In industriellen Mess- und Regelsystemen wandeln Strommessumformer und Spannungsmessumformer analoge Signale in standardisierte elektrische Signale um. Diese werden über große Entfernungen an Leitwarten übertragen, wo sie überwacht, aufgezeichnet und zur Regelung genutzt werden. Einheitliche Standardsignale sind entscheidend für die Zusammenarbeit verschiedener Geräte und die Stabilität des Systems. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) hat 4-20 mA Gleichstrom und 1-5 V Gleichspannung (durch Umwandlung mittels Widerstand) als Standards für analoge Signale in Prozessleitsystemen festgelegt.
Bei der Übertragung über große Entfernungen bieten Stromsignale erhebliche Vorteile gegenüber Spannungssignalen. In industriellen Umgebungen treten häufig starke elektromagnetische Störungen auf, die Spannungssignale leicht verfälschen. Zudem verursacht der Leitungswiderstand bei längeren Übertragungsstrecken Spannungsabfälle. Dadurch werden Spannungssignale abgeschwächt und Messfehler entstehen.
Die Vorteile von Stromsignalen zeigen sich vor allem in folgenden Punkten:
• Hohe Störfestigkeit: Störspannungen in industriellen Umgebungen können mehrere Volt erreichen. Ihre Störleistung ist jedoch gering, sodass sie typischerweise Störströme unterhalb des nA-Bereichs erzeugen. Stromsignale werden vom Leitungswiderstand weniger beeinflusst, sind weniger anfällig für Abschwächung und ermöglichen eine zuverlässige Datenübertragung auch bei starken elektrischen Störungen.
• Große Übertragungsentfernung: Stromquellen haben einen unendlich hohen Innenwiderstand. Daher beeinträchtigt der in Reihe liegende Leitungswiderstand im Stromkreis die Genauigkeit nicht. Solange der Übertragungsstromkreis unverzweigt bleibt, ist der Strom unabhängig von der Leitungslänge überall gleich. So ist eine präzise Übertragung über Hunderte von Metern oder mehr mit herkömmlichen verdrillten Leitungen möglich.
• Weniger Verkabelung: Bei der Übertragung eines Zweileiter-4-20-mA-Signals dienen dieselben Leitungen sowohl der Stromversorgung als auch der Signalübertragung. Das verringert den Kabelbedarf und damit Kosten und Aufwand für die Verdrahtung.
Das 4-20-mA-Gleichstromsignal ist das am weitesten verbreitete analoge Standardsignal in industriellen Anwendungen. Die Wahl dieses Signalbereichs beruht auf verschiedenen technischen und sicherheitsbezogenen Überlegungen.
Dass das 4-20-mA-Signal bei 4 mA statt bei 0 mA beginnt, ist eines seiner wichtigsten Merkmale. Dies wird als „lebender Nullpunkt“ bezeichnet.
• Fehlerdiagnose: Zeigt das Signal 0 mA an, weist dies eindeutig auf eine Leitungsunterbrechung (einen offenen Stromkreis) oder einen Geräteausfall hin und nicht auf einen Messwert von null. So lassen sich Fehler einfach erkennen, ohne einen Nullwert mit einer unterbrochenen Leitung zu verwechseln.
• Stromversorgung des Sensors: Bei Zweileiter-Messumformern liefern die 4 mA den Mindeststrom, den die Sensoren für ihren Betrieb benötigen. Zusätzliche Versorgungsleitungen sind dadurch nicht erforderlich, was die Verdrahtung vereinfacht.
Die Wahl von 20 mA als Signalwert bei Vollausschlag beruht ebenfalls auf Sicherheits- und Praxiserwägungen.
• Sicherheit: Die bei einem Stromfluss von 20 mA entstehende Funkenenergie reicht nicht aus, um Gas zu entzünden. Damit werden die Anforderungen an die Eigensicherheit beim Explosionsschutz erfüllt – ein entscheidender Aspekt in industriellen Umgebungen mit Brand- und Explosionsgefahr.
• Stromverbrauch und Kosten: 20 mA sind ein vergleichsweise niedriger Stromwert, der bei ausreichender Signalqualität und Ansprechgeschwindigkeit dazu beiträgt, den Stromverbrauch und die Gerätekosten zu senken.
Zusammenfassend hat sich das 4-20-mA-Gleichstromsignal aufgrund seiner hohen Störfestigkeit, seiner Eignung für große Übertragungsentfernungen, der Fehlererkennung durch den „lebenden Nullpunkt“ und seiner Eigensicherheit als der am weitesten verbreitete Standard in der industriellen Automatisierung und Prozessregelung etabliert. Es überträgt Messdaten zuverlässig, senkt zugleich die Verdrahtungskosten und erhöht die Zuverlässigkeit des Systems.
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