Ein Servicetechniker prüft einen 2-Leiter-Drucktransmitter mit einem portablen Prozesskalibrator. Die integrierte 24-V-Schleifenspeisung ist eingeschaltet, der Transmitter startet und liefert bei kleinen Messwerten ein plausibles 4–20-mA-Signal. Bei zunehmendem Prüfdruck steigt der Strom zunächst wie erwartet. Kurz vor dem Messbereichsendwert bleibt die Anzeige jedoch unterhalb von 20 mA stehen. Der Transmitter scheint die Kalibrieranforderung nicht zu erfüllen.
Die Ursache muss nicht im Drucksensor oder in dessen elektronischer Kennlinie liegen. Möglicherweise reicht die tatsächlich verfügbare Versorgungsspannung im Messkreis nicht aus. Der SPS-Analogeingang, ein zugeschalteter HART-Widerstand, die Anschlussleitungen und die Strommessfunktion des Kalibrators verursachen Spannungsabfälle. Dem Transmitter steht dann nur noch der verbleibende Teil der 24-V-Versorgung zur Verfügung.
Eine Stromschleife funktioniert nur zuverlässig, solange die angeschlossenen Geräte innerhalb ihrer zulässigen Spannungs- und Lastgrenzen betrieben werden. Besonders bei hohen Schleifenströmen steigt der Spannungsabfall an ohmschen Bürden. Deshalb kann ein Messkreis bei 4 mA noch einwandfrei arbeiten, bei 20 mA jedoch bereits an seine Grenze gelangen. Im Überbereich oder bei einem hohen Fehlerstrom kann die Spannungsreserve vollständig aufgebraucht sein.
Dieser Fachbeitrag erklärt, wie sich die 24-V-Schleifenspeisung eines Kalibrators fachgerecht bewerten lässt. Im Mittelpunkt stehen Bürdespannung, maximal zulässiger Schleifenwiderstand, minimale Transmitterspannung, Strommessung, HART-Widerstand und die tatsächliche Belastbarkeit des Kalibrators. Ein Rechenbeispiel zeigt, weshalb ein Messkreis bei 20 mA noch funktionieren kann, bei 22 mA aber nicht mehr. Zusätzlich werden Prüfaufbau, Messunsicherheit, Kalibrierablauf, typische Fehler und geeignete Prozesskalibratoren aus dem ICS-Sortiment beschrieben.
Inhaltsverzeichnis
- Die Prüfaufgabe und den vollständigen 4–20-mA-Messkreis definieren
- Das elektrische Funktionsprinzip einer 2-Leiter-Stromschleife verstehen
- Messen, Geben, Simulieren und Schleifenspeisung unterscheiden
- 24-V-Nennspannung und tatsächlich verfügbare Versorgung unterscheiden
- Bürdenwiderstand und Bürdespannung richtig berechnen
- Die Spannungsbilanz des vollständigen Messkreises aufstellen
- Den maximal zulässigen Schleifenwiderstand bestimmen
- Rechenbeispiel: 24 V, 550 Ω Bürde und 22 mA Schleifenstrom
- Den Einfluss eines 250-Ω-HART-Widerstands berücksichtigen
- Die Eigenbürde des Kalibrators bei der Strommessung prüfen
- Leitungswiderstand und Kontaktübergänge bewerten
- Ausgangsleistung und Lastgrenzen des Kalibrators unterscheiden
- 2-Leiter-, 3-Leiter- und 4-Leiter-Messumformer richtig anschließen
- Den passenden Prüfaufbau mit interner oder externer Versorgung wählen
- Spannungsabfälle unter realer Last systematisch messen
- 4 mA, 12 mA, 20 mA und Überbereich getrennt untersuchen
- Versorgungsstabilität, Batterie und dynamisches Verhalten prüfen
- Referenzgenauigkeit und Messunsicherheit der Kalibrierung bewerten
- Verpolung, Fremdspeisung und Ex-Anforderungen berücksichtigen
- Einen systematischen Prüf- und Kalibrierablauf durchführen
- Typische Fehlerbilder und ihre Ursachen diagnostizieren
- Passende Stromschleifen- und Prozesskalibratoren von ICS Schneider
- Fazit: Die Spannungsreserve zählt, nicht nur die 24-V-Anzeige
- Häufige Fragen zur 24-V-Schleifenspeisung am Kalibrator
1. Die Prüfaufgabe und den vollständigen 4–20-mA-Messkreis definieren
Eine 4–20-mA-Stromschleife überträgt industrielle Prozesswerte als elektrischen Strom. Sie wird beispielsweise bei Druck-, Temperatur-, Durchfluss- und Füllstandtransmittern verwendet.
Für die Überprüfung einer solchen Messstelle wird häufig ein portabler Prozesskalibrator eingesetzt.
Je nach Geräteausführung kann dieser definierte Stromwerte messen, vorgeben, einen 2-Leiter-Transmitter simulieren oder eine interne Versorgungsspannung bereitstellen.
Besonders bei einer Prüfung mit integrierter 24-V-Schleifenspeisung muss zunächst festgelegt werden, welche Geräte tatsächlich Bestandteil des Messkreises sind.
Ein einfacher Prüfaufbau kann aus Kalibrator, 2-Leiter-Transmitter und Messleitungen bestehen.
In einer bestehenden Prozessanlage können dagegen zusätzliche Komponenten angeschlossen sein. Dazu gehören SPS-Analogeingänge, Trennverstärker, HART-Widerstände, Anzeigeinstrumente und gegebenenfalls weitere serielle Messkreisbauteile.
Jede Komponente kann die verfügbare Spannung beeinflussen.
Die Messaufgabe muss deshalb über eine reine Strommessung hinaus betrachtet werden, wenn die Funktion des vollständigen Messkreises nachgewiesen werden soll.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen der elektrischen Prüfung eines Transmitters und seiner vollständigen Prozesskalibrierung.
Bei einer Drucktransmitterkalibrierung wird beispielsweise ein definierter Referenzdruck vorgegeben und der tatsächlich ausgegebene Strom erfasst.
Ein Stromsignal, das wegen unzureichender Spannungsversorgung nicht mehr den Sollwert erreicht, darf dabei nicht ohne weitere Diagnose als Kennlinienfehler des Drucktransmitters interpretiert werden.
2. Das elektrische Funktionsprinzip einer 2-Leiter-Stromschleife verstehen
Ein klassischer 2-Leiter-Messumformer verwendet dieselben beiden Leitungen für seine elektrische Energieversorgung und die Übertragung des Messsignals.
Der Transmitter benötigt eine ausreichende Betriebsspannung, um seine Elektronik, Sensorik und Stromregelung zu versorgen.
Innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs verändert er den Schleifenstrom entsprechend dem gemessenen Prozesswert.
Bei einer linearen Zuordnung von 0 … 100 % zu 4 … 20 mA entspricht der Messbereichsanfang 4 mA und der Messbereichsendwert 20 mA.
Die übrigen Messwerte werden entsprechend der gewählten Kennlinie dazwischen abgebildet.
Der Strom durchläuft alle in Reihe geschalteten Elemente des Messkreises.
Dazu gehören der Transmitter, die elektrische Versorgung und die tatsächlich seriell wirkenden Lasten.
Solange die Versorgung genügend Spannung bereitstellt, kann der Transmitter den Strom innerhalb seiner spezifizierten Grenzen regeln.
Wird der verfügbare Spannungsbereich unterschritten, kann die Stromregelung ihre Funktion verlieren.
Der Ausgangsstrom kann dann beispielsweise unterhalb des angeforderten Werts bleiben oder instabil werden.
Die genaue Reaktion hängt vom verwendeten Transmitter ab.
Ein wichtiger Grundsatz lautet deshalb: Der Strom ist die übertragene Messgröße, aber die ausreichende Versorgungsspannung ist eine notwendige Betriebsbedingung.
3. Messen, Geben, Simulieren und Schleifenspeisung unterscheiden
Moderne Stromschleifenkalibratoren besitzen unterschiedliche elektrische Betriebsarten.
Sie dürfen bei der Verdrahtung und Interpretation nicht verwechselt werden.
Beim reinen mA-Messen erfasst der Kalibrator den Strom eines bereits versorgten Messkreises. Die elektrische Energie stammt dabei normalerweise aus einer externen Quelle.
Beim mA-Messen mit interner Schleifenspeisung stellt der Kalibrator zusätzlich die notwendige Versorgung für einen geeigneten 2-Leiter-Transmitter bereit.
Im aktiven mA-Geberbetrieb erzeugt der Kalibrator selbst einen vorgegebenen Strom. Damit kann beispielsweise ein passiver SPS-Stromeingang geprüft werden.
