Messumformer für 0–10 V auf 4–20 mA: Warum Signalwandlung in der Praxis oft nötig ist

UPS4E und Signalwandler bei der Umwandlung von 0–10 V auf 4–20 mA im Schaltschrank
→ Produktkategorie: Messumformer

 

In bestehenden Maschinen und Industrieanlagen treffen häufig unterschiedliche analoge Signalstandards aufeinander. Ein Sensor liefert beispielsweise 0–10 V, während die neue SPS, ein Prozessanzeiger oder ein Datenlogger für 4–20 mA ausgelegt ist. Ein direkter Anschluss ist dann nicht möglich.

Ein Signalwandler beziehungsweise Messumformer übernimmt die Anpassung. Er erfasst die Eingangsspannung, skaliert sie auf den gewünschten Messbereich und erzeugt daraus ein proportionales Stromsignal. Typischerweise werden dabei 0 V auf 4 mA und 10 V auf 20 mA abgebildet.

Die Umwandlung wird nicht nur wegen unterschiedlicher Ein- und Ausgänge eingesetzt. Ein 4–20-mA-Signal bietet insbesondere bei längeren Leitungen, störbehafteter Industrieumgebung und dezentralen Messstellen praktische Vorteile. Eine galvanische Trennung kann zusätzlich Potenzialunterschiede und Masseschleifen vermeiden.

Damit die Signalwandlung zuverlässig funktioniert, müssen jedoch Skalierung, Versorgung, Bürde, Signalart und Fehlerverhalten zur gesamten Messkette passen. Dieser Beitrag erklärt die wichtigsten Zusammenhänge und zeigt eine systematische Vorgehensweise für Auswahl, Verdrahtung und Inbetriebnahme.

Inhaltsverzeichnis

Warum 0–10 V auf 4–20 mA gewandelt wird

Eine Signalwandlung ist erforderlich, wenn die vorhandene Signalquelle und der nachgeschaltete Eingang nicht zueinander passen. Typische Anwendungen sind:

  • Nachrüstung einer älteren Maschine mit einer neuen SPS
  • Integration eines 0–10-V-Sensors in ein 4–20-mA-Leitsystem
  • Übertragung eines Messwerts über eine längere Leitung
  • galvanische Trennung zwischen zwei Anlagenteilen
  • Anpassung eines Messbereichs an eine Anzeige oder Steuerung
  • Aufteilung oder Vervielfältigung eines Signals

Ein einfacher Widerstand reicht für die Wandlung von Spannung auf Strom normalerweise nicht aus. Er erzeugt zwar einen stromabhängigen Zusammenhang, regelt den Ausgangsstrom aber nicht unabhängig von Leitung, Eingangswiderstand und Versorgung.

Ein aktiver Messumformer erfasst dagegen das Eingangssignal elektronisch und stellt am Ausgang einen definierten Strom bereit. Dadurch bleiben Skalierung und Ausgangssignal innerhalb der zulässigen Bürde reproduzierbar.

0–10 V und 4–20 mA im Vergleich

Eigenschaft 0–10 V 4–20 mA
Signalprinzip Spannung zwischen zwei Anschlüssen Strom innerhalb einer Messschleife
Typischer Nullwert 0 V 4 mA
Leitungswiderstand Kann einen Spannungsabfall verursachen Innerhalb der zulässigen Bürde meist unkritischer
Drahtbrucherkennung 0 V kann Nullwert oder Fehler bedeuten Ein Strom deutlich unter 4 mA kann auf einen Fehler hinweisen
Typischer Einsatz Kurze Leitungen im Schaltschrank oder an Maschinen Prozessanlagen, Feldgeräte und längere Übertragungswege

Bei einem 0–10-V-Signal muss der Eingang des Empfängers ausreichend hochohmig sein. Ein zu niedriger Eingangswiderstand belastet die Signalquelle und kann den Messwert verfälschen.

Bei einer 4–20-mA-Schleife fließt derselbe Strom durch alle in Reihe geschalteten Komponenten. Der gesamte Widerstand aus SPS-Eingang, Anzeige, Leitung und weiteren Bauteilen darf jedoch die zulässige Bürde des Stromausgangs nicht überschreiten.

