Toepassingsgebieden
- Industriële automatisering: De Didactum 4–20 mA-connector is ideaal voor het bewaken van processen waarbij stroombasede sensoren worden gebruikt, bijvoorbeeld in geautomatiseerde productielijnen of machines.
- Milieubewaking: Kan worden toegepast in milieumeetsystemen die afhankelijk zijn van stroomaangedreven sensoren voor het registreren van parameters zoals temperatuur, vochtigheid of druk.
- Gebouwbeheersystemen (BMS): De omvormer kan worden geïntegreerd in BMS-systemen om verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsinstallaties (HVAC) en andere kritieke infrastructuren te bewaken en te regelen.
- Dieselnoodtanks: Bewaking van dieselniveausensoren met stroomuitgang.
Voorbeelden van gebruik:
De Didactum 4–20 mA-connector voor waterstandmeting wordt bewaakt door de Didactum monitoringunit.
De sensorgegevens worden via SNMP-Traps doorgestuurd naar het netwerkbewakingscentrum.
De monitoringunit beschikt over geïntegreerde logische schakelingen die in noodgevallen e-mail- en sms-meldingen versturen.
Bewaking van het dieselpeil in de dieseltank
De Didactum monitoringunit kan meerdere Didactum 4–20 mA-connectors gelijktijdig bewaken door continu de meetwaarden van de stroomlussen uit te lezen.
Deze waarden worden geïntegreerd in het Didactum monitoringsysteem, dat realtime gegevens levert en alarmmeldingen genereert bij overschrijding van ingestelde grenswaarden.
Zo kan bijvoorbeeld de druk in industriële installaties of leidingsystemen nauwkeurig worden bewaakt, zodat tijdig op veranderingen of mogelijke problemen kan worden gereageerd.
Installatiehandleiding (hardware)
Aansluiting van twee-draads sensoren en meetomvormers met 4–20 mA-signaaltoevoer
- Toewijzing van het 4–20 mA-signaal
Het standaard 4–20 mA gelijkstroomsignaal wordt veel gebruikt in meetapparatuur en industriële automatisering:
- Voor interfacing met sensoren en meetomvormers voor het uitvoeren van parametermetingen
- Voor gegevensoverdracht tussen apparaten
Het analoge signaal wordt weergegeven als een gelijkstroom in het bereik van 4–20 mA, waarbij 4 mA het minimale signaalniveau en 20 mA het maximale niveau vertegenwoordigt. - Voordelen van het 4–20 mA-signaal
Het 4–20 mA-stroomlussignaal biedt verschillende voordelen:
- Tweedraads aansluiting
- Mogelijkheid tot bewaking van kortsluitingen en draadonderbrekingen. De “nul”-stroomlus van 4–20 mA komt overeen met de “nul” van het meetapparaat, wat betrouwbare foutdetectie van apparaten, kortsluitingen, loskoppelingen of draadbreuken mogelijk maakt.
- Hoge storingsbestendigheid: de 4–20 mA-lus heeft een lage weerstand en is daardoor minder gevoelig voor storingen dan spanningssignalen. - Schema’s voor de aansluiting van tweedraads sensoren en meetomvormers
Het tweedraads circuit is de eenvoudigste en betrouwbaarste methode voor het gebruik van een sensor (meetomvormer).
De sensor (meetomvormer) is ongevoelig voor omgekeerde polariteit van de voeding, beschermd tegen kortsluitingen en minder gevoelig voor storingen (vooral bij lage belastingsweerstand). Door het gebruik van een tweedraads aansluiting kunnen maatregelen ter vermindering van elektromagnetische storingen (industrieel of radio) gemakkelijker worden toegepast.
3.1 Aansluiting van de sensor op een 4–20 mA-sensor of -zender met geïntegreerde voeding
De afbeelding rechts toont een sensor die gebruikmaakt van een 24 V-voeding.
- R420 – Weerstand van de Didactum 4–20 mA-connector (belasting), gemeten in ohm.
- Rline1 en Rline2 – Weerstand van de geleiders van de aansluitkabel, gemeten in ohm.
- Vpower – Spanning van de sensoraansluitvoeding, gemeten in volt.
- Pijlen geven de stroomrichting in het 4–20 mA-circuit aan.
- Rballast – Ballastweerstand (optioneel), gemeten in ohm, voor het beperken van het door de sensor opgenomen vermogen.
- AO – Analoge uitgang.
- AI – Analoge ingang.