Bei der 2-Leiter-Transmittersimulation übernimmt der Kalibrator dagegen die Funktion eines passiven, schleifengespeisten Stromreglers. Die hierfür erforderliche Energie stammt aus einer geeigneten externen Versorgung.
| Betriebsart | Versorgung des Messkreises | Funktion des Kalibrators | Typische Prüfaufgabe |
|---|---|---|---|
| mA messen | Externe Schleifenspeisung | Misst den vorhandenen Strom | Stromsignal eines betriebenen Transmitters prüfen |
| mA messen mit 24-V-Schleifenspeisung | Interne Versorgung des Kalibrators | Versorgt den Prüfling und misst dessen Strom | 2-Leiter-Transmitter ohne externe Versorgung prüfen |
| mA aktiv geben | Abhängig von der Geräteausführung intern bereitgestellt | Regelt einen vorgegebenen Ausgangsstrom | Passiven SPS-Analogeingang testen |
| 2-Leiter-Transmitter simulieren | Externe Versorgung erforderlich | Regelt den Strom als passiver Transmittersimulator | Bestehende Stromschleife ohne realen Messumformer prüfen |
Die konkrete Anschlussbelegung und die verfügbaren Betriebsarten hängen vom Kalibrator ab.
Besonders bei der Stromsimulation ist es wichtig, den Unterschied zwischen einem aktiven Stromausgang und einer passiven Stromsenke zu verstehen.
Eine aktive Stromquelle darf nicht ohne geeignete Gerätefreigabe gegen eine bereits vorhandene aktive Spannungs- beziehungsweise Stromversorgung geschaltet werden.
Eine detaillierte allgemeine Beschreibung dieser Betriebsarten bietet der ICS-Fachbeitrag 2-Leiter-Transmitter mit Prozesskalibrator prüfen: Messen, Simulieren und Schleifenspeisung nicht verwechseln.
Im vorliegenden Beitrag steht dagegen die Frage im Mittelpunkt, ob die elektrische Versorgung unter der tatsächlich vorhandenen Last ausreichend ist.
4. 24-V-Nennspannung und tatsächlich verfügbare Versorgung unterscheiden
Viele Prozesskalibratoren besitzen eine integrierte Schleifenversorgung mit einer Nennspannung von 24 V DC.
Diese Angabe bedeutet jedoch nicht, dass dem angeschlossenen Transmitter unter allen Bedingungen tatsächlich 24 V zur Verfügung stehen.
Die Versorgung muss zunächst die Spannungsabfälle über den seriell wirksamen Komponenten des Messkreises überwinden.
Der verbleibende Spannungsanteil liegt anschließend am Transmitter an.
Für eine vereinfachte Betrachtung gilt:
UQuelle = UTransmitter + UBürde + ULeitung + Usonstige
UQuelle ist die tatsächlich unter Last bereitgestellte Schleifenspannung.
UTransmitter bezeichnet die am Transmitter verbleibende Betriebsspannung.
Die weiteren Spannungsanteile entstehen durch Lastwiderstände, Leitungen und zusätzliche seriell wirkende Komponenten.
Wenn beispielsweise bei einem Schleifenstrom von 20 mA insgesamt 10 V an den externen Lasten abfallen, verbleiben bei einer idealisierten Versorgung von 24 V noch 14 V am Transmitter.
Benötigt der Transmitter mindestens 12 V, stehen unter diesen Bedingungen 2 V Spannungsreserve zur Verfügung.
Eine solche Reserve muss für den vorgesehenen maximalen Strom und die ungünstigsten zulässigen Versorgungsbedingungen überprüft werden.
Besonders bei batteriebetriebenen Kalibratoren darf eine exakt konstante Ausgangsspannung unter jeder Belastung nicht ohne Herstellerangabe angenommen werden.
Die nominelle 24-V-Funktion und die tatsächlich garantierte Spannung beziehungsweise Belastbarkeit müssen deshalb getrennt bewertet werden.
5. Bürdenwiderstand und Bürdespannung richtig berechnen
Als Bürde wird im Zusammenhang mit einer 4–20-mA-Stromschleife die elektrische Last bezeichnet, die der Stromausgang treiben muss.
Bei einem ohmschen Widerstand ergibt sich die zugehörige Spannung aus dem Ohmschen Gesetz:
UBürde = I · RBürde
Hier bezeichnet I den Schleifenstrom und RBürde den Widerstand.
Ein häufiges Beispiel ist ein Messwiderstand von 250 Ω.
Bei 4 mA entsteht daran ein Spannungsabfall von:
U = 0,004 A · 250 Ω = 1 V
Bei 20 mA ergibt sich:
U = 0,020 A · 250 Ω = 5 V
Der Widerstand bleibt unverändert, aber der Spannungsabfall steigt proportional zum Strom.
Bei einem zusätzlichen Strom von 22 mA würde derselbe Widerstand bereits 5,5 V beanspruchen.
Diese Spannungen stehen dem Transmitter nicht mehr zur Verfügung.
Bei mehreren in Reihe geschalteten ohmschen Lasten werden die Widerstände addiert.
Rgesamt = R1 + R2 + … + Rn
Die vereinfachte Berechnung gilt für ohmsche Lasten.
Elektronische Eingänge und Messinstrumente können dagegen einen eigenen, nicht vollständig als konstanten Widerstand beschreibbaren Spannungsabfall besitzen.
In solchen Fällen sind die jeweiligen Herstellerangaben beziehungsweise die tatsächlich gemessenen Spannungsabfälle zu verwenden.
6. Die Spannungsbilanz des vollständigen Messkreises aufstellen
Für eine zuverlässige 24-V-Schleifenspeisung muss die Summe aller Spannungsabfälle bekannt sein.
Bei einem typischen Prüfkreis sind unter anderem der SPS-Eingang, die Leitung und ein eventuell vorhandener HART-Widerstand zu berücksichtigen.
Auch der Kalibrator selbst kann in einer bestimmten Betriebsart einen zusätzlichen Spannungsabfall verursachen.
Die vollständige vereinfachte Spannungsbilanz kann beispielsweise lauten:
UTransmitter = UQuelle − I · Rgesamt − Uzusätzliche
Dabei enthält Rgesamt alle tatsächlich in Reihe wirksamen ohmschen Widerstände.
Uzusätzliche bezeichnet zusätzliche Spannungsabfälle, die nicht bereits in dieser Widerstandssumme enthalten sind.
Besonders wichtig ist, keinen Widerstand doppelt zu berücksichtigen.
Ein SPS-Eingang mit 250 Ω kann beispielsweise bereits die für eine HART-Kommunikation erforderlichen Lastbedingungen erfüllen.
Wird zusätzlich ein weiterer Widerstand von 250 Ω in Reihe geschaltet, steigt die Gesamtbürde.
Ist dagegen ein integrierter HART-Widerstand nur alternativ zu einem vorhandenen externen Widerstand vorgesehen, dürfen nicht ohne Weiteres beide gleichzeitig angesetzt werden.
Die tatsächlich wirksamen Komponenten ergeben sich aus der realen Verschaltung und den Einstellungen des Kalibrators.
Für die Prüfung sollte daher ein eindeutiger Stromlaufplan erstellt beziehungsweise die vorhandene Verdrahtung nachvollzogen werden.
Erst dann lässt sich die Spannungsreserve korrekt berechnen.
7. Den maximal zulässigen Schleifenwiderstand bestimmen
Ein 2-Leiter-Transmitter benötigt eine bestimmte Mindestbetriebsspannung.
Diese wird in der Regel im Datenblatt angegeben.
Ist die Versorgungsspannung bekannt, lässt sich daraus der maximal zulässige externe Widerstand für einen festgelegten Schleifenstrom berechnen.
Unter idealisierten Bedingungen gilt:
Rmax = (UQuelle − UTransmitter,min) / Imax
Bei einer Versorgung von 24 V, einer Mindestbetriebsspannung des Transmitters von 12 V und einem Maximalstrom von 20 mA ergibt sich:
Rmax = (24 V − 12 V) / 0,020 A = 600 Ω
Damit stehen unter diesen vereinfachten Bedingungen höchstens 600 Ω für alle externen ohmschen Lasten zur Verfügung.
Die erforderliche Spannungsreserve ist in diesem Grenzwert noch nicht enthalten.
Wird beispielsweise eine zusätzliche Reserve von 2 V vorgesehen, reduziert sich der rechnerische Widerstand auf:
Rmax,Reserve = (24 V − 12 V − 2 V) / 0,020 A = 500 Ω
Besonders wichtig ist die Auswahl des maßgeblichen Stroms.
Ein 4–20-mA-Transmitter kann je nach Konfiguration auch Überbereichs- und Fehlerströme oberhalb von 20 mA ausgeben.
Soll der Messkreis beispielsweise bis 22 mA funktionieren, muss dieser höhere Strom bei der Lastberechnung berücksichtigt werden.
