4-20mA是什么？簡(jiǎn)單易懂，讓你不再一臉懵...

4-20mA，指的就是最小電流為4mA，最大電流為20mA 。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，要完成信號(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，我們會(huì)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。

肯定有很多朋友會(huì)問：為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢？很簡(jiǎn)單，如果0是最小，那么開路故障就檢測(cè)不到了！

那么，為什么偏偏是4mA呢？正常工作時(shí)，電流信號(hào)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。有兩個(gè)原因。一個(gè)原因是為了避免干擾，另一個(gè)原因是在4-20mA使用的是兩線制，即兩根線即是信號(hào)線，同時(shí)也是電源線，而4mA是為了給傳感器提供電路的靜態(tài)工作電流用。

這個(gè)4-20mA控制回路是怎么工作的呢？

4-20mA構(gòu)成基礎(chǔ)要件：

• 24V電源供電

• 變送器控制4-20mA信號(hào)使其與過程變量成比例變化

• 指示器將4-20mA信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)過程變量

• 指示器或控制器I/O輸入電阻250Ω分流器生成1-5V輸入信號(hào)（歐姆定律：電壓=電流*電阻，4-20 mA X 250 ohms = 1-5V）

通常情況下：

1)它們將熱電偶或熱電阻傳感器的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)然后再輸出；

2)控制器再將4-20mA反譯為具體的溫度值；

3)基于此溫度值，控制回路給實(shí)現(xiàn)對(duì)過程終端控制元件的控制。

同樣，控制回路中的壓力變送器，通常用來測(cè)量過程介質(zhì)的壓力值：

1)傳感器感知壓力，又由變送器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)；

2)控制器再將4-20mA信號(hào)反譯為壓力值；

3)控制器根據(jù)壓力值，給閥門發(fā)送指令，控制閥門開度實(shí)現(xiàn)安全閥控制，確保容器不產(chǎn)生危險(xiǎn)壓力。

常見故障、原因與排查步驟

• 接線和端子的問題：壞的終端，絕緣問題，線路的腐蝕及污染等；

• 回路電源：噪音干擾、過壓等問題都可能導(dǎo)致回路工作的不正常；

• 控制系統(tǒng)I/O卡件故障；

• 變送器；

• 傳感器：元件的損壞、測(cè)量通道的阻塞。

1. 驗(yàn)證4-20mA信號(hào)

用串聯(lián)法或用毫安電流鉗表測(cè)量4-20毫安信號(hào)：

1)驗(yàn)證電源供電

2)查找線路問題

3)查找I/O問題

4)查找有問題的接線終端

故障排查步驟：

1)測(cè)量回路中的毫安數(shù)值，如果測(cè)量到了0mA，那么繼續(xù)深入排障；

2)如果控制器沒有指示顯示，可能是I/O輸入的保險(xiǎn)絲熔斷，回路出現(xiàn)開路故障。

2.控制器I/O問題排障：4-20mA回路排障(替代測(cè)試)

變送器替代測(cè)試是非常好的I/O故障分析方法，即使用測(cè)試設(shè)備輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來核對(duì)控制的輸出。

故障排查步驟：

1)斷開變送器連接，將回路校準(zhǔn)器或過程表連接在原變送器位置；

2)設(shè)置毫安模擬，并設(shè)置范圍在4-20毫安；

3)驗(yàn)證指示器的正確數(shù)值，在同一測(cè)試中完成對(duì)線路、電源供電和I/O的測(cè)試；

4)如果控制器沒有指示顯示，可能是I/O輸入的保險(xiǎn)絲熔斷，回路出現(xiàn)開路故障。可通過測(cè)量在250Ω輸入來進(jìn)行驗(yàn)證。

3.電源供電問題排查

使用回路校驗(yàn)儀或多用表，測(cè)量回路供電電壓。

故障排查步驟：

1)測(cè)量電源供電，應(yīng)該在近似24V。

2)如果測(cè)量結(jié)果是不確定的，就進(jìn)行替代測(cè)試。

a. 斷開裝置回路電源

b.將回路校準(zhǔn)器或過程表的24V回路供電端連接在這個(gè)位置

c.如果此時(shí)問題得到解決，那么裝置的回路電源可能有缺陷或者存在過載

4.線路噪聲排障

線路噪聲產(chǎn)生的原因絕緣性能差、電纜屏蔽故障、接地回路故障、臨界電源供電、布線錯(cuò)誤等。

噪聲信號(hào)的捕捉和確認(rèn)可以通過帶萬用表功能的過程多用表，或者萬用表、手持式示波表等設(shè)備來查找系統(tǒng)中是否存在交流信號(hào)。

