Serviceline Industrielle Sensoren
Serviceline Explosionsschutz

2-Draht-Sensoren

2-Draht-Sensoren für Gleichspannungsbetrieb


2-Draht-Sensoren werden in Reihe zur angeschlossenen Last betrieben. Es gibt keine getrennten Anschlüsse für den Lastkreis und die Spannungsversorgung eines 2-Draht-Sensors.

 

 


2-Draht-Sensor: Nie ganz leitend – nie ganz gesperrt

Ein 2-Draht-Sensor ist ein aktives Bauteil, das zu seiner Funktion Energie benötigt. Diese elektrische Energie bezieht der Sensor über die beiden Anschlussdrähte. Gleichzeitig signalisiert der Sensor über dieselben beiden Anschlussdrähte seinen Schaltzustand. Gedanklich ersetzt man den Sensor gerne durch einen mechanischen Schalter, der je nach Bedämpfungssituation des Sensors geöffnet oder geschlossen ist.


Schalter auf

Schalter zu

Diese gedankliche Vereinfachung spiegelt die Realität nur unzureichend wider. Über einen idealen geöffneten Schalter fließt kein Strom. Die angeschlossene Last wird nicht bestromt. Umgekehrt fällt über einem geschlossenen Schalter im Idealfall keine Spannung ab. Die gesamte Versorgungsspannung liegt über der Last an.
Anders als ein mechanischer Schalter benötigt ein 2-Draht-Sensor als aktives Bauteil zu jeder Zeit Spannung und Strom. Das bedeutet, dass selbst im geschlossenen Zustand eine nicht zu vernachlässigende Spannung über dem Sensor abfällt, die an der angeschlossenen Last fehlt. Im geöffneten Zustand fließt ein Strom durch den Sensor und die angeschlossene Last. Es wird also beim Betrieb eines 2-Draht-Sensors niemals die eindeutigen Fälle „geöffnet“ und „geschlossen“ geben, wie man sie vom mechanischen Schaltkontakt kennt.

Betriebszustand „geöffnet“

Im Betriebszustand „geöffnet“ ist das Schaltelement nichtleitend. Im Stromkreis fließt dennoch Strom, da die Elektronik des Sensors einen gewissen Strombedarf hat. Dieser ist i. d. R. recht gering und liegt bei Werten unter 1 mA. Dennoch kann dieser geringe Stromwert an hochohmigen Lasten eine Spannung hervorrufen, wie dem Digitaleingang einer Steuerung mit einer typischen Eingangsimpedanz von mehreren Kiloohm. Diese Spannung kann dem Digitaleingang einen High-Pegel vortäuschen.

Gerade moderne Digitaleingänge (Typ 3 gemäß EN 61131-2) werden zur Reduzierung von Eingangsströmen und damit der Verlustleistung und Abwärme hochohmig ausgeführt. Um den Eingangskennwerten solch moderner Digitaleingänge gerecht zu werden, bietet Pepperl+Fuchs 2-Draht-Sensoren an, die einen besonders geringen Reststrom aufweisen.

Beispiel: NBB10-30GS50-Z4L-V1. Das „L“ in der Bezeichnung des Ausgangs steht für „Low Current“.

Betriebszustand „geschlossen“

Im Betriebszustand „geschlossen“ ist das Schaltelement leitend. Im Stromkreis fließt Strom. Anders als bei einem mechanischen Kontakt fällt dennoch eine Spannung im Bereich mehrerer Volt über dem Sensor ab.

Beim Betrieb des Sensors an kleinen Versorgungsspannungen kann der Spannungsfall über dem geschalteten Sensor dazu führen, dass an der Last eine zu geringe Spannung ankommt. In dem Fall erhält der Digitaleingang einer Steuerung nicht genügend Spannung, um das Schalten des Sensors zu erkennen.

Sensoranschluss – Beispiel


Beispiel für 2-Draht-Sensor im Gleichspannungsbetrieb

In einer Reihenschaltung ist es völlig egal, in welcher Reihenfolge Sensor und Last angeordnet sind.

entspricht

Die beiden gezeigten Anordnungen von Sensor und Last sind vollkommen gleichwertig und austauschbar.


Verpolschutz

2-Draht-Sensoren für Gleichspannungsbetrieb von Pepperl+Fuchs sind gegen Beschädigung durch Verpolung geschützt. Der Verpolschutz ist in unterschiedlicher Weise ausgeführt und in den technischen Daten des Produkts gekennzeichnet.

