4…20 mA 電流回路的基本原理

在本文中，我們將仔細(xì)研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 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(diǎn)，我們首先需要對(duì) 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(dòng)。1 安培電流相當(dāng)于每秒 6.24 x101? 電子的流量。測(cè)量電流時(shí)，打開(kāi)電路并將安培表插入電路。通過(guò)這種方式，所有電子均須流過(guò)儀表，以確保測(cè)量出準(zhǔn)確的電流。

  計(jì)量單位：安培，符號(hào)：A。

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

  計(jì)量單位：歐姆，符號(hào)：?。

• 電壓：電壓是指電路兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差。如果某一點(diǎn)的電子與另一點(diǎn)的電子處于不同的能級(jí)，或者某個(gè)點(diǎn)同一能級(jí)的電子比另一點(diǎn)的多，則存在電勢(shì)差。1 V的電勢(shì)差可以以驅(qū)動(dòng) 1 A 電流通過(guò) 1 Ω 電阻。測(cè)量電壓時(shí)，將電壓表與電路的兩個(gè)點(diǎn)并聯(lián)。

  計(jì)量單位：伏特，符號(hào)：V。

歐姆定律 定義了電路中電流、電壓和電阻的相互關(guān)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(qǐng)看一個(gè)典型的 AA 電池：

與右端（點(diǎn) B）相比，左端（點(diǎn) A）上的電勢(shì)為負(fù)。在此電池中，電勢(shì)差（電壓）為 1.5 V。

當(dāng)電路連接到電池時(shí)，為電流從正極端流向負(fù)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(diào)節(jié)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(guò)調(diào)整回路電阻或回路電壓來(lái)改變電流量。在工業(yè)應(yīng)用中，大多數(shù)電流回路均由固定的 24 V 電源供電，因此通過(guò)調(diào)節(jié)回路電阻來(lái)改變回路電流。

回路變送器

回路變送器可測(cè)量過(guò)程變量，并通過(guò)調(diào)節(jié)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(nèi)。回路變送器幾乎可以測(cè)量任何過(guò)程變量，如溫度、壓力、液位或流量。

以下為回路變送器測(cè)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(nèi)，將回路電流控制在 4…20 mA 之間。

為測(cè)量回路電流，將過(guò)程控制器也連接到回路中。該圖中的電阻符號(hào)表示控制器；大多數(shù)控制器的固定電阻為 250Ω。回路導(dǎo)線本身也具有一定的電阻，在計(jì)算回路預(yù)算時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)（更多內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)下一節(jié)）。

在串聯(lián)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(cè)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(duì)確保過(guò)程測(cè)量的精度至關(guān)重要。EMI 在工業(yè)環(huán)境中很常見(jiàn)，其中一些來(lái)源包括：變頻器、軟起動(dòng)器、跨線接觸器、移動(dòng)無(wú)線電、輸電線產(chǎn)生的 50/60 Hz 噪音、發(fā)電機(jī)滑環(huán)、直流電動(dòng)機(jī)換向器以及過(guò)程中或閃電產(chǎn)生的靜電放電（我們收集了有關(guān)該主題的更多信息，詳見(jiàn) 這里)）。

與電壓信號(hào)相比，電磁干擾對(duì)電流信號(hào)的影響更小，尤其是距離較長(zhǎng)時(shí)。這是采用電流信號(hào)而非電壓信號(hào)來(lái)將過(guò)程測(cè)量值傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)之一。過(guò)程控制中廣泛采用 4…20 mA 標(biāo)準(zhǔn)的其他原因包括：