Das sogenannte Live-Zero des 4–20-mA-Signals ist ein wichtiger Vorteil: 4 mA entsprechen dem unteren Messbereichsende, während 0 mA nicht zum normalen Messbereich gehören. Dadurch lassen sich Leitungsunterbrechungen und Versorgungsausfälle besser vom tatsächlichen Nullwert unterscheiden.

Wie ein Signalwandler arbeitet

Ein Signalwandler besitzt mindestens einen Eingang, eine Signalaufbereitung und einen Ausgang. Bei der Wandlung von 0–10 V auf 4–20 mA erfolgt vereinfacht folgender Ablauf:

  1. Der Spannungseingang misst das anliegende 0–10-V-Signal.
  2. Die Elektronik skaliert den Wert auf den eingestellten Messbereich.
  3. Der Ausgang regelt einen proportionalen Strom zwischen 4 und 20 mA.
  4. Eine optionale galvanische Trennung entkoppelt Eingang, Ausgang und Versorgung elektrisch.

Je nach Gerät werden Ein- und Ausgang über DIP-Schalter, Potenziometer, Tasten oder eine Software konfiguriert. Universelle Signalkonverter können häufig mehrere Spannungs- und Strombereiche verarbeiten.

Vor der Auswahl muss geprüft werden, ob tatsächlich ein reines Normsignal umgewandelt werden soll. Ein passiver Widerstandssensor, Pt100, Thermoelement oder Frequenzsensor benötigt einen dafür vorgesehenen Messumformer und kann nicht direkt an einen gewöhnlichen 0–10-V-Eingang angeschlossen werden.

Eingang und Ausgang richtig skalieren

Bei einer linearen Wandlung von 0–10 V auf 4–20 mA gelten typischerweise folgende Zuordnungen:

Eingang Ausgang Prozesswert
0 V 4 mA 0 %
2,5 V 8 mA 25 %
5 V 12 mA 50 %
7,5 V 16 mA 75 %
10 V 20 mA 100 %

Die lineare Umrechnung lautet vereinfacht:

Ausgangsstrom = 4 mA + Eingangsspannung ÷ 10 V × 16 mA

Bei 5 V ergibt sich somit:

4 mA + 0,5 × 16 mA = 12 mA

Nicht jede Anwendung verwendet jedoch den vollständigen Bereich. Möglich sind beispielsweise 2–10 V auf 4–20 mA, 0–5 V auf 4–20 mA oder eine kundenspezifische Zuordnung.

Sensor, Messumformer und SPS müssen dieselbe Skalierung verwenden. Wandelt der Messumformer 0–10 V auf 4–20 mA, während die SPS mit 0–20 mA rechnet, entsteht ein konstanter Skalierungsfehler.

Aktive und passive Stromsignale unterscheiden

Vor der Verdrahtung muss geklärt werden, ob der Stromausgang aktiv oder passiv arbeitet. Die Bezeichnungen werden nicht von allen Herstellern identisch verwendet, weshalb der Anschlussplan des konkreten Geräts entscheidend ist.

Ein aktiver Stromausgang erzeugt den Ausgangsstrom üblicherweise selbst. Er wird mit einem passiven Stromeingang verbunden.

Ein passiver beziehungsweise schleifengespeister Ausgang benötigt dagegen eine externe Schleifenspannung. Diese kann beispielsweise von einer SPS-Eingangskarte oder einer separaten 24-V-Versorgung bereitgestellt werden.

Problematische Kombinationen sind:

  • zwei aktive Ausgänge beziehungsweise Versorgungen in derselben Schleife
  • ein passiver Ausgang ohne Schleifenspannung
  • falsch gepolte Stromanschlüsse
  • ein Spannungseingang, der versehentlich als Stromeingang verwendet wird

Vor dem Einschalten sollten deshalb Klemmenbezeichnung, Signalrichtung und erforderliche Versorgung eindeutig geprüft werden.

