Ein 2-Leiter-Transmitter besitzt nur zwei elektrische Anschlussleitungen. Über genau diese beiden Leitungen wird das Feldgerät mit Energie versorgt und gleichzeitig sein Messwert als 4–20-mA-Stromsignal übertragen. Diese einfache und robuste Technik ist einer der Gründe, warum 2-Leiter-Transmitter in der Prozessindustrie so weit verbreitet sind.
Bei der Prüfung mit einem Prozess- oder Stromschleifenkalibrator führt genau dieses Prinzip jedoch häufig zu Verwechslungen. Moderne Kalibratoren können Strom messen, Strom aktiv ausgeben, einen schleifengespeisten Transmitter simulieren und selbst eine 24-V-Schleifenspannung bereitstellen. Die Funktionen sehen auf dem Display ähnlich aus, erfüllen elektrisch aber völlig unterschiedliche Aufgaben.
Wer einen vorhandenen 2-Leiter-Transmitter prüfen möchte, muss dessen tatsächlichen Ausgangsstrom messen und gleichzeitig sicherstellen, dass der Transmitter ausreichend versorgt wird. Soll dagegen nur der SPS-Eingang geprüft werden, wird der reale Transmitter häufig aus der Messkette entfernt und durch ein definiertes mA-Signal des Kalibrators ersetzt.
Auch der Begriff „Simulieren“ ist nicht eindeutig. Ein Prozesskalibrator kann beispielsweise einen Pt100 simulieren, um den Eingang eines Temperaturtransmitters zu prüfen. Er kann aber auch einen kompletten 2-Leiter-Transmitter simulieren und sich gegenüber einer vorhandenen 24-V-Stromschleife wie ein stromregelndes Feldgerät verhalten. Das sind zwei völlig unterschiedliche Prüfaufgaben.
Hinzu kommt die Schleifenspeisung. Ein schleifengespeister 2-Leiter-Transmitter kann ohne Versorgungsspannung keinen gültigen 4–20-mA-Strom erzeugen. Auf der Werkbank ist deshalb häufig die integrierte 24-V-Loop-Power-Funktion des Kalibrators erforderlich. In einer laufenden Anlage kann dagegen bereits eine SPS, ein Speisetrenner oder eine separate Spannungsversorgung die Schleife speisen.
Wird nicht zuerst geklärt, welche Versorgung bereits vorhanden ist, können zwei aktive Spannungsquellen gegeneinander geschaltet werden oder eine eigentlich passive Stromschleife bleibt vollständig stromlos.
Die zentrale Aussage lautet: Zum Prüfen eines 2-Leiter-Transmitters wird sein Ausgangsstrom gemessen und der Transmitter gleichzeitig korrekt versorgt. „mA geben“ und „Transmitter simulieren“ prüfen dagegen in erster Linie die nachgeschaltete Stromschleife beziehungsweise den SPS-Eingang – nicht den realen Transmitter.
Inhaltsverzeichnis
- Wie funktioniert ein 2-Leiter-Transmitter?
- Messen, Geben, Simulieren und Loop Power unterscheiden
- Wann wird mA gemessen?
- Wann wird die 24-V-Schleifenspeisung benötigt?
- Was bedeutet mA Source beziehungsweise Strom geben?
- Was bedeutet mA Simulation beziehungsweise Sink?
- Sensorsimulation und Transmittersimulation nicht verwechseln
- Der richtige Prüfaufbau für einen 2-Leiter-Transmitter
- Warum zum Kalibrieren auch ein Eingangssignal benötigt wird
- Eine 5-Punkt-Prüfung richtig durchführen
- Messabweichung richtig berechnen
- Verfügbare Schleifenspannung und Bürde prüfen
- HART und 250-Ω-Widerstand richtig einsetzen
- Transmitter und SPS-Eingang getrennt prüfen
- Stabilisierung und Messzeit richtig wählen
- Messunsicherheit der gesamten Prüfung betrachten
- As-found und As-left nachvollziehbar dokumentieren
- Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
- Passende Kalibriertechnik von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zur Prüfung von 2-Leiter-Transmittern
1. Wie funktioniert ein 2-Leiter-Transmitter?
Bei einem 2-Leiter-Transmitter dienen dieselben beiden Leiter gleichzeitig zur Energieversorgung des Feldgerätes und zur Übertragung des Messsignals.
Eine typische Stromschleife besteht aus einer Gleichspannungsversorgung, dem 2-Leiter-Transmitter, einem Analogeingang der SPS beziehungsweise des Leitsystems und den verbindenden Leitungen. Alle Komponenten liegen elektrisch in Reihe. Deshalb fließt durch alle Elemente derselbe Schleifenstrom.
Der Transmitter regelt diesen Strom entsprechend seinem Prozessmesswert. Bei einem linearen 4–20-mA-Signal entspricht 4 mA typischerweise dem unteren Messbereichswert und 20 mA dem oberen Messbereichswert.
Ein Drucktransmitter mit 0 … 10 bar liefert beispielsweise idealisiert bei 0 bar 4 mA, bei 5 bar 12 mA und bei 10 bar 20 mA.
