Drucksensoren sind in vielen Branchen unverzichtbar geworden, um den Druck von Flüssigkeiten und Gasen zu überwachen. Man findet sie in medizinischen Geräten, Produktionsanlagen und Wasseraufbereitungsanlagen. Wenn man sich jedoch die technischen Daten eines Drucksensors ansieht, stößt man häufig auf den Begriff “4–20-mA-Ausgang”. Als Anfänger kommt Ihnen dieser Begriff vielleicht etwas technisch vor, und Sie fragen sich vielleicht: Was bedeutet ein 4–20-mA-Ausgang bei Drucksensoren? Tatsächlich handelt es sich dabei um ein elektrisches Standardsignal, das von einem Drucksensor verwendet wird. Doch das ist noch nicht alles. In diesem Leitfaden werde ich erläutern, was ein 4–20-mA-Ausgang bedeutet, wie diese Sensoren funktionieren und welche Vorteile sie bieten. Also legen wir los.
Was bedeutet ein 4–20-mA-Ausgang bei Drucksensoren?
Ein 4–20-mA-Ausgang ist ein elektrisches Standardsignal, über das ein Drucksensor Druckmesswerte an andere Geräte übermittelt. Dabei steht 4 mA für den niedrigsten Druckwert. Gleichzeitig steht 20 mA für den höchsten Druckwert innerhalb des Messbereichs des Sensors.
Denken Sie daran, dass Druck und Strom eng miteinander zusammenhängen. Wenn sich der Druck ändert, steigt oder sinkt auch der Strom entsprechend. Dieser Stromausgangsbereich von 4–20 mA ermöglicht es dem Sensor also, genaue Druckmesswerte zu übermitteln. Wie funktioniert das? Nehmen wir an, es gibt einen Drucksensor, der Drücke von 0 bis 100 PSI misst. Bei einem Druck von 0 PSI sendet der Sensor einen Strom von 4 mA.
Wenn der Druck nun 100 PSI erreicht, gibt der Sensor 20 mA aus. Liegt der Druck im mittleren Bereich, beispielsweise bei 50 PSI, liegt der Strom ebenfalls zwischen 4 mA und 20 mA. Hier sieht man, dass sich der Wert 4 mA auf den niedrigsten Druck innerhalb eines Sensors bezieht, unabhängig vom Messbereich. Der Bereich von 20 mA entspricht hingegen dem höchsten Druck. Auf diese Weise spiegelt das Stromsignal direkt den gemessenen Druck wider.
Gerade diese Einfachheit macht diese Ausgabemethode so äußerst zuverlässig. Selbst in industriellen Anlagen, in denen Sensoren weit entfernt von den Steuerungssystemen angebracht sind, bleibt die Zuverlässigkeit gewährleistet. Das liegt daran, dass ein 4–20-mA-Signal große Entfernungen mit nur sehr geringem Genauigkeitsverlust zurücklegen kann. Das bedeutet, dass ein Regler präzise Signale empfängt, um zu reagieren, falls der Druck den Grenzwert überschreitet.
Wie funktionieren 4–20-mA-Drucksensoren?
Die Funktionsweise des 4–20-mA-Drucksensors ist sehr einfach. Zunächst misst ein 4–20-mA-Drucksensor den Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases. Im Inneren dieser Drucksensoren befindet sich ein Messelement, das auf jede Druckänderung reagiert. Wenn es eine Druckänderung feststellt, wandelt der Sensor den Druckwert in ein elektrisches Stromsignal um.
Aber eines ist zu beachten: Dieser Drucksensor übermittelt keinen Druckwert direkt. Stattdessen sendet er einen Strom im Bereich von 4 mA bis 20 mA an ein anderes Gerät, beispielsweise einen Regler. Der Regler erhält nun den genauesten Druckwert in Form eines Stromausgangs. Der Grund dafür ist, dass Stromsignale auf ihrem Weg viel seltener durch elektrische Störungen unterbrochen werden. Da Genauigkeit von größter Bedeutung ist, wird sie durch diese Stromsignale gewährleistet.
Diese Messwerte sind jedoch nicht aussagekräftig. Deshalb wandeln Regler diese Stromwerte wieder in lesbare Druckwerte um. Bei diesen Sensoren werden die Druckwerte in einen elektrischen Ausgangsbereich von 4–20 mA umgewandelt. Wenn der Sensor keine Druckänderung der Flüssigkeit oder des Gases im System feststellt, sendet er ein 4-mA-Signal. Erkennt er jedoch eine maximale Druckänderung innerhalb seines Messbereichs, wird ein 20-mA-Signal ausgegeben.
