Entwurf von 4 bis 20 mA Stromschleifen - Anwendungshinweis


In diesem Dokument wird beschrieben, wie die Spannungsabfälle in einer 4- bis 20-mA-Stromschleife zu handhaben sind und wie die richtige Versorgungsspannung für die Schleife zu bestimmen ist.

4 bis 20 mA Stromschleife Übersicht

Die 4 bis 20 mA-Stromschleife ist ein sehr robuster Sensor-Signalisierungsstandard. Stromschleifen sind ideal für die Datenübertragung, da sie von Natur aus unempfindlich gegenüber elektrischem Rauschen sind. Bei der Entwicklung von 4- bis 20-mA-Stromschleifen geht es lediglich darum, die Spannungsabfälle um die Schleife herum zu verwalten. Die Spannungsabfälle treten in der Leitung, dem Transmitter und dem Lastwiderstand auf.

Entwurf von Stromschleifen - Tabelle 1

Draht
Der Spannungsabfall in einem Draht ist nach dem Ohmschen Gesetz direkt proportional zum Strom, der durch ihn fließt: Strom x Widerstand ist gleich Spannung. Tabelle 1 zeigt den Widerstand eines gewöhnlichen Drahtes.

Sender
Der Sender verbraucht je nach Modell 7 bis 15 VDC Schleifenspannung, um sich selbst zu versorgen.

Lastwiderstand
Schließlich wandelt der Lastwiderstand des Reglers den Schleifenstrom in eine Spannung um, um die Signalverarbeitung zu erleichtern. In der Regel wird ein 250-Ohm-Widerstand verwendet, um den Schleifenstrom in eine Spannung umzuwandeln. Bei 4 mA fällt bei einem 250-Ω-Widerstand 1 Volt ab; bei 12 mA fällt bei einem 250-Ohm-Widerstand 3 Volt ab und bei 20 mA fällt bei einem 250-Ohm-Widerstand 5 Volt ab. Der Lastwiderstand kann intern im Regler oder extern sein.

Während ANSI/ISA-50.1-1982 (R1992) Compatibility of Analog Signal for Electronic Industrial Process Instruments besagt, dass der Lastwiderstand 250Ω betragen soll, können Widerstandswerte von 50 bis 1.000Ω verwendet werden. Um eine Stromschleife richtig auszulegen, müssen Sie den Wert des Widerstands des Reglers kennen.

2-Draht-Sender mit externer Stromversorgung und externem Widerstand

Viele preisgünstige HLK/R-Steuerungen verfügen weder über eine eigene Stromversorgung noch über einen werkseitig konfigurierten Eingang für ein 4- bis 20-mA-Signal. Gleichzeitig sind viele der besten Sensoren in der Branche nur mit einem 4 bis 20 mA-Ausgang erhältlich. Abbildung 2 auf der nächsten Seite zeigt, wie eine 4-20-mA-Stromschleifenschaltung für einen Regler ohne eigene Stromversorgung oder einen Eingang für ein 4-20-mA-Signal erstellt werden kann.

Ein 24-VAC-Transformator versorgt den Regler und das BAPI VC350A-Stromschleifen-Netzteil mit Strom (die primäre Hochspannungsverdrahtung zum Transformator ist nicht dargestellt). Der VC350A sollte so nah wie möglich am Regler montiert werden. Der positive Ausgang des VC350A wird über ein Kabel mit der roten oder positiven Klemme des Transmitters verbunden. Der schwarze oder Signalanschluss des Messwertgebers wird mit dem Analogeingang des Steuergeräts verbunden. Ein Lastwiderstand wird vom Analogeingang an Masse angeschlossen. Wenn der Analogeingang des Steuergeräts für 0-5 VDC konfiguriert ist, sollte der Lastwiderstand 250Ω betragen. Die Signalspannung beträgt dann 1 Volt bei 4 mA und 5 Volt bei 20 mA. Wenn der Analogeingang des Reglers für 0-10 VDC konfiguriert ist, dann sollte der Lastwiderstand 500Ω betragen. Die Signalspannung beträgt dann 2 Volt bei 4 mA und 10 Volt bei 20 mA.

