Die Wissenschaft der 4 bis 20 mA Stromschleifen - Anwendungshinweis


Aktuelle Schleifenhistorie

Viele von uns erinnern sich noch an die Zeit der pneumatischen Steuerung; einige von uns verwenden immer noch pneumatische Steuerungssysteme. Verhältnisregler, PID-Regler, Temperatursensoren und Stellglieder werden mit Druckluft betrieben. Drei bis fünfzehn Pfund pro Quadratzoll sind der Standard für die Modulation, 3 psi für lebendigen Nullpunkt und 15 psi für 100 %. Jeder Druck unter 3 psi war ein toter Nullpunkt und ein Alarmzustand.

In den 1950er Jahren hielten elektrische und elektronische Steuerungen Einzug. Die Signalisierung von vier bis zwanzig mA emulierte das pneumatische Signal von 3 bis 15 psi. Drähte sind einfacher zu installieren und zu warten als pneumatische Druckleitungen, der Energiebedarf ist viel geringer, man braucht keinen zwanzig- bis fünfzig-PS-Kompressor mehr und die Elektronik ermöglicht kompliziertere Steuerungsalgorithmen.

 Grundlagen der Stromschleife

Die 4 bis 20 mA Stromschleife ist ein sehr robuster Sensor-Signalisierungsstandard. Stromschleifen sind ideal für die Datenübertragung. Der gesamte Signalisierungsstrom fließt durch alle Komponenten; der gleiche Strom fließt auch dann, wenn die Drahtabschlüsse nicht perfekt sind. Alle Komponenten in der Schleife haben einen Spannungsabfall aufgrund des Signalstroms, der durch sie fließt.

Der Signalisierungsstrom wird nicht beeinträchtigt, solange die Versorgungsspannung größer ist als die Summe der Spannungsabfälle um die Schleife herum beim maximalen Signalisierungsstrom von 20 mA.

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der einfachsten 4 bis 20 mA Stromschleife. Es gibt vier Komponenten,
1. Eine DC-Stromversorgung;
2. Ein 2-Draht-Transmitter;
3. Einem Empfängerwiderstand, der das Stromsignal in eine Spannung umwandelt; und
4. Der Draht, der das Ganze miteinander verbindet. Es gibt zwei R-Drähte, da Sie einen Draht zu den Sensoren und einen anderen zurück haben.

Wissenschaft von 4 bis 20 Schleifen Abb. 1

Der von der Stromversorgung gelieferte Strom fließt durch das Kabel zum Sender. Der Messwertgeber regelt den Stromfluss. Der Messwertgeber lässt nur einen zur gemessenen Größe proportionalen Strom fließen, den so genannten Schleifenstrom. Der Strom fließt über das Kabel zurück zum Steuergerät.

Der Schleifenstrom fließt durch Rreceiver zur Erde und kehrt zur Stromversorgung zurück. Der durch Rreceiver fließende Strom erzeugt eine Spannung, die sich leicht mit einem Analogeingang messen lässt. Bei einem 250-Ω-Widerstand beträgt die Spannung 1 VDC bei 4 mA und 5 VDC bei 20 mA.

Komponenten der Stromschleife

Stromversorgung
Stromversorgungen für 2-Draht-Messumformer müssen immer mit Gleichstrom erfolgen. Da ein sich ändernder Stromfluss die zu messende Größe darstellt, kann kein Wechselstrom verwendet werden. Bei Verwendung von Wechselstrom würde sich der Strom ständig ändern, und das Signal, das die gemessene Größe repräsentiert, könnte nicht von dem durch den Wechselstrom verursachten Signal unterschieden werden. Übliche Versorgungsspannungen sind 36 VDC, 24 VDC, 15 VDC und 12 VDC. Stromversorgungen für 3-Draht-Messumformer können entweder mit Wechsel- oder Gleichspannung erfolgen. Die häufigste Wechselspannungsversorgung ist der 24-VAC-Steuertransformator. Die korrekten Spannungen sind in der Installationsanleitung des Messumformers zu finden.

Sender
Der Messwertgeber ist das Herzstück des 4 bis 20 mA-Signalsystems. Er wandelt eine physikalische Eigenschaft wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck in ein elektrisches Signal um. Das Signal ist ein Strom, der proportional zu der gemessenen physikalischen Eigenschaft ist. 4 mA steht für das untere Ende des Messbereichs und 20 mA für das obere Ende. Der Transmitter verbraucht je nach Modell 7 bis 15 VDC Schleifenspannung, um sich selbst zu versorgen. BAPI spezifiziert die Spannung für unsere Strommessumformer als einen Bereich von 15 bis 24 VDC für einen BA/H200 oder 7 bis 40 VDC für einen BA/T1K. Die niedrigere Spannung ist die Mindestspannung, die erforderlich ist, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Senders zu gewährleisten. Die höhere Spannung ist die maximale Spannung, der der Messumformer standhalten kann und die seinen angegebenen Spezifikationen entspricht.

