4–20 mA, 0–10 V oder Widerstand | Sensor-Ausgangssignal?

4–20 mA, 0–10 V oder Widerstand? Ausgangssignale von Füllstandssensoren im Vergleich 

Ein Füllstandssensor erfasst die Höhe einer Flüssigkeit im Behälter. Damit dieser Messwert von einer Steuerung, Anzeige oder anderen Auswerteelektronik verarbeitet werden kann, muss er in ein geeignetes elektrisches Ausgangssignal umgesetzt werden. Zu den verbreiteten Varianten gehören Widerstandssignale, 0–10 V und 4–20 mA. Eine pauschal beste Lösung gibt es deshalb nicht. Entscheidend ist immer das Gesamtsystem aus Sensor, Leitung, Spannungsversorgung und Auswerteelektronik. 

Welches Signal am besten geeignet ist, hängt unter anderem von Leitungslänge, Störumgebung, vorhandener Steuerung und den gewünschten Diagnosemöglichkeiten ab. Unsere Messwertgeber können je nach Ausführung mit Widerstands-, Strom- oder Spannungsausgang realisiert und für die jeweilige Anwendung angepasst werden.

Welche Aufgabe hat das Ausgangssignal eines Füllstandssensors? 

Bei einer kontinuierlichen Füllstandsmessung soll nicht nur erkannt werden, ob ein bestimmter Grenzstand erreicht wurde. Stattdessen wird der aktuelle Füllstand über einen definierten Messbereich hinweg erfasst. 

Bei unseren Messwertgebern bewegt sich dazu ein Schwimmer entlang eines Führungsrohres. Der Magnet im Schwimmer aktiviert die im Inneren angeordneten Reedkontakte. Über eine Widerstandskette entsteht daraus ein füllstandsabhängiges elektrisches Signal. 

Dieses Signal kann entweder direkt als Widerstandswert ausgegeben oder elektronisch in ein normiertes Strom- beziehungsweise Spannungssignal umgewandelt werden. Welche Variante sinnvoll ist, hängt davon ab, wie der Messwert anschliessend verarbeitet werden soll. 

Mehr zum zugrunde liegenden Messprinzip finden Sie auf unserer Seite zur kontinuierlichen Füllstandsmessung.

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

Die drei Ausgangsvarianten erfüllen grundsätzlich dieselbe Aufgabe: Sie bilden den gemessenen Füllstand elektrisch ab. Unterschiede bestehen vor allem bei Signalaufbereitung, Verdrahtung, Störfestigkeit und Auswertung. 

Widerstandsausgang: einfach und passiv 

Beim Widerstandsausgang verändert sich der elektrische Widerstand abhängig vom Füllstand. Das Funktionsprinzip ist mit einem Potentiometer vergleichbar. 

Ein wesentlicher Vorteil besteht im einfachen Aufbau ohne zusätzliche elektronische Signalwandlung direkt am Sensor. Wenn die nachgeschaltete Steuerung oder Anzeige bereits für die Auswertung eines variablen Widerstandes ausgelegt ist, kann dies eine wirtschaftliche und technisch unkomplizierte Lösung sein. 

Bei längeren Leitungen muss jedoch berücksichtigt werden, dass Leitungs- und Kontaktwiderstände das Messergebnis beeinflussen können. Für grössere Entfernungen oder elektrisch anspruchsvolle Industrieumgebungen ist deshalb häufig ein normiertes Stromsignal vorteilhafter. 

0–10-V-Signal: unkomplizierte Spannungsübertragung 

Bei einem 0–10-V-Ausgang wird der Messbereich proportional auf eine Spannung zwischen 0 und 10 V übertragen.  

Vereinfacht kann beispielsweise gelten: 

• 0 V = leer 
• 5 V = 50 % Füllstand 
• 10 V = voll 

Der Vorteil liegt vor allem in der einfachen Verarbeitung. Viele SPS, Regler und Messgeräte verfügen über entsprechende analoge Spannungseingänge. 

Spannungssignale reagieren allerdings stärker auf Spannungsabfälle und elektrische Störeinflüsse als eine Stromschleife. Je länger die Leitung wird und je anspruchsvoller die elektromagnetische Umgebung ist, desto wichtiger werden deshalb eine geeignete Verkabelung und Signalführung. 

4–20-mA-Signal: robust für industrielle Anwendungen 

Das 4–20-mA-Signal gehört zu den etablierten Standards der industriellen Prozessmesstechnik. Anders als bei einem Spannungsausgang wird nicht die Spannung, sondern der durch die Messschleife fliessende Strom als Messgrösse ausgewertet. 