在正常情況下，系統(tǒng)中應(yīng)該只有少量的mV級(jí)的交流電壓存在。

兩線制4-20mA電流信號(hào)能傳多遠(yuǎn)呢？

4-20mA電流環(huán)是可以分為兩線制和三線制的，今天先不說那么多其他內(nèi)容了，下面請(qǐng)大家跟小編一起計(jì)算一下吧。

1.干擾因素

①與激勵(lì)電壓高低有關(guān)；

②與變送器允許的最小工作電壓有關(guān)；

③與板卡設(shè)備采集電流用的取壓電阻大小有關(guān)；

④與導(dǎo)線電阻的大小有關(guān)。

通過這四項(xiàng)有關(guān)量，可以計(jì)算出4-20mA電流信號(hào)的理論傳輸距離。

2.要使4-20mA信號(hào)無損失在兩線回路里傳輸，必須滿足歐姆定律。

即：

（激勵(lì)電壓－變送器允許的最小工作電壓）≥輸出電流×電流環(huán)路總電阻

當(dāng)輸出電流I=20mA，即0.02A時(shí)，上式取等號(hào)，

則：

電流環(huán)路總電阻=（激勵(lì)電壓－變送器允許的最小工作電壓）÷0.02，將這個(gè)計(jì)算值記作r，

即r=（激勵(lì)電壓－變送器允許的最小工作電壓）×50，單位Ω。

這個(gè)r，業(yè)界稱之為電流信號(hào)的負(fù)載電阻，也就是電流信號(hào)的最大帶載能力。

3.為什么要特意給出這個(gè)r的計(jì)算式呢？

4-20mA電流信號(hào)能傳多遠(yuǎn)，實(shí)質(zhì)是實(shí)際電阻與r比大小的問題。

當(dāng)環(huán)路實(shí)際總電阻＞r時(shí)，就算傳輸距離為0，變送器也是沒辦法輸出20mA電流的；

當(dāng)環(huán)路實(shí)際總電阻=r時(shí)，變送器輸出20mA電流，傳輸距離只能為0米（超導(dǎo)除外）；

當(dāng)環(huán)路實(shí)際總電阻＜r時(shí)，變送器輸出20mA電流，才能在環(huán)路中有效傳輸若干米。

①由于板卡采集電流用的取壓電阻為定值，故導(dǎo)線電阻大小，決定著傳輸距離的長短；

②導(dǎo)線電阻越小，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)；

③導(dǎo)線若是超導(dǎo)，電阻≈0，那電流傳到美國去也不是事，傳到火星去也沒問題。

綜上所述，電流環(huán)路的總電阻R，必須滿足R≤r，否則4～20mA信號(hào)，無法正常傳輸。

4.電流環(huán)路的總電阻R，由板卡設(shè)備上采集電流信號(hào)的取壓電阻R1，和導(dǎo)線電阻R2組成。

取壓電阻R1，多見250Ω、150Ω、100Ω、50Ω，而今流行100Ω-40Ω等小電阻取壓。

導(dǎo)線電阻R2＝電導(dǎo)率×導(dǎo)線總長度÷導(dǎo)線橫截面積=單位長度電阻×導(dǎo)線總長度＝單位長度電阻×傳輸距離×2

5.編個(gè)小題算一算

4~20mA電流信號(hào)的理論傳輸距離L（單位千米），A采用2.5平方毫米雙絞線，每1000米的電阻=7.5Ω，用此導(dǎo)線傳輸信號(hào)A自研自造的SC322無零漂壓力變送器，最小允許激勵(lì)電壓=10VDC，DCS板卡上采集電流用的取壓電阻R1=100Ω，DCS板卡上的供電電壓＝24VDC，電流信號(hào)的最大傳輸距離距離為多少？

計(jì)算如下：

①先計(jì)算變送器的負(fù)載電阻r，r=(24-10)×50=700Ω

②再寫出環(huán)路總電阻R的算式：

R=R1+R2=100+7.5×L×2=100+15L 單位Ω

③由于有R≤r，即（100+15L）≤700

計(jì)算得：L≤40千米，即最大傳輸距離為40000米。

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