Der Transmitter erzeugt dabei normalerweise keine eigene Versorgungsspannung. Er entnimmt die zum Betrieb benötigte Energie aus der Stromschleife und regelt gleichzeitig deren Strom.
Genau diese Eigenschaft muss beim Anschluss eines Kalibrators berücksichtigt werden. Ein ausgebauter 2-Leiter-Transmitter funktioniert auf der Werkbank erst dann, wenn eine geeignete Schleifenspeisung vorhanden ist.
2. Messen, Geben, Simulieren und Loop Power unterscheiden
Ein moderner Prozesskalibrator kann mehrere Stromfunktionen besitzen, die elektrisch nicht gleichbedeutend sind.
| Funktion | Was macht der Kalibrator? | Typische Anwendung |
|---|---|---|
| mA messen | Misst den tatsächlich vorhandenen Strom in einer Stromschleife | Ausgang eines realen Transmitters prüfen |
| mA Source / geben | Erzeugt selbst aktiv einen definierten Strom | Passiven SPS-Eingang, Anzeige oder Regler prüfen |
| mA Simulate / Sink | Regelt den Strom einer extern gespeisten Schleife wie ein 2-Leiter-Transmitter | Realen Transmitter ersetzen und vorhandene Stromschleife prüfen |
| 24 V Loop Power + mA messen | Versorgt den 2-Leiter-Transmitter und misst gleichzeitig dessen Strom | Transmitter auf Werkbank oder ohne Anlagenversorgung prüfen |
| RTD / TC / Ω / mV simulieren | Erzeugt ein Eingangssignal für einen Messumformer | Eingangs- und Übertragungsfunktion eines Temperaturtransmitters prüfen |
Die Auswahl der richtigen Betriebsart beginnt deshalb nicht am Kalibrator, sondern an der Prüfaufgabe.
Die erste Frage lautet: Soll der vorhandene Transmitter geprüft werden oder soll der Kalibrator den Transmitter ersetzen?
Die zweite Frage lautet: Ist bereits eine Schleifenspannung vorhanden?
Erst danach wird die passende Kalibratorfunktion gewählt.
3. Wann wird mA gemessen?
Die mA-Messfunktion wird verwendet, wenn der reale Ausgangsstrom eines vorhandenen Transmitters bestimmt werden soll.
Da in einer Stromschleife derselbe Strom durch alle in Reihe geschalteten Komponenten fließt, wird der Stromkalibrator normalerweise ebenfalls in Reihe eingefügt.
Eine vorhandene Stromschleife muss dafür an einer geeigneten Stelle geöffnet und über den mA-Messeingang des Kalibrators wieder geschlossen werden.
Ein Strommessgerät darf nicht einfach wie ein Spannungsmessgerät parallel über den 2-Leiter-Transmitter angeschlossen werden. Der mA-Eingang besitzt einen wesentlich niedrigeren Innenwiderstand und würde den Stromkreis dadurch erheblich verändern beziehungsweise im ungünstigen Fall nahezu kurzschließen.
Ist die Anlage bereits durch eine 24-V-Versorgung, einen Speisetrenner oder einen aktiven SPS-Eingang versorgt, benötigt der Kalibrator für diese reine Strommessung keine zusätzliche Loop-Power-Funktion.
Er misst lediglich den Strom, den der reale Transmitter in der bestehenden Schleife einstellt.
4. Wann wird die 24-V-Schleifenspeisung benötigt?
Wird ein 2-Leiter-Transmitter außerhalb der Anlage geprüft, fehlt häufig die elektrische Versorgung, die im eingebauten Zustand normalerweise von der Anlage bereitgestellt wird.
Ein Prozess- oder Loop-Kalibrator mit integrierter Schleifenspeisung kann diese Aufgabe übernehmen.
In der Betriebsart Loop Power stellt der Kalibrator typischerweise eine nominale Gleichspannung für die Stromschleife bereit und misst gleichzeitig den vom Transmitter geregelten Strom.
Dadurch entsteht auf der Werkbank eine vollständige kleine 4–20-mA-Stromschleife aus Kalibrator und Prüfling.
Diese Betriebsart ist besonders praktisch, weil keine separate 24-V-Spannungsversorgung benötigt wird.
Sie darf jedoch nicht zusätzlich eingeschaltet werden, wenn die Stromschleife bereits von einem anderen aktiven Gerät gespeist wird, sofern der konkrete Kalibrator und der Prüfaufbau dies nicht ausdrücklich vorsehen.
Zwei Spannungsquellen in derselben Schleife können zu falschen Messwerten, Schutzabschaltungen oder einer unzulässigen elektrischen Belastung führen.
5. Was bedeutet mA Source beziehungsweise Strom geben?
Im Source-Betrieb erzeugt der Kalibrator selbst einen definierten Strom.
Er verhält sich damit nicht wie ein zu prüfender 2-Leiter-Transmitter, sondern wie eine aktive Stromquelle.
