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为什么采⽤4~20mA的电流来传输模拟量？
来源:来源互联⽹，侵删 | 作者:降魔神兵 | 发布时间: 2020-01-02 | 469 次浏览 | 分享到:
为什么采⽤4~20mA的电流来传输模拟量？
⼤家可能会⾮常熟悉RS232，RS485，CAN等⼯业上常⽤的总线，他们都是传输数字信号的⽅式。那么，我们⽤什么⽅式来传输模拟信号呢？⼯业上普遍需要测量各类⾮电物理量，例如温度、压⼒、速度、⻆度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到⼏百⽶外的控制 室 或 显 ⽰ 设 备 上 。 ⼯ 业 上 最 ⼴ 泛 采 ⽤ 的 是 ⽤4~20mA电流来传输模拟量。
采⽤电流信号的原因是不容易受⼲扰，因为⼯业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常⼩于nA级别，因此给4−20mA传输带来的误差⾮常⼩；电流源内阻趋于⽆穷⼤，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百⽶；由于电流源的⼤内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置⼀个250欧姆到地的电阻就可以获得0−5V的电压，低输⼊阻抗的接收器的好处是nA级的输⼊电流噪声只产⽣⾮常微弱的电压噪声。 上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的⽕花能量不⾜以引燃⽡斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常⼯作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公⽤⼀根线（公⽤VCC或者GND），可节省⼀根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。其实⼤家可能注意到， 4-20mA电流本⾝就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于⼀个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因⽽被称为两线制变送器。⼯业电流环标准下限为4mA，因此在量程范围内，变送器通常只有24V，4mA供电（因此，在轻负载条件下⾼效率的DC/DC电源（TPS54331,TPS54160），低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器（ 如 MSP430 ） 对 于 两 线 制 的 4-20mA 收 发 ⾮ 常 重要）。这使得两线制传感器的设计成为可能⽽⼜富有挑战。
⼀般需要设计⼀个VI转换器，输⼊0-3.3v，输出4mA-20mA，可采⽤运放LM358，供电+12v。我 们 系 统 地 来 看 看 模 拟 量 设 备 为 什 么 都 偏 爱 ⽤4~20mA传输信号~4-20mA. DC(1-5V.DC)信号制是国际电⼯委员会(IEC )过程控制系统采⽤的模拟信号传输标准。我国也采 ⽤ 这 ⼀ 国 际 标 准 信 号 制 ， 仪 表 传 输 信 号 采 ⽤ 4-20mA.DC，接收信号采⽤1-5V.DC，即采⽤电流传输、电压接收的信号系统。
⼀般仪器仪表的信号电流都为4-20mA，指最⼩电流为4mA,最⼤电流为20mA 。传输信号时候，因为导线上也有电阻，如果⽤电压传输则会在导线内产⽣⼀定的压降，那接收端的信号就会产⽣⼀定的误差了，所以⼀般使⽤电流信号作为变送器的标准传输。
 
⼀、什么是4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制？ 
4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制是国际电⼯委员会（ IEC ） ： 过 程 控 制 系 统 ⽤ 模 拟 信 号 标 准 。 我 国 从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采⽤这⼀国际标准信号制，仪表 传 输 信 号 采 ⽤ 4~20mA.DC ， 联 络 信 号 采 ⽤1~5V.DC，即采⽤电流传输、电压接收的信号系统。

4~20mA电流环⼯作原理：



在⼯业现场，⽤⼀个仪表放⼤器来完成信号的调理并进⾏⻓线传输，会产⽣以下问题：第⼀，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的⼲扰；第⼆，传输线的分布电阻会产⽣电压降；第三，在现场如何提供仪表放⼤器的⼯作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们⽤电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4〜20mA的电流环便是⽤4mA表⽰零信号，⽤20mA表⽰信号的满刻度，⽽低于4mA⾼于20mA的信号⽤于各种故障的报警。
 
