4-20 mA 電流環(huán)路基礎(chǔ)知識(shí)

具有4-20 mA電流環(huán)路輸出的傳感器或其他設(shè)備在工業(yè)測(cè)量和控制應(yīng)用中極為常見(jiàn)。它們易于部署，具有廣泛的電源要求，產(chǎn)生低噪聲輸出，并且可以在遠(yuǎn)距離內(nèi)無(wú)損耗地傳輸。我們?cè)谶^(guò)程控制和基本測(cè)量數(shù)據(jù)記錄儀以及數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中經(jīng)常遇到它們。

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

如何實(shí)際測(cè)量 4-20 mA 電流環(huán)路信號(hào)取決于傳感器的架構(gòu)和用于測(cè)量的儀器的功能。

術(shù)語(yǔ)

為了使我的討論能夠很好地應(yīng)用于各種4-20 mA電流環(huán)路配置，我選擇標(biāo)準(zhǔn)化用于描述每種配置的術(shù)語(yǔ)。以下是概述：

“E”（直流勵(lì)磁）

以下大多數(shù)配置將顯示一個(gè)直流電壓激勵(lì)源，我將其表示為“E”。許多第一次使用電流環(huán)路傳感器的人驚訝地發(fā)現(xiàn)他們需要提供這種激勵(lì)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(shí)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(méi)有儀器直接測(cè)量電流。他們都通過(guò)測(cè)量已知值的電阻器上的壓降來(lái)間接做到這一點(diǎn)，然后使用歐姆定律來(lái)計(jì)算實(shí)際電流。電阻器被稱為“分流器”，是進(jìn)行電流測(cè)量所必需的，可以外部提供，也可以內(nèi)置在測(cè)量?jī)x器中。為了清楚起見(jiàn)，我假設(shè)它是外部提供的。

“i”（電流環(huán)路值范圍為 4-20 mA）

這是傳感器產(chǎn)生的4-20 mA電流信號(hào)。請(qǐng)注意，某些傳感器可能會(huì)消耗 0-20 mA 甚至其他值，但絕大多數(shù)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(shí)際測(cè)量的分流器兩端的壓降。由于我們的行業(yè)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了 250 歐姆的分流值，因此對(duì)于 4-20 mA 電流環(huán)路信號(hào)（v=i * 電阻），“v”的范圍將在 1 到 5 伏之間。請(qǐng)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(huì)給循環(huán)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，因此較低的值比較高的值更好。是的，我的意思是更低。請(qǐng)記住，我們使用的是電流，而不是電壓，因此規(guī)則是顛倒的。正如無(wú)限高的電阻負(fù)載適用于電壓源一樣，對(duì)于電流源，您可以將負(fù)載一直提升到零歐姆，而不會(huì)產(chǎn)生任何后果。

自供電傳感器

我答應(yīng)從最常見(jiàn)到最不常見(jiàn)訂購(gòu)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(wú)需外部直流電源?；蛘咚赡芨静皇莻鞲衅?。它可以是來(lái)自 PLC 或其他內(nèi)部供電源的輸出。

2線傳感器（低側(cè)分流器）

好吧，對(duì)于首次使用4-20 mA電流環(huán)路的用戶來(lái)說(shuō)，這可能會(huì)感到困惑。是的，既可以為傳感器供電，也可以測(cè)量它通過(guò)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(dǎo)線將傳感器連接到其電源，傳感器從中吸取的電流與其測(cè)量的機(jī)械性能成正比。隨著電流的變化，電阻R兩端產(chǎn)生的電壓將發(fā)生變化，從而提供適合連接到數(shù)據(jù)記錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等測(cè)量?jī)x器的信號(hào)。

在大多數(shù)情況下，應(yīng)注意將電阻置于環(huán)路的低端，而不是高端。這樣做將允許非隔離儀器進(jìn)行測(cè)量。在下一節(jié)中，我將處理高邊分流器的位置，并更詳細(xì)地討論這些注意事項(xiàng)。