Im obigen Kreislaufschema misst ein BAPI-Sensor die Feuchtigkeit der Außenluft. Der DDC-Regler befindet sich im Keller, während der Feuchtigkeitsfühler auf dem Dach angebracht ist. Die beiden sind durch ein 1.600 Fuß langes, verdrilltes 22-Gauge-Drahtpaar verbunden.
Der Regler verfügt weder über eine periphere Stromversorgung noch über einen dedizierten 4 bis 20 mA-Eingang. Daher sind eine externe Stromversorgung und ein Lastwiderstand erforderlich. Der 4- bis 20-mA-Transmitter ist der oben erwähnte BAPI-Sensor, während die Stromversorgung für die Stromschleife ein auf 24 VDC eingestellter BAPI VC350A-Spannungswandler ist.

Drahtwiderstand

1.600 Fuß verdrilltes Kabel der Stärke 22 sind in Wirklichkeit 3.200 Fuß lang - 1.600 Fuß nach außen und 1.600 Fuß zurück. Die Widerstandstabelle auf der vorherigen Seite zeigt, dass Kupferdraht einen Widerstand von 16,14Ω pro 1.000 Fuß bei 20°C hat. Daher beträgt der Widerstand des 3.200 Fuß langen Drahtes bei 20°C:

3.200 ft x 16,14 Ω/1.000 ft = 51,65Ω.

Das Kabel wird in nicht klimatisierten Geräteschächten verlegt. Die Geräteschächte fallen nie unter 0°C (32°F), können aber im Sommer bis zu 60°C (140°F) heiß werden. Der Temperaturkoeffizient von Kupfer beträgt +0,393 Prozent pro Grad C. Das heißt, wenn die Temperatur um 1°C steigt, erhöht sich der Widerstand um 0,393%. Der Draht im obigen Schaltplan hat einen Gesamtwiderstand von 51,65Ω bei 20°C, daher würde der Anstieg des Widerstands bei 60°C gleich sein:

(60°C-20°C) x 0,00393 pro °C x 51,65Ω = 8,12Ω

Addiert man diese Erhöhung zum ursprünglichen Widerstand, ergibt sich ein Wert:

8,12Ω + 51,65Ω = 59,77Ω

Der Widerstand des 3.200 Fuß langen Drahtes bei 140°F stieg um 16% von 51,65Ω auf 59,77Ω.

Spannungsabfälle in der Schleife

Um eine 4-20-mA-Stromschleife richtig zu entwerfen, müssen die Spannungsabfälle um die Schleife herum bei maximalem Widerstand und maximalem Signalstrom von 20 mA berechnet werden, und dann noch einmal bei minimalem Widerstand und minimalem Signalstrom von 4 mA.

Der maximale Widerstand des Drahtes (60°C) beträgt 59,77Ω. Multiplizieren Sie dies mit dem maximalen Signalstrom von 20 mA und der Spannungsabfall des Drahtes ist gleich:

59,77Ω x 0,02A = 1,195 Volt

Der BAPI-Feuchtigkeitstransmitter hat einen minimalen Spannungsabfall von 15 Volt, während der 250-Ω-Reglerwiderstand 5 Volt bei 20 mA abgibt. Addiert man alle Spannungsabfälle zusammen, ergibt sich:

1,195 + 15 + 5 = 21,195 Volt

Die Spannungsversorgung ist auf 24 Volt eingestellt. Wo sind die zusätzlichen 2,805 Volt geblieben? Sie sind über den Sender abgefallen. Die gesamte Spannung, die nicht über die Drähte oder den Reglerwiderstand abfällt, fällt über den Transmitter selbst ab. Bei einem maximalen Signalstrom von 20 mA beträgt der gesamte Spannungsabfall am Transmitter daher 17,802 Volt (24 Volt - 1,195 Volt - 5 Volt = 17,802 Volt). Die Tatsache, dass der Transmitter ein paar Volt über seinem Mindestwert (15 Volt) abfällt, ist einfach gute technische Praxis. Es schützt die Integrität der Stromschleife, wenn die Anschlüsse oxidieren und altern.

Die Spannungsabfälle müssen auch bei einem Mindestwiderstand und einem Mindestsignalstrom von 4 mA berechnet werden, um sicherzustellen, dass der Messwertgeber nicht mehr Spannung abgeben muss als seine maximale Nennleistung.

