Strommessung

Sensor-Messwerte über eine sog Uenannte „Stromschleife“ zu übertragen, hat wesentliche Vorteile gegenüber einer Spannungsmessung. Um das zu verstehen, zeigen wir Dir erst einmal die Nachteile von Sensoren mit Spannungsausgang. Hier ein Beispiel:

Idealerweise würden bei einer Spannungsmessung keine Ströme fließen. In der Realität haben aber alle Spannungsmessgeräte, also auch Analogeingänge von Steuerungen, einen endlichen Eingangswiderstand. In unserem Beispiel ist dieser Eingangswiderstand R = 10 kΩ (was kein besonders guter Wert für ein Messgerät ist… unsere AIO Spannungseingänge haben 900 kΩ). Wenn Du nun eine zu messende Spannung U an diesen Eingang anlegst, dann fließt ein Strom I = U / R. Dieser Strom ist also kleiner je größer der Eingangswiderstand ist. Und dieser Strom ist ein Problem, denn er verfälscht das Messergebnis. Neben dem Eingangswiderstand gibt es nämlich auch noch die Widerstände der Leitungen und den Innenwiderstand der Spannungsquelle (des Sensors). Diese Widerstände sollten idealerweise eigentlich 0 Ω sein. In der Realität sind es aber Widerstände mit relativ kleinen Werten. In unserem Beispiel haben wir mal je 15 Ω für die langen Leitungen vom Sensor zur Steuerung und 10 Ω Innenwiderstand für den Sensor angenommen. Das sind in der Summe 40 Ω, die alle in Serienschaltung mit dem Eingangswiderstand angeordnet sind.

Der kleine Messstrom fließt daher auch durch all diese „parasitären“ Widerstände und erzeugt dort einen Spannungsabfall von U = R*I. Und dieser Spannungsabfall sorgt für eine zu niedrige Messung der Sensorspannung an der Steuerung. Je kleiner die Leitungs- und Innenwiderstände sind und je kleiner der Messstrom ist, um so kleiner ist dieser Spannungsfall und damit auch der Messfehler. In unserem Beispiel gibt der Sensor eigentlich eine Spannung von 8,52 V aus. Am Analogeingang der Steuerung wird aber eine Spannung von 8,486 V gemessen. Der Messstrom von nur 850 µA erzeugt also einen Spannungsabfall über den parasiären Widerständen von 34 mV. Das sind bereits 0,4% Messfehler.

Die Stromschleife

Bei einer Stromschleife spielen die parasitären Widerstände keine Rolle. Hier mal unser Beispiel mit einem Sensor, der 4 bis 20 mA Stromausgang hat:

Da in einer geschlossenen Schleife kein Strom verloren gehen kann (daher der Begriff „Stromschleife“ für dieses Messverfahren) misst der Analogeingang exakt die 18,5 mA, die der Sensor ausgibt. Die Größe der parasitären Widerstände spielen bei diesem Verfahren für die Messgenauigkeit keinerlei Rolle!

Jetzt weißt Du, warum Du bei langen Zuleitungen oder Messeingängen mit mäßig gutem Eingangswiderstand besser einen Sensor mit Stromausgang nimmst. Du bekommst wesentlich genauere Messungen. Wenn Du Dir das Schaltbild genau ansiehst, wirst Du auch erkennen, dass man prinzipiell mehrere Stromeingänge hintereinander schalten kann ohne die Messgenauigkeit zu beeinflussen. Probier es doch gleich mal mit unseren AIO Stromeingängen aus: Wenn Du 2 davon in Serie hintereinander schaltest solltest Du bei beiden Eingängen exakt den selben Messwert bekommen (auf 24 µA genau, denn genauer kann auch unser AIO nicht messen).

Und was, wenn Du nun 4 AIO Stromeingänge in Serie schalten würdest? Prinzipiell müssten alle 4 Eingänge denselben Wert anzeigen. Aber nun kommen wir zu den Grenzen des Messverfahrens:

Grenzen der Stromschleife

Damit der Sensor die 4 bis 20 mA ausgeben kann benötigt er eine Spannungsquelle. Ohne Spannung kein Strom! Diese Spannungsquelle befindet sich normalerweise irgendwo zwischen Sensor und Steuerung:

In unserem Fall soll diese Stromversorgung der Stromschleife mal 15 V Spannung ausgeben. Aktuell wird diese Spannung in unserem Beispiel an einen Gesamtwiderstand von 290 Ohm angelegt. Wenn der Sensor den Strom nicht auf 4 bis 20 mA regeln würde, dann würde ein Maximalstrom von I = U/R von 51,7 mA fließen können. Das reicht dem Sensor, um auf maximal 20 mA regeln zu können.

