Wat is 4-20 mA?
4-20 mA is het meest gebruikte analoge signaal in de procesindustrie: een transmitter zet een meetwaarde om in een gelijkstroom tussen 4 en 20 milliampère, waarbij 4 mA het begin en 20 mA het einde van het meetbereik betekent. De PLC of DCS meet die stroom via een analoge ingang en rekent hem terug naar bijvoorbeeld een temperatuur, druk of niveau. Het signaal bestaat sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw en is gestandaardiseerd in IEC 60381-1.
🧠 Hoe werkt een 4-20 mA-stroomlus?
Een stroomlus bestaat uit vier onderdelen in serie:
- Voeding — meestal 24 V DC, vaak geleverd door de analoge ingangskaart
- Transmitter — regelt de stroom door de lus op basis van de meetwaarde
- Bekabeling — twee aders, vaak afgeschermd en getwist
- Ontvanger — de ingang van de PLC meet de stroom over een weerstand (bijvoorbeeld 250 Ω geeft 1–5 V)
Omdat de stroom in een gesloten lus overal gelijk is, maakt de lengte of weerstand van de kabel binnen de grenzen niet uit. Dat maakt 4-20 mA geschikt voor kabels van honderden meters door een elektrisch rumoerige fabriek.
🔧 Waarom 4 mA en niet 0 mA?
| Signaal | Betekenis |
|---|---|
| 0 mA | Kabelbreuk of uitgevallen transmitter: herkenbaar als storing |
| 3,6–3,8 mA | Onder het bereik (NAMUR NE 43): meetwaarde te laag of fout |
| 4 mA | 0% van het meetbereik (live zero) |
| 12 mA | 50% van het meetbereik |
| 20 mA | 100% van het meetbereik |
| ≥ 21 mA | Boven het bereik of storing (NAMUR NE 43) |
Dankzij de live zero kan het systeem een meetwaarde van 0% onderscheiden van een kapotte kabel. Bovendien kan een tweedraads transmitter zijn eigen voeding uit die eerste 4 mA halen, waardoor geen aparte voedingskabel nodig is.
🔄 Wat is het verschil tussen 4-20 mA, HART en veldbussen?
| 4-20 mA | HART | Veldbus / Ethernet | |
|---|---|---|---|
| Signalen per kabel | Eén meetwaarde | Eén meetwaarde + digitale extra’s | Veel waarden en apparaten |
| Diagnose | Alleen buiten bereik | Status, configuratie, diagnose | Uitgebreid |
| Complexiteit | Zeer laag | Laag | Hoger |
| Security-risico | Vrijwel geen | Beperkt | Netwerkaanvallen mogelijk |
HART legt een digitaal signaal over de analoge 4-20 mA-lus, waardoor bestaande bekabeling extra informatie kan dragen. Steeds meer installaties stappen over op Foundation Fieldbus, PROFIBUS PA of Ethernet-APL, maar 4-20 mA blijft door zijn eenvoud en robuustheid wijdverbreid.
🏭 Waar wordt 4-20 mA gebruikt?
- Metingen — druk, temperatuur, flow en niveau via transmitters
- Aansturing — een analoge uitgang stuurt een regelklep of frequentieregelaar met een 4-20 mA-signaal
- Veiligheidssystemen — veel SIS-sensoren gebruiken 4-20 mA vanwege de voorspelbare foutdetectie
- Explosiegevaarlijke zones — in combinatie met intrinsiek veilige barrières (ATEX)
🧮 Hoe rekent u een 4-20 mA-signaal om naar een meetwaarde?
Het verband tussen stroom en meetwaarde is lineair. De formule is:
Meetwaarde = bereik-min + (I − 4) / 16 × (bereik-max − bereik-min)
Voorbeeld: een druktransmitter heeft een bereik van 0 tot 10 bar en levert 13,6 mA. (13,6 − 4) / 16 = 0,6 → 0,6 × 10 bar = 6 bar.
| Stroom | Druk (bereik 0–10 bar) | Temperatuur (bereik −50 tot 150 °C) |
|---|---|---|
| 4 mA | 0 bar | −50 °C |
| 8 mA | 2,5 bar | 0 °C |
| 12 mA | 5 bar | 50 °C |
| 16 mA | 7,5 bar | 100 °C |
| 20 mA | 10 bar | 150 °C |
In de PLC wordt de stroom meestal eerst omgezet in een ruwe integerwaarde (bij Siemens bijvoorbeeld 0–27648) en daarna geschaald naar de technische eenheid. Een veelgemaakte fout is een verkeerd ingesteld bereik in de PLC ten opzichte van de transmitter, waardoor alle meetwaarden systematisch afwijken.
❓ Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen een tweedraads en vierdraads transmitter?
Een tweedraads transmitter haalt zijn voeding uit de 4-20 mA-lus zelf en heeft dus maar twee aders nodig voor voeding en signaal. Een vierdraads transmitter heeft een aparte voeding, bijvoorbeeld 230 V AC of 24 V DC, en twee extra aders voor het signaal. Vierdraads transmitters worden gebruikt als de meting meer energie vraagt dan de lus kan leveren.
Hoe lang mag een 4-20 mA-kabel zijn?
Een 4-20 mA-kabel kan honderden meters tot meer dan een kilometer lang zijn. De maximale lengte wordt bepaald door de voedingsspanning, de minimale spanning die de transmitter nodig heeft en de totale weerstand van kabel en ontvanger. Zolang de lus voldoende spanning overhoudt, heeft de kabellengte geen invloed op de meetwaarde.
Waarom wordt 4-20 mA gebruikt in plaats van 0-10 V?
4-20 mA wordt verkozen boven 0-10 V omdat een stroomsignaal ongevoelig is voor spanningsverlies over lange kabels en minder last heeft van elektromagnetische storingen. Daarnaast detecteert 4-20 mA een kabelbreuk dankzij het levende nulpunt van 4 mA, terwijl 0 V bij een spanningssignaal niet van een echte nulwaarde te onderscheiden is.
Wat is NAMUR NE 43?
NAMUR NE 43 is een aanbeveling van de Duitse gebruikersvereniging NAMUR die vastlegt welke stroomwaarden buiten het meetbereik een storing aangeven. Waarden onder 3,6 mA of boven 21 mA betekenen een fout in de transmitter of de lus. Zo kan een besturing onderscheid maken tussen een extreme meetwaarde en een defect.
Kan een 4-20 mA-signaal gehackt worden?
Een zuiver analoog 4-20 mA-signaal is niet via een netwerk aan te vallen, omdat het geen digitale data bevat. Een aanvaller zou fysiek toegang tot de bekabeling nodig hebben. Wel kunnen de PLC die het signaal inleest, of digitale protocollen zoals HART over dezelfde lus, doelwit zijn van een aanval.
📌 Samengevat
4-20 mA is het standaard analoge stroomsignaal waarmee transmitters meetwaarden robuust en over lange afstanden naar een PLC of DCS sturen, met 4 mA als “levend nulpunt” om kabelbreuk te herkennen. Het is eenvoudig, storingsongevoelig en vrijwel niet aan te vallen via het netwerk, en blijft daarom de basis van procesmetingen.