Dann gilt ohne zusätzliche Spannungsreserve:
Rmax,22mA = (24 V − 12 V) / 0,022 A ≈ 545 Ω
Der maximal zulässige Widerstand ist damit kleiner als bei der Berechnung mit 20 mA.
Diese Beziehung wird auch in Herstellerdatenblättern verwendet. WIKA gibt beispielsweise für bestimmte 2-Leiter-Drucksensoren eine zulässige Last in Abhängigkeit von Versorgungsspannung und Mindestbetriebsspannung an.
Für die tatsächliche Auslegung müssen stets die Daten der verwendeten Transmitterausführung gelten.
8. Rechenbeispiel: 24 V, 550 Ω Bürde und 22 mA Schleifenstrom
Ein 2-Leiter-Transmitter wird mit einer idealisiert konstanten Schleifenspannung von 24 V betrieben.
Für die Beispielrechnung wird angenommen, dass der Transmitter mindestens 12 V Betriebsspannung benötigt.
Die Stromschleife enthält einen SPS-Eingang mit 250 Ω, einen zusätzlich in Reihe geschalteten HART-Widerstand mit 250 Ω sowie Leitungs- und Übergangswiderstände von insgesamt 50 Ω.
Diese Widerstände werden für das Beispiel bewusst als drei voneinander getrennte Lasten betrachtet.
Der Gesamtwiderstand lautet:
Rgesamt = 250 Ω + 250 Ω + 50 Ω = 550 Ω
Bei 20 mA ergibt sich ein Spannungsabfall von:
ULast,20mA = 0,020 A · 550 Ω = 11,0 V
Am Transmitter verbleiben:
UTransmitter,20mA = 24 V − 11,0 V = 13,0 V
Die Mindestbetriebsspannung von 12 V wird noch eingehalten. Die rechnerische Spannungsreserve beträgt aber nur 1,0 V.
Erhöht sich der Schleifenstrom auf 22 mA, steigt der Spannungsabfall:
ULast,22mA = 0,022 A · 550 Ω = 12,1 V
Der verbleibende Spannungsanteil beträgt dann:
UTransmitter,22mA = 24 V − 12,1 V = 11,9 V
Der Transmitter erhält damit im vereinfachten Modell weniger als die angenommene erforderliche Mindestspannung.
| Schleifenstrom | Spannungsabfall über 550 Ω | Spannung am Transmitter | Reserve gegenüber 12 V |
|---|---|---|---|
| 4 mA | 2,2 V | 21,8 V | +9,8 V |
| 12 mA | 6,6 V | 17,4 V | +5,4 V |
| 20 mA | 11,0 V | 13,0 V | +1,0 V |
| 22 mA | 12,1 V | 11,9 V | −0,1 V |
Das Beispiel zeigt, weshalb eine Stromschleife bei niedrigen Strömen korrekt funktionieren und bei hohen Strömen ausfallen kann.
Bei 20 mA ist die Mindestspannung unter den angenommenen Bedingungen noch vorhanden.
Bei 22 mA wird sie dagegen unterschritten.
Der Transmitter kann möglicherweise den gewünschten Strom nicht mehr stabil regeln.
Wichtig ist, dass das Beispiel noch keine zusätzliche Spannungsabfallkomponente einer separat eingeschleiften Strommessfunktion enthält.
Auch eine geringere tatsächlich verfügbare Schleifenspannung würde die Situation verschlechtern.
Wird der zusätzliche 250-Ω-HART-Widerstand dagegen nicht benötigt und tatsächlich aus dem Messkreis entfernt, reduziert sich die ohmsche Gesamtlast im Beispiel auf 300 Ω.
Bei 22 mA ergibt sich dann nur noch ein Spannungsabfall von 6,6 V.
Dem Transmitter würden unter der angenommenen konstanten 24-V-Versorgung wieder 17,4 V zur Verfügung stehen.
Die Rechnung zeigt damit unmittelbar, wie stark ein zusätzlicher Serienwiderstand die Spannungsreserve beeinflussen kann.
Alle Zahlen sind Beispielwerte. Sie stellen keine Lastgrenze eines bestimmten Kalibrators oder Transmitters dar.
Die tatsächliche Spannung, der zulässige Strom und die maximal unterstützte Last müssen anhand der beteiligten Herstellerangaben und einer geeigneten Prüfung bewertet werden.
9. Den Einfluss eines 250-Ω-HART-Widerstands berücksichtigen
HART-Kommunikation kombiniert ein analoges 4–20-mA-Stromsignal mit einer überlagerten digitalen Kommunikation.
Für die zuverlässige Signalübertragung muss der Messkreis geeignete elektrische Last- beziehungsweise Impedanzbedingungen erfüllen.
In vielen HART-Anwendungen wird hierfür ein Widerstand von 250 Ω verwendet.
Ein solcher Widerstand verursacht bei 20 mA einen Gleichspannungsabfall von 5 V.
Bei der elektrischen Dimensionierung darf dieser Spannungsabfall nicht übersehen werden.
Der Druck UPS4E besitzt beispielsweise einen integrierten 250-Ω-Widerstand zur Unterstützung der HART-Kommunikation.
Auch der Druck DPI802 verfügt über einen entsprechend zuschaltbaren HART-Schleifenwiderstand.
Für die Prüfung muss geklärt werden, ob der Widerstand in der ausgewählten Betriebsart tatsächlich als zusätzliche Serienlast wirkt.
Ist bereits ein geeigneter Lastwiderstand im SPS-Eingang vorhanden, kann ein zweiter Widerstand unter Umständen unnötig sein.
Andererseits darf der Widerstand nicht einfach entfernt werden, wenn dadurch die Voraussetzungen für die vorgesehene HART-Kommunikation verloren gehen.
Die richtige Lösung hängt von der konkreten Schaltung und den Herstellerangaben des HART-Geräts ab.
Wichtig ist außerdem die Unterscheidung zwischen einem vorhandenen 250-Ω-Widerstand und einem vollständigen HART-Kommunikator.
Ein integrierter HART-Widerstand schafft geeignete elektrische Voraussetzungen, bedeutet aber nicht automatisch, dass der Kalibrator sämtliche digitalen HART-Kommunikationsfunktionen bereitstellt.
Für die Messkreisprüfung sollten deshalb sowohl der tatsächliche Widerstand als auch die gewünschte HART-Funktion dokumentiert werden.
10. Die Eigenbürde des Kalibrators bei der Strommessung prüfen
Ein Strommessgerät wird zur Messung eines Schleifenstroms normalerweise in Reihe in den Messkreis eingeschleift.
Auch ein hochwertiger Kalibrator ist dabei nicht zwangsläufig elektrisch ohne Einfluss.
Seine interne Strommessschaltung kann einen Spannungsabfall verursachen.
Dieser wird häufig als Eigenbürde oder Burden Voltage bezeichnet.
Die Größe hängt von der Gerätekonstruktion, dem gewählten Messbereich und der Betriebsart ab.
Bei einem klassischen Messwiderstand lässt sich der Zusammenhang mit dem Ohmschen Gesetz beschreiben.
Bei elektronisch geregelten oder geschützten Messschaltungen kann die tatsächliche Bürdespannung jedoch komplexer sein.
Für eine genaue Bewertung ist deshalb die entsprechende Spezifikation des Kalibrators entscheidend.
Ein Beispiel: Verursacht eine zusätzlich eingeschleifte Strommessung bei einem bestimmten Betriebszustand einen Spannungsabfall von 0,8 V, stehen diese 0,8 V dem Transmitter nicht mehr zur Verfügung.
Besonders kritisch ist dies, wenn die vorherige Lastberechnung nur eine Spannungsreserve von 0,5 oder 1,0 V ergeben hat.
Auch die Anschlussbuchsen des Kalibrators sind wichtig.
Manche Geräte besitzen getrennte Buchsen oder Messfunktionen für reine Strommessung, aktive Stromausgabe, passive Simulation und Schleifenversorgung.
Die Eigenbürde kann sich je nach Anschluss- und Betriebsart unterscheiden.
Der tatsächliche Prüfaufbau muss deshalb anhand der jeweiligen Bedienungsanleitung bewertet werden.
11. Leitungswiderstand und Kontaktübergänge bewerten
Neben Mess- und Lastwiderständen erzeugen auch Anschlussleitungen einen elektrischen Spannungsabfall.
Entscheidend ist dabei der vollständige Leiterweg.
Bei einer 2-Leiter-Stromschleife fließt der Strom durch Hin- und Rückleiter.
Für eine überschlägige Berechnung des Widerstands gilt:
R = ρ · l / A
Dabei bezeichnet ρ den spezifischen elektrischen Widerstand, l die Leiterlänge und A den Leiterquerschnitt.