Diese Betriebsart ist besonders geeignet, wenn ein passiver Analogeingang getestet werden soll.
Wird beispielsweise ein passiver SPS-Eingang mit 4,000 mA, 12,000 mA und 20,000 mA beaufschlagt, kann geprüft werden, ob die SPS daraus korrekt 0 %, 50 % und 100 % berechnet.
Der reale Prozesssensor und der reale Transmitter sind bei dieser Prüfung nicht beteiligt.
Ein korrekter SPS-Wert beweist deshalb nur, dass Eingangskarte, Verkabelung und Skalierung ab dem Einspeisepunkt korrekt arbeiten.
Besitzt der SPS-Eingang dagegen selbst eine Schleifenspeisung, muss vor der Verwendung des Source-Modus geprüft werden, ob eine aktive Stromquelle überhaupt angeschlossen werden darf. In einem bereits gespeisten Kreis ist häufig der Simulations- beziehungsweise Sink-Betrieb die richtige Wahl.
6. Was bedeutet mA Simulation beziehungsweise Sink?
Im Simulations- oder Sink-Betrieb verhält sich der Kalibrator elektrisch ähnlich wie ein schleifengespeister 2-Leiter-Transmitter.
Der Kalibrator stellt dabei nicht selbst die Schleifenspannung bereit. Eine externe Spannungsquelle speist den Kreis, während der Kalibrator den Strom auf den gewünschten Wert regelt.
Damit kann der reale Transmitter aus der Anlage entfernt beziehungsweise elektrisch getrennt und durch den Kalibrator ersetzt werden.
Die vorhandene Anlagenversorgung, Verkabelung, Trennbarriere, Anzeige und SPS-Eingang bleiben dabei Bestandteil der Prüfung.
Werden beispielsweise 4, 12 und 20 mA simuliert und die SPS zeigt die erwarteten Werte an, ist der Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht in diesem Teil der Stromschleife zu suchen.
Die Transmittersimulation prüft jedoch nicht den ausgebauten beziehungsweise überbrückten Transmitter.
Diese Unterscheidung ist für die Fehlersuche entscheidend.
7. Sensorsimulation und Transmittersimulation nicht verwechseln
Der Begriff Simulation wird bei Prozesskalibratoren für zwei grundlegend unterschiedliche Vorgänge verwendet.
Bei der Sensorsimulation erzeugt der Kalibrator ein Eingangssignal für den Transmitter.
Bei einem Pt100-Temperaturtransmitter kann beispielsweise ein definierter Widerstand simuliert werden. Bei einem Thermoelement-Transmitter erzeugt der Kalibrator eine definierte Thermospannung einschließlich der vorgesehenen Vergleichsstellenbehandlung.
Der reale Transmitter bleibt hierbei der Prüfling. Sein 4–20-mA-Ausgang wird anschließend gemessen und mit dem simulierten Sensoreingang verglichen.
Bei der Transmittersimulation geschieht das Gegenteil. Der reale Transmitter wird aus dem Signalweg entfernt und der Kalibrator übernimmt dessen elektrische Rolle in der 4–20-mA-Schleife.
Damit wird dann nicht mehr der Transmitter geprüft, sondern die nachgeschaltete Messkette.
Ein Multifunktions-Prozesskalibrator ist besonders leistungsfähig, wenn er gleichzeitig einen Sensoreingang simulieren und den mA-Ausgang des Transmitters messen kann.
8. Der richtige Prüfaufbau für einen 2-Leiter-Transmitter
Für eine vollständige Transmitterprüfung werden grundsätzlich zwei Informationen benötigt: ein bekannter Eingangswert und der daraus resultierende Ausgangsstrom.
Der konkrete Prüfaufbau hängt deshalb vom Messprinzip ab.
Bei einem Drucktransmitter wird ein bekannter Referenzdruck aufgebracht. Gleichzeitig wird der 4–20-mA-Strom gemessen.
Bei einem Temperaturtransmitter kann ein Pt100-, Widerstands-, mV- oder Thermoelementsignal simuliert werden. Anschließend wird wiederum der Stromausgang gemessen.
Für andere Messgrößen gilt dasselbe Grundprinzip: Der Eingang muss mit einer ausreichend bekannten Referenzgröße beaufschlagt werden und der Ausgang wird unabhängig davon bestimmt.
Ist keine Anlagenversorgung vorhanden, kann ein geeigneter Kalibrator gleichzeitig die Schleifenspannung liefern.
Damit werden Eingang und Ausgang des Transmitters miteinander verglichen und nicht lediglich die Funktion der Stromschleife geprüft.
9. Warum zum Kalibrieren auch ein Eingangssignal benötigt wird
Ein häufiger Fehler besteht darin, bei einem Transmitter lediglich den aktuellen mA-Wert zu messen und daraus auf seine Kalibrierung zu schließen.
Ein gemessener Strom von beispielsweise 12,01 mA sagt allein noch nicht aus, ob der Transmitter korrekt arbeitet.
Dazu muss bekannt sein, welcher tatsächliche Prozess- beziehungsweise Referenzwert am Eingang des Transmitters anliegt.