Wir unterscheiden folgende Arten des Verpolschutzes.

Verpolgeschützt

Verpolgeschützte Sensoren sind durch eine interne Diode vor Schäden durch Verpolung geschützt. Im Fall von falscher Polung funktioniert der Sensor nicht. Es fließt kein Strom im Stromkreis. Ein digitaler Steuerungseingang erhält ein andauerndes Low-Signal.

 

Sensor funktioniert - Strom fließt wie vorgesehen   Sensor funktioniert nicht - Strom fließt
 

 


Verpoltolerant

Verpoltolerante Sensoren werden durch einen internen Schaltungskniff immer korrekt versorgt und funktionieren unabhängig von der äußeren Polung immer korrekt.
Die interne Schaltung, die für die immer korrekte innere Polung der Sensorelektronik sorgt, bewirkt einen etwas erhöhten Spannungsfall im Vergleich zu verpolgeschützten oder verpolleitenden Sensoren.

Ausführungen von 2-Draht-Sensoren

Die Ausführung des elektrischen Ausgangs ist üblicherweise im 3. Block der Bestellbezeichnung von Pepperl+Fuchs angegeben. Ein 2-Draht-Sensor ist darin mit einem „Z“ gekennzeichnet.

Kürzel Bedeutung Besonderheit
  Z oder Z0 Schließer, verpoltolerant Spannungsfall ≤ 5 V
  Z1 Öffner, verpoltolerant Spannungsfall ≤ 5 V
  Z2 Öffner/Schließer, verdrahtungsprogrammiert, verpoltolerant Spannungsfall ≤ 5 V
  Z3 Schließer, verpoltolerant Wie Z0, jedoch andere Pinbelegung des Steckers
  Z4 Schließer, verpolgeschützt Spannungsfall ≤ 3,8 V
  Z4L Schließer, verpolgeschützt Wie Z4, jedoch geringerer Reststrom
  Z5 Öffner, verpolgeschützt Spannungsfall ≤ 3,8 V
  Z7 Öffner, verpolgeschützt Wie Z5, jedoch andere Pinbelegung des Steckers
  Z8 2 Schließer, verpoltolerant  

2-Draht-Sensoren für Wechselspannungsbetrieb

2-Draht-Sensoren dieses Typs werden in Reihe mit der Last betrieben und werden an Wechselstrom-Versorgungsspannungen angeschlossen. Ansonsten gelten die gleichen Aussagen wie für 2-Draht-Sensoren für Gleichspannungsbetrieb.

Sensoranschluss – Beispiel


Beispiel für 2-Draht-Sensor im Wechselspannungsbetrieb

Ausführungen

Die Sensoren dieses Typs sind im 3. Block der Bestellbezeichnung mit einem –W gekennzeichnet.

Solche Sensoren sind in folgenden Schaltelementfunktionen erhältlich:

  • Öffner (WO)
  • Schließer (WS)
  • Öffner oder Schließer (W), verdrahtungsprogrammierbar

2-Draht-Sensoren für Gleichspannungs- oder Wechselspannungsbetrieb

2-Draht-Sensoren dieses Typs werden in Reihe mit der Last betrieben und können wahlweise an Gleichstrom- oder an Wechselstrom-Versorgungsspannungen angeschlossen werden. Ansonsten gelten die gleichen Aussagen wie für 2-Draht-Sensoren für Gleichspannungsbetrieb.

Sensoranschluss - Beispiel


Beispiel für 2-Draht-Sensor im Gleichspannungs- oder Wechselspannungsbetrieb

Ausführungen

Die Sensoren dieses Typs sind im 3. Block der Bestellbezeichnung bei Pepperl+Fuchs mit einem –U gekennzeichnet.

Diese Sensoren sind in folgenden Schaltelementfunktionen erhältlich:

  • Öffner (UO)
  • Schließer (US)
  • Öffner oder Schließer (UU), verdrahtungsprogrammierbar

2-Draht-Sensoren gemäß NAMUR

2-Draht-Sensoren gemäß NAMUR (kurz: NAMUR-Sensoren) sind benannt nach der „Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik der chemischen Industrie“, kurz: NAMUR. Dabei handelt es sich um 2-Draht-Sensoren gemäß EN 60947-5-6 (VDE 0660, Teil 212), die eine stetige oder eine nicht-stetige Weg-/Stromkennlinie haben.