Bei einem Messkreis müssen die relevanten Längen aller seriell durchflossenen Leiterabschnitte berücksichtigt werden.
Für Kupferleitungen kann bei ungefähr 20 °C überschlägig ein spezifischer Widerstand von 0,0178 Ω·mm²/m verwendet werden.
Eine einfache Beispielrechnung betrachtet eine Leitung mit 100 m Entfernung zwischen Kalibrator und Transmitter und einem Leiterquerschnitt von 0,5 mm².
Da Hin- und Rückleiter berücksichtigt werden, beträgt die wirksame Kupferleiterlänge insgesamt 200 m.
R ≈ 0,0178 Ω·mm²/m · 200 m / 0,5 mm² = 7,12 Ω
Bei 20 mA ergibt sich damit ein Spannungsabfall von:
U ≈ 0,020 A · 7,12 Ω ≈ 0,142 V
In diesem Beispiel ist der reine Leitungsabfall relativ klein.
Bei wesentlich längeren Leitungen, kleineren Querschnitten oder zusätzlichen Serienkomponenten kann er jedoch relevant werden.
Auch Übergangswiderstände an Klemmen, Steckverbindungen und Prüfleitungen müssen berücksichtigt werden.
Besonders bei älteren Messstellen können Korrosion, lockere Klemmstellen oder beschädigte Anschlussleitungen zusätzliche Spannungsabfälle verursachen.
Solche Fehler können außerdem temperatur- oder bewegungsabhängig auftreten.
Die Stromschleife sollte deshalb nicht allein anhand der rechnerischen Kupferleitung bewertet werden.
12. Ausgangsleistung und Lastgrenzen des Kalibrators unterscheiden
Die integrierte Schleifenspeisung eines Kalibrators besitzt eigene elektrische Betriebsgrenzen.
Eine Angabe wie „24 V Schleifenspeisung“ beschreibt zunächst eine Nennfunktion.
Zusätzlich müssen die zulässige Stromabgabe und die garantierten Ausgangsbedingungen berücksichtigt werden.
Auch die aktive mA-Ausgabe kann eigene Lastgrenzen besitzen.
Wichtig ist die Unterscheidung zwischen einer Versorgungsspannung für einen passiven 2-Leiter-Transmitter und dem Spannungsbereich, den eine aktive Stromquelle zur Regelung ihres Ausgangsstroms bereitstellen kann.
Die letztgenannte Größe wird häufig als Compliance Voltage beziehungsweise zulässiger Lastbereich beschrieben.
Ein Kalibrator kann beispielsweise eine 24-V-Schleifenspeisung bereitstellen und trotzdem im aktiven Stromgeberbetrieb andere maximale Lasten unterstützen.
Ebenso muss die interne Schleifenspeisung nicht für beliebig viele parallel angeschlossene Transmitter geeignet sein.
Der Druck DPI802 besitzt nach den technischen Unterlagen beispielsweise eine Schleifenversorgung von 24 V ±10 % mit einem maximalen Strom von 35 mA.
Dieser Stromwert beschreibt eine gerätespezifische Grenze der betreffenden Versorgungsfunktion.
Er bedeutet nicht, dass jeder angeschlossene Prüfling unabhängig von Bürde und Mindestspannung mit 35 mA betrieben werden kann.
Die tatsächliche verfügbare Versorgungsspannung und die zulässigen Lastbedingungen sind weiterhin entscheidend.
Beim Druck UPS4E sind die interne 24-V-Schleifenspeisung und die Mess- beziehungsweise Ausgangsfunktionen für 0 … 24 mA dokumentiert.
Für eine konkrete Lastberechnung darf daraus jedoch nicht ohne weiteres eine bestimmte maximale externe Bürde abgeleitet werden.
Die dazu erforderlichen Angaben sind der jeweiligen Betriebsanleitung beziehungsweise Gerätespezifikation zu entnehmen.
13. 2-Leiter-, 3-Leiter- und 4-Leiter-Messumformer richtig anschließen
Nicht jeder Messumformer mit einem 4–20-mA-Ausgang besitzt dieselbe elektrische Anschlussstruktur.
Bei einem 2-Leiter-Transmitter erfolgt die Energieversorgung über denselben Stromkreis, der das analoge Messsignal überträgt.
Ein solcher Transmitter kann mit der dafür vorgesehenen 24-V-Schleifenspeisung eines geeigneten Kalibrators betrieben werden.
Bei einem 3-Leiter-Transmitter stehen häufig eine Versorgung, ein gemeinsamer Bezugspunkt und ein separater Signalausgang zur Verfügung.
Diese Konstruktion erfordert eine andere Verdrahtung und gegebenenfalls eine gesonderte Versorgung.
Ein 4-Leiter-Messumformer besitzt typischerweise getrennte Versorgungsklemmen und einen entsprechenden Signalausgang.
Dieser Ausgang kann beispielsweise aktiv oder passiv ausgeführt sein.
Die Klemmenbezeichnungen und elektrischen Anforderungen sind gerätespezifisch.
Eine 24-V-Schleifenspeisung darf deshalb nicht allein deshalb angeschlossen werden, weil das Gerät einen 4–20-mA-Ausgang besitzt.
Bei der Prüfung ist festzustellen, ob der Kalibrator eine externe Versorgung ersetzen soll oder lediglich das vorhandene Ausgangssignal misst.
Auch bei einem aktiven 4–20-mA-Ausgang muss überprüft werden, welche Last er treiben kann.
Die entsprechende Bürdenberechnung bezieht sich dann auf die Stromausgangsstufe des Messumformers und nicht automatisch auf die interne Schleifenspeisung des Kalibrators.
14. Den passenden Prüfaufbau mit interner oder externer Versorgung wählen
Für die Kalibrierung muss festgelegt werden, ob der Transmitter mit der internen Versorgung des Kalibrators oder mit der vorhandenen Anlagenversorgung betrieben wird.
Beide Varianten können unterschiedliche elektrische Bedingungen erzeugen.
Bei der Prüfung auf dem Labortisch kann der Messkreis sehr kurz sein und nur aus Kalibrator und Transmitter bestehen.
Im Anlagenbetrieb können dagegen der SPS-Eingang, zusätzliche Widerstände und lange Leitungen hinzukommen.
Ein Transmitter kann deshalb im Labor problemlos 20 mA ausgeben, während er in der realen Anlage aufgrund einer zu hohen Bürde den entsprechenden Ausgangswert nicht mehr erreicht.
Umgekehrt kann eine schwache interne Kalibratorversorgung zu Problemen führen, die mit der ausreichend dimensionierten Anlagenversorgung nicht auftreten.
Die Prüfung muss daher zum tatsächlichen Ziel passen.
Soll ausschließlich die Messkennlinie des Transmitters überprüft werden, ist eine geeignete stabile Versorgung mit ausreichend großer Spannungsreserve sinnvoll.
Soll dagegen die elektrische Funktion des vollständigen Anlagenmesskreises untersucht werden, müssen dessen tatsächliche Lasten und Versorgungsbedingungen berücksichtigt werden.
Bei der Verwendung eines Kalibrators mit interner 24-V-Schleifenspeisung darf keine unzulässige Parallelschaltung mit einer bereits vorhandenen aktiven Versorgung erfolgen.
Das Vorgehen muss der Bedienungsanleitung und dem vorgesehenen sicheren Prüfverfahren entsprechen.
Besonders bei Ex-Messkreisen sind zusätzliche Anschluss- und Geräteanforderungen zu beachten.
15. Spannungsabfälle unter realer Last systematisch messen
Die rechnerische Spannungsbilanz ist eine wichtige Grundlage. Für eine belastbare Fehlerdiagnose sollten die tatsächlichen Spannungen zusätzlich gemessen werden.
Besonders sinnvoll ist die Messung unmittelbar an den Versorgungsklemmen des Transmitters.
Dort lässt sich überprüfen, wie viel Spannung bei einem bestimmten Schleifenstrom tatsächlich zur Verfügung steht.
Wenn der Transmitter beispielsweise mindestens 12 V benötigt und bei 20 mA nur 11,5 V an seinen Anschlussklemmen anliegen, wird die vorgesehene Mindestbetriebsspannung bereits unterschritten.
Eine Messung allein an den Ausgangsklemmen des Kalibrators kann diesen Zustand übersehen.
Auch die Spannung über den einzelnen Lasten kann untersucht werden.
Bei einem ohmschen Messwiderstand lässt sich die erwartete Spannung aus Strom und Widerstand berechnen und mit dem gemessenen Wert vergleichen.
Weicht der Spannungsabfall erheblich ab, kann dies auf einen anderen tatsächlichen Widerstand, eine falsche Verdrahtung oder zusätzliche Übergangswiderstände hinweisen.
