4–20 mA oder 0–10 V? Analogen Näherungssensor richtig auswählen und anschließen

Ein analoger Näherungssensor misst den Abstand zu einem metallischen Target und gibt ihn als stetiges Signal aus, statt nur zu schalten. Typische Aufgaben im deutschen Maschinenbau sind Spaltmessung an Pressen und Spannvorrichtungen, Positionsrückmeldung an Hydraulikachsen oder die Kontrolle von Wellenlage und Rundlauf. Nach dem Messbereich ist das Ausgangssignal die erste Entscheidung: Es bestimmt, wie lang die Leitung sein darf, wie die Steuerung einen Fehler erkennt und wie der Eingang beschaltet werden muss. Dieser Leitfaden vergleicht 4–20 mA und 0–10 V, erklärt den Doppelausgang und zeigt, wie das Signal skaliert und geprüft wird.

Was ist der Unterschied zwischen 4–20 mA und 0–10 V?

Ein 4–20-mA-Signal bildet den gemessenen Abstand als Strom ab. Weil durch die gesamte Schleife derselbe Strom fließt, ändert der Leitungswiderstand den Wert in der Steuerung nicht, solange die Gesamtbürde innerhalb der Sensorgrenze bleibt. Die Normbereiche legt IEC 60381-1 – Analogsignale für Prozessleitsysteme, Gleichstromsignale ↗ fest. Ein 0–10-V-Signal bildet den Abstand als Spannung ab. Es ist einfach zu verdrahten und abzulesen, aber jeder Spannungsabfall und jede auf der Leitung eingekoppelte Störung geht direkt in den Messwert ein; Spannungssignale behandelt IEC 60381-2 – Analogsignale für Prozessleitsysteme, Gleichspannungssignale ↗.

4–20 mA und 0–10 V im direkten Vergleich

Warum 4–20 mA statt 0–10 V?

• Live Zero. Der Bereichsanfang liegt bei 4 mA, nicht bei null. Ein Messwert unter etwa 4 mA bedeutet deshalb einen Fehler – Drahtbruch, lose Klemme oder fehlende Versorgung – und kein Target am Bereichsende.
• Leitungswiderstand spielt innerhalb der Bürdengrenze keine Rolle. Eine Stromquelle treibt denselben Strom durch die Schleife; der Steuerungseingang sieht den richtigen Wert, ob die Leitung 2 m oder deutlich länger ist – vorausgesetzt, Leitungs- und Eingangswiderstand bleiben zusammen innerhalb der Bürde von ≤ 400 Ω des SGI-AO-Sensors.
• Bessere Störfestigkeit. Der niedrige Eingangswiderstand eines Stromeingangs macht ihn unempfindlicher gegen Spannungen, die von Frequenzumrichtern, Motoren und Schweißanlagen eingekoppelt werden.

Die Nachteile sind gering: Ein Stromeingang kostet etwas mehr, der Schleifenwiderstand muss geprüft werden, und ein 4–20-mA-Signal lässt sich ohne Shunt-Widerstand nicht mit einem einfachen Voltmeter ablesen.

Wann lohnt sich die Doppelausgangs-Version?

Die Doppelausgangs-Modelle (M) von SEGMENsensor liefern 0–10 V und 0–20 mA gleichzeitig – 0–10 V an ≥ 2 kΩ und 0–20 mA an ≤ 400 Ω. Eine Bestellnummer deckt damit beide Eingangsarten ab. Das hilft, wenn dieselbe Maschine je nach Endkunde mit unterschiedlichen Steuerungen gebaut wird oder wenn eine Vor-Ort-Anzeige die Spannung und die SPS den Strom liest. Beachten Sie: Der Stromausgang der Doppelausgangs-Modelle ist 0–20 mA, nicht 4–20 mA. Er hat kein Live Zero – wenn Sie Drahtbrucherkennung brauchen, wählen Sie das 4–20-mA-Modell (I).

Wie wird ein analoger Näherungssensor angeschlossen?

Versorgen Sie den Sensor mit 18–30 V DC, beschalten Sie einen Eingang desselben Signaltyps und halten Sie die Lastgrenzen ein. Im Einzelnen:

• Versorgung 18–30 V DC. Analoge Sensoren brauchen eine höhere Mindestspannung als viele schaltende Sensoren – prüfen Sie bei langen Leitungen die Spannung am Sensor.
• Das Signal auf einen Eingang legen, der für denselben Signaltyp konfiguriert ist. Ein 4–20-mA-Sensor an einem als Spannung parametrierten Eingang – oder umgekehrt – ergibt einen festen oder unsinnigen Wert.
• Gesamtlast innerhalb der Grenzen halten: ≤ 400 Ω bei Strom, ≥ 2 kΩ bei Spannung.
• Für Analogsignale geschirmte Leitung verwenden, getrennt von Motor- und Umrichterleitungen verlegen und den Schirm einseitig erden.
• Den Anschlussplan im Datenblatt Ihrer Bestellnummer beachten; Doppelausgangs-Modelle haben eine zusätzliche Ader.

Für die Fehlersuche an Stromschleifen allgemein siehe Drucktransmitter 4–20 mA anschließen – die Regeln für die Schleife sind dieselben.

Signal skalieren und zwischen Signalarten umwandeln

In der SPS wird das Rohsignal auf den Abstand skaliert. Für einen 4–20-mA-Sensor mit linearem Bereich von d_min bis d_max gilt:

Abstand = d_min + (I − 4 mA) ÷ 16 mA × (d_max − d_min)

Für 0–10 V gilt Abstand = d_min + U ÷ 10 V × (d_max − d_min). Da die Linearität besser als 5 %, aber nicht ideal ist, kalibrieren Sie am realen Target: Signal an beiden Enden des Verfahrwegs aufnehmen (bei hohen Genauigkeitsanforderungen auch einige Zwischenpunkte) und diese Werte verwenden. Eine Wiederholgenauigkeit von 0,02 mm bedeutet, dass der Sensor beim gleichen Abstand denselben Wert liefert – eine Kalibriertabelle bleibt also gültig.

4–20 mA in eine Spannung umwandeln: Ein Präzisionswiderstand parallel zu einem Spannungseingang wandelt Strom in Spannung um (U = I × R). 500 Ω ergeben 2–10 V, 250 Ω ergeben 1–5 V. Prüfen Sie, dass Widerstand plus Leitung innerhalb der Bürde von ≤ 400 Ω des Sensors bleiben – 500 Ω liegen darüber; nehmen Sie also 250 Ω oder gleich ein 0–10-V- bzw. Doppelausgangs-Modell.

Signal vor Ort prüfen

Häufige Fragen (FAQ)

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Die technischen Daten entsprechen den SEGMENsensor-Produktseiten zum Veröffentlichungsdatum; Datenblätter und Maßzeichnungen senden wir auf Anfrage.