Inbetriebnahme von 4-20-mA- und 0-10-V-Signalen

Bei der Inbetriebnahme analoger Signale zeigen sich häufig drei Fehler: ein falsch eingestellter Empfangsbereich, zu wenig Spannungsreserve der Stromschleife bei vollem Messbereich oder eine Leitungsunterbrechung, die wie Null aussieht. Jeden dieser Fehler können Sie mit einem Messgerät und einem Schleifenkalibrator prüfen. Dieser Leitfaden nennt die Prüfwerte für einen EpiSensor ZIO (4-20 mA) oder ZVO (0-10 V) als Empfänger.

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Messung festlegen

Notieren Sie vor dem Anschluss Gerätekennzeichen, Messbereich und Einheit, Modell des Messumformers und Referenz seines Kalibrierzertifikats. Erfassen Sie auch die Ausgangskennlinie. Die meisten Ausgänge sind linear; ein Differenzdruck-Messumformer für Durchfluss kann jedoch auf eine Wurzelkennlinie eingestellt sein. Manche Ausgänge sind umgekehrt und geben am unteren Bereichsende 20 mA aus. Für jeden dieser Punkte gibt es ein Feld im Abnahmeprotokoll.

Bewahren Sie den Rohstromwert neben dem skalierten Wert auf. Jeder ZIO-Kanal meldet den Schleifenstrom in Edge als vier Sensorwerte in mA: Now, Avg, Min und Max. Legen Sie den technischen Wert als linearen berechneten Sensor y = m × x + c an und behalten Sie die mA-Werte. Bei einem Messumformer für 0–10 bar sind m = 10 bar ÷ 16 mA = 0,625 bar/mA und c = −4 mA × 0,625 bar/mA = −2,5 bar. Eine unterbrochene Schleife zeigt dann 0,000 mA und −2,5 bar, also einen Wert unterhalb des vollständigen Vakuums. Genau 10 bar neben 20,000 mA können auf einen gesättigten Eingang hindeuten und müssen kein tatsächlicher Druck am Messbereichsende sein.

4-20-mA-Stromschleife anschließen

In einer Zweidrahtschleife bezieht der Messumformer seine Energie aus der Schleife und stellt den Schleifenstrom zwischen 4 und 20 mA ein. Versorgung, Messumformer und Empfänger sind in Reihe geschaltet. Durch alle drei fließt derselbe Strom.

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Der ZIO misst den Schleifenstrom, versorgt ihn aber nicht. Laut Datenblatt erfolgt die Versorgung extern; die maximale Eingangsspannung beträgt 36 V DC. Eine Zweidrahtschleife braucht daher ein eigenes Netzteil, meist mit 24 V DC. Das Datenblatt nennt einen Messbereich von 0–20 mA und eine Auflösung von 0,001 mA. Eingangswiderstand, Genauigkeit und galvanische Trennung zwischen den beiden Kanälen eines ZIO-22 sind dort nicht angegeben. Messen Sie den Eingangswiderstand vor Ort wie im nächsten Abschnitt beschrieben. Erfragen Sie die Genauigkeit bei EpiSensor, bevor Sie eine Abnahmegrenze festlegen.

Ein Vierdraht-Messumformer wird separat versorgt und treibt den Schleifenstrom selbst. Schließen Sie seinen Ausgang ohne zusätzliche Schleifenversorgung direkt an den ZIO-Eingang an. Ein Netzteil in Reihe mit einem aktiven Ausgang kann einen Überbereich erzwingen oder die Ausgangsstufe beschädigen. Ein Dreidraht-Messumformer nutzt den Minuspol seiner Versorgung als Signalrückleiter. Schließen Sie den ZIO-Eingang zwischen Signalausgang und 0 V an.

Zwei Schleifen an einer gemeinsamen Versorgung und einem ZIO-22 sind möglich, wenn jede Schleife über ihren eigenen Kanal zurückgeführt wird. Ist ein Messumformer am Prozess geerdet oder liegen die beiden Versorgungen auf unterschiedlichen Potenzialen, setzen Sie einen Schleifentrenner ein. Andernfalls kann ein gemeinsamer Rückweg entstehen und sich ein Messwert mit dem Strom der anderen Schleife verschieben.

Erden Sie den Kabelschirm nur an einem Ende, gewöhnlich am Empfänger. Halten Sie Signalkabel von Leistungskabeln fern. Prüfen Sie vor dem Einschalten mit einem Messgerät die Polarität am Messumformer und am ZIO.

Spannungsreserve der Schleife prüfen

Bei 20 mA muss die Versorgung die Mindestspannung an den Klemmen des Messumformers und den Spannungsabfall an allen in Reihe liegenden Elementen mit Reserve decken. Erfassen Sie Empfängereingang, Hin- und Rückleitung, Barrieren oder Trennverstärker, lokale Anzeigen und Überspannungsschutz. Bei schleifengespeisten Anzeigen wird meist ein Spannungsabfall statt eines Widerstands angegeben. Ziehen Sie diesen direkt von der Versorgung ab.