Bürde und Versorgungsspannung berücksichtigen

Als Bürde wird der elektrische Gesamtwiderstand bezeichnet, gegen den der Stromausgang arbeiten muss. Dazu gehören:

  • Eingangswiderstand der SPS
  • Leitungswiderstand
  • zusätzliche Anzeigen oder Trennbausteine
  • gegebenenfalls ein Kommunikationswiderstand

Der Messumformer benötigt eine bestimmte Mindestspannung für seine eigene Elektronik. Nur die verbleibende Spannung steht zur Verfügung, um den Schleifenstrom durch die Bürde zu treiben.

Vereinfacht kann die maximal mögliche Bürde mit folgender Beziehung abgeschätzt werden:

Maximale Bürde = verfügbare Spannung ÷ maximaler Schleifenstrom

Stehen nach Abzug des Eigenbedarfs beispielsweise 16 V zur Verfügung, ergibt sich bei 20 mA theoretisch:

16 V ÷ 0,02 A = 800 Ω

Für die tatsächliche Auslegung sind ausschließlich die Herstellerangaben des Messumformers maßgeblich. Wird die zulässige Bürde überschritten, erreicht der Ausgang möglicherweise keine 20 mA mehr. Der Messwert bleibt dann am oberen Bereichsende zu niedrig oder wird instabil.

Kabellänge und Störsicherheit

Bei einer Spannungsübertragung können Leitungswiderstand, Übergangswiderstände und eingekoppelte Störspannungen den Messwert beeinflussen. Besonders kritisch sind lange Leitungen in der Nähe von Motoren, Frequenzumrichtern, Schützen oder Leistungskabeln.

Eine Stromschleife ist gegenüber Spannungsabfällen auf der Leitung robuster, solange der Stromausgang die gesamte Bürde treiben kann. Sie ist dennoch nicht gegen jede Störung immun.

Für eine störungsarme Installation sind sinnvoll:

  • geeignete geschirmte Messleitungen
  • räumliche Trennung von Signal- und Leistungskabeln
  • korrekter Schirmanschluss nach Anlagenkonzept
  • saubere Masse- und Potenzialführung
  • ausreichender Abstand zu Frequenzumrichtern und Motorleitungen

Ob der Kabelschirm einseitig oder beidseitig angeschlossen wird, hängt vom EMV- und Potenzialausgleichskonzept ab. Eine pauschale Lösung ist nicht für jede Anlage geeignet.

Wann galvanische Trennung sinnvoll ist

Eine galvanische Trennung unterbricht die direkte elektrische Verbindung zwischen Eingang und Ausgang. Je nach Geräteausführung kann zusätzlich die Versorgung getrennt sein.

Sie ist besonders sinnvoll, wenn:

  • Sensor und SPS an unterschiedlichen Erdpotenzialen liegen
  • Ausgleichsströme über Signalleitungen auftreten
  • mehrere Anlagenbereiche miteinander verbunden werden
  • Störungen durch Frequenzumrichter oder große Verbraucher bestehen
  • eine Signalverteilung ohne gegenseitige Beeinflussung erforderlich ist

Typische Anzeichen einer Masseschleife sind schwankende Messwerte, ein Offset bei laufenden Motoren oder eine Veränderung des Signals, sobald weitere Geräte angeschlossen werden.

Galvanische Trennung ersetzt jedoch keine korrekte Erdung, Schirmung oder Potenzialausgleichsplanung. Sie ist ein Bestandteil des gesamten Signalkonzepts.

Drahtbruch und Fehlerzustände erkennen

Bei 0–10 V entspricht 0 V normalerweise dem unteren Messbereichsende. Eine unterbrochene Leitung kann je nach Eingangsschaltung ebenfalls als 0 V erscheinen. Der Fehler ist dann nicht eindeutig vom echten Nullwert zu unterscheiden.

Bei 4–20 mA liegt der normale Nullwert bei 4 mA. Ströme deutlich unterhalb dieses Werts können deshalb als Leitungs- oder Gerätefehler erkannt werden.

Einige Messumformer erlauben ein definiertes Fehlerverhalten, beispielsweise einen Ausgangsstrom unterhalb von 4 mA oder oberhalb von 20 mA. Ob und wie dies ausgewertet wird, muss mit dem SPS-Programm abgestimmt werden.