Typischerweise wird der Messbereich so abgebildet: 

• 4 mA = Messbereichsanfang beziehungsweise 0 % 
• 12 mA = 50 % 
• 20 mA = Messbereichsende beziehungsweise 100 % 

Ein Sensor mit 4–20-mA-Ausgang eignet sich insbesondere für Anlagen, bei denen das Signal über längere Kabelwege zuverlässig übertragen werden muss. 

Da innerhalb einer Stromschleife an allen in Reihe liegenden Punkten derselbe Strom fliesst, haben moderate Spannungsabfälle über den Leitungswiderstand keinen direkten Einfluss auf den übertragenen Messwert. Das macht das 4–20-mA-Signal besonders robust gegenüber Leitungseinflüssen und elektrischen Störungen. 

Wie funktioniert ein 4–20-mA-Signal? 

Ein 4–20-mA-Geber wandelt den erfassten Messwert in einen proportionalen Strom um. Die angeschlossene Steuerung misst diesen Strom und berechnet daraus den entsprechenden Füllstand. 

Bei einem linear skalierten Tank könnte beispielsweise gelten: 

• 4 mA = 0 mm beziehungsweise leer 
• 8 mA = 25 % 
• 12 mA = 50 % 
• 16 mA = 75 % 
• 20 mA = 100 % beziehungsweise voll 

Wie der Füllstand anschliessend angezeigt oder weiterverarbeitet wird, hängt von der Skalierung der Steuerung ab. 

Für die korrekte Funktion muss die Stromschleife als Gesamtsystem betrachtet werden. Versorgungsspannung, Leitungswiderstand und Eingangswiderstand der Auswerteeinheit müssen aufeinander abgestimmt sein, damit der Sensor im gesamten Messbereich den erforderlichen Strom liefern kann. 

Warum beginnt das Signal bei 4 statt bei 0 mA? 

Dass der Messbereich bei 4 mA und nicht bei 0 mA beginnt, ist ein wichtiger Vorteil der Stromschleife. 

Ein regulärer Messwert von 0 % entspricht weiterhin einem Strom von 4 mA. Bleibt der Strom vollständig aus, kann dies daher auf eine Störung wie einen Leitungsbruch oder einen Ausfall der Versorgung hinweisen. 

Dieses Prinzip wird als „Live Zero“ bezeichnet. Messwert und grundlegender Fehlerzustand lassen sich dadurch voneinander unterscheiden. 

Bei einem klassischen 0–10-V-Signal ist diese Unterscheidung weniger eindeutig: 0 V kann sowohl einen tatsächlichen Messwert von 0 % als auch einen elektrischen Fehler darstellen. 

Messwerte und Fehlersignale unterscheiden 

Ein weiterer Vorteil analoger Stromsignale besteht darin, dass zusätzlich zum eigentlichen Messbereich definierte Werte ausserhalb von 4–20 mA für Diagnosezwecke genutzt werden können. 

Bei einer kundenspezifischen Ausführung kann beispielsweise ein zusätzlicher Fehlerzustand vorgesehen werden. Denkbar ist etwa ein Signal von 21 mA, wenn der Schwimmer nicht mehr ordnungsgemäss erkannt wird oder abgefallen ist. 

Die Steuerung kann dadurch zwischen einem normalen Messwert und einem definierten Fehlerzustand unterscheiden und beispielsweise eine Warnmeldung ausgeben. 

Welche Diagnosewerte, Signalbereiche und elektrischen Eigenschaften sinnvoll sind, hängt von der jeweiligen Anlage ab. Deshalb können wir unsere Messwertgeber auch hinsichtlich der Signalaufbereitung individuell anpassen. 

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Welches Ausgangssignal eignet sich für welche Anwendung? 

Die Auswahl sollte nicht allein danach erfolgen, welcher Signaltyp grundsätzlich leistungsfähiger erscheint. Entscheidend ist, welche Anforderungen in der konkreten Anlage bestehen. 

Leitungslänge und elektromagnetische Störungen 

Für kurze Leitungswege in einer kontrollierten elektrischen Umgebung können Widerstands- oder Spannungssignale vollkommen ausreichend sein. 

Mit zunehmender Leitungslänge steigt jedoch der Einfluss von Leitungswiderständen, elektromagnetischen Störungen und Potentialunterschieden. 

In industriellen Anlagen mit längeren Kabelwegen, Motoren, Frequenzumrichtern oder anderen möglichen Störquellen wird deshalb häufig das 4–20-mA-Signal bevorzugt. Es wurde speziell für eine zuverlässige analoge Signalübertragung unter solchen Bedingungen etabliert. 

