Lernfeld 11 · Prüfung Teil 2

Analoge Signale erfassen und verarbeiten

Analoge Signale sicher erfassen: Einheitssignale 4 bis 20 mA und 0 bis 10 V, Skalierung, Auflösung, Bürde und Drahtbrucherkennung nach NE 43.

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Darum geht es

Messumformer wandeln Druck, Temperatur oder Füllstand in ein Einheitssignal. Üblich sind 4 bis 20 mA und 0 bis 10 V. Das Stromsignal ist auf langen Leitungen unempfindlich gegen Leitungswiderstand und Einstreuungen, und weil der Messbereichsanfang schon 4 mA entspricht (Live Zero), erkennt die Baugruppe einen Drahtbruch. Nach NAMUR NE 43 gelten 3,8 bis 20,5 mA als Messinformation, Werte bis 3,6 mA oder ab 21 mA als Ausfallsignal.

Ein Zweileiter-Messumformer wird über die Signaladern versorgt und braucht an seinen Klemmen eine Mindestspannung. Die übrige Spannung teilen sich Leitungswiderstand, Bürde der Eingabebaugruppe und weitere eingeschleifte Anzeiger. Ist die Summe zu groß, erreicht der Strom den Endwert nicht mehr. Vierleitergeräte haben eine eigene Versorgung und treiben den Strom aktiv.

In der SPS kommt der Messwert als ganzzahliger Rohwert an, bei vielen Baugruppen 0 bis 27648 für den Nennbereich. Für die Anzeige wird er linear auf den Messbereich umgerechnet, auch wenn dieser nicht bei null beginnt. Die Auflösung ist der Messbereich geteilt durch die Zahl der Schritte; sie ist meist feiner als die Genauigkeit des Sensors. Schwankende Werte werden gefiltert, Grenzwerte bekommen eine Hysterese, und gestörte Leitungen werden verdrillt, geschirmt und getrennt von Motorleitungen verlegt.

Das solltest du dir merken

Bei 4 bis 20 mA immer erst 4 mA abziehen und durch 16 mA teilen.
0 mA ist bei Live Zero nie ein Messwert, sondern Drahtbruch oder fehlende Versorgung.
NE 43: Messinformation 3,8 bis 20,5 mA, Ausfall bis 3,6 mA oder ab 21 mA.
Zweileiter-Schleife prüfen, ob Versorgung minus Mindestspannung für Leitung und Bürde reicht.
Grenzwerte mit Hysterese auswerten, damit Aktoren nicht flattern.

Formeln

Messwert aus dem Stromsignal: $x = x_{A} + \frac{I - 4 mA}{16 mA} \cdot (x_{E} - x_{A})$; $x_{A}$ Messbereichsanfang, $x_{E}$ Messbereichsende, $I$ Schleifenstrom
Größte Bürde einer Zweileiter-Schleife: $R_{B,max} = \frac{U _{B} - U _{min}}{I _{max}} - R_{L}$; $U_{B}$ Versorgung, $U_{min}$ Mindestspannung des Messumformers, $R_{L}$ Leitungswiderstand
Auflösung: $Δ x = \frac{x _{E} - x _{A}}{N}$; $N$ Zahl der Rohwertschritte für den Nennbereich

Typische Fehler in der Prüfung

Den Live Zero vergessen und mit I durch 20 mA gerechnet.
Einen negativen Messbereichsanfang nicht addiert.
Den Schirm einer Signalleitung als Rückleiter benutzt.
Die Auflösung der Baugruppe mit der Genauigkeit des Sensors gleichgesetzt.

Tipps aus der Werkstatt

Beim Einheitssignal 4 bis 20 mA ziehst du zuerst die 4 mA ab und teilst durch 16 mA, erst dann kommt der Messbereich. Beginnt der Bereich nicht bei null, addierst du den Anfangswert. 0 mA ist nie ein Messwert: Drahtbruch oder fehlende Versorgung. Nach NE 43 sind Werte bis 3,6 mA oder ab 21 mA Ausfallsignale.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

13 Aufgaben zu „Analoge Signale erfassen und verarbeiten“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Betriebstechnik (KMK), Lernfeld 11; DIN IEC 60381-1, NAMUR NE 43. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.