Bei der Umwandlung eines 0–10-V-Signals kann der Messumformer allerdings nur Fehler erkennen, die er selbst diagnostizieren kann. Liefert der vorgeschaltete Sensor bei einem Defekt weiterhin 0 V, kann der Wandler diesen Zustand möglicherweise nicht von einem echten unteren Messwert unterscheiden.

Den passenden Messumformer auswählen

Für die Auswahl werden mindestens folgende Angaben benötigt:

  • Eingangssignal und Messbereich
  • Ausgangssignal und gewünschte Skalierung
  • aktiver oder passiver Stromausgang
  • verfügbare Versorgungsspannung
  • maximale Bürde
  • erforderliche galvanische Trennung
  • gewünschte Genauigkeit und Reaktionszeit
  • Umgebungstemperatur und Einbauort
  • Montage auf DIN-Schiene oder in einem Gehäuse
  • erforderliche Zulassungen

Bei dynamischen Signalen ist zusätzlich die Grenzfrequenz beziehungsweise Reaktionszeit wichtig. Ein stark gedämpfter Messumformer kann schnelle Prozessänderungen verzögern.

Für sicherheitsrelevante Funktionen muss außerdem geprüft werden, ob der Wandler die erforderlichen Zulassungen und Diagnosefunktionen besitzt. Ein gewöhnlicher Signalkonverter ist nicht automatisch für eine funktional sichere Abschaltung geeignet.

Signalwandler richtig in Betrieb nehmen

Vor der Inbetriebnahme sollten Verdrahtung und Konfiguration zunächst spannungsfrei geprüft werden. Anschließend empfiehlt sich eine Prüfung mit mehreren definierten Eingangswerten.

  1. Gerät konfigurieren: Eingang 0–10 V und Ausgang 4–20 mA einstellen.
  2. Versorgung prüfen: Richtige Spannung und Polarität kontrollieren.
  3. Stromschleife prüfen: Aktiven beziehungsweise passiven Ausgang korrekt anschließen.
  4. Nullpunkt testen: Bei 0 V müssen etwa 4 mA anliegen.
  5. Mittelpunkt testen: Bei 5 V werden etwa 12 mA erwartet.
  6. Endwert testen: Bei 10 V müssen etwa 20 mA anliegen.
  7. SPS-Skalierung prüfen: Angezeigten Prozesswert mit dem Sollwert vergleichen.

Neben den Endpunkten sollte mindestens ein Zwischenwert geprüft werden. Dadurch lassen sich falsche Skalierungen oder eine nichtlineare Übertragung leichter erkennen.

Fehler systematisch eingrenzen

Bei einem falschen SPS-Wert sollte die Signalkette schrittweise untersucht werden:

  1. Spannung direkt am Eingang des Messumformers messen.
  2. Ausgangsstrom des Messumformers prüfen.
  3. Spannungsabfall am SPS-Stromeingang kontrollieren.
  4. Versorgung und verfügbare Schleifenspannung messen.
  5. Konfiguration von Messumformer und SPS vergleichen.
  6. Signal unter realen Betriebsbedingungen beobachten.

Ist die Eingangsspannung korrekt, aber der Ausgangsstrom falsch, liegt die Ursache wahrscheinlich am Messumformer, seiner Konfiguration oder der Bürde.

Ist der Strom direkt am Messumformer korrekt, aber der SPS-Wert falsch, sollten Verdrahtung, Eingangskarte und Skalierung in der Software geprüft werden.

Typische Fehler bei der Signalwandlung

Fehler Mögliche Auswirkung Bessere Vorgehensweise
0–10-V-Ausgang direkt an 4–20-mA-Eingang angeschlossen Kein plausibler Messwert Geeigneten Spannung-Strom-Wandler einsetzen
Aktiver Ausgang an aktiv gespeisten Eingang angeschlossen Fehlfunktion oder gegenseitige Beeinflussung Signalarten anhand der Anschlusspläne prüfen
Zulässige Bürde überschritten 20 mA werden nicht erreicht Widerstände und verfügbare Spannung berechnen
SPS auf 0–20 mA skaliert Konstanter Messfehler über den gesamten Bereich Eingang auf 4–20 mA konfigurieren
Galvanische Trennung fehlt Offset, Schwankungen oder Masseschleifen Trennverstärker beziehungsweise isolierten Wandler einsetzen
Signal- und Motorkabel gemeinsam verlegt Störimpulse und unruhige Werte Kabelwege trennen und Schirmkonzept prüfen
Nur Null- und Endwert geprüft Skalierungs- oder Linearitätsfehler bleiben unentdeckt Zusätzlich mindestens einen Zwischenpunkt prüfen

Praxisbeispiel: 0–10-V-Sensor an eine 4–20-mA-SPS anschließen

Bei der Modernisierung eines Prüfstands soll ein vorhandener Wegsensor weiterverwendet werden. Er liefert bei 0 mm ein Signal von 0 V und bei 200 mm ein Signal von 10 V.

