4-20 mA 電流環路基礎知識

具有4-20 mA電流環路輸出的傳感器或其他設備在工業測量和控制應用中極為常見。它們易于部署，具有廣泛的電源要求，產生低噪聲輸出，并且可以在遠距離內無損耗地傳輸。我們在過程控制和基本測量數據記錄儀以及數據采集應用中經常遇到它們。

4-20 mA電流環路操作背后的理念是，傳感器從其電源吸收的電流與其測量的機械性能成正比。以帶有電流環路輸出的 100 psi 傳感器為例。施加 0 psi 時，傳感器從其電源吸收 4 mA 電流。施加 100 psi 時，傳感器消耗 20 mA 電流。在 50 psi 時，傳感器消耗 12 mA 電流，依此類推。機械性能測量與電流輸出的關系幾乎總是線性的，允許使用簡單的mx+b公式縮放生成的電流環路數據，以揭示更有用的測量值，并按工程單位縮放。

如何實際測量 4-20 mA 電流環路信號取決于傳感器的架構和用于測量的儀器的功能。

術語

為了使我的討論能夠很好地應用于各種4-20 mA電流環路配置，我選擇標準化用于描述每種配置的術語。以下是概述：

“E”（直流勵磁）

以下大多數配置將顯示一個直流電壓激勵源，我將其表示為“E”。許多第一次使用電流環路傳感器的人驚訝地發現他們需要提供這種激勵源。盡管如此，除非傳感器是自供電的（即交流線路供電），否則需要外部直流電源。好消息是，這有時可以由儀器提供，并且可接受的值范圍通常非常寬，通常為10-24 V dc。

“R”（分流電阻器）

這里有一些瑣事給你：沒有儀器直接測量電流。他們都通過測量已知值的電阻器上的壓降來間接做到這一點，然后使用歐姆定律來計算實際電流。電阻器被稱為“分流器”，是進行電流測量所必需的，可以外部提供，也可以內置在測量儀器中。為了清楚起見，我假設它是外部提供的。

“i”（電流環路值范圍為 4-20 mA）

這是傳感器產生的4-20 mA電流信號。請注意，某些傳感器可能會消耗 0-20 mA 甚至其他值，但絕大多數傳感器使用 4-20 mA 約定。

“V”（與電流成比例的分流電壓）

這是儀器實際測量的分流器兩端的壓降。由于我們的行業已經標準化了 250 歐姆的分流值，因此對于 4-20 mA 電流環路信號（v=i * 電阻），“v”的范圍將在 1 到 5 伏之間。請注意，分流電阻值是任意的，只要它已知。您還需要確保它不會給循環帶來負擔，因此較低的值比較高的值更好。是的，我的意思是更低。請記住，我們使用的是電流，而不是電壓，因此規則是顛倒的。正如無限高的電阻負載適用于電壓源一樣，對于電流源，您可以將負載一直提升到零歐姆，而不會產生任何后果。

自供電傳感器

我答應從最常見到最不常見訂購這些配置，而自供電傳感器只是亞軍。自供電傳感器是那些為自己供電的傳感器。傳感器可能具有集成的交流電源，因此無需外部直流電源。或者它可能根本不是傳感器。它可以是來自 PLC 或其他內部供電源的輸出。

2線傳感器（低側分流器）

好吧，對于首次使用4-20 mA電流環路的用戶來說，這可能會感到困惑。是的，既可以為傳感器供電，也可以測量它通過相同的兩根電線吸收的電流。在這里顯示的2線示例中，只有兩根導線將傳感器連接到其電源，傳感器從中吸取的電流與其測量的機械性能成正比。隨著電流的變化，電阻R兩端產生的電壓將發生變化，從而提供適合連接到數據記錄儀或數據采集系統等測量儀器的信號。

