Leitfaden zur Auswahl industrieller Instrumentierung
Eine Auswahl treffen 4-20mA-Überspannungsschutz ist nicht nur eine Frage des Stoßstroms. Das Signal-SPD muss auf die Schleifenspannung, den Zwei- oder Vierleiterschaltkreis, die Spannungsversorgung des Messumformers, den PLC- oder DCS-Eingang, die HART-Kommunikation und die über die gesamte Stromschleife verfügbare Spannung abgestimmt sein.
Inhaltsübersicht
Kurzantwort: Welcher Überspannungsschutz (SPD) sollte für einen 4-20-mA-Stromkreis verwendet werden?
Verwenden Sie für einen typischen schleifengespeisten 24V-Zweileiter-Messumformer ein Signal-SPD, das für eine erdfreie Zweidraht-Stromschleife ausgelegt ist.
Stellen Sie sicher, dass die maximale Dauerspannung des SPDs über der höchsten normalen Schleifenspannung liegt. Prüfen Sie anschließend den Serienwiderstand oder Spannungsabfall bei maximalem Schleifenstrom, den Leckstrom, das Schutzniveau, die Erdungsmethode und die HART-Kompatibilität.
Ein Vierleiter-Messumformer verfügt normalerweise über einen separaten Stromeingang und einen 4-20mA-Ausgang. Seine Stromversorgungs- und Signalleitungen müssen als getrennte Schaltkreise bewertet werden. Ein Zweileiter-Signal-SPD schützt möglicherweise nicht das gesamte Gerät.
Empfohlene Schutzkonfigurationen
Verwenden Sie diese Matrix für die erste Planung. Für die endgültige Modellbestätigung sind weiterhin grundlegende Informationen zur Schleife und zur Ausrüstung erforderlich.
2-Leiter, 24V-Messumformer
Verwenden Sie ein passendes Signal-SPD für das erdfreie Stromschleifenpaar.
Bestätigen: UC, Serienwiderstand, Leckstrom sowie Ader-Ader/Erde-Schutz.
2-Leiter-HART-Schleife
Verwenden Sie einen 4-20mA-Signal-Überspannungsschutz (SPD) mit expliziter HART-Kompatibilität.
Bestätigen: Kapazität, Frequenzgang, Schleifenimpedanz und Spannungsabfall.
4-Draht-Messumformer
Bewerten Sie den Spannungseingang des Geräts und den 4-20mA-Ausgang separat.
Bestätigen: Versorgungsspannung, Ausgangstyp, Trennung und Signalreferenz.
Außenbereich oder langes Kabel
Bewerten Sie den Schutz an der Feldseite und am Schaltschrankeingang für beide Enden.
Bestätigen: Kabelweg, LPZ-Übergang, Gehäuse, Schirmung und Erdung.
Ex i-Stromkreis
Verwenden Sie nur einen für den eigensicheren Stromkreis zugelassenen und koordinierten SPD.
Bestätigen: Ex-Zulassung, sicherheitstechnische Kenngrößen, Barriere, Erdung und Installationszone.
Warum es kein universelles „24V 4-20mA“-Modell gibt
Zwei Stromkreise mit derselben Nennspannung können unterschiedliche Spannungsquellen, Eingangslasten, Erdungsbezugspotenziale, HART-Anforderungen und Bedingungen für explosionsgefährdete Bereiche aufweisen. Ein finales Modell sollte nicht allein aufgrund von „24V, 4-20mA“ ausgewählt werden.
Auswahl eines 4-20mA Signal-Überspannungsschutzgeräts (SPD)
Beginnen Sie mit dem Schleifendiagramm anstelle des SPD-Katalogs. Zwei als „24V 4-20mA“ beschriebene Systeme können unterschiedliche Stromquellen, Erdungsbezüge und Leiteranordnungen verwenden.
Identifizieren Sie den vollständigen Schaltkreis
Bestätigen Sie, ob das Instrument schleifengespeist (Zweileiter), dreileiter- oder vierleiter-selbstgespeist ist.