Die Spannungsmessung erfolgt bei Gleichstrommesskreisen normalerweise parallel zur betreffenden Komponente.
Die Strommessung benötigt dagegen eine entsprechend geeignete serielle Einbindung.
Beide Anschlussarten dürfen nicht verwechselt werden.
Besonders bei der Fehlersuche muss darauf geachtet werden, dass die Messung den Stromkreis nicht unbeabsichtigt verändert oder kurzschließt.
Es sollten geeignete, für die auftretenden Spannungen und den Einsatzort zugelassene Prüfmittel verwendet werden.
16. 4 mA, 12 mA, 20 mA und Überbereich getrennt untersuchen
Ein vollständiger Schleifentest sollte nicht ausschließlich bei 4 mA oder 12 mA durchgeführt werden.
Der Spannungsabfall an ohmschen Lasten steigt proportional zum Strom.
Die größten Anforderungen an die Versorgung treten daher in vielen Anwendungen bei hohen Schleifenströmen auf.
Für einen linearen 4–20-mA-Transmitter sind typische Prüfpunkte beispielsweise 4, 8, 12, 16 und 20 mA.
Diese decken 0, 25, 50, 75 und 100 % des eingestellten Messbereichs ab.
Zur Bewertung der Spannungsreserve ist zusätzlich der höchste tatsächlich vorgesehene Ausgangsstrom relevant.
Dieser kann aufgrund einer Überbereichsausgabe oder Fehlerstromsignalisierung oberhalb von 20 mA liegen.
Je nach Parametrierung kommen dabei beispielsweise 21 oder 22 mA infrage.
Die genaue Grenze darf nicht pauschal angenommen werden, sondern muss dem verwendeten Transmitter entnommen werden.
Ist die Last zu hoch, können gerade die oberen Prüfpunkte abweichende Ergebnisse zeigen.
Besonders verdächtig ist eine Stromanzeige, die bei niedrigen Werten korrekt steigt, bei hohen Werten aber eine erkennbare Begrenzung erreicht.
Ein solches Verhalten kann auf eine unzureichende Spannungsreserve hinweisen.
Es kann allerdings auch andere Ursachen besitzen, beispielsweise eine falsche Ausgangsskalierung oder einen Defekt der Ausgangsstufe.
Deshalb sollte die tatsächlich am Transmitter anliegende Spannung bei den relevanten Prüfpunkten mit erfasst werden.
17. Versorgungsstabilität, Batterie und dynamisches Verhalten prüfen
Portable Prozesskalibratoren werden häufig mit Batterien oder Akkumulatoren betrieben.
Die verfügbare Betriebsdauer hängt von den verwendeten Funktionen und der elektrischen Last ab.
Eine eingeschaltete 24-V-Schleifenversorgung kann wesentlich mehr Energie benötigen als eine reine passive Strommessung.
Deshalb geben manche Hersteller unterschiedliche Betriebsdauern für die jeweiligen Funktionen an.
Beim Druck DPI802 werden beispielsweise längere Betriebszeiten im reinen Messbetrieb als bei Verwendung der internen 24-V-Versorgung dokumentiert.
Ein schwächer werdender Ladezustand darf jedoch nicht pauschal als unmittelbarer Spannungsabfall am Ausgang interpretiert werden.
Viele Geräte besitzen entsprechend geregelte interne Spannungsversorgungen.
Ob und wie sich die verfügbare Ausgangsleistung bei niedriger Batteriekapazität verändert, ist gerätespezifisch.
Für anspruchsvolle Prüfungen sollten deshalb die vorgesehenen Betriebsbedingungen der Kalibratorspezifikation eingehalten werden.
Auch der zeitliche Verlauf ist zu beachten.
Wenn ein Transmitter beim Einschalten kurzzeitig einen anderen Strom aufnimmt oder zusätzliche Funktionen aktiviert, können vorübergehende Belastungszustände entstehen.
Ebenso können schnelle Stromänderungen die Spannungsreserve kurzfristig stärker beanspruchen.
Für einen reproduzierbaren Kalibrierablauf muss das System nach dem Einschalten und nach Änderungen des Prüfpunkts ausreichend stabilisiert werden.
Die notwendige Zeit hängt vom Prüfling, Kalibrator und der jeweiligen Messaufgabe ab.
18. Referenzgenauigkeit und Messunsicherheit der Kalibrierung bewerten
Eine elektrische Kalibrierung benötigt geeignete Referenzmessmittel mit ausreichend geringer Messunsicherheit.
Die Genauigkeitsangabe eines Prozesskalibrators ist dabei eine wichtige Grundlage.
Sie beschreibt jedoch nicht automatisch die Messunsicherheit der vollständigen Kalibrierung.
Zusätzliche Einflüsse können durch den Prüfling, seine Stabilität, die elektrische Versorgung, Kontaktwiderstände und die tatsächlichen Prüfbedingungen entstehen.
Bei einer Transmitterkalibrierung ist zunächst zu unterscheiden, welche Messgröße bewertet werden soll.
Wird beispielsweise ein Drucktransmitter geprüft, müssen der Referenzdruck und der ausgegebene Strom gemeinsam betrachtet werden.
Die Strommessunsicherheit des Kalibrators ist dann nur ein Bestandteil des gesamten Unsicherheitsbudgets.
Ein Problem mit der Versorgungsspannung darf nicht mit einer normalen Messabweichung innerhalb der Kalibriertoleranz verwechselt werden.
Erreicht der Transmitter wegen unzureichender Spannungsversorgung seinen vorgesehenen Stromwert nicht, befinden sich die Prüfbedingungen möglicherweise außerhalb seiner Spezifikation.
Eine solche Messung sollte nicht ohne entsprechende Bewertung als gültiger Kalibrierpunkt behandelt werden.
Für die Dokumentation ist es deshalb hilfreich, die verwendete Versorgung und die vorhandene Bürde anzugeben.
Auch der Kalibrierstatus der eingesetzten Referenzmessmittel muss nachvollziehbar sein.
Ob eine Werkskalibrierung, ISO-Kalibrierung oder DAkkS-Kalibrierung erforderlich ist, hängt von den technischen und qualitätssichernden Anforderungen der Messaufgabe ab.
Für die Bewertung einer Messunsicherheit sollten die verwendeten Genauigkeitsangaben korrekt interpretiert werden.
Eine Spezifikation in Prozent des Messwerts ist beispielsweise anders zu bewerten als eine Angabe in Prozent des Messbereichsendwerts.
Auch zusätzliche Digits, Temperaturkoeffizienten und Langzeitstabilität können relevant sein.
19. Verpolung, Fremdspeisung und Ex-Anforderungen berücksichtigen
Bei der Arbeit an 4–20-mA-Stromschleifen sind die elektrischen Betriebs- und Sicherheitsgrenzen der Geräte einzuhalten.
Besonders bei einer Prüfung im Feld kann ein Messkreis bereits von einer externen Versorgung gespeist werden.
Wird zusätzlich die interne 24-V-Versorgung des Kalibrators ohne geeignete Schaltung angeschlossen, kann eine unzulässige Verbindung aktiver Spannungsquellen entstehen.
Auch die Polarität muss beachtet werden.
Eine falsche Verdrahtung kann dazu führen, dass der Transmitter nicht startet oder eine Schutzfunktion anspricht.
Ob daraus ein Geräteschaden entstehen kann, hängt von den vorhandenen Schutzschaltungen und zulässigen elektrischen Grenzen ab.
Vor dem Anschluss des Kalibrators müssen deshalb die Versorgungssituation und die Klemmenbelegung eindeutig festgestellt werden.
Besondere Anforderungen gelten für explosionsgefährdete Bereiche.
Eine normale 24-V-Schleifenversorgung eines Kalibrators darf nicht automatisch in einem eigensicheren Stromkreis verwendet werden.
Auch wenn ein Kalibrator eine Ex-Ausführung besitzt, müssen die zulässigen elektrischen Parameter und die vorgesehene Anschlussart berücksichtigt werden.
Bei eigensicheren Messkreisen sind unter anderem die jeweiligen Anschlusskennwerte und die erforderlichen Nachweise der Eigensicherheit relevant.
Der Druck UPS4E ist beispielsweise auch als eigensichere UPS4E-IS-Ausführung erhältlich.
Ebenso stehen bei anderen Prozesskalibratoren entsprechende Ex-Versionen zur Verfügung.
Die Verwendung einer Ex-Ausführung ersetzt jedoch nicht die Prüfung der konkreten Messkreisbedingungen.
Auch die Schutzfunktionen des vorhandenen Prozesses müssen berücksichtigt werden.
Eine aktive Stromsimulation kann beispielsweise einen SPS-Eingang beeinflussen, der mit einer Regel- oder Alarmfunktion verbunden ist.
Solche Prüfungen dürfen deshalb nur nach dem für die Anlage vorgesehenen sicheren Verfahren erfolgen.