在大多數情況下，應注意將電阻置于環路的低端，而不是高端。這樣做將允許非隔離儀器進行測量。在下一節中，我將處理高邊分流器的位置，并更詳細地討論這些注意事項。

2線傳感器（高側分流器）

這種配置幾乎與低邊2線方法完全相同，但它將分流電阻置于環路的高端。請注意，雖然電阻兩端的電壓與傳感器吸收的電流成正比（就像低側方法一樣），但兩側對地各處也存在共模電壓（CMV）。在一側接地時，CMV等于電源電壓。在接地的另一側，它等于電源電壓，減去電阻壓降（v）。CMV 的存在為您用于測量 v 的儀器設置了條件。特別是，儀器需要有一個隔離的前端，以便它可以漂浮到CMV的水平并仍然成功進行測量。使用非隔離的單端儀器嘗試此操作，您將傳感器短路至地。非隔離差分儀器要么飽和，要么提供錯誤的結果。

3線傳感器

具有過程電流輸出的三線制傳感器具有單獨的接地線、信號線（4-20 mA）和電源。對于電流環路初學者來說，這種配置是最容易掌握的，一個輸入用于電源，另一個輸入用于具有公共接地的電流環路。與2線傳感器相比，3線傳感器的主要優勢在于其能夠驅動更高的阻性負載。電阻器在任何給定電流下降壓與其電阻值成正比。保持電流恒定，電阻越高，電壓越低。轉回2線傳感器并保持電流恒定，隨著分流電阻的增加，兩端的壓降也會增加。分流器壓降可能會使傳感器兩端的壓降降低到其正常工作所需的最小值以下。

我們有一個客戶，他的 2 線電流環路測量功能良好，直到環路電流達到約 18 mA，此時一切都變得混亂。經過仔細檢查，我們確定她使用的電源電壓太低至少0.56 V。她需要多測量 2 mA 才能達到滿量程，使用 250 歐姆電阻時，這意味著 0.56 V。解決方案是使用更高電壓的電源，以確保傳感器兩端的壓降保持在最低水平以上。她還可以使用3線傳感器，以確保施加到傳感器上的電壓與分流電阻壓降無關。

注意您的場地（或使用隔離的儀器）

與許多人的看法相反（并且在學校被錯誤地教導），在工業環境中，地面幾乎從來都不一樣，這正是大多數4-20 mA電流環路傳感器使用的地方。兩個或多個相同的理由意味著它們具有相同的潛力。如果是這樣，在直流和交流設置上使用數字電壓表 （DVM） 在各種現場傳感器的接地和儀器之間進行測量將顯示零伏特或非常接近零伏特。實際上，你至少要測量幾伏特，而我見過多達75伏特。當電位不相同的接地連接在一起時（您需要這樣做才能進行測量），電流流過它們，為非隔離儀器創建幾種可能的測量結果：

測量有噪音。

測量不準確。

您將不可挽回地損壞儀器。

您使儀器飽和（它沒有損壞，但您也無法進行成功的測量。

要解決這些問題，需要滿足以下條件：

使用隔離式儀器進行 4-20 mA 電流環路測量。這個單一的決定允許您忽略所有其他接地問題，以換取在任何情況下的成功測量。如果您沒有隔離的儀器，請繼續閱讀。..

確保環路電源是隔離的。這意味著它的輸出接地（連接到傳感器的接地）沒有連接到其輸入接地（連接到交流線路電源的接地）。隔離電源意味著輸出接地可以連接到另一個接地（如非隔離儀器），而不會產生后果。

如果使用自供電傳感器，請確保環路的低端與其電源隔離。

如果使用需要外部直流電源的傳感器，請確保分流電阻放置在環路的低端（參見上面的“2線傳感器（低側分流）”。

如果您無法控制電源并確定它們不是隔離的，那么您唯一的選擇是從完全相同的電源插座為所有設備（電源、自供電傳感器、儀器及其連接的 PC）供電。不要錯誤地使用彼此靠近的插座。如果單個插座上的插座用完了，請使用電源板。

同樣，值得重復的是，如果使用隔離儀器進行測量，則與正確接地相關的所有注意事項都將消失。

具有4-20 mA輸出的傳感器在所有學科和許多配置中都會遇到。如果您的獨特情況中出現任何問題，請與我們聯系。

審核編輯：郭婷