Finden Sie die Quelle der Schleifenspeisung
Bestimmen Sie, ob der PLC/DCS-Eingang, eine externe Versorgung oder das Feldinstrument die Schleifenspeisung bereitstellt.
Bestimmen Sie die höchste normale Spannung
Berücksichtigen Sie die Versorgungstoleranz sowie die maximale Spannung, die dauerhaft an den geschützten Leitern anliegen kann.
Passen Sie die SPD-Schaltungstopologie an
Wählen Sie den Schutz für ein erdfreies Paar, einen Schaltkreis mit gemeinsamem Bezugspotenzial oder getrennte Signal- und Stromkreise.
Prüfen Sie die Signaltransparenz
Überprüfen Sie den Serienwiderstand, Spannungsabfall, Leckstrom, Kapazität und HART-Kompatibilität.
Bestätigen Sie die Installationsbedingungen
Spezifizieren Sie Feld- oder Schaltschrankmontage, Erdung, Anschlussgröße, Ex-Schutz-Zulassung und Umgebungsanforderungen.
Zwei-, Drei- und Vierleiter 4-20mA-Schleifen
Die Anzahl der Leiter bestimmt, wie Stromversorgung, Signal und Überspannungsschutz angeordnet sind. Eine Zweileiter-Schleife verwendet normalerweise dasselbe Paar für Strom und Messung. Ein Vierleiter-Messumformer trennt normalerweise seinen Stromeingang von seinem Analogausgang.
Zweileiter-schleifengespeist
Strom und Signal nutzen dasselbe Leiterpaar.
- Erfordert normalerweise ein geschütztes, erdfreies Paar.
- Der SPD-Spannungsabfall ist Teil des Spannungsbudgets.
- Bestätigen Sie die aktive oder passive AI-Anordnung.
- Prüfen Sie HART, wenn ein intelligenter Messumformer verwendet wird.
Dreileiter-Messumformer
Das Instrument verfügt normalerweise über Versorgungsplus, Versorgungsgemeinsam und einen separaten Ausgangsleiter.
- Das Signal kann sich den Versorgungsbezug teilen.
- Ein SPD für erdfreie Paare passt möglicherweise nicht zum Schaltkreis.
- Bestätigen Sie, welche Leiter den normalen Strom führen.
- Stellen Sie vor der endgültigen Auswahl einen Schaltplan bereit.
Vierdraht-selbstversorgend
Das Gerät verfügt über einen separaten Spannungseingang und einen unabhängigen 4-20mA-Ausgang.
- Bewerten Sie Stromversorgung und Signal als getrennte Überspannungspfade.
- Der Signalausgang kann aktiv oder isoliert sein.
- Die Versorgungsspannung kann von der Signalspannung abweichen.
- Ein einzelner Signal-Überspannungsschutz (SPD) schützt möglicherweise nicht alle Leiter.
Wählen Sie den Überspannungsschutz (SPD) nicht allein anhand der Anzahl der Anschlüsse aus.
Ein Vierdraht-Messumformer erfordert nicht automatisch einen Vierkanal-Signal-Überspannungsschutz. Überprüfen Sie zuerst den Spannungseingang, den Analogausgang, die interne Isolierung und die Erdungsreferenz.
Aktive und passive 4-20mA-Schleifen
„Aktiv“ und „passiv“ beschreiben, welches Gerät die Schleifenspeisung liefert. Dies verändert die normale Spannung und die Referenz an den Leitern.