Die neue SPS besitzt nur einen freien 4–20-mA-Eingang. Zwischen Sensor und SPS wird deshalb ein galvanisch getrennter Signalwandler installiert.

Der Wandler wird auf 0–10 V am Eingang und 4–20 mA am Ausgang eingestellt. Die SPS erhält folgende Skalierung:

  • 4 mA entsprechen 0 mm
  • 12 mA entsprechen 100 mm
  • 20 mA entsprechen 200 mm

Bei der ersten Prüfung zeigt die SPS bei maximalem Sensorweg jedoch nur 184 mm an. Direkt am Eingang des Wandlers werden korrekt 10 V gemessen. Am Ausgang fließen lediglich 18,7 mA.

Die Überprüfung der Stromschleife zeigt, dass neben dem SPS-Eingang noch eine zusätzliche Anzeige in Reihe geschaltet wurde. Zusammen mit den Leitungswiderständen überschreitet die gesamte Bürde den zulässigen Wert des Messumformers.

Nach der Verwendung eines geeigneten Signalausgangs beziehungsweise einer getrennten Signalverteilung erreicht der Wandler wieder 20 mA. Die anschließende Prüfung bei 0, 50, 100, 150 und 200 mm bestätigt die korrekte Skalierung.

Das Beispiel zeigt, dass ein richtiger Eingangswert allein noch keine korrekte Übertragung garantiert. Versorgung, Bürde und Skalierung müssen als vollständige Messkette geprüft werden.

Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?

Die Kategorie Signalkonverter enthält Geräte zur Erfassung, Umwandlung, Skalierung und galvanischen Trennung unterschiedlicher Prozesssignale.

Messumformer für den Schaltschrank

In der Kategorie Messumformer stehen unterschiedliche Ausführungen für Strom-, Spannungs-, Temperatur- und weitere Eingangssignale zur Verfügung.

Für die Wandlung von 0–10 V auf 4–20 mA muss das ausgewählte Gerät ausdrücklich den erforderlichen Eingang, Ausgang und die gewünschte galvanische Trennung unterstützen.

Trennverstärker und Universalkonverter

Ein Trennverstärker ist sinnvoll, wenn ein analoges Signal nicht nur gewandelt, sondern gleichzeitig galvanisch von der nachfolgenden Steuerung getrennt werden soll.

Universelle Konverter bieten Vorteile bei Retrofit-Projekten, weil Signalbereiche häufig konfiguriert werden können. Bei der Auswahl müssen dennoch Genauigkeit, Reaktionszeit, Bürde und Versorgung geprüft werden.

UPS4E Stromschleifen-Kalibrator

Der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator eignet sich zur Inbetriebnahme und Fehlersuche an 4–20-mA-Messketten.

Mit dem Gerät können Stromsignale gemessen oder definiert vorgegeben werden. Außerdem kann es eine 24-V-Schleifenversorgung für passive Messkreise bereitstellen.

Dadurch lassen sich Messumformer und SPS getrennt voneinander prüfen:

  • Ausgangsstrom des Wandlers messen
  • 4 mA, 12 mA und 20 mA an der SPS simulieren
  • passive Stromschleifen versorgen
  • Skalierung und Alarmgrenzen kontrollieren

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Signalwandler, Trennverstärker und Prüfgerät. Für eine technische Auslegung werden Ein- und Ausgangssignal, Versorgung, Bürde, Trennanforderung und Einbausituation benötigt.

