採用4—20mA的電流來傳輸模擬量的原因

採用4—20mA的電流來傳輸模擬量的原因

工控論壇 發表於 2020-12-31 10:43:00

 

採用電流信號的原因是不容易受幹擾，因為工業現場的噪聲電壓的幅度可能達到數V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小於nA級別，因此給4－20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源內阻趨於無窮大，導線電阻串聯在迴路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百米；由於電流源的大內阻和恆流輸出，在接收端我們只需放置一個250歐姆到地的電阻就可以獲得0－5V的電壓，低輸入阻抗的接收器的好處是nA級的輸入電流噪聲只產生非常微弱的電壓噪聲。

上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低於4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。

最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節省一根線，所以現在基本上將四線制變送器稱之為三線制變送器。其實大家可能注意到， 4-20mA電流本身就可以為變送器供電，變送器在電路中相當於一個特殊的負載，這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。

工業電流環標準下限為4mA，因此在量程範圍內，變送器通常只有24V，4mA供電（因此，在輕負載條件下高效率的DC/DC電源（TPS54331，TPS54160），低功耗的傳感器和信號鏈產品、以及低功耗的處理器（如MSP430）對於兩線制的4-20mA收發非常重要）。這使得兩線制傳感器的設計成為可能而又富有挑戰。

一般需要設計一個VI轉換器，輸入0-3.3v，輸出4mA-20mA，可採用運放LM358，供電+12v。

我們系統地來看看模擬量設備為什麼都偏愛用4~20mA傳輸信號~

4-20mA. DC（1-5V.DC）信號制是國際電工委員會（ IEC ）過程控制系統採用的模擬信號傳輸標準。我國也採用這一國際標準信號制，儀表傳輸信號採用4-20mA.DC，接收信號採用1-5V.DC，即採用電流傳輸、電壓接收的信號系統。

一般儀器儀表的信號電流都為4-20mA，指最小電流為4mA，最大電流為20mA 。傳輸信號時候，因為導線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導線內產生一定的壓降，那接收端的信號就會產生一定的誤差了，所以一般使用電流信號作為變送器的標準傳輸。

一、什麼是4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制？

4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制是國際電工委員會（IEC）：過程控制系統用模擬信號標準。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始採用這一國際標準信號制，儀表傳輸信號採用4~20mA.DC，聯絡信號採用1~5V.DC，即採用電流傳輸、電壓接收的信號系統。

4~20mA電流環工作原理：

二、4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制的優點？

現場儀表可實現兩線制，所謂兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之前的信號聯絡及供電僅用兩根電線。因為信號起點電流為4mA.DC，為變送器提供了靜態工作電流，同時儀表電氣零點為4mA.DC，不與機械零點重合，這種「活零點」有利於識別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便於使用安全柵，利於安全防爆。

控制室儀表採用電壓並聯信號傳輸，同一個控制系統所屬的儀表之間有公共端，便於檢測儀表、調節儀表、計算機、報警裝置配用，並方便接線。

現場儀表與控制室儀表之間的聯絡信號採用4~20mA.DC的理由是：因為現場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大，如果用電壓信號遠傳，優於電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產生較大的誤差，而用恆流源信號作為遠傳，只要傳送迴路不出現分支，迴路中的電流就不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。

控制室儀表之間的聯絡信號採用1~5V.DC理由是：為了便於多臺儀表共同接收同一個信號，並有利於接線和構成各種複雜的控制系統。如果用電流源作聯絡信號，當多臺儀表共同接收同一個信號時，它們的輸入電阻必須串聯起來，這會使最大負載電阻超過變送儀表的負載能力，而且各接收儀表的信號負端電位各不相同，會引入幹擾，而且不能做到單一集中供電。

採用電壓源信號聯絡，與現場儀表的聯絡用的電流信號必須轉換為電壓信號，最簡單的辦法就是：在電流傳送迴路中串聯一個250Ω的標準電阻，把4~20mA.DC轉換為1~5V.DC，通常由配電器來完成這一任務。

三、為什麼變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號？

1、首先是從現場應用的安全考慮

安全重點是以防爆安全火花型儀表來考慮的，並以控制儀表能量為前提，把維持儀表正常工作的靜態和動態功耗降低到最低限度。輸出4~20mA.DC標準信號的變送器，其電源電壓通常採用24V.DC，採用直流電壓的主要原因是可以不用大容量的電容器及電感器，就只需考慮變送器與控制室儀表連接導線的分布電容及電感，如2mm2 的導線其分布電容為0.05μ/km左右；對於單線的電感為0.4mH/km左右；大大低於引爆氫氣的數值，顯然這對防爆是非常有利的。

2、傳送信號用電流源優於電壓源

因為現場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大時，如果用電壓源信號遠傳，由於電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產生較大的誤差，如果用電流源信號作為遠傳，只要傳送迴路不出現分支，迴路中的電流就不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。

3、信號最大電流選擇20mA的原因

最大電流20mA的選擇是基於安全、實用、功耗、成本的考慮。安全火花儀表只能採用低電壓、低電流，4~20mA電流和24V.DC對易燃氫氣也是安全的，對於24V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠在20mA以上，此外還要綜合考慮生產現場儀表之間的連接距離，所帶負載等因素；還有功耗及成本問題，對電子元件的要求，供電功率的要求等因素。

4、信號起點電流選擇4mA的原因

輸出為4~20mA的變送器以兩線制的居多，兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之間的信號聯絡及供電僅用兩根電線。為什麼起點信號不是0mA？這是基於兩點：一是變送器電路沒有靜態工作電流將無法工作，信號起點電流4mA.DC，不與機械零點重合，這種「活零點」有利於識別斷電和斷線等故障。

四、4~20mA傳感器的由來？

採用電流信號的原因是不容易受幹擾、並且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在迴路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。

採用電流信號的原因是不容易受幹擾，因為工業現場的噪聲電壓的幅度可能達到數V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小於nA級別，因此給4－20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源內阻趨於無窮大，導線電阻串聯在迴路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百米；由於電流源的大內阻和恆流輸出，在接收端我們只需放置一個250歐姆到地的電阻就可以獲得0－5V的電壓，低輸入阻抗的接收器的好處是nA級的輸入電流噪聲只產生非常微弱的電壓噪聲。

上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低於4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。

最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線公用VCC或者GND，可節省一根線，稱之為三線制變送器。其實大家可能注意到，4-20mA電流本身就可以為變送器供電。變送器在電路中相當於一個特殊的負載，特殊之處在於變送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。

顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業電流環標準下限為4mA，因此只要在量程範圍內，變送器至少有4mA供電。

因此、4-20mA的信號輸出一般不容易受幹擾而且安全可靠、所以工業上普遍使用的都是二線制4-20mA的電源輸出信號。但為了能更好的處理傳感器的信號、目前還有更多其它形式的輸出信號：3.33MV/V；2MV/V；0-5V; 0-10V等。

另附一張4到20mA轉電壓信號的簡單電路圖：

這張圖使用一個250歐姆的電阻將4到20mA的電流信號轉換成1到5V的電壓信號，然後使用一個RC濾波加一個二極體（原諒我模擬電路不好，並不知道是什麼意思）接到單片機的AD轉換引腳。

責任編輯：xj

原文標題：為什麼採用4—20mA的電流來傳輸模擬量？

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