da Strom nicht durch die Isolationsbarriere fließen kann, kann die Verstärkermassereferenz das gleiche Potential haben wie die Signalquellenmasse. Daher können Sie nicht versehentlich eine Masseschleife erstellen.

Abbildung 4: Allgemein- und Normalmodus-Spannung mit Isolierung

Die Isolierung verhindert außerdem, dass große Gleichtaktspannungen die Datenerfassungsgeräte beschädigen. Gleichtaktspannung ist die Spannung, die sowohl am positiven als auch am negativen Eingang eines Messverstärkers anliegt. An den Pins + und – des Datenerfassungsgeräts in Abbildung 4 liegt beispielsweise die Gleichtaktspannung von +14 V an. Viele Datenerfassungsgeräte haben einen maximalen Eingangsbereich von ±10 V. Wenn das Datenerfassungsgerät nicht isoliert ist und die Gleichtaktspannung außerhalb des maximalen Eingangsbereichs liegt, kann das Gerät beschädigt werden. Obwohl die Normalmodusspannung in Abbildung 4 nur +2 V bei einem Offset von +14 V DC beträgt, ergibt sich eine Arbeitsspannung von +16 V (Normalmodusspannung ist die Spannungsdifferenz zwischen den Pins + und –; Arbeitsspannung ist Normal- und Gleichtaktspannung addiert). Dies wäre ein gefährlicher Spannungspegel für ein Datenerfassungsgerät mit einer kleineren Arbeitsspannung.

Bei der Isolierung wird die Verstärker-Masse elektrisch von der Masse getrennt. Wie in Abbildung 4 kann der Massebezug des Verstärkers pegelverschoben werden, damit er +14 V entspricht. Wenn der Massebezug des Verstärkers auf +14 V erhöht wird, werden +16 V auf +2 V am Datenerfassungsverstärker effektiv verschoben. Jetzt besteht keine Gefahr mehr, dass das DAQ-Gerät durch Überspannung beschädigt wird. (Beachten Sie, dass Isolatoren eine maximale Gleichtaktspannung aufweisen können, die sie abweisen können.)

Nachdem das Strommess-DAQ-Gerät isoliert und geschützt ist, ist die Anpassung der Stromversorgung der letzte Schritt bei der Vervollständigung eines einfachen Stromschleifensystems.

Auswählen einer Netzversorgung

Welche Netzversorgung Ihren Anforderungen am besten entspricht, ist einfach zu ermitteln. In einer Stromschleife muss die Netzversorgung eine Spannung ausgeben, die gleich oder größer als alle Spannungsabgänge im System zusammengenommen ist. 

Das DAQ-Gerät für dieses Beispiel verwendet einen Präzisions-Shunt-Widerstand zur Strommessung. Sie müssen den Spannungsabfall über den Widerstand berechnen. Ein typischer Shunt-Widerstand weist 249 Ω Impedanz auf. Die Implementierung grundlegender Berechnungen mit der Stromschleife von 4 bis 20 mA zeigt:

Mit diesem 249-Ω-Shunt-Widerstand können Sie Strom auf einen Bereich von 1 bis 5 V abbilden, so dass der Spannungsmesswert des Datenerfassungsverstärkers mit dem Signal des Drucksensors verknüpft wird.

Der Druckwandler von oben erfordert eine minimale Betriebsspannung von 12 V und ein Maximum von 30 V. Wenn Sie den Spannungsabfall des Präzisions-Shunt-Widerstands an den Sensor anhängen, ergeben sich folgende Ergebnisse:

Das deutet darauf hin, dass ein 17-V-Netzteil ausreicht. Der interne Widerstand der Stromschleifenverbindung verursacht jedoch eine zusätzliche Belastung der Netzversorgung.

Bei Anwendungen, in denen sich ein Sensor weit von den Messgeräten entfernt befindet, muss der Widerstand der Verbindung in die Schleifenleistungberechnung einbezogen werden. Kupferdrähte haben einen Gleichspannungswiderstand, der direkt proportional zu ihrer Länge und ihrem Durchmesser (Durchmesser) ist. Mit dem Druckwandler aus dem Beispiel-System müssen Sie den Abstand von 610 m (2000 ft) in den Leistungsbedarf berechnen. Bei einem 24-Gauge-Kupferdraht beträgt der interne Widerstand 2,62 Ω/100 ft [1]. Diese Widerstandsberechnung lautet:

In einer Entfernung von 610 m (2.000 ft) gibt es einen Spannungsabfall von 1,05 V entlang des Kabels. Zum Vervollständigen der Schleife benötigen Sie zwei Verbindungen, die die Länge auf 1.210 m (4.000 ft) verdoppeln:

Insgesamt gehen ca. 2,1 V durch die Verkabelung verloren, wenn sich der Drucksensor 610 m (2000 ft) vom DAQ-Gerät entfernt befindet. Wenn Sie alle Spannungsabfälle kombinieren, ergeben sich folgende Ergebnisse:

Wenn Sie in der vorherigen Konfiguration ein 17-V-Netzteil verwendet hätten, würde die Spannung des Druckaufnehmers aufgrund des natürlichen Drahtwiderstands und der Anforderungen an den Shunt-Widerstand unter dem minimalen Betriebspegel für einen Sensor liegen. Die Auswahl eines gängigen 24-V-Netzteils erfüllt den Leistungsbedarf des Druckwandlersystems.  Falls gewünscht, ist genug Spannung vorhanden, um den Druckwandler in größerer Entfernung zu platzieren.