⼆、4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制的优点？
现场仪表可实现两线制，所谓两线制即电源、负载串联在⼀起，有⼀公共点，⽽现场变送器与控制室仪表之前的信号联络及供电仅⽤两根电线。因为信号起点电流为4mA.DC，为变送器提供了静态⼯作电流，同时仪表电⽓零点为4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。⽽且两线制还便于
使⽤安全栅，利于安全防爆。控制室仪表采⽤电压并联信号传输，同⼀个控制系统所属的仪表之间有公共端，便于检测仪表、调节仪表、计算机、报警装置配⽤，并⽅便接线。
现 场 仪 表 与 控 制 室 仪 表 之 间 的 联 络 信 号 采 ⽤4~20mA.DC的理由是：因为现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较⼤，如果⽤电压信号远传，优于电线电阻与接收仪表输⼊电阻的分压，将产⽣较⼤的误差，⽽⽤恒流源信号作为远传，只要传送回路不出现分⽀，回路中的电流就不会随电线⻓短⽽改变，从⽽保证了传送的精度。
控制室仪表之间的联络信号采⽤1~5V.DC理由是：为了便于多台仪表共同接收同⼀个信号，并有利于接线和构成各种复杂的控制系统。如果⽤电流源作联络信号，当多台仪表共同接收同⼀个信号时，它们的输⼊电阻必须串联起来，这会使最⼤负载电阻超过变送仪表的负载能⼒，⽽且各接收仪表的信号负端电位各不相同，会引⼊⼲扰，⽽且不能做到单⼀集中供电。
采⽤电压源信号联络，与现场仪表的联络⽤的电流信号必须转换为电压信号，最简单的办法就是：在电流传送回路中串联⼀个250Ω的标准电阻，把4~20mA.DC转换为1~5V.DC，通常由配电器来完成这⼀任务。
 
三、为什么变送器选择4~20mA.DC作传送信号？
1、⾸先是从现场应⽤的安全考虑
安全重点是以防爆安全⽕花型仪表来考虑的，并以控制仪表能量为前提，把维持仪表正常⼯作的静态和动态功耗降低到最低限度。输出4~20mA.DC标准信号的变送器，其电源电压通常采⽤24V.DC，采⽤直流电压的主要原因是可以不⽤⼤容量的电容器及电感器，就只需考虑变送器与控制室仪表连接导线的分布电容及电感，如2mm2 的导线其分布电容为0.05μ/km左右；对于单线的电感为0.4mH/km左右；⼤⼤低于引爆氢⽓的数值，显然这对防爆是⾮常有利的。
2、传送信号⽤电流源优于电压源
因为现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较⼤时，如果⽤电压源信号远传，由于电线电阻与接收仪表输⼊电阻的分压，将产⽣较⼤的误差，如果⽤电流源信号作为远传，只要传送回路不出现分⽀，回路中的电流就不会随电线⻓短⽽改变，从⽽保证了传送的精度。
3、信号最⼤电流选择20mA的原因
最⼤电流20mA的选择是基于安全、实⽤、功耗、成本的考虑。安全⽕花仪表只能采⽤低电压、低电流，4~20mA电流和24V.DC对易燃氢⽓也是安全的，对于24V.DC氢⽓的引爆电流为200mA，远在20mA以上，此外还要综合考虑⽣产现场仪表之间的连接距离，所带负载等因素；还有功耗及成本问题，对电⼦元件的要求，供电功率的要求等因素。
4、信号起点电流选择4mA的原因
输出为4~20mA的变送器以两线制的居多，两线制即电源、负载串联在⼀起，有⼀公共点，⽽现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅⽤两根电线。为什么起点信号不是0mA？这是基于两点：⼀是变送器电路 没 有 静 态 ⼯ 作 电 流 将 ⽆ 法 ⼯ 作 ， 信 号 起 点 电 流4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。
 
四、4~20mA传感器的由来？
采⽤电流信号的原因是不容易受⼲扰、并且电流源内阻⽆穷⼤，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百⽶。
采⽤电流信号的原因是不容易受⼲扰，因为⼯业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常⼩于nA级别，因此给4−20mA传输带来的误差⾮常⼩；电流源内阻趋于⽆穷⼤，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百⽶；由于电流源的⼤内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置⼀个250欧姆到地的电阻就可以获得0−5V的电压，低输⼊阻抗的接收器的好处是nA级的输⼊电流噪声只产⽣⾮常微弱的电压噪声。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的⽕花能量不⾜以引燃⽡斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常⼯作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公⽤⼀根线公⽤VCC或者GND，可节省⼀根线，称之为三线制变送器。其实⼤家可能注意到，4-20mA电流本⾝就可以为变送器供电。变送器在电路中相当于⼀个特 殊 的 负 载 ， 特 殊 之 处 在 于 变 送 器 的 耗 电 电 流 在4~20mA之间根据传感器输出⽽变化。显⽰仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因⽽被称为两线制变送器。⼯业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器⾄少有4mA供电。因此、4-20mA的信号输出⼀般不容易受⼲扰⽽且安全可靠、所以⼯业上普遍使⽤的都是⼆线制4-20mA的电源输出信号。但为了能更好的处理传感器的信号、⽬前还 有 更 多 其 它 形 式 的 输 出 信 号 ： 3.33MV/V；2MV/V；0-5V; 0-10V等。