Die Geräteschächte, in denen die Kupferdrähte verlegt werden, können bis auf 0 °C abkühlen. Der Temperaturkoeffizient von Kupfer beträgt +0,393 Prozent pro Grad C, daher verringert ein Abfall von 1°C den Widerstand um 0,393%. Der Draht im Schema von Abbildung 2 hat einen Gesamtwiderstand von 51,65Ω bei 20°C, daher würde die Abnahme des Widerstands bei 0°C gleich sein:

(0°C-20°C) x 0,00393 pro °C x 51,65Ω = -4,06Ω

Subtrahiert man diesen Wert vom ursprünglichen Widerstand, erhält man den Wert;

51,65Ω - 4,06Ω = 47,59Ω

Der Mindestwiderstand des Drahtes (0°C) beträgt 47,59Ω. Multiplizieren Sie dies mit dem minimalen Signalstrom von 4 mA und der Spannungsabfall des Drahtes ist gleich:

47,59Ω x 0,004A = 0,19 Volt

Der BAPI-Feuchtigkeitsmessumformer hat einen minimalen Spannungsabfall von 15 Volt, während der 250 Ω-Reglerwiderstand 1 Volt bei 4 mA abgibt. Die Addition aller Spannungsabfälle ergibt:

0,19 + 15 + 1 = 16,19 Volt

Wenn die Stromversorgung auf 24 Volt eingestellt ist, hat der Messwertgeber einen Spannungsabfall von 22,81 Volt (24 Volt - 0,19 Volt - 1 Volt = 22,81 Volt). Der BAPI-Feuchtetransmitter hat einen maximalen Spannungsabfall von 24 Volt. Daher liegt die über den Transmitter abfallende Spannung nahe an seiner maximalen Spezifikation, aber immer noch innerhalb der Toleranz bei minimalem Widerstand und minimalem Signalstrom.

Einige speicherprogrammierbare Steuerungen verfügen über Stromversorgungen von bis zu 36 VDC, die wirklich lange Stromschleifen ermöglichen. Eine 36-VDC-Versorgung im obigen Beispiel würde einen Spannungsabfall über dem Transmitter erzeugen, der über seiner maximalen Nennleistung liegt. Die einzige Möglichkeit, die 36-VDC-Versorgung zu nutzen, besteht darin, einen oder zwei Widerstände in die Schleife einzubauen, um die zusätzliche Spannung aufzufangen. Achten Sie nur darauf, dass Sie es am unteren Ende nicht übertreiben, sonst können Sie den 20-mA-Signalpunkt nicht erreichen. Ein 50-Ω-Widerstand verringert die Spannung um 1 Volt bei 20 mA und 0,2 Volt bei 4 mA.

3-Draht-Sender Stromschleife

Einige der aktuellen Messumformer von BAPI sind Dreileiter- und nicht Zweileiter-Geräte. Ein Dreidraht-Messumformer unterscheidet sich erheblich von einem Zweidraht-Messumformer. Ein Dreidraht-Messumformer verbraucht mehr Strom von der Systemstromversorgung als der 20-mA-Signalstrom, da der Messumformer selbst einen gewissen Strom zum Betrieb benötigt.

Im obigen Schleifenschema misst ein BAPI-Stat-Raumfühler die Temperatur eines Raums. Der BAPI-Stat selbst benötigt zum Betrieb 10 mA Strom. Wenn also der Signalstrom (der weiße Draht) 4 mA beträgt, beträgt der Gesamtstrom von der Stromversorgung 14 mA. Liegt der Signalstrom bei 20 mA, beträgt der Gesamtstrom der Stromversorgung 30 mA.

Die Berechnung der Spannungsabfälle für diese Dreileiter-Transmitterschleife ist anders als bei einer Zweileiterschleife. In der Dreileiterschleife fließt durch die positive (+) Stromversorgungsleitung der gesamte Strom, während durch die 4 bis 20 mA-Signalleitung nur der Signalisierungsstrom fließt. Daher sind zwei einseitige Spannungsabfälle zu berechnen; einer ist der Spannungsabfall der Stromversorgungsleitung und der zweite ist der Spannungsabfall der Signalleitung. Da in jeder Leitung unterschiedliche Ströme fließen, werden die Spannungsabfälle getrennt ermittelt und dann addiert.

Da BAPI-Stats belegte Räume misst, ist es nicht notwendig, den Leitungswiderstand aufgrund großer Temperaturschwankungen zu berechnen. Die Verwendung des Widerstands von 20°C (68°F) ist alles, was notwendig ist. Wenn der BAPI-Stat 250 Fuß vom Regler entfernt ist und ein 22-Gauge-Draht verwendet wird und der Signalstrom bei 20 mA liegt, beträgt der Spannungsabfall von der Stromversorgungsleitung zum BAPI-Stat:

16,14Ω x (250Ft/1000Ft) x 30mA = 0,12 Volt

Der Spannungsabfall an der Signalleitung bei 20 mA beträgt:

16,14Ω x (250Ft/1000Ft) x 20mA = 0,08 Volt

Der 250-Ohm-Empfängerwiderstand gibt bei 20 mA 5 Volt ab, und die Mindestspannung des BAPI-Stat beträgt 15 VDC, so dass die Spannung in der Schleife gleich ist:

0,12 + 0,08 + 5 + 15 = 20,2 VDC

Jede Systemstromversorgung von mehr als 20,2 VDC ermöglicht eine vollständige Signalisierung.