Warum eignet sich der 4–20-mA-Strom ideal für industrielle Umgebungen?
4–20-mA-Drucksensoren haben sich in fast allen Branchen als beliebte Wahl etabliert. Mehrere Gründe rechtfertigen ihre Bedeutung in diesen Bereichen. Zunächst einmal übertragen diese Drucksensoren die Druckdaten sehr genau. Tatsächlich werden die Drucksensoren in großen Industrieanlagen oft weit entfernt vom Regler installiert. Daher ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass das Drucksignal an Genauigkeit verliert, bevor es den Regler erreicht.
Allerdings eignen sich 4–20-mA-Drucksensoren besonders gut dafür, Druckdaten über große Entfernungen zu übertragen, ohne dass dabei an Genauigkeit verloren geht. Zweitens sind diese Drucksensoren sehr unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen. In industriellen Anlagen gibt es große Motoren, Generatoren und andere elektrische Geräte. All diese Geräte erzeugen elektrisches Rauschen. Herkömmliche industrielle Drucksensoren sind häufig von diesen elektrischen Störungen betroffen.
Ein 4–20-mA-Drucksensor ist jedoch wesentlich unempfindlicher gegenüber elektrischen Störungen, sodass die Druckdaten zuverlässiger übertragen werden. Schließlich erleichtert das 4–20-mA-System auch die schnelle Erkennung von Verkabelungs- oder Sensorproblemen. Bei diesen Sensoren beginnt das Signal typischerweise bei 4 mA, wenn das System ordnungsgemäß funktioniert. Fällt der Strom plötzlich auf 0 mA ab, ist dies ein Anzeichen für einen Leitungsbruch, einen Stromausfall oder einen Sensorausfall. So können Bediener das Problem schnell erkennen und beheben, um Ausfallzeiten zu vermeiden.
Arten von 4–20-mA-Drucksensoren
Nun kennen Sie die Grundlagen und die Funktionsweise der 4–20-mA-Drucksensoren. Richtig? Nun sollten Sie wissen, dass diese Drucksensoren nicht immer gleich sind. Vielmehr gibt es sie in verschiedenen Größen und Ausführungen, um unterschiedlichen industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Lassen Sie uns also einen genaueren Blick darauf werfen und einige der gängigsten Typen von 4–20-mA-Drucksensoren besprechen.
-
- Manometer
- Absolutdrucksensoren
- Differentialdruck-Sensoren
- Gekapselte Manometersensoren
- Vakuum- und Drucksensoren
- Verbunddrucksensoren
Häufig gestellte Fragen
Warum beginnt das Signal bei 4 mA und nicht bei 0 mA?
Das 4–20-mA-Signal beginnt bei 4 mA statt bei 0 mA, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems zu verbessern. Der 4-mA-Punkt wird als “Live-Zero” bezeichnet. Das bedeutet, dass das System auch beim niedrigsten Messwert normal funktioniert. Wenn das Signal also 4 mA anzeigt, bedeutet dies, dass alles in Ordnung ist und der Sensor aktiv ist.
Sind 4–20 mA besser als Spannungssignale?
In den meisten industriellen Anwendungsfällen ist 4–20 mA tatsächlich besser als Spannungssignale. Der Hauptgrund dafür ist, dass ein Stromsignal wie 4–20 mA auch über große Entfernungen hinweg stabil bleibt. Außerdem ist dieser Signalausgang störungsunempfindlich, wodurch sichergestellt wird, dass der Druckwert stabil bleibt.
Was passiert, wenn das Signal unter 4 mA fällt?
Bei einem normalen Arbeitsdrucksensor sollte das Signal stets zwischen 4 mA und 20 mA liegen. Wenn der Strom unter 4 mA fällt oder 0 mA erreicht, deutet dies in der Regel auf ein Problem im System hin.
Schlussfolgerung
Drucksensoren sind in vielen Branchen die zuverlässigsten Geräte zur Messung und Regelung des Drucks von Flüssigkeiten und Gasen. Es gibt sie jedoch mit unterschiedlichen Ausgangssignaltypen. Unter diesen genießen die 4–20-mA-Drucksensoren aufgrund ihrer Genauigkeit großes Vertrauen. Diese Drucksensoren senden das Signal in elektrischer Form in einem Bereich von 4–20 mA. Der Wert von 4 mA entspricht dem niedrigsten Druck, der Wert von 20 mA dem höchsten Druck, den die Sensoren erfassen können. Diese Signalarten werden nicht durch elektrische Störungen beeinträchtigt und liefern exakte Messwerte.