Beispiel: 24 V Versorgung, 10,5 V Mindestspannung am Messumformer, 250 Ω am Empfängereingang und 20 Ω für die Kabelschleife:

24 V − 10,5 V − 20 mA × 270 Ω = 8,1 V Spannungsreserve

250 Ω sind ein üblicher Empfängerwert und wandeln 4-20 mA in 1-5 V um. Dieser Wert stammt nicht aus dem ZIO-Datenblatt. Um den ZIO-Eingangswiderstand zu ermitteln, halten Sie den Schleifenstrom konstant, messen die Spannung über den ZIO-Eingangsklemmen und teilen diese durch den Strom. Verwenden Sie den gemessenen Widerstand in der Berechnung.

Dieselbe Schleife verträgt insgesamt höchstens 675 Ω, bevor die Reserve null erreicht: (24 V − 10,5 V) ÷ 20 mA. Für einen HART-Messumformer braucht ein Handkommunikator mindestens 230 Ω Schleifenwiderstand; 250 Ω sind üblich. Liegen Empfänger und Kabel darunter, fügen Sie einen Widerstand in Reihe hinzu und rechnen Sie die Spannungsreserve erneut aus.

Bei einem Kurzschluss am Messumformer oder Kabel liegt die volle Versorgungsspannung am Empfängereingang. 24 V liegen innerhalb der 36-V-DC-Eingangsnennspannung des ZIO, 48 V nicht. Der Schleifenstrom wird dann nur durch Eingangs- und Kabelwiderstand begrenzt. Verwenden Sie daher eine strombegrenzte oder abgesicherte Schleifenversorgung.

Spannungssignal anschließen

Der ZVO misst 0-10 V DC mit 0,001 V Auflösung. Ein Spannungseingang misst gegenüber einem gemeinsamen Bezugspotenzial. Weicht das Bezugspotenzial der Quelle um 0,2 V von dem des Empfängers ab, ist jeder Messwert um 0,2 V falsch. Das entspricht 2 % der 0-10-V-Spanne. Messen Sie vor der Abnahme die Spannung zwischen beiden Bezugspotenzialen. Vergleichen Sie danach die Quellspannung vor und nach dem Anschluss des ZVO. Ein Abfall von mehr als einigen Millivolt deutet darauf hin, dass der Empfänger den Ausgang belastet oder die Bezugspotenziale verschieden sind. Nutzen Sie bei langen Leitungen oder zwischen Schaltschränken mit unterschiedlicher Erdung den 4-20-mA-Ausgang des Messumformers oder einen Signaltrenner.

Ein reines 0-10-V-Signal unterscheidet eine Leitungsunterbrechung nicht von einem Messwert null: Beides ergibt 0 V. Wo diese Unterscheidung nötig ist, stellen Sie den Messumformer auf 2-10 V mit lebendem Nullpunkt ein. Ein Wert nahe 0 V ist dann immer ein Fehler. Bei einem Messbereich von −20 bis 80 °C entsprechen 6 V aus einem 2-10-V-Ausgang 30 °C:

Skalierung an bekannten Punkten prüfen

Legen Sie mit einem Schleifenkalibrator bekannte Ströme an. Im Quellenmodus trennen Sie den Messumformer und verbinden den Kalibrator mit dem ZIO-Eingang; der Kalibrator liefert den Strom. Im Simulationsmodus nimmt der Kalibrator die Stelle des Messumformers ein und regelt den Strom aus der Schleifenversorgung. Damit werden auch Versorgung und Spannungsreserve geprüft. Viele intelligente Messumformer bieten zudem eine Schleifentestfunktion mit festem Ausgangsstrom. Eine laufende Schleife können Sie ohne Unterbrechung mit einer mA-Stromzange prüfen.

Prüfen Sie mindestens 4, 12 und 20 mA. Die Endpunkte 4 und 20 mA zeigen einen falschen Messbereich oder eine umgekehrte Zuordnung. Mit 12 mA erkennen Sie eine falsche Kennlinie: Liefert ein Durchfluss-Messumformer Differenzdruck und soll der angezeigte Wert Durchfluss sein, entsprechen 12 mA 50 % des Differenzdrucks, aber √0,5 = 70,7 % des vollen Durchflusses. Erst der mittlere Prüfpunkt zeigt den Unterschied. Bei einem linearen Druckmessumformer für 0–10 bar entsprechen 12 mA genau 5 bar:

Erfassen Sie für jeden Punkt angelegten Strom, rohen mA-Wert in Edge, skalierten Wert und Zeitpunkt. Legen Sie die Abnahmegrenze vor dem Test fest. Berücksichtigen Sie die Unsicherheit des Kalibrators und die Eingangsgenauigkeit zusätzlich zur angegebenen Genauigkeit des Messumformers. Ein Messumformer mit ±0,1 % der Spanne bei 0–10 bar trägt ±0,01 bar bei, bevor die beiden anderen Anteile hinzukommen. Legen Sie anschließend 3,8 und 20,5 mA an und protokollieren Sie, ob der Wert begrenzt, extrapoliert oder als Fehler markiert wird. Ein linearer berechneter Sensor in Edge extrapoliert: 20,5 mA ergeben bei 0–10 bar 10,31 bar.

