Zweileiter-Füllstandtransmitter: Schleifenspannung und HART-Budget

Ein vor der Installation erstelltes Schleifenbudget für einen Zweileiter-Füllstandtransmitter verhindert einen häufigen Feldfehler: Auf dem Prüfstand funktioniert der Messkreis, am Ende eines langen Kabels fällt er aus. Der Transmitter bezieht seine gesamte Energie aus derselben 4–20 mA-Schleife, die sein Signal überträgt. Am Gerät bleibt daher nur die Versorgungsspannung abzüglich der Anteile für Kabel, gegebenenfalls Sicherheitsbarriere und Empfängerlast. Die Annahme, 24 V seien „immer ausreichend“, ist der übliche Grund für solche Unterschiede zwischen Prüfstand und Anlage.

Was eine Zweileiterschleife tatsächlich versorgt

Das Schleifenbudget beginnt damit, dass das Gerät innerhalb der Stromschleife wie ein veränderlicher Widerstand wirkt. Das Leitsystem stellt eine feste Schleifenspannung bereit, typischerweise 24 V DC, und der Transmitter regelt seinen Strom zwischen 4 mA und 20 mA entsprechend dem Füllstand. Da dieselben beiden Leiter Energie und Signal führen, entzieht jedes Ohm im Strompfad dem Transmitter Spannung, die er zur Regelung braucht. Unterhalb seiner Mindestbetriebsspannung, häufig etwa 11 V, verlässt das Gerät den gültigen Bereich oder stellt die Kommunikation ein.

Die Schleife muss auch die Anforderungen der HART-Signalübertragung erfüllen. HART überlagert dem Analogstrom ein Digitalsignal geringer Amplitude. Dafür ist ein Mindestlastwiderstand von üblicherweise 230–250 Ω erforderlich, damit ein lesbarer Spannungshub entsteht. Bei einem niederohmigen Empfängereingang oder einer multiplexierten Eingangskarte kann am Steuerungsende ein externer Widerstand von 250 Ω nötig sein, damit HART überhaupt funktioniert.

Das Spannungsbudget der Schleife aufstellen

Das Budget ist eine einfache Subtraktion: Die Versorgungsspannung muss die Summe aus Transmitter-Mindestspannung, Kabelabfall bei 20 mA, Barrierenabfall und Lastabfall übersteigen. Die Tabelle zeigt ein typisches Beispiel mit 24 V DC. Alle Einträge sind veranschaulichende technische Referenzen und müssen vor Verwendung mit dem Typenschild des bestellten Geräts und der Barrierenbescheinigung abgeglichen werden.

Dies sind angenommene Werte für ein Rechenbeispiel, keine METRAVON-Felddaten. Vor Anwendung des Ergebnisses Transmitter-Mindestspannung, Barrierenabfall und Empfängerimpedanz anhand der gelieferten Unterlagen bestätigen.

Einschaltstrom und stationären Strom getrennt betrachten

Oft wird das Budget nur für den stationären Betrieb bei 20 mA aufgestellt. Beim Einschalten kann der Transmitter jedoch vor dem Einschwingen des Mikroprozessors einen höheren Einschaltstrom ziehen. Liegt das Kabel bei 20 mA bereits nahe seiner Spannungsgrenze, kann der Einschaltstrom die Gerätespannung unter das Minimum ziehen und eine Rücksetzschleife auslösen, die erst bei erneutem Anlegen des Füllstandsignals endet. Deshalb auch für den Einschaltstrom Reserve vorsehen, nicht nur für die geregelten 20 mA.

Das Kabel auf den höchsten in der Anlaufspezifikation genannten Strom auslegen und anschließend den Fall bei 20 mA erneut prüfen. Ist kein Einschaltstrom angegeben, mindestens 2 V unzugeordnete Spannungsreserve lassen, statt das letzte Volt für mehr Kabellänge zu verplanen. Diese Reserve verhindert viele Feldbeschwerden nach dem Muster „läuft nach kurzer Stromunterbrechung, bleibt dann hängen“.

