4…20 mA 電流回路的基本原理

在本文中，我們將仔細研究行業標準 4…20 mA 電流回路的原理。

為何用電流替代電壓？

要了解這一點，我們首先需要對 電流、 電壓和 電阻有基本的了解：

• 電流：電流是指電子在電路中的流動。1 安培電流相當于每秒 6.24 x101? 電子的流量。測量電流時，打開電路并將安培表插入電路。通過這種方式，所有電子均須流過儀表，以確保測量出準確的電流。

  計量單位：安培，符號：A。

• 電阻：電阻是指對電流的阻礙。電阻增大，則電流減少。欲測量電阻，需將電路上的電阻組件斷開，然后使用歐姆表測量該組件的電阻。

  計量單位：歐姆，符號：?。

• 電壓：電壓是指電路兩點之間的電勢差。如果某一點的電子與另一點的電子處于不同的能級，或者某個點同一能級的電子比另一點的多，則存在電勢差。1 V的電勢差可以以驅動 1 A 電流通過 1 Ω 電阻。測量電壓時，將電壓表與電路的兩個點并聯。

  計量單位：伏特，符號：V。

歐姆定律 定義了電路中電流、電壓和電阻的相互關系：

• 電流 = 電壓/電阻
• 電壓 = 電流 x 電阻
• 電阻 = 電壓/電流

為闡釋歐姆定律，請看一個典型的 AA 電池：

與右端（點 B）相比，左端（點 A）上的電勢為負。在此電池中，電勢差（電壓）為 1.5 V。

當電路連接到電池時，為電流從正極端流向負極端建立了一條通路。以下電路中燈的電阻為 5 ?。該電阻可調節電路中的電流量。

電流 = 電壓/電阻，因此回路的電流為 1.5 V / 5 Ω = 0.3 A。

可以通過調整回路電阻或回路電壓來改變電流量。在工業應用中，大多數電流回路均由固定的 24 V 電源供電，因此通過調節回路電阻來改變回路電流。

回路變送器

回路變送器可測量過程變量，并通過調節回路電阻，將回路電流控制在 0.004 至 0.02 A (4 mA…20 mA) 范圍內。回路變送器幾乎可以測量任何過程變量，如溫度、壓力、液位或流量。

以下為回路變送器測量溫度傳感器的示例。配置后的變送器，可在溫度 0…100°C 范圍內，將回路電流控制在 4…20 mA 之間。

為測量回路電流，將過程控制器也連接到回路中。該圖中的電阻符號表示控制器；大多數控制器的固定電阻為 250Ω。回路導線本身也具有一定的電阻，在計算回路預算時應考慮這一點（更多內容請參見下一節）。

在串聯電路中各處的電流相等，因此變送器控制的回路電流與控制器測量的電流相同。

電磁干擾

將 電磁干擾 (EMI) 引起的誤差降至最低，對確保過程測量的精度至關重要。EMI 在工業環境中很常見，其中一些來源包括：變頻器、軟起動器、跨線接觸器、移動無線電、輸電線產生的 50/60 Hz 噪音、發電機滑環、直流電動機換向器以及過程中或閃電產生的靜電放電（我們收集了有關該主題的更多信息，詳見 這里)）。

與電壓信號相比，電磁干擾對電流信號的影響更小，尤其是距離較長時。這是采用電流信號而非電壓信號來將過程測量值傳輸到控制系統的最大優勢之一。過程控制中廣泛采用 4…20 mA 標準的其他原因包括：

• 由于導線自身電阻，電壓信號在遠距離上會略微衰減。當信號電平較低（例如測壓元件的 mV 輸出）時，這尤其成問題。與電壓信號不同，4…20 mA 的電流信號在很長的距離（在限度范圍內）內都不會衰減。無論過程傳感器與控制器之間的距離為 5 m、100 m 甚至更遠，都不會存在影響。倘若變送器控制的電流正確，則電流回路各處的電流均正確。
• 電流回路上有任一處斷線，電流就會變為 0 mA。控制器可以輕易地檢測到此異常低的電流并將其視為電纜錯誤。如果采用電壓信號，則斷線會起到像天線一樣的作用，造成信號線受局部電磁干擾而感應出電壓。如果此情況在控制器測量電壓時發生，探測出電纜斷線就會增加難度。
• 您可以對大多數電流變送器進行配置，將傳感器出現故障時的電流調節到異常高或低的水平。例如，當熱電偶傳感器損壞時，變送器可以將回路電流調節到 3.5 或 23 mA。

回路預計算

在前面的示例中，控制回路上電流的變送器由 24V 電源供電，并且還有另一個設備（控制器）連接到回路中。

現在，如果將一個圖表記錄器添加到回路中，我們必須確認該回路在增加 350Ω 電阻情況下是否仍能正常工作。因此，我們需要對回路進行預計算。

如何進行回路預計算：

我們首先確定回路中的最大電流。在此示例中，變送器配置為在發生傳感器錯誤時將回路電流增加到 23 mA。因此，整個回路的最大電流為 0.023 A。

根據歐姆定律：電壓 = 電流 x 電阻。因此：

• 控制器 回路電壓需為：0.023 A x 250 Ω = 5.75 V。
• 圖表記錄器 回路電壓需為 0.023 A x 350 Ω = 8.05 V。

變送器 數據表顯示至少需要 8 V 才能通電。

最后，必須考慮 導線 的長度。在此示例中，變送器與控制器/圖表記錄器之間的距離為 40 米。因此，總回路導線長度為 80 米。假設使用橫截面積為 0.445 mm2 的導線，則總回路導線電阻為 10.7Ω。根據歐姆定律：0.023 A x 10.7 ? = 0.25 V。

現在，從回路電壓源中減去所有壓降：

在完成預計算后，我們現在知道該回路具有足夠的電壓可以在發生傳感器錯誤時通過所有回路負載產生23 mA的電流。

保險絲保護

回路中應始終安裝保險絲以保護回路免受短路電流的影響。當回路繞過變送器 4…20 mA 的電流調節而發生短路時，保險絲可保護回路免受過大電流的影響。如果保險絲燒斷，回路電流將降至 0 mA，控制器和圖表記錄器可以檢測到此異常低的電流值并將其視為錯誤。

兩線制變送器與四線制變送器

到目前為止，我們討論的變送器都是“兩線制”變送器。兩線制變送器由回路電源供電，所以有時將其稱為“回路供電”變送器。

兩線制變送器的優勢：

• 安裝中無需單獨的電源線
• 成本更低
• 可以安裝在傳感器頭部（即非常靠近傳感器）
• 功耗很低

然而，根據不同的需求，四線制變送器有時會是更好的選擇。

在此示例中，24 V 電源連接到變送器。它的部分功率用于直接為變送器供電，而其他功率則用于為 4…20 mA 電流回路供電。

四線制變送器的優勢：

• 有足夠的功率可供變送器的其他功能運行，例如觸點輸出和集成顯示
• 有足夠的功率可實現更高水平的傳感器驅動；例如幾乎所有的測壓變送器都是四線制變送器，因為每個測壓傳感器通常需要 10 V 才能產生 29 mA 的電流激勵
• 四線制變送器可由直流或交流電壓供電，而回路供電的變送器僅可通過直流電壓供電。

PR 溫度變送器

有源與無源電流

電流回路上的設備可以是有源或無源的。在本文中，“有源”表示設備具有為回路供電的電壓源。電流回路上只能有一個有源設備。“無源”設備正好相反 – 它們沒有自己的電壓源，因此依賴于外部電源。您可以在此處找到有關有源/無源信號的更多信息 (English)。

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