4…20 mA 電流回路的基本原理
在工業(yè)應(yīng)用中，通常使用 4…20 mA 電流將過程信號連接到控制器。有時也會采用模擬電壓信號或數(shù)字通信發(fā)送到控制器，但是使用電流回路將過程值發(fā)送到控制器具有諸多優(yōu)勢。
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，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(dāng)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(zhǔn)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(qū)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(lián)。
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(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(fù)。在此電池中，電勢差（電壓）為 1.5 V。
當(dāng)電路連接到電池時，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。
可以通過調(diào)整回路電阻或回路電壓來改變電流量。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，因此通過調(diào)節(jié)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(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(nèi)，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(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，在計算回路預(yù)算時應(yīng)考慮這一點（更多內(nèi)容請參見下一節(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(guān)重要。EMI 在工業(yè)環(huán)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(chǎn)生的 50/60 Hz 噪音、發(fā)電機滑環(huán)、直流電動機換向器以及過程中或閃電產(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 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?shù)娇刂葡到y(tǒng)的最大優(yōu)勢之一。過程控制中廣泛采用 4…20 mA 標(biāo)準(zhǔn)的其他原因包括：
由于導(dǎo)線自身電阻，電壓信號在遠距離上會略微衰減。當(dāng)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(nèi)）內(nèi)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?yōu)?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(yīng)出電壓。如果此情況在控制器測量電壓時發(fā)生，探測出電纜斷線就會增加難度。
您可以對大多數(shù)電流變送器進行配置，將傳感器出現(xiàn)故障時的電流調(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，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(shè)備（控制器）連接到回路中。
現(xiàn)在，如果將一個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，我們需要對回路進行預(yù)計算。
如何進行回路預(yù)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(fā)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(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：
回路電壓
24 V
控制器所需電壓
-5.75 V
圖表記錄器所需電壓
-8.05 V
變送器通電所需電壓
-8 V
回路導(dǎo)線電阻所需電壓
-0.25
可給其他回路負(fù)載供電的剩余電壓為 1.95 V
在完成預(yù)計算后，我們現(xiàn)在知道該回路具有足夠的電壓可以在發(fā)生傳感器錯誤時通過所有回路負(fù)載產(chǎn)生23 mA的電流。
保險絲保護
回路中應(yīng)始終安裝保險絲以保護回路免受短路電流的影響。當(dāng)回路繞過變送器 4…20 mA 的電流調(diào)節(jié)而發(fā)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(yōu)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(jù)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(yōu)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(xiàn)更高水平的傳感器驅(qū)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(chǎn)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(shè)備可以是有源或無源的。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有源設(shè)備。“無源”設(shè)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(guān)有源/無源信號的更多信息 (English)。
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