Bei einem 0 … 100 °C-Temperaturtransmitter wären 12 mA nur dann korrekt, wenn der Eingang tatsächlich genau 50 °C entspricht.
Bei einem 0 … 10-bar-Drucktransmitter gilt dasselbe für 5 bar.
Eine vollständige Kalibrierung vergleicht daher immer den bekannten Eingang des Messumformers mit seinem gemessenen Ausgang.
Ein reiner Loop-Kalibrator kann den elektrischen Ausgang hervorragend prüfen. Für eine vollständige Prozesskalibrierung wird jedoch zusätzlich eine geeignete Referenz beziehungsweise Eingangssimulation benötigt.
10. Eine 5-Punkt-Prüfung richtig durchführen
Für einen linearen Transmitter ist eine Mehrpunktprüfung wesentlich aussagekräftiger als die reine Kontrolle von Nullpunkt und Endwert.
Eine häufig verwendete Vorgehensweise besteht aus fünf gleichmäßig verteilten Prüfpunkten über den Messbereich.
| Prozesswert | Idealer 4–20-mA-Ausgang | Typische Prüfung |
|---|---|---|
| 0 % | 4,000 mA | Unterer Messbereichswert / Nullpunkt |
| 25 % | 8,000 mA | Unterer Zwischenpunkt |
| 50 % | 12,000 mA | Messbereichsmitte |
| 75 % | 16,000 mA | Oberer Zwischenpunkt |
| 100 % | 20,000 mA | Oberer Messbereichswert / Spanne |
Bei Messgrößen mit möglicher Hysterese ist es sinnvoll, die Punkte nicht nur aufwärts, sondern anschließend auch abwärts anzufahren.
Bei jedem Punkt muss zunächst ausreichend gewartet werden, bis Eingangssignal und Transmitterausgang stabil sind.
Erst danach wird der mA-Wert dokumentiert.
Die Prüfpunkte und zulässigen Abweichungen sollten vor Beginn der Kalibrierung festgelegt werden. Dadurch wird verhindert, dass die Bewertung erst nach Kenntnis des Ergebnisses angepasst wird.
11. Messabweichung richtig berechnen
Bei einem linearen 4–20-mA-Transmitter lässt sich der theoretische Ausgangsstrom aus dem relativen Eingangswert berechnen.
Vereinfacht gilt:
Isoll = 4 mA + 16 mA × Prozessanteil
Für einen Prozessanteil von 50 % ergibt sich damit:
Isoll = 4 mA + 16 mA × 0,5 = 12 mA
Die Stromabweichung ergibt sich aus:
ΔI = Imess − Isoll
Je nach Prüfplan kann diese Abweichung anschließend in mA, Prozent der 16-mA-Ausgangsspanne oder zurückgerechnet in die physikalische Prozesseinheit angegeben werden.
Welche Darstellungsform verwendet wird, sollte für alle Prüfpunkte einheitlich festgelegt sein.
Bei Transmittern mit nichtlinearer Ausgangsfunktion, Kennlinienkorrektur oder spezieller Skalierung darf die einfache lineare Beziehung nicht ungeprüft verwendet werden.
12. Verfügbare Schleifenspannung und Bürde prüfen
Ein 2-Leiter-Transmitter benötigt eine bestimmte Mindestspannung an seinen Anschlussklemmen, damit seine Elektronik korrekt arbeiten und den gewünschten Schleifenstrom regeln kann.
Von der vorhandenen Versorgungsspannung stehen jedoch nicht automatisch die gesamten 24 V am Transmitter zur Verfügung.
SPS-Eingang, Leitungswiderstände, Speisetrenner, Ex-Barrieren, Anzeigen und gegebenenfalls ein HART-Widerstand erzeugen zusätzliche Spannungsabfälle.
Für rein ohmsche Lasten gilt:
U = I × R
Ein Widerstand von 250 Ω verursacht bei 20 mA bereits einen Spannungsabfall von 5 V.
Für eine zuverlässige Stromschleife muss deshalb vereinfacht gelten:
UVersorgung ≥ UTransmitter,min + ULasten + ULeitung
Besonders wichtig ist die Prüfung bei hohen Ausgangsströmen, weil der Spannungsabfall an ohmschen Lasten mit dem Strom steigt.
Eine Schleife kann deshalb bei 4 mA scheinbar korrekt funktionieren und bei 20 mA aufgrund einer zu kleinen Spannungsreserve in Begrenzung geraten.
13. HART und 250-Ω-Widerstand richtig einsetzen
Bei HART-fähigen 2-Leiter-Transmittern wird die digitale Kommunikation dem analogen 4–20-mA-Signal überlagert.
Für eine zuverlässige HART-Kommunikation ist eine geeignete Schleifenimpedanz erforderlich. In vielen Prüfaufbauten wird dafür ein Widerstand im Bereich von 250 Ω verwendet.
Einige Prozesskalibratoren besitzen einen intern zuschaltbaren HART-Widerstand.