| Anordnung | Wer liefert die Schleifenspeisung? | Typischer Anschluss | Was muss bestätigt werden? |
|---|---|---|---|
| Aktiver AI | PLC- oder DCS-Analogeingang | Die AI-Baugruppe speist einen passiven Zweidraht-Messumformer. | AI-Versorgungsspannung und Schaltungsreferenz. |
| Passiver AI | Externe Schleifenspeisung | Versorgung, Messumformer und passiver AI sind in Reihe geschaltet. | Versorgungstoleranz, AI-Bürde und Erdungsreferenz. |
| Aktiver Messumformerausgang | Das Feldgerät | Ein selbstversorgtes Gerät steuert einen passiven AI an. | Ausgangsspannung, Gleichtaktgrenzwerte und Isolierung. |
| Analogausgangsschleife | PLC/DCS AO-Baugruppe oder externe Versorgung | Der AO steuert einen Ventilstellungsregler oder Aktor an. | Ob der AO als Quelle (sourcing) oder Senke (sinking) fungiert. |
Eine Anfrage, die nur „24V, 4-20mA SPD“ lautet, reicht für ein endgültiges Modell möglicherweise nicht aus. Ein einfacher Schaltplan, ein Foto der Anschlüsse oder das Gerätemodell können die fehlenden Informationen normalerweise klären.
Welche Spannungsfestigkeit sollte das 4-20mA-SPD haben?
Wählen Sie den Signal-Überspannungsschutz anhand der höchsten Spannung aus, die dauerhaft an den geschützten Leitern anliegen kann – nicht anhand der 4mA- oder 20mA-Signalwerte.
Die maximale kontinuierliche Betriebsspannung des SPD muss über der höchsten normalen Stromkreisspannung liegen, einschließlich der Versorgungstoleranz, während sie gleichzeitig niedrig genug bleiben muss, um ein nützliches Schutzniveau zu bieten.
Ein niedrigerer UC ist nicht automatisch besser
Wenn die kontinuierliche Betriebsspannung des SPD unter der tatsächlichen Schleifenspannung liegt, kann er während des Normalbetriebs leiten, den Leckstrom erhöhen oder vorzeitig ausfallen.
Verursacht ein SPD einen Spannungsabfall in einer 4-20mA-Schleife?
Ja. Ein in Reihe geschalteter Signal-SPD führt normalerweise einen Widerstand oder eine andere Serienimpedanz ein. Bei 20 mA erzeugt diese Impedanz einen Spannungsabfall.
Ein kleiner Spannungsverlust führt normalerweise nicht zu einem proportionalen Strommessfehler. Der Transmitter regelt den angeforderten Strom, solange an seinen Anschlüssen eine ausreichende Spannung verbleibt.
Berücksichtigen Sie die folgenden Serienlasten:
- PLC- oder DCS-Analogeingangs-Bürde;
- Kabel-Schleifenwiderstand;
- Schaltschrank- und feldseitige SPDs;
- Eigensichere Barrieren oder Trennverstärker;
- schleifengespeiste Anzeigen oder Testklemmen;
- technische Sicherheitsmarge.
4-20mA Schleifenspannungsbudget-Rechner
Verwenden Sie für eine konservative Vorabprüfung die minimale Versorgungsspannung und den maximal erwarteten Schleifenstrom.
Das Beispiel behält eine positive Spannungsreserve bei. Überprüfen Sie vor der endgültigen Auswahl die tatsächlichen Gerätedaten.
Dieser Rechner dient als vorläufige technische Arbeitshilfe und ersetzt nicht den tatsächlichen Schleifenplan oder die Gerätedatenblätter.
Interpretation des Beispiels
Wenn zwei SPDs bei 20 mA jeweils einen Abfall von 0,3 V aufweisen, verbrauchen sie zusammen 0,6 V. Dies kann in einer einfachen Schleife akzeptabel sein, ist jedoch in einem langen Stromkreis, der zusätzlich einen 250-Ω-Eingang und eine Sicherheitsbarriere enthält, von Bedeutung.
Kann ein Signal-SPD die Genauigkeit der 4-20mA-Messung beeinflussen?
