Die 4

Die in die meisten Mikrocontroller integrierten I/O-Funktionen erleichtern die Messung der analogen Welt. Angenommen, Sie möchten einen Datenlogger für die Temperatur bauen. Alles, was Sie tun müssen, ist, sich einen Sensor zu besorgen, der über einen linearen Spannungsausgang verfügt, der den Temperaturbereich darstellt, den Sie überwachen müssen – null bis fünf Volt, was beispielsweise 0 °C bis 100 °C entspricht. Schließen Sie den Sensor an einen Analogeingang an, erstellen Sie einen kleinen Code und fertig. Einfache Sache.

Machen Sie jetzt eine Wendung: Sie müssen den Sensor weit entfernt vom Mikrocontroller montieren. Je länger Ihre Drähte sind, desto größer wird der Spannungsabfall sein, bis schließlich Ihr Fünf-Volt-Schwung, der einen 100°-Bereich darstellt, eher einem Ein-Volt-Schwung ähnelt. Außerdem wirken Ihre langen Sensorleitungen wie eine schöne Antenne, die alle Arten von Rauschen auffängt, wodurch es umso schwieriger wird, ein brauchbares Spannungssignal aus der Leitung zu extrahieren.

Glücklicherweise haben industrielle Prozessingenieure schon vor langer Zeit herausgefunden, wie sie mit diesen Problemen umgehen können, indem sie Stromschleifen zur Erfassung und Steuerung nutzen. Der gebräuchlichste Standard ist die 4-mA-zu-20-mA-Stromschleife. Hier werfen wir einen Blick darauf, wie sie entstanden ist, wie sie funktioniert und wie Sie diese grundlegende Prozesssteuerungstechnik für Ihren Mikrocontroller nutzen können Projekte.

Die heute standardmäßige 4-20-mA-Stromschleife für die Prozesssteuerung geht direkt auf eine frühe Innovation in der industriellen Automatisierung zurück, die pneumatische Prozesssteuerung. Bevor elektrische Steuerungen weit verbreitet waren, schlängelten sich kilometerlange Pneumatikleitungen durch Fabriken und lieferten nicht nur die Energie zum Bewegen von Aktuatoren, sondern auch die Möglichkeit, Bedingungen zu erfassen. Die Prozessingenieure nutzten ein pneumatisches Signalsystem auf Basis des Drucks – 3 PSI an einem Ende des Erfassungsbereichs und 15 PSI am anderen. Ein solcher Sensor würde den Druck in der Leitung basierend auf der Prozessvariablen variieren und könnte als Eingabe für einen Diagrammschreiber verwendet werden, um ein Ventil direkt zu steuern oder sogar mit anderen pneumatischen Sensoren und Aktoren über hochentwickelte pneumatische Logiksteuerungen zusammenzuarbeiten.

Während pneumatische Systeme heute noch weitgehend im Einsatz sind, insbesondere in Branchen, in denen die Elektrizität im Mittelpunkt steht, wurden 4-20-mA-Stromschleifensysteme in den 1940er und 1950er Jahren zum De-facto-Standard. In Stromschleifensystemen ist ein Wandler, der eine Prozessvariable – Temperatur, Druck, Durchfluss usw. – überwacht, an einen Sender angeschlossen. Der Sender ist in Reihe mit einer Gleichstromversorgung geschaltet – in Industrieumgebungen normalerweise 24 Volt. Der Sender ist dafür verantwortlich, den Ausgang des Wandlers in einen Strom zwischen 4 mA und 20 mA umzuwandeln.

Das Stromgesetz von Kirchhoff besagt, dass der Strom an jedem Punkt des Stromkreises gleich ist, unabhängig von der Spannung. Wenn also die Spannung erheblich abfällt, weil die Leitungen zum Sender eine halbe Meile lang sind, oder wenn die Schleifenspannung schwankt, weil irgendwo anders in der Fabrik ein großer Motor angelaufen ist, spielt das keine Rolle – der Sender hält den Strom konstant für eine gegebene Prozessvariable.

Stromschleifen sind natürlich nicht auf Sensoren beschränkt. Eine breite Palette von Aktoren, von Ventilen bis hin zu Motorantrieben, kann über eine 4-20-mA-Schleife gesteuert werden. Datenerfassung und -anzeige sind ebenfalls möglich, wobei Diagrammschreiber, Messgeräte und Indikatoren für die Schleife verfügbar sind.

Aber warum ist 4 mA – oder 3 PSI – die untere Grenze der Schleife und nicht Null? Einfach: weil es eine inhärente Fehlererkennung bietet. Wenn der untere Wert des Schleifenstroms auf Null gesetzt worden wäre, wäre es unmöglich, den Unterschied zwischen einem zulässigen unteren Grenzwert an einem Sensor und einem defekten Schleifendraht zu erkennen.

Wie integrieren Sie also ein 4-20-mA-Gerät in Ihr neuestes Arduino-Projekt? Den Strom wieder in eine Spannung umzuwandeln, indem man einen Widerstand in die Schleife einfügt und den Spannungsabfall darüber misst, reicht eigentlich aus. [AvE] rechnet nach, um uns zu zeigen, dass ein 250-Ohm-Widerstand uns einen Spannungshub von einem Volt bis fünf Volt verleiht, was perfekt für den analogen Eingang eines Arduino im Video unten ist (Achtung – etwas NSFW-Sprache voraus).

Möglicherweise haben Sie keinen so einfachen Zugriff auf Stromschleifensensoren und -aktoren wie jemand, der in der industriellen Automatisierung arbeitet, und Ihr Projekt nutzt möglicherweise nicht alle Vorteile des 4-20-mA-Standards aus. Aber es ist schön zu wissen, dass es da ist, wann und wenn Sie es brauchen.