Ist bereits ein geeigneter externer Widerstand beziehungsweise eine ausreichende Schleifenimpedanz vorhanden, sollte nicht unkontrolliert ein weiterer 250-Ω-Widerstand zugeschaltet werden.
Jeder zusätzliche Widerstand erhöht die elektrische Bürde der Schleife und reduziert die am Transmitter verfügbare Spannung.
Bei einem intelligenten HART-Transmitter kann die Prüfung sinnvoll erweitert werden: Neben dem analogen Ausgangsstrom können Prozesswert, LRV, URV, Einheit, Dämpfung und Diagnosestatus digital kontrolliert werden.
Das HART-Signal ersetzt dabei nicht die analoge Prüfung. Ein digital korrekt angezeigter Prozesswert beweist noch nicht, dass auch der 4–20-mA-Ausgang korrekt skaliert ist.
14. Transmitter und SPS-Eingang getrennt prüfen
Eine systematische Fehlersuche trennt die Messkette in einzelne Abschnitte.
Zunächst kann der reale Transmitter geprüft werden. Dafür wird ein definierter Eingangswert angelegt, der Transmitter versorgt und sein tatsächlicher Strom gemessen.
Ist dieser Ausgang korrekt, die SPS zeigt aber einen falschen Prozesswert an, liegt die Ursache wahrscheinlich hinter dem Transmitter.
Anschließend kann der Transmitter elektrisch getrennt und der SPS-Eingang mit dem Kalibrator geprüft werden.
Bei einem passiven Eingang kann der Kalibrator beispielsweise definierte Ströme aktiv geben. Bei einer bereits gespeisten 2-Leiter-Schleife kann der Kalibrator den Transmitter im Sink-Modus simulieren.
Zeigt die SPS bei 4, 12 und 20 mA korrekt 0 %, 50 % und 100 %, sind Analogeingang und Skalierung grundsätzlich plausibel.
Auf diese Weise lässt sich unterscheiden, ob der Fehler im Sensor beziehungsweise Transmitter, in der Stromschleife oder in der SPS-Auswertung liegt.
15. Stabilisierung und Messzeit richtig wählen
Ein Prozesskalibrator kann elektrische Werte sehr schnell erfassen. Der zu prüfende Prozesssensor reagiert jedoch möglicherweise deutlich langsamer.
Bei Drucktransmittern müssen beispielsweise Druckvolumen, Schläuche und mechanische Messzelle nach einer Druckänderung stabilisieren.
Bei Temperaturtransmittern bestimmt häufig die thermische Stabilisierung des Referenzfühlers beziehungsweise Kalibrators die erforderliche Wartezeit.
Zusätzlich kann im Transmitter eine elektronische Dämpfung eingestellt sein. Ein großer Dämpfungswert führt dazu, dass der 4–20-mA-Ausgang absichtlich verzögert auf eine Eingangsänderung reagiert.
Wird der Wert zu früh dokumentiert, wird diese zeitliche Verzögerung fälschlicherweise als Kalibrierabweichung interpretiert.
Vor jedem Messwert sollte deshalb eine definierte Stabilitätsbedingung oder ausreichende Wartezeit verwendet werden.
16. Messunsicherheit der gesamten Prüfung betrachten
Die Genauigkeit des mA-Eingangs des Prozesskalibrators ist nur ein Teil der gesamten Prüfunsicherheit.
Bei einem Drucktransmitter gehören beispielsweise auch Druckreferenz, Druckerzeugung, Stabilität, Temperatur und gegebenenfalls Höhenunterschiede zwischen Referenz und Prüfling zur Betrachtung.
Bei einem Temperaturtransmitter beeinflussen Widerstands- beziehungsweise Thermoelementsimulation, Leiterschaltung, Vergleichsstelle und gegebenenfalls externe Referenzfühler das Ergebnis.
Auch der zu prüfende Transmitter besitzt eine eigene Spezifikation, die je nach Temperaturbereich, Turndown und Betriebsbedingungen variieren kann.
Für eine belastbare Kalibrierentscheidung muss daher die Eignung der gesamten Referenzkette zur geforderten Toleranz betrachtet werden.
Ein hochgenauer mA-Kalibrator allein macht aus einer unzureichenden Prozessreferenz keine hochwertige Transmitterkalibrierung.
17. As-found und As-left nachvollziehbar dokumentieren
Vor einer Justage sollten zunächst die ursprünglichen Werte des Transmitters dokumentiert werden.
Diese sogenannten As-found-Daten zeigen, wie die Messstelle tatsächlich vor dem Eingriff gearbeitet hat.
Wird ein Transmitter unmittelbar nach dem ersten abweichenden Prüfpunkt justiert, gehen wichtige Informationen über seine vorherige Drift oder Kennlinie verloren.
Eine nachvollziehbare Prüfung dokumentiert deshalb zunächst alle vorgesehenen As-found-Punkte.
Erst danach wird entschieden, ob eine Justage erforderlich und zulässig ist.
Nach der Justage wird die komplette relevante Prüfsequenz erneut durchgeführt. Diese Ergebnisse bilden den As-left-Zustand.