Auch bei einer Stromschleife müssen allerdings die zulässige Bürde und die verfügbare Versorgungsspannung berücksichtigt werden. „Unempfindlich gegenüber Leitungswiderstand“ bedeutet daher nicht, dass beliebig lange Leitungen ohne elektrische Auslegung möglich sind. 

Steuerung, Analogeingang und vorhandene Auswerteelektronik 

Oft gibt bereits die vorhandene Steuerung vor, welches Signal besonders sinnvoll ist. 

Verfügt eine SPS beispielsweise über einen freien 4–20-mA-Analogeingang, kann ein entsprechender Messwertgeber direkt integriert werden. Dasselbe gilt für einen vorhandenen 0–10-V-Eingang oder eine Widerstandsauswertung. 

Bei der Planung sollten deshalb unter anderem folgende Fragen beantwortet werden: 

• Welche analogen Eingänge sind bereits vorhanden? 
• Wie weit ist der Sensor von der Steuerung entfernt? 
• Welche Versorgungsspannung steht zur Verfügung? 
• Wie störbehaftet ist die elektrische Umgebung? 
• Werden zusätzliche Diagnoseinformationen benötigt? 
• Soll die Auswertung möglichst einfach oder besonders robust sein? 

Gerade bei neuen Anlagen lohnt es sich, das Ausgangssignal bereits bei der Sensorauswahl auf das gesamte Automatisierungskonzept abzustimmen. 

Diagnosemöglichkeiten und Anforderungen an die Betriebssicherheit 

Wenn lediglich ein Füllstandswert übertragen werden soll, können grundsätzlich alle drei Varianten geeignet sein. 

Soll die Steuerung dagegen zusätzlich erkennen können, ob der Sensor korrekt arbeitet, bietet ein 4–20-mA-Ausgang zusätzliche Möglichkeiten. Messbereich und Fehlerzustände können elektrisch klar voneinander getrennt werden. Optional kann kundenspezifisch z.B. ein 22-mA-Fehlersignal zur Erkennung eines abgefallenen Schwimmers bereitgestellt werden.

Eine kontinuierliche Füllstandsmessung ersetzt dabei nicht automatisch einen unabhängigen Grenzwertschalter. Je nach Sicherheitsanforderung können separate Schaltpunkte oder zusätzliche Grenzstandsensoren erforderlich sein. 

Unsere Messwertgeber können jedoch je nach Ausführung auch mit zusätzlichen Schaltfunktionen kombiniert und an die jeweilige Anwendung angepasst werden. 

4–20 mA auf 0–10 V umwandeln: Was ist zu beachten? 

Besteht bereits ein Sensor mit 4–20-mA-Ausgang, während die Steuerung lediglich einen 0–10-V-Eingang besitzt, können beide Systeme über einen geeigneten Signalwandler miteinander verbunden werden. 

Der Wandler übernimmt dabei nicht nur die elektrische Umsetzung, sondern auch die korrekte Skalierung: 

4–20 mA → 0–10 V 

Eine reine Strom-Spannungs-Umwandlung über einen Widerstand ist nicht automatisch gleichbedeutend mit dieser Skalierung. Wird beispielsweise ein Widerstand von 500 Ω eingesetzt, entstehen nach dem Ohmschen Gesetz: 

• bei 4 mA: 2 V 
• bei 20 mA: 10 V 

Das Ergebnis wäre somit 2–10 V und nicht 0–10 V. 

Wenn tatsächlich der komplette Bereich von 4–20 mA auf 0–10 V übertragen werden soll, muss der 4-mA-Offset entsprechend berücksichtigt werden. Dies lässt sich mit einem dafür vorgesehenen Signalwandler realisieren. 

Wenn bereits bei der Auslegung bekannt ist, dass die Steuerung ein Spannungssignal benötigt, ist es allerdings häufig einfacher, den Sensor direkt mit dem passenden Ausgang zu spezifizieren. 

Ausgangssignale und Füllstandsmessung individuell konfigurieren 

Die Wahl zwischen Widerstand, 0–10 V und 4–20 mA ist nicht auf wenige starre Standardvarianten beschränkt. 

Bei Reed Electronics entwickeln und fertigen wir individuelle Messwertgeber, die sowohl mechanisch als auch elektrisch auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden können. 

Neben unterschiedlichen Materialien, Abmessungen und Anschlüssen lässt sich deshalb auch die Signalausgabe gezielt an die vorhandene Anlagenumgebung anpassen. 

Kundenspezifische Spannungs- und Stromsignale 

Nicht jede Steuerung arbeitet mit exakt denselben elektrischen Spezifikationen. Deshalb können je nach Projekt beispielsweise Spannungseingang, Versorgung und Ausgangssignal kundenspezifisch ausgelegt werden. 