Wenn der Sensor, das DAQ-Gerät, die Kabellängen und die Netzversorgung ordnungsgemäß aufeinander abgestimmt sind, ist das einfache Druckwandlerschleifensystem vollständig. Bei größeren Anwendungen können Sie zusätzliche Messungen in das System integrieren.

Hinzufügen weiterer Sensoren und Messgeräte

Bei größeren Anwendungen können Sie weitere Sensoren und Messgeräte parallel an die Netzversorgung anschließen, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Hinzufügen weiterer Sensoren

Da Sie die zusätzlichen Stromschleifen parallel hinzufügen, muss die Spannung des Netzteils nicht geändert werden; Sie müssen nur sicherstellen, dass es den erforderlichen Strom liefern kann. Sie können verschiedene Sensortypen miteinander kombinieren, solange die Betriebsspannung von Sensor und Netzversorgung übereinstimmt. Solange die maximale Betriebsspannung des neuen Sensors nicht niedriger ist als die 24 V der Netzversorgung, können Sie den neuen Sensor parallel hinzufügen.

Es kann vorkommen, dass Sie mehrere Strommess-DAQ-Geräte benötigen, um das gleiche Signal zu messen. Um ein weiteres DAQ-Gerät an denselben Sensor anzuschließen, müssen Sie das neue Gerät in Reihe mit der betreffenden Schleife schalten. In diesem Beispiel fügen Sie ein einfaches digitales Stromschleifen-Messgerät zum vorhandenen DAQ-Gerät hinzu, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Hinzufügen eines zusätzlichen Geräts zu einem Sensor

Jedes Mal, wenn Sie ein strommessendes DAQ-Gerät in Reihe mit dem Sensor hinzufügen, müssen Sie den Gesamtspannungsbedarf neu berechnen, um sicherzustellen, dass der Leistungsbedarf der Schleife noch innerhalb der Spezifikation liegt. In diesem Beispiel verwendet das neue Strommessgerät einen Präzisionswiderstand von 105 Ω:

Bei einem Shunt-Widerstand von 105 Ω benötigt der Stromzähler maximal 2,1 V, so dass sich der gesamte Spannungsbedarf des Systems wie folgt ergibt:

Da die Gesamtspannung durch das Hinzufügen des Messgeräts nur etwa 21,2 V beträgt, ist die zuvor empfohlene 24-V-Netzversorgung immer noch ausreichend für diese Anwendung.

Mit geringfügigen Berechnungen und zusätzlicher Hardware können Sie die Anwendungsbasis eines Stromschleifensystems schnell erweitern. Außerdem können Sie mit neueren Standards und Sensortypen die Messmöglichkeiten bestehender Stromschleifen-Infrastrukturen erweitern.

Die Entwicklungen im Bereich der digitalen Signalübertragung haben den Anwendungsbereich der Stromschleife erweitert und einem bereits robusten und kostengünstigen System mehr Funktionalität verliehen.

Der von Rosemount Inc. entwickelte Highway Addressable Remote Transducer (HART) ist ein digitales Signalisierungsprotokoll, das gleichzeitig mit bestehenden Stromschleifensystemen betrieben werden kann. Mit digitaler Signalisierung ermöglichen HART-fähige Messumformer die Beantwortung eigener Befehle, um bestimmte Aktionen durchzuführen oder mit einem Status zu antworten, der über die 4- bis 20 mA-Stromsignalisierung hinausgeht. Mit dieser Technologie können industrielle Automatisierungs- und Steuerungsanwendungen aktiv überwachen und auf Situationen reagieren, indem sie zwischen intelligenten Feldinstrumenten und Hostsystemen kommunizieren.

Mehr über HART erfahren.

Für spezielle Anwendungen, wie z. B. magnetische Durchflussmesser, sind auch 3-Draht- (Typ 3) und 4-Draht-Sensoren (Typ 4) erhältlich.

Bei den Sensoren des Typs 3 handelt es sich um zwei Sensoren in einem Gehäuse. Diese Sensoren werden auf die gleiche Weise konstruiert und installiert wie die in diesem Whitepaper beschriebenen 2-Draht-Sensoren.

Sensoren des Typs 4 bieten separate Anschlüsse für Leistungs- und Strommessungen. Da 4-Draht-Sensoren die Stromversorgung vom Messsystem entkoppeln, entfällt die Notwendigkeit einer Isolierung am Mess-DAQ-Gerät. Ein Nachteil von 4-Draht-Sensoren ist jedoch, dass für die Stromquelle ein separates Kabelpaar benötigt wird, das über die gesamte Kabeldistanz verlegt werden muss. Dies führt dazu, dass bei vielen Anwendungen die Stromquelle in der Nähe der Sensoren platziert wird.

Erfahren Sie mehr über Sensoren vom Typ 3 und Typ 4. 

Stromschleifen sind ideal für industrielle Umgebungen, in denen große Kabellängen erforderlich sind oder große Mengen an elektromagnetischen Interferenzen zwischen dem Sensor und dem DAQ-Gerät bestehen. Ob für die Automatisierung einer Fabrikhalle oder für Messungen vor Ort, Sie finden eine Vielzahl von isolierten Strommessgeräten von NI auf verschiedenen Plattformen, die Ihre Anwendungsanforderungen erfüllen. Die Isolierungseigenschaften sind in der Regel im NI-Online-Katalog aufgeführt, Einzelheiten sind jedoch in den Gerätespezifikationen zu finden. Empfohlene Optionen sind in den Produkten Stromeingangsmodul der C-Serie, PXI-Multifunktions-E/A-Modul und Multifunktions-I/O-Gerät enthalten, oder Sie können andere Strommessoptionen erkunden.

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