Zur Dokumentation gehören mindestens Identifikation des Prüflings, Messbereich, Prüfpunkte, Referenzwerte, gemessene Ausgangswerte, Abweichungen, verwendete Prüfmittel, Datum und Ergebnisbewertung.
Bei digitalen beziehungsweise HART-fähigen Geräten können zusätzlich Gerätekonfiguration und relevante Parameter dokumentiert werden.
18. Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Transmitter zeigt 0 mA beziehungsweise keinen Strom | Keine Versorgung, offene Schleife oder falsche Polarität | Loop Power, Durchgang und Anschluss prüfen |
| Kalibrator misst nichts, obwohl Anlagenversorgung vorhanden ist | mA-Messgerät falsch angeschlossen | Prüfen, ob der mA-Eingang tatsächlich in Reihe liegt |
| Beim Einschalten von Loop Power entsteht eine Störung | Schleife wird bereits extern gespeist | Vorhandene Spannungsquelle identifizieren und Prüfmodus korrigieren |
| SPS reagiert nicht auf mA-Source | Aktiver SPS-Eingang beziehungsweise vorhandene Schleifenspeisung | Prüfen, ob stattdessen Simulate/Sink erforderlich ist |
| Transmitter arbeitet bei 4 mA, erreicht aber 20 mA nicht | Zu geringe verfügbare Schleifenspannung oder zu hohe Bürde | Spannungsabfälle bei hohem Strom bestimmen |
| HART-Kommunikation funktioniert nicht | Fehlende beziehungsweise ungeeignete Schleifenimpedanz | HART-Widerstand und Gesamtbürde prüfen |
| HART-Prozesswert korrekt, Analogstrom falsch | Analogausgang falsch justiert oder skaliert | Digitalen PV und gemessenen mA-Ausgang getrennt vergleichen |
| Transmitterstrom korrekt, SPS-Wert falsch | SPS-Skalierung, Analogeingang oder Verdrahtung | Transmitter ersetzen und definierten mA-Wert simulieren beziehungsweise geben |
19. Passende Kalibriertechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Stromschleifen-, Multifunktions- und Druckkalibratoren für die Prüfung von 2-Leiter-Transmittern und kompletten 4–20-mA-Messketten. Eine Übersicht finden Sie unter Kalibriertechnik und Prozesskalibratoren / Elektrische Kalibratoren.
19.1 Druck UPS4E Stromschleifenkalibrator
Der Druck UPS4E ist speziell für die Prüfung und Fehlersuche an 4–20-mA-Stromschleifen ausgelegt.
Er kann Ströme von 0 … 24 mA messen beziehungsweise ausgeben und bietet eine integrierte 24-V-DC-Schleifenversorgung.
Damit eignet er sich besonders für die grundlegenden Aufgaben an 2-Leiter-Transmittern: vorhandenen Schleifenstrom messen, einen ausgebauten Transmitter versorgen und messen sowie definierte Stromwerte für die Prüfung nachgeschalteter Geräte erzeugen.
Ein integrierter 250-Ω-Widerstand unterstützt Prüfaufbauten mit HART-Kommunikation.
Step-, Rampen- und Spannenfunktionen erleichtern wiederkehrende 4–20-mA-Prüfungen.
Für Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen steht eine entsprechende eigensichere Ausführung zur Verfügung, sofern die gesamte Prüfaufgabe und der eigensichere Stromkreis dafür geeignet sind.
19.2 Druck DPI620G Multifunktions-Prozesskalibrator
Der DPI620G ist besonders interessant, wenn nicht nur der 4–20-mA-Ausgang, sondern auch der Eingang eines Prozessmessumformers mit demselben Gerät geprüft werden soll.
Der Kalibrator kann elektrische Größen messen und ausgeben und unterstützt je nach Konfiguration unter anderem mA, mV, V, Widerstand, RTD, Thermoelement und Frequenz.
Dadurch kann beispielsweise ein Temperaturtransmitter mit einem simulierten Pt100- oder Thermoelementsignal beaufschlagt werden, während gleichzeitig sein 4–20-mA-Ausgang ausgewertet wird.
Eine interne 24/28-V-Schleifenversorgung ermöglicht den Betrieb schleifengespeister Transmitter ohne separate Spannungsquelle.
Je nach DPI620G-Ausführung stehen zusätzlich HART- beziehungsweise weitere Kommunikationsfunktionen zur Verfügung. Damit können bei intelligenten Transmittern analoge Messwerte und digitale Geräteparameter gemeinsam überprüft werden.
19.3 Druck DPI610E / DPI610E-IS für Drucktransmitter
Für 2-Leiter-Drucktransmitter ist der DPI610E / DPI610E-IS besonders interessant, weil Druckreferenz, Druckerzeugung und elektrische Prüfaufgaben in einem mobilen System kombiniert werden können.
Damit kann ein definierter Druck erzeugt und gleichzeitig der 4–20-mA-Ausgang des Drucktransmitters überprüft werden.