Ein korrekt ausgewähltes SPD sollte während des Normalbetriebs elektrisch transparent bleiben.
| Charakteristisch | Mögliche Auswirkung | Zu prüfende Lieferantendaten |
|---|---|---|
| Serienwiderstand | Verbraucht Schleifenspannung bei hohem Strom. | Widerstand pro Leiter und Spannungsabfall bei 20 mA. |
| Leckstrom | Kann bei hochpräzisen Schaltkreisen einen Offset hinzufügen. | Maximaler Leckstrom bei UC und Betriebstemperatur. |
| Leiterunsymmetrie | Kann die Gleichtakt-Störunterdrückung verringern. | Abgestimmte Schutzpfade für das Signalpaar. |
| Kapazität und Bandbreite | Kann die HART-Kommunikation beeinträchtigen. | HART-Kompatibilität und Frequenzgang. |
Wichtige Unterscheidung
Ein geringer Spannungsabfall am SPD führt normalerweise nicht zu einem proportionalen Skalierungsfehler. Er reduziert jedoch die dem Messumformer zur Verfügung stehende Spannung. Wenn die Marge nicht ausreicht, erreicht die Schleife möglicherweise nicht den erwarteten Endstrom.
Auswahl eines HART-kompatiblen Überspannungsschutzes
HART überlagert ein digitales Kommunikationssignal auf der herkömmlichen 4-20-mA-Schleife. Ein SPD kann Gleichstrom durchlassen, aber dennoch die HART-Kommunikation dämpfen.
Sollte das SPD am Feldgerät oder im Schaltschrank installiert werden?
Die korrekte Position hängt von der Kabelbeanspruchung, den Blitzschutzzonen, den Gebäudeeinführungspunkten und der zu schützenden Ausrüstung ab.
| Installationsbedingung | Empfohlene Vorgehensweise | Grund |
|---|---|---|
| Außenaufgestellter Transmitter mit langem Kabel | Bewerten Sie den Schutz auf der Feldseite und am Schaltschrankeingang. | Beide Enden enthalten empfindliche Elektronik. |
| Kabel zwischen Gebäuden | Schützen Sie jeden Gebäudeeingang und koordinieren Sie den Potenzialausgleich. | Das Kabel überquert verschiedene Potenzialausgleichszonen. |
| Tank, Mast oder Pumpstation | Verwenden Sie ein feldtaugliches SPD in der Nähe des Instruments. | Entlegene Außenstandorte sind einer höheren Belastung ausgesetzt. |
| Kurze Verdrahtung innerhalb eines Schaltschranks | Zwei SPD-Einheiten sind nicht zwingend erforderlich. | Der gesamte Stromkreis kann innerhalb einer Schutzzone verbleiben. |
| Feldanschlusskasten | Wählen Sie den Kabeleinführungs- oder Ausrüstungsgrenzpunkt. | Das SPD sollte sich nahe der Schutzzonengrenze befinden. |
Schirmung, DIN-Schienen-Erdung und Potenzialausgleich
Ein Signal-SPD benötigt einen niederohmigen Ableitpfad. Der PE-Anschluss, der Erdungsfuß oder die geerdete DIN-Schiene müssen auf dem kürzestmöglichen Weg mit dem lokalen Potenzialausgleichssystem verbunden werden.
Auswahl von 4-20mA-SPDs für explosionsgefährdete Bereiche und Ex-i-Schleifen
Ein standardmäßiges industrielles Signal-SPD sollte ohne vorherige Prüfung nicht in einem eigensicheren Stromkreis eingesetzt werden.
- Bestätigen Sie die ATEX-, IECEx- oder lokal erforderliche Zulassung;
- bestätigen Sie die Installationszone und das Schutzkonzept;
- prüfen Sie die maximalen Spannungs- und Stromparameter;
- prüfen Sie die Kapazität und Induktivität des SPD;
- stimmen Sie das SPD auf die Barriere oder den Trennverstärker ab;
- bestätigen Sie die zulässige Erdungsmethode;
- prüfen Sie ggf. die HART- oder SIL-Anforderungen.
Die Zulassung des SPD allein reicht nicht aus
Messumformer, Kabel, SPD, Barriere und Installationsanordnung müssen als ein einziger eigensicherer Stromkreis bewertet werden.