20. Einen systematischen Prüf- und Kalibrierablauf durchführen
Die Prüfung einer 24-V-Schleifenspeisung sollte nicht allein aus der Kontrolle des ausgegebenen Stroms bestehen.
Für eine vollständige Bewertung sind die tatsächliche Versorgungsspannung, alle relevanten Lasten und der Strombereich des Transmitters zu berücksichtigen.
Der folgende Ablauf beschreibt eine allgemeine technische Prüfreihenfolge. Die konkrete Durchführung richtet sich nach den Herstellerunterlagen und den Sicherheitsanforderungen der Anlage.
- Prüfaufgabe definieren: Festlegen, ob ein Transmitter kalibriert, ein SPS-Eingang getestet oder die vollständige Stromschleife untersucht werden soll.
- Prüfling identifizieren: Transmittertyp, Ausgangssignal, elektrische Anschlüsse und zulässigen Versorgungsbereich erfassen.
- Messkreisart feststellen: Zwischen 2-Leiter-, 3-Leiter- und 4-Leiter-Geräten sowie aktiven und passiven Signalausgängen unterscheiden.
- Versorgungssituation prüfen: Feststellen, ob der Messkreis bereits extern versorgt wird oder die interne Schleifenspeisung des Kalibrators benötigt wird.
- Kalibrator auswählen: Geeignete Betriebsarten, 24-V-Funktion, Strommessbereich, Lastgrenzen und Genauigkeit prüfen.
- Stromlaufplan kontrollieren: Alle tatsächlich seriell wirksamen Lasten und die vorgesehenen Anschlussklemmen identifizieren.
- Bürde erfassen: SPS-Eingänge, externe Messwiderstände, HART-Widerstände und Leitungswiderstände berücksichtigen.
- Eigenbürde berücksichtigen: Die Spannungsbelastung durch gegebenenfalls zusätzlich eingeschleifte Strommessgeräte bewerten.
- Spannungsreserve berechnen: Die verbleibende Spannung am Transmitter für den maximal erforderlichen Schleifenstrom bestimmen.
- HART-Konfiguration kontrollieren: Prüfen, ob ein geeigneter Lastwiderstand vorhanden ist und ob zusätzliche Widerstände tatsächlich benötigt werden.
- Prüfaufbau herstellen: Die Geräte nach dem vorgesehenen Anschlussplan und unter sicheren Bedingungen verbinden.
- Schleifenspannung einschalten: Den vorgesehenen Betriebszustand herstellen und den Start des Transmitters überprüfen.
- Spannung am Transmitter prüfen: Die tatsächliche Betriebsspannung direkt an den entsprechenden Prüflingsklemmen messen.
- Unteren Messpunkt prüfen: Das Verhalten bei 4 mA beziehungsweise am Messbereichsanfang bewerten.
- Weitere Prüfpunkte erfassen: Geeignete Zwischenwerte und den Messbereichsendwert prüfen.
- Maximalen Strom bewerten: Soweit für die Anwendung relevant und freigegeben, auch Überbereichs- beziehungsweise Fehlerstrombedingungen berücksichtigen.
- Stabilität beurteilen: Versorgungsspannung, Ausgangsstrom und Messwertverhalten unter den vorgesehenen Lastbedingungen dokumentieren.
- Fehlerursache eingrenzen: Bei Abweichungen Spannungsversorgung, Bürde, Kalibrator und Transmitterfunktion getrennt untersuchen.
- Prüfung wiederholen: Nach einer zulässigen Korrektur die relevanten Prüfpunkte erneut unter definierten Bedingungen überprüfen.
- Ergebnisse dokumentieren: Versorgung, Last, Prüfpunkte, Referenzen, Messunsicherheit und gegebenenfalls festgestellte Abweichungen festhalten.
Besonders wichtig ist die Prüfung bei hohen Strömen.
Ein erfolgreicher Test bei 4 mA beweist nicht automatisch, dass die Versorgung auch bei 20 mA oder einem vorgesehenen Überbereichsstrom ausreichend ist.
Ebenso bedeutet ein korrekt angezeigter Strom am Kalibrator nicht zwangsläufig, dass an allen angeschlossenen Geräten ausreichend Betriebsspannung anliegt.
Der tatsächliche Spannungszustand ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Messkreisdiagnose.
21. Typische Fehlerbilder und ihre Ursachen diagnostizieren
Eine unzureichende Spannungsreserve kann ähnliche Symptome verursachen wie ein fehlerhafter Transmitter oder eine falsche Parametrierung.
Die folgende Übersicht zeigt typische Beobachtungen und geeignete Diagnoseansätze.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Transmitter startet nicht | Keine Versorgung, falsche Anschlussart oder Verpolung | Betriebsart, Anschlussbelegung und Spannung direkt am Transmitter kontrollieren |
| 4 mA werden korrekt ausgegeben, 20 mA nicht erreicht | Unzureichende Spannungsreserve bei hoher Bürde | Spannungsabfall bei hohem Schleifenstrom messen |
| Strom bleibt bei etwa 18–19 mA stehen | Ausgangsbegrenzung, zu hohe Bürde oder falsche Skalierung | Spannung am Transmitter, Last und Konfiguration getrennt prüfen |
| Messkreis arbeitet nach Zuschalten des HART-Widerstands nicht mehr korrekt | Zusätzlicher 250-Ω-Widerstand überschreitet das Spannungsbudget | Wirksame Last und Notwendigkeit des zusätzlichen Widerstands untersuchen |
| Strom ist im Labor korrekt, in der Anlage jedoch nicht | Zusätzliche SPS-Bürde, Leitungen oder andere Lasten | Vollständige Anlagenverschaltung mit dem Laboraufbau vergleichen |
| Strom verändert sich nach Einschleifen eines zweiten Messgeräts | Zusätzliche Eigenbürde des Messgeräts | Spannungsabfall des eingeschleiften Prüfmittels bewerten |
| Kalibrator meldet eine Überlast oder schaltet die Schleifenspeisung ab | Grenze der internen Versorgung erreicht oder Verdrahtungsfehler | Ausgangsdaten, Stromaufnahme und elektrische Verbindung prüfen |
| Schleifenstrom ist instabil | Grenzwertige Versorgung, Kontaktprobleme oder instabiler Prüfling | Versorgungs- und Stromverlauf unter Last aufzeichnen |
| HART-Kommunikation funktioniert nicht, analoger Strom ist korrekt | Ungeeignete Kommunikationslast, Anschluss oder Parametrierung | HART-Impedanz, Verbindung und Kommunikationskonfiguration untersuchen |
| Kalibrator simuliert keinen Strom in der bestehenden Anlage | Aktive und passive Betriebsart verwechselt | Externe Versorgung und gewählte Simulatorfunktion prüfen |
| Stromwert ist korrekt, SPS-Anzeige jedoch falsch | Falsche Skalierung oder ungeeigneter Eingang | Stromeingang und SPS-Skalierung getrennt prüfen |
| Kalibrierergebnis verändert sich nach Austausch der Prüfleitungen | Kontakt- oder Leitungsproblem, möglicherweise andere Spannungsreserve | Prüfleitungen und Anschlüsse kontrollieren |
Die aufgeführten Ursachen sind Diagnosehinweise und keine eindeutigen Fehlernachweise.
Besonders bei einem Transmitter, der den oberen Stromwert nicht erreicht, sollte zuerst die tatsächlich verfügbare Spannung geprüft werden.
Eine Veränderung der Transmitterkalibrierung kann die Ursache möglicherweise nicht beseitigen, wenn der Messkreis außerhalb der elektrischen Betriebsbedingungen arbeitet.
Für eine sichere Beurteilung müssen die Fehlerursachen deshalb systematisch getrennt werden.
22. Passende Stromschleifen- und Prozesskalibratoren von ICS Schneider
22.1 Druck UPS4E: Kompakter Stromschleifenkalibrator mit 24-V-Versorgung
Der Druck UPS4E ist ein kompakter Kalibrator für die Prüfung und Fehlersuche an 4–20-mA-Stromschleifen.
Das Gerät kann elektrische Ströme im Bereich von 0 … 24 mA messen beziehungsweise ausgeben.
Die dokumentierte Genauigkeit beträgt bei entsprechenden Bereichen ±0,01 % vom Messwert zuzüglich der spezifizierten Zählungen.
Eine integrierte 24-V-Schleifenversorgung ermöglicht die Prüfung geeigneter 2-Leiter-Transmitter ohne separate Spannungsquelle.
Zusätzlich besitzt der UPS4E einen integrierten 250-Ω-Widerstand zur Unterstützung von HART-Anwendungen.
Die Funktionen zur Strommessung und Stromausgabe werden durch automatische Schritt-, Rampen- und weitere Prüfprogramme ergänzt.