Fazit: Signalwandlung muss zur gesamten Messkette passen

Ein Messumformer ermöglicht die zuverlässige Integration eines 0–10-V-Signals in ein 4–20-mA-System. Die Umwandlung ist besonders bei Retrofit-Projekten, längeren Leitungen und unterschiedlichen SPS-Standards sinnvoll.

Entscheidend ist nicht nur die Angabe „0–10 V auf 4–20 mA“. Auch aktiver oder passiver Ausgang, Versorgungsspannung, Bürde, galvanische Trennung und Reaktionszeit müssen zur Anwendung passen.

Eine korrekte Skalierung bildet üblicherweise 0 V auf 4 mA und 10 V auf 20 mA ab. Sensor, Wandler und SPS müssen dabei dieselben Messbereichsgrenzen verwenden.

Bei der Inbetriebnahme sollten Nullpunkt, Mittelpunkt und Endwert getrennt geprüft werden. Mit einem Stromschleifen-Kalibrator lässt sich feststellen, ob ein Fehler vom Sensor, Signalwandler, Stromkreis oder SPS-Eingang verursacht wird.

Eine sorgfältig geplante Signalwandlung verbessert die Kompatibilität, Diagnosefähigkeit und Störsicherheit der Anlage und verhindert Fehler, die sich sonst nur als scheinbar falscher Prozesswert bemerkbar machen.

Häufige Fragen zur Wandlung von 0–10 V auf 4–20 mA

Kann 0–10 V direkt an einen 4–20-mA-Eingang angeschlossen werden?

Nein. Spannungsausgang und Stromeingang verwenden unterschiedliche Signalprinzipien. Es wird ein geeigneter Signalwandler benötigt.

Wie wird 0–10 V auf 4–20 mA skaliert?

Üblicherweise entsprechen 0 V einem Strom von 4 mA, 5 V entsprechen 12 mA und 10 V entsprechen 20 mA.

Warum beginnt das Stromsignal bei 4 mA?

Der angehobene Nullpunkt ermöglicht eine bessere Unterscheidung zwischen einem echten unteren Messwert und einem Leitungs- oder Versorgungsausfall.

Warum ist 4–20 mA für lange Leitungen geeignet?

Der Messwert wird durch den Schleifenstrom dargestellt. Leitungswiderstände sind innerhalb der zulässigen Gesamtbürde weniger kritisch als bei einer reinen Spannungsübertragung.

Was bedeutet Bürde?

Die Bürde ist der gesamte Widerstand, gegen den der Stromausgang arbeiten muss. Dazu gehören SPS-Eingang, Leitung und weitere in Reihe geschaltete Geräte.

Was passiert bei zu hoher Bürde?

Der Messumformer kann den erforderlichen Strom nicht mehr vollständig liefern. Besonders am oberen Messbereichsende bleibt der Ausgang dann unter 20 mA.

Wann wird eine galvanische Trennung benötigt?

Sie ist sinnvoll bei unterschiedlichen Erdpotenzialen, Masseschleifen, störbehafteten Anlagenbereichen oder einer erforderlichen elektrischen Entkopplung.

Was ist ein aktiver 4–20-mA-Ausgang?

Ein aktiver Ausgang stellt den Schleifenstrom üblicherweise selbst bereit. Er wird mit einem dafür geeigneten passiven Eingang verbunden.

Was ist ein passiver Stromausgang?

Ein passiver Ausgang benötigt eine externe Schleifenspannung. Die genaue Verdrahtung richtet sich nach dem Anschlussplan des Herstellers.

Kann ein 4–20-mA-Signal auf mehrere SPS-Eingänge verteilt werden?

Nicht beliebig. Eine Reihenschaltung erhöht die Bürde und kann Potenzialprobleme verursachen. Für mehrere getrennte Ausgänge sollte ein geeigneter Signalverteiler verwendet werden.

Wie wird die Signalwandlung geprüft?

Am Eingang werden definierte Spannungen angelegt und am Ausgang die zugehörigen Stromwerte gemessen. Mindestens 0 V, 5 V und 10 V sollten geprüft werden.

Wofür wird ein Stromschleifen-Kalibrator benötigt?

Er kann 4–20-mA-Signale messen oder simulieren und hilft dabei, Messumformer, Verdrahtung und SPS-Eingang getrennt voneinander zu prüfen.

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