4至20 mA电流环使得简单

一个4-20毫安电流回路是一个非常常见的方法来传输传感器数据采集的模拟传感器数据传输。传感器或传感器通常设计用于测量被测参数的一系列值，称为才. 测量值必须在测量装置内转换成电流，以便回路中的电流与被测量值成比例。回路电流的范围，4毫安到20毫安，称为跨度发射机。发射机通常被配置成使得测量值的一个端点对应于4 mA，并且测量的另一端点值将对应于20mA。

4-20 mA电流回路已成为大多数模拟控制系统中信号传输和电子控制的标准。4-20mA电流环路电路如图1所示。电流从a中汲取直流回路电源在电流循环中，然后流过发射机使用场布线连接到A.循环负载电阻在里面接受者或控制器。然后，回到环路电源，所有元素都连接在串联电路中。所有基于电流的测量系统至少使用这四个元素。

电流循环的优点

出现一个明显的问题：为什么使用4-20 mA电流循环从传感器传输模拟数据？答案是4-20 mA电流循环为此类传感器数据传输提供了多种优势：

主要原因是环电流不会随着长场接线而变化，只要循环中开发的电压，称为合规电压，可以维持最大循环
另一个好处是电流回路具有低阻抗，并且没有特别容易受到噪声或EMI的影响
第三个优点是循环（4 mA低限制）的实时零点，这使得循环自诊断如果循环中存在中断或不良连接或环路电源
当前环路允许其他当前操作的设备（如远程读数或录像机）以循环合规性允许的约束内与循环串联放置串联
最大环电流（20 mA）的低水平允许使用相对简单的安全屏障来限制环电流，以防止在危险中点火的内在安全水平

环路电源和合规电压

当在环路中传输电流时，由于场布线导体和任何连接的设备，电压降。然而，这些电压降不影响环路中的电流，只要总环路电压足以保持最大环电流即可。负责维持环路中稳定电流的元件（如图1所示）是环路直流电源。循环将函数的电压范围称为其合规电压. 4-20 mA回路电源的常用值为24VDC或36VDC。设计者选择的电压取决于串联在回路中的元件数量。回路电源电压必须始终高于电路中所有电压降之和，包括现场接线电压降。所有这些电压降的总和称为回路的最小合规电压。合规电压必须满足某些要求，其中两个最重要的要求是：

电源电压必须能够为环路中的所有设备供电，包括现场布线电压降，当电流处于最大值时，通常为20
环路电源最大电压输出必须等于或低于任何设备的最大电压额定值

发射机

测量物理参数的传感器或换能器，例如温度，压力，位置或流体流量，连接到信号调节电路，该信号调节电路将测量的参数值转换为电输出信号，例如与测量的电压或电流成比例的电压或电流物理参数。如果该电信号是4-20 mA直流输出，则连接到电流回路中，将此电流发送到循环中的硬件和电子系统被称为a发射机。变送器可由包含传感元件和内部电子元件的单个装置组成。它可以利用一个传感器或传感器连接到单独的信号调理电子设备配置为4-20毫安电流变送器。

现场接线

4-20 mA电流在环路中循环。传感器 - 发射器组合与过程控制器或读出之间的距离可以是数百英尺或更大的数百英尺或更多。现场接线导体用于循环中以将发射器连接到过程监控或控制硬件。重要的是要将它们视为循环的元素，因为它们具有一些阻力并产生电压降，就像环中的任何其他元素一样。如果所有电压降的总和高于环路电源符合电压，则电流不会与测量参数成比例，系统将产生不可用的数据。

现场布线导体的电阻通常以每长的长度为欧姆，通常为每1000英尺欧姆，因此总电阻是该值的乘积乘以导线的长度除以1000。注意，线材长度包括环导体走出和循环导体，用于当前返回，这是各个导体长度的两倍。总布线电阻由符号RW表示，如图所示。欧姆的定律给出了现场接线导致的电压降：

其中I的单位是安培；是Rw，单位为欧姆；Vw的单位是伏特。

接收器或过程控制器

生成环路电流后，通常必须在系统中进一步处理。例如，电流可以用作阀门控制器的反馈，以打开，关闭或调制阀门以启动或控制过程。更容易执行具有电压而不是电流的控制功能。这接受者是将环电流转换为电压的环路电路的一部分。在图3中，接收器是一个简单的电阻与循环串联，因此来自欧姆的法律，在其上产生的电压与测量的物理参数直接成比例，测量。