Da die Spannung am Power-Pin eines 3-Draht-Messumformers im Wesentlichen konstant ist und nicht durch den Signalstrompegel beeinflusst wird, müssen Sie die Spannungsabfälle bei einem Signalstrom von 4 mA nicht berechnen. Solange die Spannung der Stromversorgung größer ist als die Spannungsabfälle an der Schleife bei 20 mA Signalstrom und unter der maximalen Nennspannung des Messwertgebers selbst liegt, ist die Versorgungsspannung korrekt ausgelegt.

3-Draht-Transmitter mit zwei unabhängigen 4 bis 20 mA-Signalen

Der BAPI-Stat ist auch in der Lage, zwei unabhängige 4 bis 20 mA-Signale zu liefern. Die Berechnung der Spannungsabfälle und die richtige Dimensionierung der Stromversorgung ist in diesem Fall sehr ähnlich wie im vorherigen Beispiel. Der BAPI-Stat selbst benötigt für seinen Betrieb einen Strom von 10 mA. Wenn also jedes Signal mit 4 mA ausgegeben wird, verbraucht der BAPI-Stat 18 mA von der Systemstromversorgung. Wenn jedes Signal mit 20 mA ausgegeben wird, verbraucht der BAPI-Stat 50 mA aus der Systemstromversorgung.

Im obigen Beispiel fließt durch die positive (+) Leitung der Stromversorgung der gesamte Strom, während durch die 4 bis 20-mA-Signaldrähte nur der Signalisierungsstrom fließt. Wie im vorangegangenen Beispiel sind zwei einseitige Spannungsabfälle zu berechnen; einer ist der Spannungsabfall der Stromversorgungsleitung und der zweite ist der Spannungsabfall der Signalleitung. Da in jeder Leitung unterschiedliche Ströme fließen, werden die Spannungsabfälle getrennt ermittelt und dann addiert.

Wenn der BAPI-Stat 250 Fuß vom Regler entfernt ist und ein 22-Gauge-Kabel verwendet wird und beide Signalströme bei 20 mA liegen, beträgt der Spannungsabfall von der Stromversorgungsleitung zum BAPI-Stat:

16,14Ω x (250Ft/1000Ft) x 50mA = 0,20 Volt

Der Spannungsabfall aufgrund des 20-mA-Signalstroms eines Kanals beträgt:

16,14Ω x (250Ft/1000Ft) x 20mA = 0,08 Volt

Der zweite Signalkanal liegt parallel zum ersten Kanal, so dass er nicht zu den Spannungsabfällen in der Schleife addiert werden muss. Der 250-Ohm-Empfängerwiderstand hat einen Spannungsabfall von 5 Volt bei 20 mA, und die Mindestspannung des BAPI-Stat beträgt 15 VDC, so dass die Spannung um die Schleife herum gleich ist:

0,20 + 0,08 + 5 + 15 = 20,28 VDC

Jede Systemstromversorgung von mehr als 22,28 VDC ermöglicht eine vollständige Signalisierung.

Da die Spannung am Power-Pin eines 3-Draht-Messumformers im Wesentlichen konstant ist und nicht von den Signalstrompegeln beeinflusst wird, müssen Sie die Spannungsabfälle bei einem Signalstrom von 4 mA nicht berechnen. Solange die Spannung der Stromversorgung größer ist als die Spannungsabfälle in der Schleife bei 20 mA Signalstrom und unter der maximalen Nennspannung des Messwertgebers selbst liegt, ist die Versorgungsspannung korrekt ausgelegt.

Wenn Sie weitere Informationen über 4- bis 20-mA-Stromschleifen wünschen, wenden Sie sich an Ihren BAPI-Vertreter oder lesen Sie die BAPI Application Notes: 4 bis 20 mA Current Loop Configurations oder Designing 4 to 20 mA Current Loops auf dieser Website.

Referenz
ANSI/ISA-50.1-1982 (R1992) Kompatibilität von Analogsignalen für elektronische industrielle Prozessinstrumente. (Dieses Dokument ist die Industriespezifikation für die Signalisierung von 4 bis 20 mA Stromschleifen).


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