Für Servicearbeiten ist außerdem die Spannungsmessfunktion bis ±30 V DC interessant.
Damit lassen sich vorhandene Versorgungsspannungen und bestimmte Spannungsabfälle untersuchen.
Das Gerät verfügt außerdem über einen Datenlogger mit einer Kapazität von bis zu 100.000 Messwerten.
Der UPS4E ist damit besonders für die Prüfung einzelner Prozessstromschleifen, die Fehlersuche in der Instandhaltung und die Überprüfung von SPS-Eingängen geeignet.
Für die Berechnung einer maximal zulässigen Bürde müssen die spezifizierten Grenzen der verwendeten Versorgung beziehungsweise Ausgangsbetriebsart berücksichtigt werden.
Die 24-V-Nennfunktion allein reicht dafür nicht aus.
Für explosionsgefährdete Bereiche steht außerdem die eigensichere UPS4E-IS-Ausführung zur Verfügung.
22.2 Druck DPI620G Genii: Multifunktionskalibrator mit Schleifenversorgung
Der Druck DPI620G Genii ist ein modularer Prozesskalibrator für elektrische, temperatur- und druckbezogene Kalibrieraufgaben.
Je nach Geräteausführung kann er unter anderem Strom, Spannung, Widerstand, Thermoelement- und RTD-Signale sowie Frequenzgrößen messen beziehungsweise simulieren.
Für die Prüfung geeigneter 2-Leiter-Transmitter stehen entsprechende Schleifenversorgungsfunktionen zur Verfügung.
Die DPI620G-Plattform unterstützt abhängig von Konfiguration und Betriebsart eine interne 24-/28-V-Versorgung.
Für die tatsächliche Anwendung müssen die gewählte Spannung, der maximal verfügbare Strom und die entsprechende Belastbarkeit geprüft werden.
Zusätzlich sind je nach Variante HART- und weitere digitale Kommunikationsfunktionen verfügbar.
Dadurch können analoge Ausgangssignale und digitale Geräteparameter im Rahmen einer Prüfaufgabe gemeinsam untersucht werden.
Der DPI620G ist besonders interessant, wenn unterschiedliche Transmittertypen geprüft werden und zusätzlich zu 4–20 mA weitere elektrische Prozesssignale erzeugt oder gemessen werden müssen.
In Kombination mit geeigneten Druckmodulen und Druckstationen kann die Plattform für umfangreiche Druckkalibrierungen erweitert werden.
22.3 Druck DPI610E: Druckkalibrierung und elektrische Schleifenprüfung in einem Gerät
Der Druck DPI610E kombiniert Druckerzeugung, Druckreferenz und elektrische Kalibrierfunktionen in einem portablen Gerät.
Je nach Ausführung stehen pneumatische Messbereiche bis 35 bar sowie hydraulische Varianten bis 1.000 bar zur Verfügung.
Der DPI610E unterstützt die Messung elektrischer Ausgangssignale von Prozessdrucktransmittern und bietet integrierte Versorgungsfunktionen für entsprechende Prüfaufbauten.
Die Herstellerunterlagen beschreiben unter anderem eine interne 24-V-Versorgung für geeignete elektrische Messfunktionen.
Außerdem besitzt der DPI610E HART-Kommunikationsfunktionen und Möglichkeiten zur Dokumentation von Kalibrierergebnissen.
Besonders für die Prüfung eines 2-Leiter-Drucktransmitters ist die Kombination hilfreich, weil ein definierter Prüfdruck erzeugt und gleichzeitig das Ausgangssignal kontrolliert werden kann.
Die elektrische Spannungsreserve muss auch hier berücksichtigt werden.
Ein korrekter Referenzdruck allein stellt nicht sicher, dass der angeschlossene Transmitter unter einer zu hohen elektrischen Bürde seinen vorgesehenen Ausgangsstrom erreicht.
Für Ex-Anwendungen ist der DPI610E auch in entsprechenden eigensicheren Ausführungen erhältlich.
22.4 Druck DPI802: Handmessgerät mit 24-V-Schleifenspeisung und HART-Widerstand
Der Druck DPI802 kombiniert Druckmessung und elektrische Prüfaufgaben.
Das Gerät unterstützt die gleichzeitige Messung von Druck und mA.
Für die Prüfung von 2-Leiter-Transmittern ist eine integrierte Schleifenversorgung vorhanden.
Die Herstellerdokumentation spezifiziert hierfür 24 V ±10 % bei einem maximalen Versorgungsstrom von 35 mA.
Zusätzlich kann ein interner 250-Ω-HART-Widerstand zugeschaltet werden.
Dieser ist bei der Beurteilung der vollständigen Bürde des Messkreises zu berücksichtigen, wenn er in der jeweiligen Anschlusskonfiguration zusätzlich wirksam ist.
Der DPI802 besitzt eine Strommessfunktion mit einem dokumentierten Bereich bis 55 mA.
Er eignet sich damit insbesondere für Service- und Kalibrieraufgaben an Prozessdrucktransmittern.
Für die Spannungsbilanz ist zu beachten, dass die Toleranz der internen Versorgung und der verwendete Schleifenstrom die verfügbare Spannungsreserve beeinflussen.
Der DPI802 kann deshalb sowohl zur eigentlichen Transmitterkalibrierung als auch zur gezielten Überprüfung von Versorgungsproblemen eingesetzt werden.
22.5 WIKA CPH7000: Portabler Prozesskalibrator für Druck- und elektrische Prüfaufgaben
Der WIKA CPH7000 ist ein portabler Prozesskalibrator für die Prüfung von Druckmessgeräten, Drucktransmittern und weiteren geeigneten Prozessinstrumenten.
Je nach Konfiguration sind eine integrierte Druckreferenz und eine manuelle Druckerzeugung verfügbar.
Die Druckerzeugung umfasst den Bereich von ungefähr −0,85 … +25 bar.
Das Gerät bietet elektrische Mess- und Ausgangsfunktionen für 0 … 24 mA sowie eine 24-V-DC-Versorgung.
Damit können geeignete Transmitter elektrisch versorgt und ihre Ausgangssignale im Rahmen einer Kalibrieraufgabe überprüft werden.
Der CPH7000 besitzt außerdem Funktionen zur Erstellung und Durchführung von Kalibrierroutinen sowie zur Speicherung von Messdaten.
Die Daten können über die vorgesehenen Schnittstellen für eine spätere Auswertung und Dokumentation übertragen werden.
Für anspruchsvolle Druckkalibrierungen steht eine Genauigkeit bis 0,025 % FS zur Verfügung.
Eine entsprechende Ex-Ausführung ermöglicht den Einsatz unter dafür zugelassenen Bedingungen.
Auch beim CPH7000 müssen die elektrischen Lastgrenzen und die tatsächlichen Versorgungsbedingungen des angeschlossenen Messkreises berücksichtigt werden.
Weitere geeignete Geräte sind in der Kategorie Prozesskalibratoren / Elektrische Kalibratoren sowie im Bereich Kalibriertechnik bei ICS Schneider erhältlich.
23. Fazit: Die Spannungsreserve zählt, nicht nur die 24-V-Anzeige
Eine integrierte 24-V-Schleifenspeisung ist eine praktische Funktion moderner Prozesskalibratoren.
Sie ermöglicht die Prüfung geeigneter 2-Leiter-Transmitter ohne separate Spannungsquelle und vereinfacht viele Service- und Kalibrieraufgaben.
Für eine zuverlässige Bewertung genügt jedoch nicht die Feststellung, dass der Kalibrator eine 24-V-Funktion besitzt.
Entscheidend ist, welche Spannung am Transmitter unter der tatsächlichen Last verbleibt.
SPS-Eingänge, HART-Widerstände, Leitungen und Strommessgeräte können einen erheblichen Teil der Versorgungsspannung beanspruchen.
Besonders bei hohen Schleifenströmen kann dadurch die notwendige Spannungsreserve verloren gehen.
Ein Messkreis, der bei 4 mA funktioniert, muss nicht zwangsläufig auch bei 20 mA oder einem vorgesehenen Überbereichsstrom zuverlässig arbeiten.
Die maximale externe Bürde ist deshalb aus der tatsächlich verfügbaren Versorgungsspannung, der Mindestbetriebsspannung des Transmitters und dem höchsten erforderlichen Strom zu bestimmen.
Auch die Eigenbürde des Kalibrators und die gerätespezifischen Grenzen der internen Schleifenversorgung müssen berücksichtigt werden.
Für eine vollständige Diagnose sind die Spannungen direkt am Transmitter und gegebenenfalls an den einzelnen Lasten zu messen.
Erst wenn die elektrischen Betriebsbedingungen erfüllt sind, lässt sich die eigentliche Messabweichung eines Transmitters zuverlässig beurteilen.