Auch spezielle Spannungsausgänge ausserhalb einer klassischen Standardkonfiguration können grundsätzlich entsprechend der technischen Anforderungen umgesetzt werden. 

Das ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein bestehendes System beibehalten werden soll und sich der Sensor in eine bereits definierte elektrische Umgebung integrieren muss. 

Auch kompakte Varianten wie unser Messwertgeber Mini stehen mit unterschiedlichen elektrischen Ausgangssignalen zur Verfügung. 

Zusätzliche Fehlersignale und Schaltfunktionen 

Neben der eigentlichen Messwertübertragung können zusätzliche elektrische Funktionen integriert werden. 

Ein Beispiel ist ein definierter Ausgangswert von 21 mA als Fail-Signal, wenn ein bestimmter Fehlerzustand erkannt wird. Dadurch kann die übergeordnete Steuerung nicht nur den aktuellen Füllstand auswerten, sondern zusätzlich auf einen Sensorfehler reagieren. 

Abhängig von der Anwendung sind auch weitere kundenspezifische Signalbereiche oder zusätzliche Schaltfunktionen denkbar. 

Damit lässt sich die Füllstandssensorik gezielt an die vorhandene Steuerungslogik anpassen, statt die gesamte Anlage an einen starren Standardsensor anpassen zu müssen. 

Fazit: 4–20 mA, 0–10 V oder Widerstand – welches Signal ist die beste Wahl? 

Für einfache Anwendungen mit vorhandener Widerstandsauswertung kann ein passiver Widerstandsausgang die unkomplizierteste Lösung sein. Ein 0–10-V-Ausgang bietet sich an, wenn eine entsprechende analoge Eingangskarte vorhanden ist und die Signalwege überschaubar sind. 

Bei längeren Leitungen, industriellen Störbedingungen und höheren Anforderungen an die Diagnose ist dagegen häufig ein 4–20-mA-Signal die robusteste Lösung. 

Welcher Ausgang tatsächlich am besten geeignet ist, hängt jedoch immer vom Gesamtsystem ab. Unsere Messwertgeber sind deshalb mit unterschiedlichen Ausgangssignalen erhältlich und können bei Bedarf elektrisch und mechanisch an die konkrete Anwendung angepasst werden.  

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FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Ausgangssignalen von Füllstandssensoren 

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

Bei 4–20 mA wird der Messwert als Strom, bei 0–10 V als Spannung übertragen. 4–20 mA ist besonders robust bei längeren Leitungen und industriellen Störeinflüssen, während 0–10 V häufig einfacher direkt auszuwerten ist. 

Warum beginnt ein 4–20-mA-Signal bei 4 mA? 

Die 4 mA dienen als sogenannter Live Zero. Dadurch lässt sich ein tatsächlicher Messwert von 0 % von bestimmten Fehlerzuständen wie einem Ausfall der Stromschleife unterscheiden. 

Was bedeutet 12 mA bei einem 4–20-mA-Signal? 

Bei einer linearen Skalierung von 4 bis 20 mA entsprechen 12 mA genau der Mitte des Messbereichs, also 50 % Füllstand. 

Wann ist ein Widerstandsausgang sinnvoll? 

Ein Widerstandsausgang eignet sich besonders für einfache Anwendungen, bei denen bereits eine passende Widerstandsauswertung vorhanden ist. Er kommt ohne zusätzliche Signalwandlung direkt am Sensor aus. 

Ist 4–20 mA besser als 0–10 V? 

Nicht grundsätzlich. Für längere Leitungen und anspruchsvolle Industrieumgebungen ist 4–20 mA häufig vorteilhaft. Bei kurzen Signalwegen und vorhandenen Spannungseingängen kann 0–10 V die einfachere Lösung sein. 

Kann ein 4–20-mA-Signal auf 0–10 V umgewandelt werden? 

Ja. Mit einem geeigneten Signalwandler lässt sich 4–20 mA auf 0–10 V skalieren. Ein einfacher Widerstand erzeugt dagegen nicht automatisch den vollständigen Bereich von 0 bis 10 V. 

Können Fehlerzustände über ein 4–20-mA-Signal übertragen werden? 

Ja. Zusätzlich zum normalen Messbereich können definierte Stromwerte ausserhalb von 4–20 mA als Fehlersignal genutzt werden. Bei einer kundenspezifischen Lösung kann beispielsweise 21 mA einen definierten Fehlerzustand anzeigen. 

Können Reed-Messwertgeber kundenspezifische Ausgangssignale liefern? 

Ja. Neben Widerstands-, 4–20-mA- und 0–10-V-Ausgängen können Messwertgeber hinsichtlich Versorgung, Ausgangssignal und weiterer elektrischer Funktionen an die jeweilige Anwendung angepasst werden.