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4-20 mA

4-20 mA ist eine Stromschnittstelle oder auch Stromschleifenschnittstelle genannt. Diese Schnittstelle arbeitet mit einer Stromanpassung. Diese wird verwendet zu Informationsübertragung in rauer Umgebung, wo mit hohen Störpegeln gerechnet werden muss, so dass die sonst übliche Übertragung mittels Spannungspegeln (Spannungsanpassung) nicht mit ausreichender Zuverlässigkeit arbeitet. Vrozugsweie arbeiten analoge Telefone in industriellen Anwendungen sowie bei elektronischen Musikinstrumenten (MIDI) mittels eines eingeprägten elektrischen Stroms. Im Normalfall ist bei der Stromschnittstelle der Sender oder Messwertgeber eine einstellbare Stromquelle und der Empfänger besteht aus einem niederohmigen Abschlusswiderstand (Shunt-Widerstand), an dem über den Spannungsabfall der Messstrom bestimmt wird.

Analoge Stromschnittstelle
Werden analoge Spannungswerte von einem Messwertgeber über ein langes Kabel zu einem Empfänger übertragen, so werden diese verfälscht. Ursache ist der nötige Messstrom. Aufgrund des unerwünschten Kabelinnenwiderstandes wird ein Spannungsabfall erzeugt. Der Messstrom und damit auch der Messfehler lassen sich durch möglichst hochohmige Eingänge minimieren, jedoch auf Kosten einer großen Empfindlichkeit gegenüber kapazitiven Störungen. Induktiv eingekoppelte Störspannungen lassen sich so nicht beseitigen.

Deshalb werden Messwerte über größere Distanzen bevorzugt als Strom (4-20 mA) übertragen. Der Innenwiderstand und damit der Spannungsabfall des Kabels spielen bei der Stromübertragung keine Rolle, solange die Spannung ausreicht. Einen Einfluss hat damit der Isolationswiderstand, er lässt sich jedoch mit heutigen Isolierstoffen sehr hoch halten. Der Strom des Messwertes ist oft hinreichend groß gegenüber den Störströmen durch kapazitive Kopplung (z. B. 50-Hz-Brummen). Induktive Einkoppelungen haben prinzipiell keinen Störeinfluss mehr.

Wird eine Stromschnittstelle verwendet, die dem Standard 4-20 mA entspricht, lassen sich noch weitere Vorteile erreichen:
– Mi der Mindest-Stromstärke von 4 mA lässt sich der Messwertgeber (Sensor) versorgen und es ist nur eine Hin- und Rückleitung erforderlich.
– Kabelbruch (Strom wird < 4 mA) lässt sich detektieren. Bei den Sensoren und den Eingängen der Messwertverarbeitung unterscheidet man aktive und passive. - Aktiver Eingang für passive Sensoren: Der Eingang misst den Strom und hat eine Spannungsquelle. Der Sensor ist nur eine gesteuerte Stromsenke und kann deshalb 2-polig (2-Draht) ausgeführt sein - Passiver Eingang für aktive Sensoren: Der Eingang misst den Strom (z. B. mit einem Shunt). Der Sensor ist eine gesteuerte Stromquelle und muss deshalb ein Netzteil besitzen - Passiver Eingang und passiver Sensor: eine zusätzlich erforderliche externe Spannungsquelle ist zu ihnen in Serie geschaltet. Digitale Stromschnittstelle Bei der digitalen Übertragung wird statt unterschiedlicher Spannungspegel bei der Stromschnittstelle das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Stroms als binäre Information gewertet. Die 20-mA-Stromschleifenschnittstelle ist nach DIN 66258 standardisiert. Sie arbeitet mit einem maximalen Leerlaufspannungspegel von 24 V. Weil diese Spannung bei steilen Signalflanken zu erheblichem Nebensprechen führt, ist die Übertragung mit 20-mA-Schnittstellen in Fernmeldekabeln nicht zugelassen.

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