• 由于導(dǎo)線自身電阻，電壓信號(hào)在遠(yuǎn)距離上會(huì)略微衰減。當(dāng)信號(hào)電平較低（例如測(cè)壓元件的 mV 輸出）時(shí)，這尤其成問(wèn)題。與電壓信號(hào)不同，4…20 mA 的電流信號(hào)在很長(zhǎng)的距離（在限度范圍內(nèi)）內(nèi)都不會(huì)衰減。無(wú)論過(guò)程傳感器與控制器之間的距離為 5 m、100 m 甚至更遠(yuǎn)，都不會(huì)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(huì)變?yōu)?0 mA。控制器可以輕易地檢測(cè)到此異常低的電流并將其視為電纜錯(cuò)誤。如果采用電壓信號(hào)，則斷線會(huì)起到像天線一樣的作用，造成信號(hào)線受局部電磁干擾而感應(yīng)出電壓。如果此情況在控制器測(cè)量電壓時(shí)發(fā)生，探測(cè)出電纜斷線就會(huì)增加難度。
• 您可以對(duì)大多數(shù)電流變送器進(jìn)行配置，將傳感器出現(xiàn)故障時(shí)的電流調(diào)節(jié)到異常高或低的水平。例如，當(dāng)熱電偶傳感器損壞時(shí)，變送器可以將回路電流調(diào)節(jié)到 3.5 或 23 mA。

回路預(yù)計(jì)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(gè)設(shè)備（控制器）連接到回路中。

現(xiàn)在，如果將一個(gè)圖表記錄器添加到回路中，我們必須確認(rèn)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(duì)回路進(jìn)行預(yù)計(jì)算。

如何進(jìn)行回路預(yù)計(jì)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(fā)生傳感器錯(cuò)誤時(shí)將回路電流增加到 23 mA。因此，整個(gè)回路的最大電流為 0.023 A。

根據(jù)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(shù)據(jù)表顯示至少需要 8 V 才能通電。

最后，必須考慮 導(dǎo)線 的長(zhǎng)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(dǎo)線長(zhǎng)度為 80 米。假設(shè)使用橫截面積為 0.445 mm2 的導(dǎo)線，則總回路導(dǎo)線電阻為 10.7Ω。根據(jù)歐姆定律：0.023 A x 10.7 ? = 0.25 V。

現(xiàn)在，從回路電壓源中減去所有壓降：

在完成預(yù)計(jì)算后，我們現(xiàn)在知道該回路具有足夠的電壓可以在發(fā)生傳感器錯(cuò)誤時(shí)通過(guò)所有回路負(fù)載產(chǎn)生23 mA的電流。

保險(xiǎn)絲保護(hù)

回路中應(yīng)始終安裝保險(xiǎn)絲以保護(hù)回路免受短路電流的影響。當(dāng)回路繞過(guò)變送器 4…20 mA 的電流調(diào)節(jié)而發(fā)生短路時(shí)，保險(xiǎn)絲可保護(hù)回路免受過(guò)大電流的影響。如果保險(xiǎn)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(cè)到此異常低的電流值并將其視為錯(cuò)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(shí)將其稱為“回路供電”變送器。

兩線制變送器的優(yōu)勢(shì)：

• 安裝中無(wú)需單獨(dú)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(jù)不同的需求，四線制變送器有時(shí)會(huì)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(yōu)勢(shì)：

• 有足夠的功率可供變送器的其他功能運(yùn)行，例如觸點(diǎn)輸出和集成顯示
• 有足夠的功率可實(shí)現(xiàn)更高水平的傳感器驅(qū)動(dòng)；例如幾乎所有的測(cè)壓變送器都是四線制變送器，因?yàn)槊總€(gè)測(cè)壓傳感器通常需要 10 V 才能產(chǎn)生 29 mA 的電流激勵(lì)
• 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(guò)直流電壓供電。

PR 溫度變送器

有源與無(wú)源電流

電流回路上的設(shè)備可以是有源或無(wú)源的。在本文中，“有源”表示設(shè)備具有為回路供電的電壓源。電流回路上只能有一個(gè)有源設(shè)備。“無(wú)源”設(shè)備正好相反 – 它們沒(méi)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(guān)有源/無(wú)源信號(hào)的更多信息 (English)。

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