Empfänger-Widerstand
Es ist viel einfacher, Spannung als Strom zu messen. Wenn man den Schleifenstrom durch einen Widerstand leitet, wird der Strom in eine Spannung umgewandelt. In Abbildung 1 ist Rreceiver ein Präzisionswiderstand, der genau definierte Eigenschaften hat, von denen die wichtigste der Widerstand ist. Der am häufigsten verwendete Widerstand ist 250Ω. Je nach Anwendung können Widerstände von 100Ω bis 750Ω verwendet werden.

Draht
Das Senden von Strom durch Kabel erzeugt Spannungsabfälle, die proportional zur Kabellänge sind. Jeder Draht hat einen Widerstand, der normalerweise in Ohm pro 1.000 Fuß ausgedrückt wird. Der Spannungsabfall kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden. Im Jahr 1825 entdeckte Georg Simon Ohm, dass der Strom durch elektrisch leitende Materialien direkt proportional zu der an das Material angelegten Potenzialdifferenz ist. Als Ohm 1827 seine Entdeckungen veröffentlichte, sagten die damaligen Experten, dass Ohm's Entdeckungen ein "Netz von nackten Fantasien" seien.

Heute kennen wir die Ohmsche Arbeit als Ohmsches Gesetz, die Formel lautet: Strom mal Widerstand ist Spannung. Die Formel kann geschrieben werden als:

E = I * R

Dabei ist E die Spannung über dem Widerstand in Volt, I der durch den Leiter fließende Strom in Ampere und R der Widerstand des Leiters in Ohm. (Der griechische Großbuchstabe Ω steht üblicherweise für Ohm.) Im Gegensatz zu den Zeiten von Ohm haben wir heute Standarddrahtstärken mit genau definierten Widerständen. In Tabelle 1 sind die Drahtwiderstände für gängige Drahtstärken aufgeführt.

Wissenschaft von 4 bis 20 Schleifen Tabelle

Unempfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen

Der größte Vorteil ist die Unempfindlichkeit einer Stromschleife gegenüber elektrischem Rauschen. Jeder Stromübertrager hat einen gewissen Ausgangswiderstand, der mit ihm verbunden ist. Im Idealfall sollte der Ausgangswiderstand des Stromübertragers nach der elementaren Theorie der Elektronik unendlich sein. Da die Sender in der realen Welt aus Elektronikbauteilen und nicht aus Lehrbüchern hergestellt werden, haben sie sehr große, aber nicht unendliche Ausgangswiderstände. Der BA/T1K hat zum Beispiel einen Ausgangswiderstand von 3.640.000 Ohm oder 3,64 MegΩ. Der Ausgangswiderstand kann als Widerstand modelliert werden.

Abbildung 2 unten zeigt schematisch die Widerstände der Komponenten mit einer Rauschquelle in der Schleife. Der Ausgang, den Ihr Steuergerät sieht, ist die Spannung an Rreceiver. Wenn die Rauschquelle eine Amplitude von 20 Volt hat, dann ist der Fehler an Rreceiver gleich;

Verror = 20*(250/(10+3.640.000+250) = 0,0014 Volt

Die Spannung an Rreceiver bei 20 mA beträgt fünf Volt. 0,0014 Volt sind 0,028 % von fünf Volt, ein unbedeutender Fehler.

Die hohe Ausgangsimpedanz des BA/T1K verhindert Fehler aufgrund von Schwankungen in der Stromversorgung. Wenn die Stromversorgung in Abbildung 1 so variiert wird, dass die am Sender abfallende Spannung von 7 auf 24 VDC schwankt, ändert sich der Ausgangsstrom nur um 0,000005 Ampere oder 5 Mikroampere. 5 Mikroampere sind 0,031 % des gesamten Signalhubs. Da große Ausgangswiderstände von Natur aus mehr Rauschen und Schwankungen in der Stromversorgung abweisen, können Sie sicher sein, dass Sie bei der Messung eines Parameters mit einem BAPI-Messumformer immer den richtigen Messwert erhalten.

Wissenschaft von 4 bis 20 Schleifen Abb2

 

Wenn Sie weitere Informationen über 4- bis 20-mA-Stromschleifen benötigen, wenden Sie sich an Ihren BAPI-Vertreter oder lesen Sie die Anwendungshinweise "4 bis 20-mA-Stromschleifenkonfigurationen" und "Entwurf von 4- bis 20-mA-Stromschleifen".

 


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