Was der Käufer bereitstellen muss und was der SPD-Lieferant bestätigt
Der Käufer muss nur bereits verfügbare Informationen bereitstellen. Der SPD-Lieferant sollte diese nutzen, um die detaillierten Produktparameter zu bestätigen.
| Auswahlpunkt | Käufer oder Ingenieur stellt bereit | SPD-Lieferant bestätigt |
|---|---|---|
| Schleifentopologie | Informationen, Zeichnung oder Klemmenfoto für Zwei-, Drei- oder Vierleitersysteme. | Abgestimmte Schutzmodi, Klemmenanordnung und Schaltkreisreferenz. |
| Energieversorgung | Modell der PLC/DCS-Karte, des Messumformers oder des Netzteils, falls verfügbar. | Eignung für die normale Stromkreisspannung und den Strompfad. |
| Betriebsspannung | Nennspannung der Schleife, z. B. 24 V DC. | Nennspannung und maximale Dauerspannung. |
| Spannungstoleranz | Gerätemodelle oder verfügbare Schleifendaten. | Serienwiderstand und Spannungsabfall bei maximalem Strom. |
| Messgenauigkeit | Besondere Genauigkeitsanforderungen, falls zutreffend. | Ableitstrom bei UC und über den Betriebstemperaturbereich. |
| Schutzleistung | Informationen zu Innen-, Außen-, Gebäudeübergangs- oder sonstigen Expositionsbedingungen. | Schutzpegel, Testwellenform und Stoßstromwerte. |
| HART-Kommunikation | HART erforderlich oder nicht erforderlich. | HART-Kompatibilität, Kapazität und Frequenzgang. |
| Explosionsgefährdeter Bereich | Anforderungen für explosionsgefährdete Bereiche und Barrierenmodell, falls verfügbar. | Zulassungsumfang, Sicherheitstechnische Kenngrößen (Entity-Parameter) und zulässige Erdung. |
| Einrichtung | Installation im Feld, im Schaltschrank oder an beiden Enden. | Montage, Anschlüsse, Temperatur- und Erdungskonfiguration. |
Modellbestätigung vor einem Projekt oder OEM-Auftrag
LEEYEE kann mit grundlegenden Informationen beginnen und fordert zusätzliche Daten nur an, wenn dies für die endgültige Modellbestätigung erforderlich ist.
Vierstufiger Bestätigungsprozess
Schleifentyp, Spannung und angeschlossene Geräte überprüfen.
UC, Laststrom, Schutzpegel und Spannungsabfall bestätigen.
HART, Ex i, Montage, Anschlüsse und Umgebung prüfen.
Datenblatt, Etikett, Verpackung und Menge freigeben.
Typische industrielle Anwendungen
Füllstand-, Druck-, Durchfluss-, pH- und Leitfähigkeitstransmitter, die an entfernte SPS- oder SCADA-Schaltschränke angeschlossen sind.
Druck- und Füllstandmessgeräte im Außenbereich mit langen Signalkabeln.
DCS-Messschleifen in Chemie-, Lebensmittel-, Öl-, Gas- und Fertigungsanlagen.
Entfernte Füllstand- und Temperaturtransmitter an exponierten Standorten.
Analoge Sensoren außerhalb des Hauptschaltschranks oder in der Nähe von Großmaschinen.
Lange analoge Schleifen zwischen Betriebsräumen und Überwachungspanels.
Meteorologische und zusätzliche Prozessinstrumente auf exponierten Kabelwegen.
Wiederholbarer Schutz für Analogeingänge bei standardisierten Schaltschrankprojekten.
Häufige Fehler bei der Auswahl von 4-20mA-SPDs
Produkte mit derselben Kennzeichnung können unterschiedliche UC-, Leckstrom-, Widerstands- und Schutzniveaus aufweisen.
Ein Vierdraht-Messumformer kann getrennte Stromversorgungs- und Signalpfade für Überspannungen haben.
Eine hohe Stoßstromfestigkeit beweist keine Eignung für eine Schleife mit begrenzter Spannungsreserve.
HART hängt auch vom Frequenzgang, der Kapazität und der Serienimpedanz ab.
Ein entferntes Feldinstrument kann ebenfalls durch induzierte Überspannungsenergie beschädigt werden.