Bereich 0: Nicht betätigter Bereich
Roter Bereich zwischen 0/I: Unzulässiger Bereich des Schaltverstärkers
Bereich I: Betätigter Bereich
Bereich ≤ 0.15 mA: Leitungsbruch
Bereich ≥ 6.5 mA: Kurzschluss

Daneben bietet Pepperl+Fuchs NAMUR-Sensoren mit binärem Schaltverhalten. NAMUR-Sensoren mit dieser Ausgangscharakteristik sind in der Typenbezeichnung mit "N0" (Öffnerverhalten) oder "N1" (Schließerverhalten) gekennzeichnet.

Bereich 0: Nicht betätigter Bereich
Roter Bereich zwischen 0/I: Unzulässiger Bereich des Schaltverstärkers
Bereich I: Betätigter Bereich
Bereich ≤ 0.15 mA: Leitungsbruch
Bereich ≥ 6.5 mA: Kurzschluss

Sensoranschluss – Beispiel


Beispiel für einen 2-Draht-Sensor gemäß NAMUR

Pepperl+Fuchs bietet für NAMUR-Sensoren verschiedene Schaltverstärker für Explosionsschutzanwendungen und Standardanwendungen.

Hinweis: Bei Explosionsschutzanwendungen befindet sich der Einsatzort des eigensicheren NAMUR-Sensors im explosionsgefährdeten Bereich. Der Trennschaltverstärker ist außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs zu installieren.
Ein blau ummanteltes Sensorkabel kennzeichnet den NAMUR-Stromkreis optisch als eigensicher.

Beispiel:

Ausführungen von NAMUR-Sensoren

NAMUR-Sensoren sind im 3. Block der Bestellbezeichnung bei Pepperl+Fuchs gekennzeichnet mit:

–N = stetige Weg-/Stromkennlinie bzw.

–N0  = nicht-stetige Weg-/Stromkennlinie

Die Sensoren sind in folgenden Schaltfunktionen erhältlich:

  • Öffner (N/N0)
  • Schließer (1N/N1)
  • Öffner 2-kanalig (N4)

NAMUR-Sensoren werden in der Regel an externe Schaltverstärker angeschlossen, die die Stromänderung in ein binäres Ausgangssignal umsetzen.

2-Draht-Sicherheitssensoren gemäß NAMUR

Diese Art 2-Draht-Sicherheitssensoren entsprechen NAMUR-Sensoren mit besonderer Sicherheitslogik. Diese Sensoren sind entsprechend mit SN bzw. S1N gekennzeichnet.

Im kombinierten Betrieb mit zugelassenen Auswertegeräten stellen diese Sensoren z. B. im Fehlerfall den sicheren Zustand her.

Beispiel: Bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall des Verbindungskabels zwischen Sensor und Auswertegerät geht der Ausgang des Auswertegeräts automatisch in den sicheren Zustand „AUS“.

Hinweis: In sicherheitsgerichteten Anwendungen muss der Sensor an einem qualifizierten Sicherheitsschaltverstärker von Pepperl+Fuchs betrieben werden (z. B. KFD2-SH-Ex1).
Beachten Sie hierzu das zu diesem Sensor gehörende Dokument „exida Functional Safety Assessment“, das als Teil der Produktdokumentation unter www.pepperl-fuchs.com erhältlich ist.

Sensoranschluss – Beispiel

Im Folgenden wird ein Schaltungsbeispiel eines Sicherheitssensors mit dem KFD2-SH-Ex1 dargestellt. Die implementierte Sicherheitslogik ist dabei funktional unabhängig von der galvanischen Trennung zur Herstellung der Eigensicherheit zu betrachten.

Die beiden Komponenten in dieser Schaltung ermöglichen bei Ausfall die Herstellung des sicheren Zustands. Zusätzlich und unabhängig von dieser Funktion ist die Schaltung auch noch eigensicher.

Ausführungen von 2-Draht-Sicherheitssensoren gemäß NAMUR

Die Sensoren dieses Typs sind im 3. Block der Bestellbezeichnung bei Pepperl+Fuchs gekennzeichnet mit:

–SN (Schaltelementfunktion „Öffner“) bzw.

–S1N (Schaltelementfunktion „Schließer“)

Sicherheitssensoren dieses Typs sind mit Sicherheits-Trennschaltverstärkern des Typs SH von Pepperl+Fuchs bis SIL 3 gemäß IEC 61508 einsetzbar.

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