Kabellänge aus dem Budget berechnen: ein Beispiel

Das Schleifenbudget lässt sich unmittelbar in eine maximale Kabellänge umrechnen. Von den verbleibenden 6 V werden 2 V für den Einschaltstrom reserviert; das Kabel darf daher bei 20 mA höchstens 4 V verbrauchen. Daraus ergibt sich direkt die Leitungslänge. Das Beispiel zeigt ein Rechenverfahren mit angenommenen Werten, kein gemessenes METRAVON-Ergebnis.

Veranschaulichende Berechnung mit angenommenen Anlagenwerten:

• Spannung nach Abzug der festen Anteile: 6 V

• Zurückgehaltene Anlaufreserve: 2 V

• Verfügbare Kabelspannung: 4 V

• Schleifenstrom: 20 mA = 0.020 A

• Zulässiger Kabelwiderstand: 4 V / 0.020 A = 200 Ω

• Kabel: 1.5 mm² Kupfer, ≈ 12.1 Ω/km je Leiter

• Schleife mit zwei Leitern: ≈ 24.2 Ω/km

Maximale Schleifenleitungslänge = 200 Ω / 24.2 Ω/km ≈ 8.3 km

Ergebnis: Mit diesen angenommenen Werten könnte ein Leiterpaar mit 1.5 mm² etwa 8 km überbrücken und weiterhin 20 mA bei vollständig erhaltener Einschaltreserve führen. Würden die gesamten 6 V für das Kabel angesetzt, ergäben sich 300 Ω und 12.4 km, jedoch ohne Anlaufreserve. Diese Zahl darf daher nicht als nutzbare Leitungslänge genannt werden.

Randbedingung: Schon deutlich vor dieser Länge ist nicht mehr die Spannung ausschlaggebend. HART benötigt eine gesamte Schleifenkapazität unter ungefähr 0.2 µF; ein Kabel mit 1.5 mm² erreicht dies nahe 2 km. Die praktische HART-Grenze beträgt damit ungefähr ein Viertel der rein spannungsbedingten Länge. Ein dickeres Kabel mit 2.5 mm² und ≈ 14.5 Ω/km Schleifenwiderstand erhöht die Spannungsgrenze, nicht aber die Kapazitätsgrenze. Ein Paar mit 1.0 mm² und ≈ 36 Ω/km verkürzt die Spannungsgrenze auf etwa 5.5 km. Beide Grenzen berücksichtigen und angenommene Widerstands- und Spannungswerte durch verifizierte Anlagenwerte ersetzen, bevor eine Kabellängengrenze angegeben wird.

HART-Last und Grenzen im Mehrpunktbetrieb

Das Budget muss auch für die HART-Last Reserve vorsehen, nicht nur für den analogen Spannungsabfall. HART verdient einen eigenen Posten, weil die Kommunikation unauffällig ausfallen kann. Unter etwa 230 Ω Gesamtschleifenwiderstand kann das HART-Modem des Transmitters sein Signal nicht aufprägen. Handgerät oder Anlagenverwaltung melden dann kein Gerät, obwohl die 4–20 mA-Anzeige korrekt erscheint. Üblicherweise hilft ein Widerstand von 250 Ω am Empfänger; bei 20 mA verbraucht dieser aber ebenfalls 5 V, genau den bereits oben berücksichtigten Anteil.

Bei HART im Mehrpunktbetrieb teilen sich mehrere Transmitter ein Leiterpaar. Dabei gelten weitere Bedingungen: Jedes adressierbare Gerät benötigt weiterhin seine Mindestspannung, und die gesamte Kabellänge versorgt nun alle Geräte des Segments. Das Budget für das am weitesten von der Versorgung entfernte Gerät planen und anschließend prüfen, dass das nächste Gerät seine eigene maximale Schleifenspannung nicht überschreitet. Diese beträgt häufig 30 V oder 36 V und ist am Typenschild abzulesen.

Wenn das Schleifenbudget die Ausführung ausschließt

Das Budget zeigt, wann ein Gerät in der vorgesehenen Ausführung ungeeignet ist. Überschreitet die erforderliche Kabellänge den zulässigen Wert, nicht einfach die Versorgung über die Gerätegrenze erhöhen oder die Sicherheitsbarriere zur Rückgewinnung von Reserve entfernen. Beide Maßnahmen verletzen andere Anforderungen. Geeignete Lösungen sind ein größerer Kabelquerschnitt, eine näher am Gerät angeordnete Versorgung oder ein Transmitter mit geringerer Mindestbetriebsspannung.

