為什么采用4-20mA的電流來傳輸模擬量？

時(shí)間：2020-08-04 11:09:07

關(guān)鍵字：模擬電流

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[導(dǎo)讀]大家可能會(huì)非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業(yè)上常用的總線，他們都是傳輸數(shù)字信號(hào)的方式。那么，我們用什么方式來傳輸模擬信號(hào)呢？工業(yè)上普遍需要測(cè)量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖?

大家可能會(huì)非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業(yè)上常用的總線，他們都是傳輸數(shù)字信號(hào)的方式。那么，我們用什么方式來傳輸模擬信號(hào)呢？工業(yè)上普遍需要測(cè)量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。

采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA級(jí)別，因此給4－20mA傳輸帶來的誤差非常?。浑娏髟磧?nèi)阻趨于無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米；由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個(gè)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(jí)的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。

上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA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(cè)斷線：正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)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(dāng)然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，所以現(xiàn)在基本上將四線制變送器稱之為三線制變送器。其實(shí)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(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)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(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此在量程范圍內(nèi)，變送器通常只有24V，4mA供電（因此，在輕負(fù)載條件下高效率的DC/DC電源（TPS54331,TPS54160），低功耗的傳感器和信號(hào)鏈產(chǎn)品、以及低功耗的處理器（如MSP430）對(duì)于兩線制的4-20mA收發(fā)非常重要）。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能而又富有挑戰(zhàn)。

一般需要設(shè)計(jì)一個(gè)VI轉(zhuǎn)換器，輸入0-3.3v，輸出4mA-20mA，可采用運(yùn)放LM358，供電+12v。

我們系統(tǒng)地來看看模擬量設(shè)備為什么都偏愛用4~20mA傳輸信號(hào)~

4-20mA. DC(1-5V.DC)信號(hào)制是國際電工委員會(huì)( IEC )過程控制系統(tǒng)采用的模擬信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。我國也采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制，儀表傳輸信號(hào)采用4-20mA.DC，接收信號(hào)采用1-5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號(hào)系統(tǒng)。

一般儀器儀表的信號(hào)電流都為4-20mA，指最小電流為4mA,最大電流為20mA 。傳輸信號(hào)時(shí)候，因?yàn)閷?dǎo)線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會(huì)在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差了，所以一般使用電流信號(hào)作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸。

一、什么是4~20mA.DC（1~5V.DC）信號(hào)制？

4~20mA.DC（1~5V.DC）信號(hào)制是國際電工委員會(huì)（IEC）：過程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。我國從DDZ-Ⅲ型電動(dòng)儀表開始采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制，儀表傳輸信號(hào)采用4~20mA.DC，聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用1~5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號(hào)系統(tǒng)。

4~20mA電流環(huán)工作原理：

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，用一個(gè)儀表放大器來完成信號(hào)的調(diào)理并進(jìn)行長線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問題。

為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號(hào)，因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4～20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。

二、4~20mA.DC（1~5V.DC）信號(hào)制的優(yōu)點(diǎn)？

現(xiàn)場(chǎng)儀表可實(shí)現(xiàn)兩線制，所謂兩線制即電源、負(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表之前的信號(hào)聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。因?yàn)樾盘?hào)起點(diǎn)電流為4mA.DC，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4mA.DC，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識(shí)別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全柵，利于安全防爆。

控制室儀表采用電壓并聯(lián)信號(hào)傳輸，同一個(gè)控制系統(tǒng)所屬的儀表之間有公共端，便于檢測(cè)儀表、調(diào)節(jié)儀表、計(jì)算機(jī)、報(bào)警裝置配用，并方便接線。

現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用4~20mA.DC的理由是：因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻較大，如果用電壓信號(hào)遠(yuǎn)傳，優(yōu)于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，而用恒流源信號(hào)作為遠(yuǎn)傳，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會(huì)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(lián)絡(luò)信號(hào)采用1~5V.DC理由是：為了便于多臺(tái)儀表共同接收同一個(gè)信號(hào)，并有利于接線和構(gòu)成各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如果用電流源作聯(lián)絡(luò)信號(hào)，當(dāng)多臺(tái)儀表共同接收同一個(gè)信號(hào)時(shí)，它們的輸入電阻必須串聯(lián)起來，這會(huì)使最大負(fù)載電阻超過變送儀表的負(fù)載能力，而且各接收儀表的信號(hào)負(fù)端電位各不相同，會(huì)引入干擾，而且不能做到單一集中供電。

采用電壓源信號(hào)聯(lián)絡(luò)，與現(xiàn)場(chǎng)儀表的聯(lián)絡(luò)用的電流信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最簡(jiǎn)單的辦法就是：在電流傳送回路中串聯(lián)一個(gè)250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，把4~20mA.DC轉(zhuǎn)換為1~5V.DC，通常由配電器來完成這一任務(wù)。

三、為什么變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號(hào)？

1、首先是從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的安全考慮

安全重點(diǎn)是以防爆安全火花型儀表來考慮的，并以控制儀表能量為前提，把維持儀表正常工作的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗降低到最低限度。輸出4~20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，其電源電壓通常采用24V.DC，采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(dǎo)線的分布電容及電感，如2mm2 的導(dǎo)線其分布電容為0.05μ/km左右；對(duì)于單線的電感為0.4mH/km左右；大大低于引爆氫氣的數(shù)值，顯然這對(duì)防爆是非常有利的。

2、傳送信號(hào)用電流源優(yōu)于電壓源

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻較大時(shí)，如果用電壓源信號(hào)遠(yuǎn)傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，如果用電流源信號(hào)作為遠(yuǎn)傳，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會(huì)隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。

3、信號(hào)最大電流選擇20mA的原因

最大電流20mA的選擇是基于安全、實(shí)用、功耗、成本的考慮。安全火花儀表只能采用低電壓、低電流，4~20mA電流和24V.DC對(duì)易燃?xì)錃庖彩前踩?，?duì)于24V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠(yuǎn)在20mA以上，此外還要綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的連接距離，所帶負(fù)載等因素；還有功耗及成本問題，對(duì)電子元件的要求，供電功率的要求等因素。

4、信號(hào)起點(diǎn)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(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。為什么起點(diǎn)信號(hào)不是0mA？這是基于兩點(diǎn)：一是變送器電路沒有靜態(tài)工作電流將無法工作，信號(hào)起點(diǎn)電流4mA.DC，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識(shí)別斷電和斷線等故障。

四、4~20mA傳感器的由來？

采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾、并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。

采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA級(jí)別，因此給4－20mA傳輸帶來的誤差非常??；電流源內(nèi)阻趨于無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米；由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個(gè)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(jí)的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。

上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA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(cè)斷線：正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)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(dāng)然，電流輸出可以與電源公用一根線公用VCC或者GND，可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器。其實(shí)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(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)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(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。

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

另附一張4到20mA轉(zhuǎn)電壓信號(hào)的簡(jiǎn)單電路圖：

這張圖使用一個(gè)250歐姆的電阻將4到20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1到5V的電壓信號(hào)，然后使用一個(gè)RC濾波加一個(gè)二極管（原諒我模擬電路不好，并不知道是什么意思）接到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換引腳。

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