Industrielle Standardsignale: ±10 V und 0(4)…20 mA

Industrielle Standardsignale wie ±10 V, 0…20 mA und 4…20 mA gehören zu den wichtigsten Elementen der analogen Messtechnik. Sie dienen dazu, physikalische Größen nicht direkt als technische Einheit, sondern als normiertes elektrisches Signal zu übertragen. Dadurch lassen sich Sensoren, Messumformer, I/O-Module und Steuerungen herstellerübergreifend kombinieren und Messwerte zuverlässig weiterverarbeiten.

In der Praxis sind solche analogen Signalbereiche nicht nur für die reine Messwertübertragung relevant. Ebenso wichtig sind die Diagnosefähigkeit des Signals, die Erkennung von Fehlerzuständen und die Umrechnung in die eigentliche Prozessgröße. Moderne Module übernehmen deshalb neben der Signalerfassung auch Funktionen wie Grenzwertüberwachung, Fehlersignalisierung und anwenderspezifische Skalierung.

Was sind analoge Standardsignale in der industriellen Messtechnik?

Typische Beispiele sind:

• 0…10 V für 0…100 %
• ±10 V für bipolare Messgrößen
• 0…20 mA für lineare Prozesssignale
• 4…20 mA für industrielle Messkreise mit Fehlererkennung

Der Vorteil liegt in der Standardisierung. Solange alle beteiligten Komponenten denselben Signalbereich unterstützen, kann der Messwert eindeutig interpretiert und mit geringem Integrationsaufwand verarbeitet werden.

Spannungssignale mit ±10 V

Spannungssignale werden eingesetzt, wenn ein Messwert oder eine Stellgröße als Potentialdifferenz übertragen wird. Der Bereich ±10 V ist ein typischer Standard für bipolare Signale, also für Messgrößen mit positivem und negativem Wertebereich.

Eine typische Zuordnung ist:

• -10 V entspricht dem negativen Endwert
• 0 V entspricht dem Nullpunkt oder Mittelwert
• +10 V entspricht dem positiven Endwert

Spannungssignale lassen sich einfach erfassen, reagieren jedoch empfindlicher auf Leitungswiderstände, elektromagnetische Störungen und Potenzialunterschiede als Stromschnittstellen. Deshalb sind eine saubere Verdrahtung und eine geeignete Eingangsbeschaltung wichtig.

Stromsignale 0…20 mA und 4…20 mA

Stromsignale sind in der industriellen Messtechnik besonders verbreitet, weil sie sich auch über größere Leitungslängen robust übertragen lassen. Im Vergleich zu Spannungssignalen wirken sich Leitungswiderstände in vielen Anwendungen deutlich weniger auf das Messergebnis aus.

Die beiden gebräuchlichen Standards sind:

• 0…20 mA
• 4…20 mA

Beide Signalbereiche arbeiten linear, unterscheiden sich jedoch wesentlich in ihrer Diagnosefähigkeit.

Warum 4…20 mA als Living Zero wichtig ist

Der gültige Messbereich eines 4…20 mA Sensors beginnt nicht bei 0 mA, sondern bei 4 mA. Dieses Prinzip wird als Living Zero bezeichnet. Der untere Messwert wird also bewusst nicht auf den elektrischen Nullpunkt gelegt.

Die Zuordnung ist dabei:

• 4 mA entsprechen dem unteren gültigen Messwert
• 20 mA entsprechen dem oberen gültigen Messwert
• 0 mA ist kein gültiger Prozesswert und weist auf einen Fehler hin

Dadurch lassen sich typische Fehlerzustände wie Leitungsbruch, Sensorausfall, Versorgungsunterbrechung oder ein unterbrochener Signalweg eindeutig erkennen als bei 0…20 mA oder 0…10V Signalen.

Auf den Modulen µCAN.4.ai-BOX oder µCAN.6.ai-SNAP wird dieses Verhalten standardmäßig überwacht: liegt das Signal außerhalb des zulässigen Bereichs, wird der Zustand als Fehler erkannt und sowohl über den CAN-Bus als auch über die LED-Signalisierung am Gerät ausgegeben.

Grenzwertüberwachung nach NAMUR

Neben dem nominellen Messbereich ist in der Praxis auch die Bewertung von Unter- und Überschreitungen wichtig. Ein Messsignal muss nicht nur erfasst, sondern auch hinsichtlich seiner Gültigkeit überwacht werden. In industriellen Anwendungen erfolgt dies häufig im Zusammenhang mit der Grenzwertüberwachung nach NAMUR, bei einem 4…20 mA Signal nach dem NAMUR NE43 Standard. Damit lassen sich die folgenden  Zustände unterscheiden:

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