Manche Zweileitertransmitter unterstützen innerhalb ihres angegebenen Leistungsbudgets eine lokale Anzeige. Heizung, Schaltfunktionen oder andere Zusatzfunktionen erfordern die für das bestellte Gerät dokumentierte Leistungs- und Ausgangsfähigkeit; allein die Leiterzahl schließt sie weder aus noch erlaubt sie sie. Übersteigt die Funktion diese Fähigkeit, eine separate Versorgung oder eine Drei-/Vierleiterausführung prüfen.

Häufige Fragen

F1. Warum liegen bei einer 24-V-Versorgung nicht 24 V am Transmitter an?

Das Schleifenbudget erklärt den Unterschied: Kabel, gegebenenfalls Eigensicherheitsbarriere und Empfängerlast verursachen jeweils einen Spannungsabfall, während der Transmitter selbst eine Mindestspannung zur Regelung benötigt. Bei langen Leitungen kann das Kabel allein bei 20 mA mehrere Volt verbrauchen. Daher zuerst rechnen, bevor die Versorgungsspannung als Gerätespannung angenommen wird.

F2. Was bewirkt der 250-Ω-Widerstand?

Er setzt das digitale HART-Signal in eine Spannung an der Schleife um. Ohne mindestens etwa 230 Ω kann das HART-Modem sein Kommunikationssignal nicht aufprägen. Bei 20 mA fallen daran außerdem 5 V ab, die ins Spannungsbudget gehören. Andernfalls funktioniert möglicherweise HART, während die Spannungsreserve verloren geht.

F3. Darf ich die Versorgung für längere Kabel auf 36 V erhöhen?

Nur wenn alle Komponenten einschließlich einer etwaigen Barriere und der Ausführung für explosionsgefährdete Bereiche die vorgesehenen Versorgungsbedingungen zulassen. Bei festem Schleifenstrom bleibt der I × R-Spannungsabfall eines passiven Widerstands auch bei höherer Versorgung gleich. Klemmenspannung, Komponentengrenzwerte und Barrierengrenzen neu berechnen, statt einen steigenden Lastabfall anzunehmen.

F4. Warum setzt sich der Transmitter nach einer kurzen Stromunterbrechung zurück?

Liegt das Kabel bei 20 mA bereits nahe der Grenze, kann der Einschaltstrom die Schleifenspannung unter das Geräteminimum ziehen. Einschaltreserve zusätzlich zum stationären Strom einplanen, sonst setzt sich das Gerät wiederholt zurück, bis sich die Bedingungen bessern.

F5. Ist RS485 Modbus bei der Versorgung einfacher als 4–20 mA?

Die Anforderungen sind anders, nicht einfacher. Eine Zweileiterschleife mit 4–20 mA versorgt das Gerät aus der Schleife. Ein RS485-Modbus-Füllstandtransmitter braucht normalerweise eine separate lokale Versorgung, vermeidet aber analoge Lastspannungsabfälle. Nach Steuerungseingang und verfügbarer Anlagenversorgung auswählen.

F6. Wann sollte ich statt Zweileiter eine andere Verdrahtung wählen?

Die Ausführung neu bewerten, wenn die benötigte Kabellänge das verifizierte Budget oder Zusatzfunktionen die angegebene Leistungsfähigkeit überschreiten. Eine lokale Anzeige allein schließt Zweileiter nicht aus. Geeignetes Kabel, Versorgungsort oder ein separat versorgtes Gerät prüfen und dabei alle erforderlichen Schutzmaßnahmen beibehalten.

ZUSAMMENFASSUNG

Das Schleifenbudget bestimmt die nutzbare Kabellänge: Von 24 V DC bleiben nach 11 V Geräteminimum, 5 V HART-Last und 2 V Barrierenabfall noch 6 V. Davon sind 2 V für den Anlauf reserviert, also 4 V für das Kabel verfügbar. Mit den angenommenen Werten für 1.5 mm² ergeben sich bei 20 mA etwa 8 km; die HART-Kapazität begrenzt die Länge bereits nahe 2 km. Gelieferte Typenschildwerte bestätigen und bei unzureichendem Budget Kabelauslegung oder Verdrahtungsart ändern.