3.2 Aansluiting van de sensor op een 4–20 mA-sensor of -zender zonder geïntegreerde voeding
Wanneer de 4–20 mA-sensor of -zender geen geïntegreerde voeding heeft of de beschikbare energie onvoldoende is om de sensor te laten werken, gebruik dan een externe spanningsbron. De analoge ingang 4–20 mA AIine2– is passief.
De afbeelding rechts toont een sensor die een 24 V-voeding vereist.
- R420 – Weerstand van de Didactum 4–20 mA-connector (belasting), gemeten in ohm.
- Rline1 en Rline2 – Weerstand van de geleiders van de aansluitkabel, gemeten in ohm.
- Vpower – Spanning van de sensoraansluitvoeding, gemeten in volt.
- Pijlen geven de stroomrichting in het 4–20 mA-circuit aan.
- AO – Analoge uitgang.
- AI – Analoge ingang.
3.3 Aansluiting van meerdere 4–20 mA-sensoren of -zenders op de omvormer
Het aansluitschema voor meerdere sensoren met één enkele voeding wordt weergegeven in de afbeelding rechts.
De analoge ingangen van de omvormer, AIine1 tot AIine3, zijn passief. De voeding (UDP) moet de stroom leveren die nodig is voor de werking van alle sensoren (omvormers).
Voorbeeld:
De maximale stroom van één sensor bedraagt 24 mA, dus moet de voeding voor drie sensoren minimaal 72 mA kunnen leveren.
De afbeelding rechts toont het schema voor het aansluiten van meerdere sensoren op de omvormer met één enkele stroombron.
Om extra fouten door de som van de uitgangsstromen van de sensoren te voorkomen, moet de samenkomst van de belastingen op één punt plaatsvinden. Om terugkoppelingseffecten op de voedingslijnen te minimaliseren, moeten de voedingskabels van de sensoren direct worden samengebracht aan de positieve klem van de voeding. De kabel van de negatieve pool van de voeding naar het gemeenschappelijke punt van het systeem moet zo kort mogelijk zijn.
3.4 Berekening van de voedingsspanning
De minimaal vereiste voedingsspanning (Vpower min) wordt berekend volgens de volgende formule:
Vpower min = Usens min + U420 min + (R420 + Rline) × Imax / 1000
Waarbij:
- Vpower min: Minimale voedingsspanning in volt
- Usens min: Minimale sensorspanning volgens de sensordocumentatie
- U420 min: Minimale spanning van de VT420-omvormer (5 V)
- R420: Weerstand van de VT420 (24,95 ohm)
- Rline: Weerstand van de aansluitkabels in ohm
- Imax: Maximale stroom (24 mA)
Voorbeeldberekening met een CAT5e-kabellengte van 100 m (Rline = 2 × 10 ohm) en een minimale sensorspanning van 8 V :
Vpower min = 8 V + 5 V + (24,95 Ω + 20 Ω) × 24 mA / 1000 = 8 + 5 + 44,95 × 0,024 = 14 V
Deze berekening zorgt ervoor dat de voeding voldoende spanning levert om zowel de sensor als de omvormer correct van stroom te voorzien. Hierbij wordt rekening gehouden met spanningsverliezen door kabelweerstand en worden de vereisten van sensor en omvormer gecombineerd. Een spanning die lager is dan de berekende waarde kan leiden tot meetfouten of een onderbreking van de voedingsspanning voor de sensor.
Aanbeveling:
Gebruik deze formule bij het dimensioneren van de voeding, met inachtneming van de kabellengte en de sensorvereisten, om stabiele en betrouwbare metingen te garanderen.
3.5 Maximale vermogensopname van de sensor
Het maximale opgenomen vermogen van de sensor (Psens max) wordt berekend volgens de volgende formule:
Psens max = Imax × [Upower - U420 min - Imax × (R420 + Rline) / 1000] / 1000
Rekenvoorbeeld met een 19 V‑voeding:
Psens max = 24 mA × [19 V − 5 V − 24 mA × (24,95 Ω + 20 Ω) / 1000] / 1000 = 0,31 W
Het berekende vermogen mag de maximale waarde die in de gebruiksaanwijzing van de sensor wordt vermeld niet overschrijden. Dit is belangrijk om overbelasting of schade aan de sensor te voorkomen.
Deze berekening helpt bij het correcte dimensioneren van de voeding, zodat de sensor binnen zijn gespecificeerde vermogensgrenzen werkt. Een te hoge vermogensopname kan wijzen op foutieve bekabeling of onjuiste spanningswaarden en moet worden vermeden.