Je nach Ausführung stehen Vakuum, pneumatische beziehungsweise hydraulische Druckerzeugung sowie HART-Kommunikation und Dokumentationsfunktionen zur Verfügung.
Für eine vollständige Drucktransmitterprüfung muss damit kein separates Druckmessgerät, keine separate Handpumpe und kein separater Loop-Kalibrator miteinander kombiniert werden.
19.4 Welcher Kalibrator passt zu welcher Aufgabe?
Wer hauptsächlich 4–20-mA-Schleifen prüft, Fehler sucht oder SPS-Eingänge kontrolliert, benötigt häufig nur einen kompakten Loop-Kalibrator wie den UPS4E.
Sollen zusätzlich Temperaturtransmitter, Widerstands-, mV-, Frequenz- oder andere elektrische Prozesssignale simuliert und gleichzeitig ausgewertet werden, ist ein Multifunktions-Prozesskalibrator wie der DPI620G sinnvoller.
Bei Drucktransmittern kann ein integrierter Druckkalibrator wie der DPI610E den kompletten Prüfaufbau deutlich vereinfachen.
Entscheidend ist deshalb nicht die größtmögliche Anzahl von Funktionen, sondern welche Eingangsgröße am Transmitter erzeugt und welches Ausgangssignal gleichzeitig geprüft werden muss.
20. Fazit
Die Prüfung eines 2-Leiter-Transmitters ist elektrisch einfach, sobald die einzelnen Funktionen des Kalibrators klar voneinander getrennt werden.
Ein 2-Leiter-Transmitter benötigt eine Schleifenspannung und regelt innerhalb dieser Schleife seinen 4–20-mA-Strom.
Soll der reale Transmitter geprüft werden, muss deshalb sein tatsächlicher Ausgangsstrom gemessen werden. Ist keine externe Spannungsversorgung vorhanden, übernimmt der Kalibrator zusätzlich die Schleifenspeisung.
Der Source-Modus erfüllt eine andere Aufgabe. Dort erzeugt der Kalibrator selbst aktiv einen Strom und eignet sich insbesondere zur Prüfung passiver Anzeigen oder Analogeingänge.
Im Simulate- beziehungsweise Sink-Modus ersetzt der Kalibrator dagegen einen schleifengespeisten Transmitter innerhalb einer extern versorgten Stromschleife.
Auch der Begriff Simulation muss eindeutig verwendet werden. Eine Pt100- oder Thermoelementsimulation erzeugt die Eingangsgröße eines Transmitters. Eine mA-Transmittersimulation ersetzt dagegen dessen Ausgangsfunktion innerhalb der Stromschleife.
Für eine vollständige Kalibrierung reicht die Strommessung allein nicht aus. Der Transmitter muss mit einer bekannten Eingangsgröße beaufschlagt und sein Ausgang damit verglichen werden.
Zusätzlich müssen Versorgungsspannung und Bürde ausreichend dimensioniert sein. Ein 2-Leiter-Transmitter benötigt auch bei 20 mA noch genügend Spannung für seine eigene Elektronik.
Bei HART-Geräten kommt die notwendige Schleifenimpedanz hinzu. Ein 250-Ω-Widerstand verursacht bei 20 mA bereits 5 V Spannungsabfall und muss deshalb im Spannungsbudget berücksichtigt werden.
Für eine reproduzierbare Prüfung gilt deshalb:
Prüfaufgabe festlegen → vorhandene Schleifenspeisung identifizieren → richtigen Kalibratormodus wählen → Eingangswert reproduzierbar erzeugen → Ausgangsstrom messen → mehrere Punkte auf- und abwärts prüfen → Schleifenspannung und Bürde kontrollieren → As-found und As-left dokumentieren.
Wer diese Reihenfolge einhält, vermeidet den häufigsten Fehler beim Arbeiten mit Prozesskalibratoren: einen elektrisch korrekten Kalibrator in der falschen Betriebsart anzuschließen und dadurch Transmitterprüfung, Loop-Test und SPS-Prüfung miteinander zu verwechseln.
21. Häufige Fragen zur Prüfung von 2-Leiter-Transmittern
21.1 Was ist ein 2-Leiter-Transmitter?
Ein 2-Leiter-Transmitter nutzt dieselben beiden Leitungen für seine Energieversorgung und für das 4–20-mA-Ausgangssignal. Er wird deshalb aus der Stromschleife gespeist.
21.2 Benötigt ein 2-Leiter-Transmitter immer eine externe Spannungsversorgung?
Er benötigt eine Schleifenspannung. Diese kann von der Anlage, einem Speisetrenner, einem aktiven Analogeingang oder bei einer Prüfung von einem Kalibrator mit Loop-Power-Funktion bereitgestellt werden.
21.3 Was bedeutet mA Measure?
Der Kalibrator misst den tatsächlich vorhandenen Strom. Diese Funktion wird verwendet, um den Ausgangsstrom eines realen Transmitters zu prüfen.
21.4 Muss der Kalibrator zum Strommessen in Reihe angeschlossen werden?
Ja. Der Strommesspfad wird normalerweise in Reihe in die 4–20-mA-Schleife eingefügt.