Wenn wir unseren zweiten Stromeingang in Serie schalten, bekommen wir schon 540 Ohm „Schleifenwiderstand“ und es kann ein maximaler Strom von nur noch 27,7 mA fließen. Ein guter Sensor kann darauf immer noch maximal 20 mA regeln. Aber bei 3 Eingängen in Serie wäre der Schleifenwiderstand schon 790 Ohm und es könnte maximal nur noch 19 mA in der Stromschleife fließen. Daraus kann auch der beste Sensor keine 20 mA mehr machen. Das funktioniert also so nicht mehr. Generell musst Du also beachten, dass bei einer Stromschleife die Versorgungsspannung maximal hoch gewählt wird (viele Sensoren vertragen aber nicht mehr als 24 V) und der Schleifenwiderstand dann möglichst gering gehalten wird. Bei 24 V können die meisten Sensoren noch gut mit einem Schleifenwiderstand von 1 kOhm arbeiten. Laut Norm muss ein Stromausgang von 4 bis 20 mA aber nur Schleifenwiderstände bis zu 600 Ohm verarbeiten können.

Übrigens haben viele Sensoren sogar ihren eigenen Stromversorgung-Anschluss. Solche Sensoren haben dann mehr als 2 Anschlüsse. Einer ist für GND, ein weiterer für die 24 V Versorgungsspannung und der Dritte ist der Stromausgang.

Dynamische Signale

Bitte lese das Tutorial zur Spannungsmessung, wenn Du Fragen zu der Einstellung „ADC data rate“ in PiCtory hast und mehr über die Erfassung von sich schnell verändernden Sensorwerten wissen möchtest.

Warum ist er kleinste Wert 4 mA und nicht 0 mA?

Der Vorteil von 4 mA als kleinstem Wert ist leicht zu erklären: Wenn Dein Sensor bis 0 mA Strom ausgeben würde, dann wären die Ströme nahe 0 viel zu klein, um mit preisgünstigen Analogeingängen noch exakt messbar zu sein.  Außerdem würden dann Störungen von außen relativ zum Messstrom stärkere Fehler verursachen. Aber der wichtigste Punkt ist die Möglichkeit mit so einem Messbereich auch einen Leitungsbruch zum Sensor hin leicht erkennen zu können. Bei einem Leitungsbruch würden nämlich 0 mA fließen. Wenn aber 4 mA der kleinste Sensorwert ist, dann bedeutet ein deutlich kleinerer Messwert, dass die Leitung defekt ist (Kurzschluss oder Bruch).

Die AIO Analogausgänge für Stromschleifen

Unsere AIO Stromausgänge haben eine interne Spannungsversorgung von 15 V. Sie können nur mit einem Schleifenwiderstand von maximal 600 Ohm betrieben werden. Die vielen Strombereiche, die neben dem Klassiker von 4 bis 20 mA in PiCtory angeboten werden, sind nur für sehr wenige, sehr exotische Aktoren notwendig. Dasselbe gilt für die diversen Eingangsberieche der vier Analogeingänge. Wenn Du wirklich einmal einen Sensor mit 0-24 mA oder gar -24 bis +24 mA findest, dann hast Du mit unserem AIO die Chance, diesen in Deiner Steuerung zu verwenden.

Und was ist mit HART?

Highway Addressable Remote Transducer (HART) ist ein Kommunikationsstandard, mit dem Steuerungen Informationen digital mit 4-20 mA Geräten austauschen können. Dafür wird dem eigentlichen analogen Stromsignal ein hochfrequentes Signal von 1 mA Amplitude und 1,2 kHz (für eine digitale 1) bzw. 2,2 kHz (für eine digitale 0) aufgeprägt. Unser AIO Modul beherrscht diese Kommunikation nicht. Es gibt aber Koppelgeräte, mit denen man so ein Signal in eine Stromschleife einkoppeln kann und die dann eine digitale Schnittstelle (USB, Ethernet, Feldbusse, manchmal sogar wireless) besitzen. Diese Koppler werden einfach in Serie in die Stromschleife eingefügt.