Eine große Anzahl von Sensoren, die Daten aus der realen Welt aufnehmen und in elektrische Signale umwandeln, sind analoge Sensoren. Traditionell haben verdrahtete Sensoren einen elektrischen Strom als Reaktion auf Umgebungsbedingungen verändert. Sensoren reichen von bekannten Beispielen wie Photodioden und Photomultiplier, die Strom erzeugen, wenn sie elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt sind, bis hin zu Tauchdruckmessumformern, die zur Messung von Flüssigkeitsständen verwendet werden. Das Standardstromsignal, das heute für Industrie- oder Umgebungssensoren verwendet wird, die typischerweise mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSEN) verdrahtet sind, beträgt 4-20 mA, wobei 4 mA null Prozent (0%) des Messwerts und 20 mA 100 Prozent (100%) des Messwerts darstellen.
Andere Strombereiche wurden historisch für Stromschleifensender verwendet, aber sie haben gemeinsam ein Verhältnis von 1: 5 in mA oder eine Vorspannung von 20%. Zum Beispiel waren vor dem Transistor 10-50 mA Stromschleifen üblich. Ein 10mA „Live Zero“ wurde verwendet, da es das niedrigste war, bei dem Instrumente, die auf magnetischen Verstärkern basieren, arbeiten konnten, und 50 mA wurde verwendet, um das Verhältnis 1: 5 beizubehalten. (Live null ist gemessen als null eingang auch wenn die tatsächlichen signal ist 4mA, nicht 0mA. Ein toter Nullpunkt wäre 0mA, an welchem Punkt Sie einen offenen Stromkreis haben.) Wenn Transistoren weit verbreitet waren, würden sie zuverlässig bei einem (damals) niedrigen Wert von 4 mA arbeiten, so dass der Industriestandard auf 4-20 mA verschoben wurde (wobei das Verhältnis 1: 5 mA beibehalten wurde). Der Standard für 4-20mA (ISA SP50) wurde ursprünglich 1966 veröffentlicht.
Stromsignale werden häufig in Sensoren verwendet, da die Stromreaktion normalerweise linearer ist als die Spannungsreaktion. Stromsignale bieten typischerweise auch eine niedrige Impedanz für Sensoren, mit dem Vorteil einer besseren Störfestigkeit. Eine praktische Überlegung ist, dass Stromsignale viel weiter reichen können als Spannungssignale, was robuste Signaldrahtlängen von bis zu 1.000 Metern ermöglicht.
Die Versorgungsspannungen, die mit 4-20 mA DC-Schleifen verwendet werden, variieren (9, 12, 24 VDC usw.) abhängig von der Anwendung. Die Stromversorgung muss jedoch ein 10% höheres Potential aufweisen als der Spannungsabfall der kombinierten Komponenten in der Schaltung (d. H. Sender, Empfänger und Kabel). Die meisten 4-20mA-Schleifen verwenden zwei Drähte, Es gibt jedoch auch Drei- und Vierdrahtkonfigurationen, die eine positive Versorgung vom Ausgangsanschluss trennen. Die Komponenten einer 4-20mA-Schleife umfassen 1) einen Sensor, 2) einen Sender, 3) eine Stromquelle, 4) eine Schaltung / Schleife (dh Verdrahtung) und 5) einen Empfänger.
Die Verwendung einer 4-20mA-Stromschleife hat Vor- und Nachteile. Die Vorteile sind, dass die 4-20-mA-Stromschleife der dominierende Industriestandard ist, besser für große Entfernungen geeignet ist, am einfachsten anzuschließen und zu konfigurieren ist, weniger Verkabelung benötigt als ähnliche Systeme und bei häufigen Problemen wie Kabelbrüchen sehr einfach zu beheben ist. Die Nachteile der Verwendung von 4-20 mA für eine aktive Sensoreingangsschleife bestehen darin, dass Stromschleifen nur ein Prozesssignal übertragen können, was mehrere Schleifen erfordert, wenn zahlreiche Prozessvariablen übertragen werden müssen. Darüber hinaus kann die Verwendung mehrerer Schleifen zu Erdschleifenproblemen führen, wenn die einzelnen Schleifen nicht isoliert sind.
Ein weiterer Vorteil von 4-20mA Stromschleifen ist die Sicherheit. Selbst wenn die Stromversorgung 24 Volt beträgt, ist ein Schock keine Gefahr, da der Strom niedrig ist (P = VI). Außerdem ist die 4-20mA-Stromschleife eigensicher für explosionsgefährdete Bereiche, die gefährliche Staub- oder Dampfmengen enthalten können, da der geringe Stromverbrauch keine Verbrennung verursacht, wenn normale Betriebs- oder Fehlerbedingungen vorliegen.
Wenn die Verwendung von drahtlosen Sensoren weiter zunimmt, wird die 4-20mA-Eingangsschleifenentfernung von 1.000 Metern natürlich nicht so beeindruckend sein wie in den 1960er Jahren. Die altmodische 4-20mA-Sensorschleife ist jedoch von Natur aus immun gegen Hacking über das Internet und wird für die Echtzeitleistung immer zuverlässiger sein als drahtlose Sensoren.