Messkreisart feststellen → Versorgung des Kalibrators prüfen → Transmitter-Mindestspannung bestimmen → Sämtliche Bürden erfassen → Maximalen Schleifenstrom festlegen → Spannungsreserve berechnen → HART-Widerstand und Eigenbürde berücksichtigen → Spannung unter Last messen → 4–20-mA-Prüfpunkte verifizieren → Überbereich prüfen → Messunsicherheit bewerten → Ergebnisse dokumentieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Eine 24-V-Schleifenspeisung garantiert noch keine ausreichende Betriebsspannung am Prüfling. Maßgeblich ist die verbleibende Spannung nach Abzug aller tatsächlichen Lasten des Messkreises.
24. Häufige Fragen zur 24-V-Schleifenspeisung am Kalibrator
24.1 Was bedeutet 24-V-Schleifenspeisung bei einem Kalibrator?
Ein Kalibrator mit 24-V-Schleifenspeisung kann unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen eine geeignete 2-Leiter-Stromschleife elektrisch versorgen. Damit lassen sich entsprechende Transmitter auch ohne externe 24-V-Versorgung prüfen.
24.2 Liegen am angeschlossenen Transmitter immer 24 V an?
Nein. Die tatsächlich verfügbare Spannung hängt von der Ausgangsspannung unter Last und den Spannungsabfällen im Messkreis ab. SPS-Eingänge, Messwiderstände, Leitungen und gegebenenfalls eingeschleifte Prüfgeräte reduzieren die am Transmitter verbleibende Spannung.
24.3 Was ist die Bürde einer 4–20-mA-Stromschleife?
Die Bürde beschreibt die elektrische Last, die der Stromkreis beziehungsweise die Stromausgangsstufe treiben muss. Bei einem ohmschen Widerstand ergibt sich der zugehörige Spannungsabfall aus dem Produkt von Schleifenstrom und Widerstand.
24.4 Wie viel Spannung fällt an einem 250-Ω-Widerstand bei 20 mA ab?
Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt sich U = 0,020 A · 250 Ω = 5 V. Bei 4 mA beträgt der Spannungsabfall nur 1 V. Deshalb steigt die erforderliche Versorgungsspannung für die externen Lasten mit dem Schleifenstrom.
24.5 Wie berechne ich die maximal zulässige Bürde bei 24 V?
Für ein vereinfachtes ohmsches Modell wird die Mindestbetriebsspannung des Transmitters von der verfügbaren Versorgungsspannung abgezogen. Die verbleibende Spannung wird durch den maximal erforderlichen Schleifenstrom geteilt. Zusätzliche Spannungsreserven und nicht ohmsche Spannungsabfälle müssen gegebenenfalls separat berücksichtigt werden.
24.6 Warum erreicht mein Transmitter bei einer Kalibrierung keine 20 mA?
Eine mögliche Ursache ist eine zu hohe Bürde bei unzureichender Spannungsversorgung. Auch eine falsche Skalierung, eine fehlerhafte Stromausgangsstufe oder andere Geräteprobleme können infrage kommen. Die Spannung direkt am Transmitter sollte bei hohem Strom geprüft werden.
24.7 Warum funktioniert die Stromschleife bei 4 mA, aber nicht bei 20 mA?
Bei ohmschen Lasten steigt der Spannungsabfall proportional zum Strom. Bei 20 mA wird deshalb deutlich mehr Versorgungsspannung beansprucht als bei 4 mA. Wenn die Mindestbetriebsspannung des Transmitters unterschritten wird, kann die Stromregelung ihre Funktion verlieren.
24.8 Warum muss ich auch den Überbereich bei 21 oder 22 mA berücksichtigen?
Bestimmte Transmitter können entsprechend ihrer Konfiguration Ausgangsströme oberhalb von 20 mA für Überbereichs- oder Fehlerzustände verwenden. Wenn diese Zustände zuverlässig übertragen werden sollen, muss die Spannungsbilanz auch für den höchsten dafür vorgesehenen Strom ausreichend sein.
24.9 Welche Aufgabe hat ein 250-Ω-HART-Widerstand?
Er trägt dazu bei, geeignete elektrische Last- beziehungsweise Impedanzbedingungen für die HART-Kommunikation zu schaffen. Wirkt er zusätzlich als Serienwiderstand, verursacht er auch einen Gleichspannungsabfall und beeinflusst die verfügbare Spannungsreserve.
24.10 Muss ich immer einen zusätzlichen HART-Widerstand einsetzen?
Nein. In manchen Messkreisen ist bereits eine geeignete Last vorhanden, beispielsweise im SPS-Eingang. Ob ein zusätzlicher Widerstand erforderlich ist, hängt von den tatsächlichen elektrischen Bedingungen und den Anforderungen der HART-Geräte ab.
24.11 Was bedeutet die Eigenbürde eines Kalibrators?
Eine in Reihe eingeschleifte Strommessfunktion kann selbst einen Spannungsabfall erzeugen. Dieser wird als Eigenbürde beziehungsweise Burden Voltage bezeichnet. Er muss bei einer vollständigen Spannungsbilanz berücksichtigt werden, sofern er nicht bereits durch die verwendete Gerätespezifikation erfasst ist.
24.12 Kann ich die interne 24-V-Schleifenspeisung zusammen mit einer externen Versorgung verwenden?
Eine solche Verbindung darf nicht ohne passende, ausdrücklich vorgesehene Schaltung hergestellt werden. Die unzulässige Zusammenschaltung aktiver Versorgungen kann zu Fehlfunktionen oder Schäden führen. Die korrekte Betriebsart und Verdrahtung müssen der Bedienungsanleitung entsprechen.
24.13 Ist eine aktive mA-Ausgabe dasselbe wie die 24-V-Schleifenspeisung?
Nein. Bei der aktiven mA-Ausgabe regelt der Kalibrator selbst einen Strom für eine geeignete Last. Die Schleifenspeisung stellt dagegen die erforderliche elektrische Versorgung für einen angeschlossenen, entsprechend geeigneten Transmitter bereit. Die Funktionen können unterschiedliche elektrische Lastgrenzen besitzen.
24.14 Kann eine lange Anschlussleitung die Stromschleife beeinflussen?
Ja. Der Leitungswiderstand erzeugt einen zusätzlichen Spannungsabfall. Entscheidend ist die vollständige Länge von Hin- und Rückleiter sowie deren Querschnitt und Material. Bei langen Leitungen, kleinen Querschnitten oder zusätzlichen Kontaktwiderständen kann dieser Einfluss relevant werden.
24.15 Wie kann ich feststellen, ob die Schleifenspeisung zu schwach ist?
Eine wichtige Prüfung ist die Messung der tatsächlichen Betriebsspannung direkt am Transmitter bei verschiedenen Schleifenströmen. Besonders aussagekräftig sind der Messbereichsendwert und der höchste vorgesehene Strom. Die Werte werden mit der erforderlichen Mindestbetriebsspannung und den Herstellerdaten verglichen.
24.16 Welche Angaben muss ich bei der Kalibrierung dokumentieren?
Neben den eigentlichen Messwerten sollten der verwendete Kalibrator, Prüfling, Anschlussart, Versorgungsbedingungen, die relevanten Bürden und der Kalibrierstatus der Referenzen erfasst werden. Bei einer Untersuchung von Spannungsproblemen sind zusätzliche Spannungsmesswerte unter Last besonders hilfreich.
24.17 Welche Kalibratoren von ICS Schneider besitzen eine 24-V-Schleifenversorgung?
Im ICS-Sortiment stehen unter anderem der Druck UPS4E, der DPI802, der DPI620G Genii, der DPI610E und der WIKA CPH7000 mit entsprechenden Schleifenversorgungsfunktionen zur Verfügung. Die konkret verfügbaren Spannungen, Stromgrenzen und elektrischen Betriebsarten hängen von der jeweiligen Geräteausführung ab.
24.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl des richtigen Kalibrators?
Benötigt werden der Prüflingstyp, die Messkreisart, das Ausgangssignal und der erforderliche Strombereich. Zusätzlich sind die Mindestbetriebsspannung des Transmitters, vorhandene Bürden, SPS-Eingangswiderstände, Leitungsbedingungen und gegebenenfalls HART-Kommunikation wichtig. Für die Auswahl des Kalibrators werden außerdem Anforderungen an interne Schleifenspeisung, aktive Stromausgabe, passive Simulation, Spannungsmessung, Genauigkeit, Kalibrierunsicherheit, Datenspeicherung, Dokumentation und gegebenenfalls Ex-Zulassung benötigt. Wenn zusätzlich Druck- oder Temperatursignale geprüft werden sollen, müssen auch diese Messgrößen und die erforderlichen Referenzbereiche angegeben werden.