2線傳感器（高側(cè)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(huán)路的高端。請(qǐng)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(cè)方法一樣），但兩側(cè)對(duì)地各處也存在共模電壓（CMV）。在一側(cè)接地時(shí)，CMV等于電源電壓。在接地的另一側(cè)，它等于電源電壓，減去電阻壓降（v）。CMV 的存在為您用于測(cè)量 v 的儀器設(shè)置了條件。特別是，儀器需要有一個(gè)隔離的前端，以便它可以漂浮到CMV的水平并仍然成功進(jìn)行測(cè)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(cuò)誤的結(jié)果。

3線傳感器

具有過(guò)程電流輸出的三線制傳感器具有單獨(dú)的接地線、信號(hào)線（4-20 mA）和電源。對(duì)于電流環(huán)路初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這種配置是最容易掌握的，一個(gè)輸入用于電源，另一個(gè)輸入用于具有公共接地的電流環(huán)路。與2線傳感器相比，3線傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于其能夠驅(qū)動(dòng)更高的阻性負(fù)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(zhuǎn)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(huì)增加。分流器壓降可能會(huì)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(gè)客戶，他的 2 線電流環(huán)路測(cè)量功能良好，直到環(huán)路電流達(dá)到約 18 mA，此時(shí)一切都變得混亂。經(jīng)過(guò)仔細(xì)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(cè)量 2 mA 才能達(dá)到滿量程，使用 250 歐姆電阻時(shí)，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(wú)關(guān)。

注意您的場(chǎng)地（或使用隔離的儀器）

與許多人的看法相反（并且在學(xué)校被錯(cuò)誤地教導(dǎo)），在工業(yè)環(huán)境中，地面幾乎從來(lái)都不一樣，這正是大多數(shù)4-20 mA電流環(huán)路傳感器使用的地方。兩個(gè)或多個(gè)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(shè)置上使用數(shù)字電壓表 （DVM） 在各種現(xiàn)場(chǎng)傳感器的接地和儀器之間進(jìn)行測(cè)量將顯示零伏特或非常接近零伏特。實(shí)際上，你至少要測(cè)量幾伏特，而我見(jiàn)過(guò)多達(dá)75伏特。當(dāng)電位不相同的接地連接在一起時(shí)（您需要這樣做才能進(jìn)行測(cè)量），電流流過(guò)它們，為非隔離儀器創(chuàng)建幾種可能的測(cè)量結(jié)果：

測(cè)量有噪音。

測(cè)量不準(zhǔn)確。

您將不可挽回地?fù)p壞儀器。

您使儀器飽和（它沒(méi)有損壞，但您也無(wú)法進(jìn)行成功的測(cè)量。

要解決這些問(wèn)題，需要滿足以下條件：

使用隔離式儀器進(jìn)行 4-20 mA 電流環(huán)路測(cè)量。這個(gè)單一的決定允許您忽略所有其他接地問(wèn)題，以換取在任何情況下的成功測(cè)量。如果您沒(méi)有隔離的儀器，請(qǐng)繼續(xù)閱讀。..

確保環(huán)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(méi)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(gè)接地（如非隔離儀器），而不會(huì)產(chǎn)生后果。

如果使用自供電傳感器，請(qǐng)確保環(huán)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(qǐng)確保分流電阻放置在環(huán)路的低端（參見(jiàn)上面的“2線傳感器（低側(cè)分流）”。

如果您無(wú)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(shè)備（電源、自供電傳感器、儀器及其連接的 PC）供電。不要錯(cuò)誤地使用彼此靠近的插座。如果單個(gè)插座上的插座用完了，請(qǐng)使用電源板。

同樣，值得重復(fù)的是，如果使用隔離儀器進(jìn)行測(cè)量，則與正確接地相關(guān)的所有注意事項(xiàng)都將消失。

具有4-20 mA輸出的傳感器在所有學(xué)科和許多配置中都會(huì)遇到。如果您的獨(dú)特情況中出現(xiàn)任何問(wèn)題，請(qǐng)與我們聯(lián)系。

審核編輯：郭婷