4. Aanbevelingen voor de keuze en aansluiting van kabels
Voor het aansluiten van sensoren en omvormers met een 4–20 mA‑uitgang wordt aanbevolen een afgeschermde twisted‑pair‑kabel met een minimale doorsnede van 0,5 mm² (meeraderig) te gebruiken. De kabelafscherming moet worden verbonden met de beschermingsaarde (PE) om elektrische storingen en signaalruis te minimaliseren.
Wanneer de omvormer in een metalen behuizing is gemonteerd, moet de afscherming worden aangesloten op de afschermingsmassa van de behuizing om een effectieve afvoer van elektromagnetische storingen te garanderen.
Het gebruik van koperen geleiders van 16 tot 22 AWG (0,205 mm tot 0,823 mm diameter) wordt aanbevolen. De kabellengte moet zo kort mogelijk worden gehouden om spanningsverliezen door draadweerstand te beperken. Let er bovendien op dat slechts één uiteinde van de afscherming geaard wordt om kringstromen te voorkomen.
Deze maatregelen zorgen voor een stabiele signaaloverdracht en voorkomen meetfouten als gevolg van storingen of onvoldoende afscherming. Het naleven van deze aanbevelingen is vooral belangrijk bij lange kabelafstanden en in elektromagnetisch zwaar belaste omgevingen.
5. Aanbevelingen voor de keuze van een voeding
Als de omvormer toelaat dat dezelfde polen van de analoge ingangen worden samengevoegd, is een meerkanaals voeding niet nodig. Dit vereenvoudigt de installatie en verlaagt de kosten.
Het voordeel van meerkanaals voedingen is dat ze doorgaans een lage kortsluitstroom hebben. Als een kabelverbinding per ongeluk wordt kortgesloten, beschermt dit de analoge ingang tegen beschadiging.
Het hoofddoel van meerkanaals voedingen is om alle signaalstromen galvanisch van elkaar te scheiden zonder hoge kosten te veroorzaken. Deze galvanische scheiding voorkomt potentiaalverschillen en storingen die meetfouten of schade aan apparatuur kunnen veroorzaken.
Voor een betrouwbare 4–20 mA‑sensorvoeding wordt aanbevolen de voeding zo te dimensioneren dat deze voldoende spanning en stroom levert, rekening houdend met het aantal sensoren en de kabellengte. De typische spanning voor 4–20 mA‑stromen bedraagt 24 V, wat doorgaans voldoende marge (“headroom”) biedt voor spanningsverliezen.
Samenvatting:
- Bij gecombineerde analoge ingangen volstaat één enkele voeding.
- Meerkanalenvoedingen bieden bescherming tegen kortsluitingen en maken galvanische scheiding mogelijk.
- De voeding moet voldoende spanning en stroom leveren voor alle sensoren.
- 24 V is een gangbare waarde voor 4–20 mA‑lusvoedingen.
Instelling van het bewakingssysteem:
Sensorinstellingen in het Didactum monitoringsysteem
Nadat de Didactum 4–20 mA-connector volgens bovenstaande richtlijnen op de sensor is aangesloten en met het Didactum monitoringsysteem is verbonden, verschijnt de sensor automatisch in de gebruikersinterface. U vindt hem in de systeemboom van de interface onder: Interface > System Tree.
De sensor wordt in eerste instantie aangeduid met “fA”. Om instellingen te wijzigen, klikt u op de sensor. In het instellingenvenster vindt u de volgende parameters:
- Naam: Wordt automatisch toegewezen, maar kan vrij worden aangepast (bijvoorbeeld “Druksensor”).
- ID: Systeem-ID van het sensorelement.
- Type: Weergave als “fcurrent” (functie stroom) voor 4–20 mA-converters.
- Aangepast type: Selectie van een symbool of pictogram voor een betere identificatie (bijvoorbeeld temperatuur, spanning, vochtigheid).
- Klasse: Analoog.
- Hardware‑poort: Toont de fysieke aansluitnaam op het apparaat.
- Huidige status: Toont normaal, waarschuwing of alarm.
- Huidige waarde: Weergegeven sensorwaarde van de converter.
- Aanvullende velden: Bevat de lineaire formule voor het omrekenen van de sensorstroomwaarde.
- Alarmniveaus: Instellingen voor drempelwaarden (alarm laag, waarschuwing laag, waarschuwing hoog, alarm hoog) voor alarmmeldingen en automatische acties.
- Expressie: Maakt aanpassing van de lineaire omzettingsformule van het sensorsignaal mogelijk.
Met deze configuratie-opties kan de sensor nauwkeurig worden aangepast en bewaakt binnen het Didactum systeem, inclusief alarmbeheer, waardweergave en pictogramselectie voor een overzichtelijke layout.