Damit prüfen Sie den Datenpfad von den ZIO-Klemmen bis zum Wert in Edge. Für die Genauigkeit des Messumformers im Prozess dient dessen Kalibrierzertifikat als Nachweis.

Temperaturmessumformer mit RTD-Sensoren

Viele Temperaturmessstellen erreichen einen ZIO über einen Messumformer, der einen Pt100 oder Pt1000 ausliest. Der ZIO misst den 4-20-mA-Ausgang des Messumformers, nicht den Widerstandsthermometer-Sensor. Prüfen Sie den Sensor am Messumformer anhand der Kennlinie nach IEC 60751. Ein Pt100 hat bei 25 °C einen Widerstand von 109,73 Ω:

Bei einem Zweidrahtanschluss erhöht der Leitungswiderstand den gemessenen Sensorwiderstand und damit die angezeigte Temperatur. Zwei Leitungen mit je 2 Ω addieren 4 Ω. Ein Pt100 ändert sich bei 25 °C um etwa 0,39 Ω/°C. Die Anzeige liegt damit um ungefähr 10,3 °C zu hoch:

Verwenden Sie zwischen Sensor und Messumformer einen Drei- oder Vierdrahtanschluss. Der Dreidrahtanschluss kompensiert den Leitungswiderstand bei gleichen Leitungen; der Vierdrahtanschluss eliminiert ihn aus der Messung. Ist bereits ein Zweidrahtsensor eingebaut, schließen Sie die Sensorklemmen am Messkopf kurz und messen Sie den Widerstand beider Leitungen. Geben Sie ihn als Leitungskompensation im Messumformer ein, sofern diese Einstellung vorhanden ist.

Fehlerzustände und Datenqualität

NAMUR NE 43 trennt bei 4-20-mA-Signalen Messbereich und Fehlermeldung. Der Messbereich reicht von 3,8 bis 20,5 mA. Fehler meldet ein Messumformer mit höchstens 3,6 mA oder mindestens 21 mA. Prüfen Sie die NE-43-Konfiguration und protokollieren Sie die Fehlerrichtung: nach unten mit höchstens 3,6 mA oder nach oben mit mindestens 21 mA. Lösen Sie dann einen Sensorfehler aus, zum Beispiel durch Abklemmen des RTD am Messumformer, und messen Sie den Strom.

Der Messbereich im ZIO-Datenblatt endet bei 20 mA. Bevor Sie sich auf ein Fehlersignal nach oben verlassen, legen Sie 20,5 und 21 mA an und prüfen, ob Edge diese Werte zeigt. Begrenzt der Eingang bei 20 mA, erscheint der Fehler als Messbereichsende. Stellen Sie den Messumformer dann auf ein Fehlersignal nach unten ein.

Legen Sie Fehleralarme auf den rohen mA-Wert, nicht auf den skalierten Wert. Wird die Skalierung geändert, verschiebt sich auch ein Grenzwert auf dem skalierten Wert.

Abtastung und Meldung

Bei ZIO und ZVO kann die Mittelungszeit in Edge zwischen 1 und 255 s liegen. Jeder Sensor meldet in einem Intervall von 1 bis 1440 Minuten, bei einer Änderung um mehr als ein eingestelltes Delta oder nach beiden Bedingungen. Das Delta verwendet die Einheit des Sensors, beim ZIO also mA. Ab Node-Firmware 3.22 liefert Live Stream einmal pro Sekunde einen Wert und erzeugt deutlich mehr Netzwerk- und Exportverkehr.

Ein Minutenmittelwert kann einen Druckausschlag von einer Sekunde nicht zeigen. Sind kurze Ausschläge wichtig, erfassen Sie Min und Max zusätzlich zu Avg oder konfigurieren einen Delta-Auslöser. Protokollieren Sie Mittelungszeit, Meldemodus, Intervall und Delta für jedes Signal.

Abnahmeprotokoll

Führen Sie ein Protokoll je Signal. Die herunterladbare Vorlage umfasst:

Wiederholen Sie die Prüfungen nach dem Austausch oder einer neuen Skalierung des Messumformers sowie nach Änderungen an Verkabelung oder Eingang. Weiterführend: Industrielle Prozessinstrumentierung oder ein System zusammenstellen anhand der Geräteliste.