循环负载电阻

4-20 mA电流回路中使用的负载电阻不是任意值。对于任何指定的合规电压，存在最大环路负载电阻，允许在环路中开发全电流。超过最大环路电阻，必须包括现场布线电阻，防止系统在环中提供全20 mA输出电流。在典型电流输出传感器的情况下，其环路载荷图如下图2所示，在18伏输入下，总环路载荷可以高达550欧姆。在24伏输入下，总环路载荷可以高达850欧姆，并且在系统的最大输入32伏时，总环路载荷可以是1200欧姆。

选择右环负载电阻的重要性

环路负载电阻的选择通常取决于接收系统的输入信号电压，以获得良好的分辨率。4-20 mA回路电流将在500欧姆负载电阻器（E=IR）上产生2-10 VDC。如果接收器系统在较低的输入电压下正常工作，则4-20 mA回路电流将在250欧姆负载电阻器上产生1-5 VDC，这是最常见的回路负载。注意，环路负载电阻器通常已经内置在接收器输入端连接中。检查接收设备的规格，以确定其输入端是否有回路负载电阻器。

重要的是，环路负载电阻器速率额定值足以确保由流过电阻的电流引起的任何加热不会改变电阻器的值并改变其上产生的电压。召回由电阻器消散的瓦数是I²x R.对于500欧姆负载电阻，在20 mA时散发的功率为0.2瓦特。电阻器额定值的良好选择是至少2瓦，因为这种负载不会非常升温。即使在全环电流下，由于来自功耗而不是实际回路电流变化，负载电阻不会有电压变化。卷绕电阻器通常具有比金属化电阻更低的温度系数。

变送器的类型

使用几种不同的电流变送器，用于4-20 mA电流环。通常，它们符合以下类别，通过操作所需的连接数量划分：

2线制变送器，通常起到回路供电电流的作用
3线发射器，其独立供电环电流采购
4线发射器，通常是当噪声或地环消除时循环隔离时使用的独立功率设备，或者在危险场所（HAZLoc）中进行操作。
4线发射器的衍生物，如环隔离器或电流回路中继器。在某些情况下，这些设备纳入国家机构批准的安全屏障，用于本质安全（IS）系统，可在特定的危险位置安全运行

双线电流环供电变送器

线路供电的发射器是连接在电流回路中的电子设备，而不具有单独的或独立电源。它们旨在从循环中流动的电流取得力量。典型的环路供电设备包括传感器，换能器，发射器，中继器，隔离器，米，录音机，指标，数据记录器，监视器，以及许多其他类型的领域

循环供电的设备很重要，因为某些系统难以向循环中的所有设备和仪器提供单独的电源。该设备可能位于机箱中，其中访问可能困难或在危险位置（Hazloc），其中不能允许或必须限制电源。

图3显示了连接到电流回路的2线环路供电设备。它被认为是环路电路中的电流吸收器件。驱动器件的电源完全由循环中的4 mA以下的未使用电流提供。2线圈供电的发射器是流行的，但通常比3线更昂贵。

3线电流发射器

线路发射器与环路供电的变送器不同，因为它们的环电流是从DC电源开发的，该直流电源比仅仅是环电流的电流。整个发射器关闭此电源，可能比典型的2线环路供电设备消耗得多。然而，3线系统是一种采购元件，因此尽管它使用，它会提供电流循环。3线变送器通常比2线更低。典型的3线环如下图4所示。值得注意的是，3线发射器不应连接到任何2线环路

注意电源的高侧没有直接连接到环路，但电源的返回侧通过接地点连接，因此3线变送器需要仔细考虑接地问题以防止潜在地面环。如果使用3线变送器的应用需要循环中的隔离，则有几条路径可以遵循。

一种方法是为每个3线回路输出设备使用单独的直流电源，与其他电流环路没有交互。另一种方法是使用环路隔离器模块。这些设备利用各种方法来实现电流隔离，通常使用变压器或光学耦合器。它们接受4-20 mA信号，用作中继器或重新发送器，并提供完全隔离的重构4-20 mA电流环信号。第三种方法是使用4线发射器，该发射器已经内置了隔离。

4线电流变送器

4线变送器具有3线设备的电流源优势，并为电流回路输出提供电流隔离。4线设备比3线设备贵得多。因此，它们通常用于需要隔离的地方，或者它们是具有批准的安全栅的组合装置的一部分，用于特定危险位置的电流回路操作。4线变送器框图如下图5所示。值得注意的一点是，4线设备本身使用一个单独的直流电源进行操作，就像3线发射机一样，并以这种方式提供回路电流。