Verdere instellingen in het Didactum monitoringsysteem
Wanneer u in het Didactum monitoringsysteem op de sensor klikt, ziet u de volgende instellingen:
- Naam
De naam wordt automatisch door het systeem toegewezen. U kunt deze echter naar wens wijzigen, bijvoorbeeld naar “Pressure” bij een aangesloten druksensor. - ID
Systeem-ID van het element. - Type
De Didactum 4–20 mA-connector wordt weergegeven als sensor fcurrent (Function of current). - Aangepast type
Hier kunt u een pictogram voor de sensor selecteren, uitsluitend voor visuele herkenning. Beschikbare symbolen zijn: geen, stroom, factor, frequentie, vochtigheid, vermogen, temperatuur, trilling, spanning. - Klasse
Analoge. - Hardware‑poort
Naam van de fysieke aansluiting op het apparaat (alleen-lezen). - Huidige status
Mogelijke statussen: alarm, waarschuwing, normaal. - Huidige waarde
De actuele sensormeting zoals uitgegeven door de omvormer. - Aanvullende velden
Toont de lineaire formule voor de berekening van de sensorwaarde uit het stroomsignaal. - Alarmniveaus
Drempelwaarden voor laag alarm, lage waarschuwing, hoge waarschuwing en hoog alarm; deze kunnen worden gebruikt voor meldingen en logische acties. - Expressie
Hier kan de lineaire omzettingsformule van het sensorsignaal worden aangepast.
Met deze gebruiksvriendelijke configuratie kunt u sensorgegevens nauwkeurig bewaken en alarmen efficiënt beheren.
Voorbeeld voor het bepalen van de expressieformule aan de hand van de druksensor PD‑39 X Low Pressure
De Didactum 4–20 mA-connector werkt uitsluitend met sensoren die lineaire functies binnen de 4–20 mA‑stroomlus gebruiken.
Als voorbeeld nemen we de druksensor “PD‑39 X Low Pressure”, die beschikbaar is in standaard drukbereiken van 3, 10 en 25 bar. We kiezen de sensor met een meetbereik van 0 tot 25 bar.
De karakteristieke lijn van de sensor wordt gedefinieerd door de punten binnen het 4–20 mA‑bereik:
- A(xA, yA) = A(0, 4 mA)
- B(xB, yB) = B(25, 20 mA)
Voor het bepalen van de vergelijking van de rechte lijn die door de punten A en B loopt, wordt gebruikt:
\[ y - y_A = \frac{y_B - y_A}{x_B - x_A} \times (x - x_A) \]
Invullen van de waarden :
\[ y - 4 = \frac{20 - 4}{25 - 0} \times (x - 0) \Rightarrow y = 0,64x + 4 \]
Deze vergelijking beschrijft het verband tussen de druk (x in bar) en de stroom (y in mA).
Fijnafstelling via het veld “Expression” in het systeem
Stel dat u de volgende expressie wilt gebruiken voor de omzetting van de stroomwaarde naar druk: y = 2 * (x − 4).
Ga als volgt te werk :
- Geef de sensor een naam, bijvoorbeeld “Pressure”.
- Kies voor het veld “Aangepast type” het pictogram “current”.
- Voer de formule
2 * (x − 4)in het veld “Expression” in. - Sla de wijzigingen op.
Hierdoor wordt de omzetting van het stroomsignaal van de sensor nauwkeurig uitgevoerd binnen het Didactum monitoringsysteem en wordt de juiste waarde weergegeven.
Wijzigingen in de “System Tree” na aanpassing van de sensorinstellingen
Na het bewerken en opslaan van de sensorinstellingen in het Didactum monitoringsysteem ziet u de volgende zichtbare wijzigingen bij de sensor in de System Tree:
- Naam gewijzigd: De nieuwe naam, bijvoorbeeld “Pressure”, wordt weergegeven in plaats van de automatisch toegekende naam.
- Symbool gewijzigd: Het geselecteerde aangepaste pictogram, bijvoorbeeld “current”, wordt als symbool in de systeembrowser getoond.
- Waarde berekend: De sensorwaarde wordt niet langer ruw weergegeven, maar berekend en getoond volgens de gedefinieerde expressieformule (bijvoorbeeld omzetting van 4–20 mA-stroomsignalen in fysieke grootheden).
Deze wijzigingen verbeteren het overzicht in het systeem en bieden een nauwkeurige waardweergave die past bij de sensortoepassing. Hierdoor kunnen verschillende sensoren eenvoudig worden geïdentificeerd en correct geïnterpreteerd.