Analoges Stromsignal (Einheitssignal 4-20mA)
Um ein analoges Signal (eine Prozessgröße), z.B. ein Temperatur- oder Druckmesswert, zur weiteren Verarbeitung an eine Steuerung zu übertragen, wird als konventionelle und immer noch sehr verbreitete Übertragungsart ein Stromsignal (4-20mA) verwendet. Es handelt sich dabei um ein Gleichstromsignal (DC).
Ein Stromsignal bietet gegenüber einem Spannungssignal den großen Vorteil, dass der Spannungsfall der Übertragungsleitung nicht den Messwert verfälscht bzw. um diesen Fehler korrigiert werden muss. Auch ist das Stromsignal etwas stabiler gegenüber Störeinfüssen, z.B. Stichwort EMV, als das Spannungssignal.
Das Stromsignal bildet dabei die Messgröße ab. Dazu steht prinzipiell ein Bereich von 16mA zur Verfügung, um einen gegebenen Messbereich darzustellen. Allgemein könnte man formulieren, dass man einen Messbereich von (untere Messbereichsgrenze) bis (obere Messbereichsgrenze) hat, welcher auf das Stromsignal bis abgebildet werden muss. Ein Messwert M, der zwischen oberer und unterer Messbereichsgrenze liegt, erzeugt dann folgenden Strom am Ausgang eines Messumformers:
Das Stromsignal wird von der Signalquelle, also typischer Weise einem Messumformer, eingeprägt. Dabei unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Stromsignal. Beim aktiven Stromsignal ist der Messumformer die Stromquelle. Der Messumformer "treibt" in diesem Fall den Strom. Beim passiven Stromsignal ist der Speisetrenner oder die Steuerung selbst die "treibende" Stromquelle. Durch den Messumformer wird dann nur seine eigene Stromaufnahme geregelt entsprechend dem Messwert.
Der typische Strombereich ist 4mA bis 20mA bei diesem Einheitssignal. Damit sich Sender und Empfänger aber möglichst immer verstehen und eventuelle Strörungen abgefangen werden muss es Toleranzen geben. Wie nachfolgendes Bild zeigt, muss der Sender (z.B. Messumformerausgang) das Messsignal im Bereich von 3,8mA bis 20,5mA übertragen. Beim Empfänger wird das Signal im Bereich von 3,6mA bis 21mA noch als Messsignal interpretiert. Ist das Signal kleiner 3,6mA, so wird dies als eine Ausfallinformation interpretiert. Dies könnte z.B. ein Drahtbruch sein. Ist das Signal größer 21mA, wird dies ebenfalls als Ausfallinformation interpretiert. Es könnte z.B. ein Kurzschluss vorliegen.
Früher wurde als Einheitssignal auch noch oft das 0-20mA-Signal (dead zero) gegenüber dem 4-20mA (live zero)verwendet. Dieses bietet jedoch keine Ausfallinformationen
Genormt ist das 4-20mA Signal in der DIN IEC 60381-1 (Analoge Signale für Regel- und Steueranlagen; Analoge Gleichstromsignale). Ebenfalls befasst sich damit die NAMUR-Richtlinie NE06.
Messumformer, die ein solches Einheitssignal übertragen, kann man noch in 2-Leiter-Technik und 4-Leiter-Technik unterscheiden. Bei der 2-Leiter-Technik werden nur, wie der Name schon sagt, 2 Adern an den Messumformer angeschlossen. Die Energieversorgung des Messumformer erfolgt dabei über die Signalleitungen, welche auf der anderen Seite an ein Speisetrenner oder direkt an eine Steuerung angeschlossen sind. Im letzteren Fall ist die Speisung und galvanische Trennung in den Eingangskarten der Steuerung integriert. 2-Leiter-Messumformer erzeugen ein passives Stromsignal. Messumformer, die in 4-Leiter-Technik ausgeführt sind, können hingegen ein aktives oder passives Stromsignal erzeugen. Bei diesen Geräten werden 4 Adern angeschlossen. Dabei erfolgt eine Hilfsenergieversorgung über ein zusätzliches Adernpaar aus einer separaten Spannungsquelle, meist 24VDC oder 230VAC.
Abschließend sei noch erwähnt, dass moderne Messumformer das Hart-Protokoll unterstützen. Dabei werden dem Stromsignal digitale Informationen überlagert. So lassen auch aus der Ferne, z.B. aus einem Engineering-Raum, Einstellungen am Messumformer vornehmen.
[Datum: 14.06.2016]