21.5 Kann ich den mA-Eingang parallel zum Transmitter anschließen?
Das sollte bei einer normalen Strommessung nicht erfolgen. Anders als ein hochohmiger Spannungseingang beeinflusst ein Strommesseingang die Schleife erheblich und muss für die vorgesehene Strommessung in Reihe verwendet werden.
21.6 Was bedeutet Loop Power?
Loop Power bedeutet, dass der Kalibrator die Versorgungsspannung für einen schleifengespeisten Transmitter bereitstellt. Bei geeigneten Geräten kann gleichzeitig dessen Ausgangsstrom gemessen werden.
21.7 Wann brauche ich die Loop-Power-Funktion?
Typischerweise bei der Werkbankprüfung eines ausgebauten 2-Leiter-Transmitters oder wenn an der Messstelle keine andere geeignete Schleifenversorgung vorhanden ist.
21.8 Was bedeutet mA Source?
Im Source-Modus erzeugt der Kalibrator aktiv einen definierten Strom. Diese Funktion eignet sich beispielsweise zur Prüfung eines passiven SPS-Eingangs oder einer Anzeige.
21.9 Was bedeutet mA Simulate oder Sink?
Dabei regelt der Kalibrator den Strom einer extern gespeisten Schleife und verhält sich damit elektrisch ähnlich wie ein schleifengespeister 2-Leiter-Transmitter.
21.10 Benötigt der Simulationsmodus eine externe Versorgung?
Grundsätzlich ja, wenn der Kalibrator im reinen Sink- beziehungsweise Transmittersimulationsbetrieb arbeitet. Die Schleifenspannung wird dabei von der Anlage oder einer separaten Versorgung bereitgestellt.
21.11 Prüfe ich im Simulationsmodus den realen Transmitter?
Nein. Der Kalibrator ersetzt den Transmitter. Damit werden vor allem Schleifenversorgung, Verdrahtung, Eingangskarte und Skalierung der nachgeschalteten Messkette geprüft.
21.12 Was ist der Unterschied zwischen Sensorsimulation und Transmittersimulation?
Bei der Sensorsimulation erzeugt der Kalibrator beispielsweise ein Pt100-, Widerstands-, mV- oder Thermoelementsignal für den Eingang eines realen Transmitters. Bei der Transmittersimulation ersetzt der Kalibrator dagegen den 4–20-mA-Ausgang des Transmitters.
21.13 Reicht eine mA-Messung zur Kalibrierung des Transmitters aus?
Nein. Für eine vollständige Überprüfung muss auch die tatsächliche beziehungsweise simulierte Eingangsgröße bekannt sein. Erst der Vergleich zwischen definiertem Eingang und gemessenem Ausgang bewertet die Übertragungsfunktion des Transmitters.
21.14 Welche mA-Werte entsprechen 0, 25, 50, 75 und 100 %?
Bei einer linearen 4–20-mA-Kennlinie entsprechen diese Punkte 4, 8, 12, 16 und 20 mA.
21.15 Warum erreicht ein Transmitter manchmal keine 20 mA?
Eine mögliche Ursache ist eine zu geringe verfügbare Schleifenspannung. Hohe Bürden, lange Leitungen, Speisetrenner oder zusätzliche Widerstände können so viel Spannung verbrauchen, dass der Transmitter den erforderlichen Strom nicht mehr einstellen kann.
21.16 Warum funktioniert die Schleife bei 4 mA, aber nicht bei 20 mA?
Der Spannungsabfall an ohmschen Widerständen steigt proportional mit dem Strom. Deshalb kann die Spannungsreserve bei 4 mA ausreichend und bei 20 mA bereits zu klein sein.
21.17 Wozu dient ein 250-Ω-Widerstand bei HART?
Er stellt eine geeignete Schleifenimpedanz für die HART-Kommunikation bereit. Ob ein zusätzlicher Widerstand erforderlich ist, hängt vom vorhandenen Prüfaufbau und der bereits vorhandenen Schleifenimpedanz ab.
21.18 Muss ich bei HART trotzdem das 4–20-mA-Signal prüfen?
Ja. Der digitale Prozesswert und der analoge Ausgang sind zwei unterschiedliche Bestandteile des Transmitters. Ein korrekter HART-Wert bestätigt nicht automatisch einen korrekt justierten 4–20-mA-Ausgang.
21.19 Warum sind As-found-Werte wichtig?
Sie dokumentieren den Zustand des Transmitters vor einer Justage. Dadurch lässt sich beurteilen, ob und wie stark die Messstelle seit der letzten Prüfung gedriftet ist.
21.20 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl eines Prozesskalibrators?
Hilfreich sind die zu prüfenden Transmittertypen, Eingangsgrößen wie Druck, Pt100, Thermoelement, mV oder Widerstand, benötigte 4–20-mA-Funktionen, erforderliche Schleifenspeisung, HART-Anforderungen, gewünschte Genauigkeit und Dokumentation sowie gegebenenfalls Anforderungen an ATEX beziehungsweise IECEx.