Gute Laborparameter können einen langen oder nicht ausreichend verbundenen Ableitpfad nicht kompensieren.
Zulassungs- und Entitätsparameter müssen für den gesamten Stromkreis verifiziert werden.
Was für eine Empfehlung für ein 4-20mA-SPD einzureichen ist
Senden Sie uns alle Informationen, die Sie bereits haben. Sie müssen nicht jedes Element vorbereiten, bevor Sie uns kontaktieren.
Sechs Details reichen normalerweise für den Start aus
Keine Schleifenzeichnung vorhanden? Senden Sie ein Datenblatt des Geräts, ein Foto der Anschlüsse oder das vorhandene SPD-Modell. Wir helfen Ihnen bei der Identifizierung des Stromkreises.
2-Draht, 3-Draht oder 4-Draht
Zum Beispiel: 24V DC
Erforderlich oder nicht erforderlich
Modell des Messumformers oder der SPS/DCS-Karte
Feld, Schaltschrank oder beide Seiten
Anforderungen an Menge, Logo und Verpackung
Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl eines 4-20mA Signal-SPDs?
Senden Sie einen Schaltplan, ein Foto der Klemmen, das Transmitter-Modell oder ein vorhandenes SPD-Modell. LEEYEE hilft bei der Identifizierung der Schleife und bestätigt die geeignete Schutzkonfiguration.
Häufig gestellte Fragen
Kann dieselbe SPD für alle 4-20mA-Schleifen verwendet werden?
Nein. Zwei-, Drei- und Vierleiterschaltungen können unterschiedliche Stromquellen, Leiteranordnungen und Erdungsbezugspunkte verwenden.
Ist ein 24V-Signal-SPD immer korrekt für eine 24V-Schleife?
Nicht automatisch. Vergleichen Sie die maximale Dauerspannung des SPD mit der höchsten normalen Schleifenspannung und der Toleranz der Stromversorgung.
Ändert der SPD-Widerstand die 4-20mA-Ablesung?
Normalerweise verbraucht der SPD-Widerstand lediglich Schleifenspannung, anstatt einen proportionalen Skalierungsfehler zu erzeugen. Wenn die Spannungsreserve nicht ausreicht, erreicht die Schleife möglicherweise nicht den vollen Skalenendwert des Stroms.
Sollte eine 4-20mA-Schleife an beiden Enden geschützt werden?
Ein beidseitiger Schutz ist oft nützlich für Außen-, Langstrecken- oder gebäudeübergreifende Stromkreise. Er ist nicht für jede kurze interne Verbindung zwingend erforderlich.
Kann ein Standard-4-20mA-SPD HART-Kommunikation übermitteln?
Nur wenn Kapazität, Frequenzgang und Serienimpedanz geeignet sind. Eine explizite HART-Kompatibilität sollte bestätigt werden.
Benötigt ein Vierdrahtsender zwei SPDs?
Möglicherweise ist ein separater Schutz für den Stromeingang und den Signalausgang erforderlich. Die endgültige Anordnung hängt von der Verdrahtung und der internen Isolierung ab.
Kann der Kabelschirm den SPD-Erdeanschluss ersetzen?
Nein. Der Schirmanschluss und die Schutzerdung des SPD erfüllen verwandte, aber unterschiedliche Funktionen.
Welcher Standard gilt für 4-20-mA-Signal-SPDs?
IEC 61643-21 deckt Anforderungen und Prüfungen für SPDs in Signalnetzwerken ab. IEC 61643-22 bietet Auswahl- und Anwendungsprinzipien.
Technische Referenzen
- IEC, IEC 61643-21:2025 — Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung - Teil 21: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken - Leistungsanforderungen und Prüfverfahren .
- IEC, IEC 61643-22:2015 — Auswahl- und Anwendungsprinzipien für SPDs in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken .
- FieldComm Group, HART-Anwendungsleitfaden .
- Texas Instruments, Referenzdesign für einen kostengünstigen, schleifengespeisten 4-20mA-Transmitter .
- LEEYEE, Leitfaden zum Überspannungsschutz für SPS .
