Hinweis auf Schwingungseffekte bei analogen 20 mA Eingängen

Das Standardanalogsignal „20m“ (0…20 mA, 4…20 mA) wird zum einfachen Informationstransport zwischen einem Signalgeber (i.d.R. ein Sensor) und dem Messgerät (hier: Beckhoff-Analogeingang in Form einer IP20 Klemme, IP67 Box o.ä.) verwendet.

Dazu ist es wichtig, dass der Geber/ Sensor den Sollstrom I₀ (hier: 20 mA) durch das Messgerät treiben kann. Demnach muss die am Sensor verfügbare Spannung U_Sensor hoch genug sein, um den Sollstrom durch die sog. „Bürde“ im Messgerät R_Messgerät zu treiben; daraus ergibt sich der Bürdenwiderstand aus:

R_{max, Messgerät} = U_Sensor / I₀.

In der Regel gibt der Sensorhersteller dazu den max. zulässigen Bürdenwiderstand R_Messgerät in seinem Datenblatt an. Ebenso sollte für die meisten 20 mA-Messgeräte der Bürdenwiderstand im dazugehörigen Datenblatt bekannt gegeben werden; bei manchen Beckhoff EL3xxx Klemmen ist es z. B. 85 Ω.

Detailliert betrachtet bilden Sensor (Signalquelle) und Messgerät (Signalsenke) darüber hinaus allerdings ein komplexes Netzwerk aus verschiedensten Impedanzen, da beide Seiten aus EMV-Schutzgründen kapazitive/ induktive Elemente enthalten (müssen). Trotz beidseitiger spezifikationsmäßiger Auslegung kann es jedoch bei ungünstiger Kombination dieser Impedanzen innerhalb der Schaltung aus Sensor und Messgerät zu dauerhaften Schwingungen (Oszillation) kommen, die das zu messende Signal des Sensors überlagern und damit verfälschen: es ist in Betracht zu ziehen, dass die kapazitiven/ induktiven Elemente zusammen mit der Regelung der Sensorspannung ein Aufschwingen der Schaltung verursacht (der Sensor versucht ggf. „sehr dynamisch“ seinen Sollstrom aufzuprägen).

Real beobachtete Beispiele dafür mit unterschiedlichen Kombinationen:

Schwingung von ca. 200 kHz mit Amplitude ±3,6 V um einen Offset von ca. 0,2 V herum an der 85 Ω Bürde der hier verwendeten Eingangsklemme, der Analogeingang misst scheinbar ca. 2,3 mA.

Hinweis auf Schwingungseffekte bei analogen 20 mA Eingängen 1: — Schwingungssignal an Bürde einer Analog-Eingangsklemme im 20 mA Messbereich (X: 10 µs/div, Y: 2 V/ div)

Schwingung von ca. 100 kHz mit der Amplitude ±0,2 V um ca. 1 V herum, gemessen an der Bürde einer Eingangsklemme

Hinweis auf Schwingungseffekte bei analogen 20 mA Eingängen 2: — Schwingungssignal an Bürde einer Analog-Eingangsklemme im 20 mA Messbereich (X: 5 µs/div, Y: 100 mV/ div)

Je nachdem wie schnell das Messgerät abtastet, erkennt es dann einen mehr oder weniger falschen Messwert, der sich ggf. auch nicht bei Änderung des Sensorsignals ändert. Da es sich hier um Schwingungen im kHz‑Bereich handelt, kann das Schwingungsbehaftete, verfälschte Sensorsignal nur durch eine Messvorrichtung (z. B. Oszilloskop) mit hoher Abtastrate (>>1 kSps) aus Steuerungssicht erfasst werden.

Im Falle offensichtlicher Falschmessung ist zuerst zu prüfen:

Korrekter Sensoranschluss, Sensorversorgung, Verdrahtung,
Übergangswiderstände, Kabelbruch, Stecker, Schirmung, Störungen
Kompatibilität der Bürde s.o.

Besteht danach noch der Verdacht auf ein dauerhaftes Schwingen,

kann per Oszilloskop der Effekt auf der 20mA-Leitung festgestellt werden s.o.,
kann testweise ein Längswiderstand von einigen 10 Ω (z.B. 100 Ω) in die 20 mA-Leitung eingesetzt werden; das System wird dadurch verändert und die Schwingneigung meist reduziert.

Zur Abhilfe

kann auf einen funktionsgleichen Eingang einer anderen Baureihe gewechselt werden: z. B. EL307x statt EL301x/ EL302x/ EL304x/ EL305x, EL317x statt EL311x/ EL312x/ EL314x/ EL315x oder,
es kann der experimentell ermittelte Längswiderstand dauerhaft eingesetzt werden (max. zulässige Bürde beachten!).