4-20 mA 电流环入门

本应用笔记的主要目标是为不熟悉 4-20mA 电流环路及其应用的用户提供易于理解的入门知识。讨论的主题包括为什么使用 4-20mA 电流环路以及在何处使用、典型应用中四个组件的功能、理解电流环路操作所需的电气术语和基本理论。

尽管典型电流环路应用中的电流 (4-20mA) 和电压（+12 至 +24V0）相对较低，但请记住，必须遵守所有当地和国家接线规范以及任何适用的安全法规此外，本应用说明旨在用作所有相关设备制造商发布的数据表（包括传感器/变换器、发射器、回路电源和显示仪表）的补充。

为什么使用电流环路？

图 1 所示的 4-20mA 电流环路是许多工业过程监控应用中传输传感器信息的常用方法。传感器是用于测量温度、压力、速度、液体流速等物理参数的设备。当信息必须长距离（1000英尺或更多）。该环路的操作很简单：传感器的输出电压首先转换为成比例的电流，4mA 通常代表传感器的零电平输出，20mA 代表传感器的满量程输出。然后，远程端的接收器将 4-20mA 电流转换回电压，该电压又可以由计算机或显示模块进一步处理。

 

 

然而，长距离传输传感器输出作为电压有几个缺点。除非使用非常高的输入阻抗设备，否则由于布线和互连电阻，长距离传输电压会在接收端产生相应较低的电压。然而，高阻抗仪器可能对噪声拾取敏感，因为长信号传输线通常靠近其他电噪声系统布线。屏蔽线可用于地减少噪声拾取，但当涉及长距离时，其高昂的成本可能令人望而却步。

长距离发送电流会产生与接线长度成正比的电压损失。然而，这些电压损失也称为“环路压降”，只要发射器和环路电源能够补偿这些压降，就不会减少 4-20mA 电流。环路中电流的大小不受系统接线中电压降的影响，因为源自环路电源负 (-) 端子的所有电流（即电子）必须返回到其正（+）端子。 ） 终端。幸运的是，电子不能轻易地从电线中跳出。

电流环路组件

典型的 4-20mA 电流环路电路由四个单独的元件组成：传感器/换能器；电压电流转换器（通常称为发射器和/或信号调节器）；回路电源；和一个接收器/监视器。在环路供电应用中，所有四个元件均连接在闭合串联电路环路配置中（参见图 1）。

传感器提供输出电压，其值代表被测量的物理参数。（例如，热电偶是一种传感器，可提供与其环境温度成比例的极低输出电压。）变送器放大并调节传感器的输出，然后将此电压转换为成比例的 4-20mA DC 电流在闭环内循环。接收器/监视器通常是面板仪表或数据采集系统的一部分，将 4-20mA 电流转换回可以进一步处理和/或显示的电压。

环路电源通常为发射器和接收器以及任何其他需要良好调节的直流电压的环路组件提供所有工作电源。在环路供电应用中，电源的内部元件还提供闭合串联环路的路径。+24V 仍然是 4-20mA 过程监控应用中使用广泛的电源电压。这是因为 +24V 还用于为工业环境中常见的许多其他仪器和机电组件供电。+12V 等较低电源电压也很受欢迎，因为它们用于基于计算机的系统。