如何进行4-20mA电流环路测量

4-20 mA 电流环路基础知识

具有4-20 mA电流环路输出的传感器或其他设备在工业测量和控制应用中极为常见。它们易于部署，具有广泛的电源要求，产生低噪声输出，并且可以在远距离内无损耗地传输。我们在过程控制和基本测量数据记录仪以及数据采集应用中经常遇到它们。

4-20 mA电流环路操作背后的理念是，传感器从其电源吸收的电流与其测量的机械性能成正比。以带有电流环路输出的 100 psi 传感器为例。施加 0 psi 时，传感器从其电源吸收 4 mA 电流。施加 100 psi 时，传感器消耗 20 mA 电流。在 50 psi 时，传感器消耗 12 mA 电流，依此类推。机械性能测量与电流输出的关系几乎总是线性的，允许使用简单的mx+b公式缩放生成的电流环路数据，以揭示更有用的测量值，并按工程单位缩放。

如何实际测量 4-20 mA 电流环路信号取决于传感器的架构和用于测量的仪器的功能。

术语

为了使我的讨论能够很好地应用于各种4-20 mA电流环路配置，我选择标准化用于描述每种配置的术语。以下是概述：

“E”（直流励磁）

以下大多数配置将显示一个直流电压激励源，我将其表示为“E”。许多第一次使用电流环路传感器的人惊讶地发现他们需要提供这种激励源。尽管如此，除非传感器是自供电的（即交流线路供电），否则需要外部直流电源。好消息是，这有时可以由仪器提供，并且可接受的值范围通常非常宽，通常为10-24 V dc。

“R”（分流电阻器）

这里有一些琐事给你：没有仪器直接测量电流。他们都通过测量已知值的电阻器上的压降来间接做到这一点，然后使用欧姆定律来计算实际电流。电阻器被称为“分流器”，是进行电流测量所必需的，可以外部提供，也可以内置在测量仪器中。为了清楚起见，我假设它是外部提供的。

“i”（电流环路值范围为 4-20 mA）

这是传感器产生的4-20 mA电流信号。请注意，某些传感器可能会消耗 0-20 mA 甚至其他值，但绝大多数传感器使用 4-20 mA 约定。

“V”（与电流成比例的分流电压）

这是仪器实际测量的分流器两端的压降。由于我们的行业已经标准化了 250 欧姆的分流值，因此对于 4-20 mA 电流环路信号（v=i * 电阻），“v”的范围将在 1 到 5 伏之间。请注意，分流电阻值是任意的，只要它已知。您还需要确保它不会给循环带来负担，因此较低的值比较高的值更好。是的，我的意思是更低。请记住，我们使用的是电流，而不是电压，因此规则是颠倒的。正如无限高的电阻负载适用于电压源一样，对于电流源，您可以将负载一直提升到零欧姆，而不会产生任何后果。

自供电传感器

我答应从最常见到最不常见订购这些配置，而自供电传感器只是亚军。自供电传感器是那些为自己供电的传感器。传感器可能具有集成的交流电源，因此无需外部直流电源。或者它可能根本不是传感器。它可以是来自 PLC 或其他内部供电源的输出。

2线传感器（低侧分流器）

好吧，对于首次使用4-20 mA电流环路的用户来说，这可能会感到困惑。是的，既可以为传感器供电，也可以测量它通过相同的两根电线吸收的电流。在这里显示的2线示例中，只有两根导线将传感器连接到其电源，传感器从中吸取的电流与其测量的机械性能成正比。随着电流的变化，电阻R两端产生的电压将发生变化，从而提供适合连接到数据记录仪或数据采集系统等测量仪器的信号。

在大多数情况下，应注意将电阻置于环路的低端，而不是高端。这样做将允许非隔离仪器进行测量。在下一节中，我将处理高边分流器的位置，并更详细地讨论这些注意事项。

2线传感器（高侧分流器）

这种配置几乎与低边2线方法完全相同，但它将分流电阻置于环路的高端。请注意，虽然电阻两端的电压与传感器吸收的电流成正比（就像低侧方法一样），但两侧对地各处也存在共模电压（CMV）。在一侧接地时，CMV等于电源电压。在接地的另一侧，它等于电源电压，减去电阻压降（v）。CMV 的存在为您用于测量 v 的仪器设置了条件。特别是，仪器需要有一个隔离的前端，以便它可以漂浮到CMV的水平并仍然成功进行测量。使用非隔离的单端仪器尝试此操作，您将传感器短路至地。非隔离差分仪器要么饱和，要么提供错误的结果。

3线传感器

具有过程电流输出的三线制传感器具有单独的接地线、信号线（4-20 mA）和电源。对于电流环路初学者来说，这种配置是最容易掌握的，一个输入用于电源，另一个输入用于具有公共接地的电流环路。与2线传感器相比，3线传感器的主要优势在于其能够驱动更高的阻性负载。电阻器在任何给定电流下降压与其电阻值成正比。保持电流恒定，电阻越高，电压越低。转回2线传感器并保持电流恒定，随着分流电阻的增加，两端的压降也会增加。分流器压降可能会使传感器两端的压降降低到其正常工作所需的最小值以下。

我们有一个客户，他的 2 线电流环路测量功能良好，直到环路电流达到约 18 mA，此时一切都变得混乱。经过仔细检查，我们确定她使用的电源电压太低至少0.56 V。她需要多测量 2 mA 才能达到满量程，使用 250 欧姆电阻时，这意味着 0.56 V。解决方案是使用更高电压的电源，以确保传感器两端的压降保持在最低水平以上。她还可以使用3线传感器，以确保施加到传感器上的电压与分流电阻压降无关。

注意您的场地（或使用隔离的仪器）

与许多人的看法相反（并且在学校被错误地教导），在工业环境中，地面几乎从来都不一样，这正是大多数4-20 mA电流环路传感器使用的地方。两个或多个相同的理由意味着它们具有相同的潜力。如果是这样，在直流和交流设置上使用数字电压表 （DVM） 在各种现场传感器的接地和仪器之间进行测量将显示零伏特或非常接近零伏特。实际上，你至少要测量几伏特，而我见过多达75伏特。当电位不相同的接地连接在一起时（您需要这样做才能进行测量），电流流过它们，为非隔离仪器创建几种可能的测量结果：

测量有噪音。

测量不准确。

您将不可挽回地损坏仪器。

您使仪器饱和（它没有损坏，但您也无法进行成功的测量。

要解决这些问题，需要满足以下条件：

使用隔离式仪器进行 4-20 mA 电流环路测量。这个单一的决定允许您忽略所有其他接地问题，以换取在任何情况下的成功测量。如果您没有隔离的仪器，请继续阅读。..

确保环路电源是隔离的。这意味着它的输出接地（连接到传感器的接地）没有连接到其输入接地（连接到交流线路电源的接地）。隔离电源意味着输出接地可以连接到另一个接地（如非隔离仪器），而不会产生后果。

如果使用自供电传感器，请确保环路的低端与其电源隔离。

如果使用需要外部直流电源的传感器，请确保分流电阻放置在环路的低端（参见上面的“2线传感器（低侧分流）”。

如果您无法控制电源并确定它们不是隔离的，那么您唯一的选择是从完全相同的电源插座为所有设备（电源、自供电传感器、仪器及其连接的 PC）供电。不要错误地使用彼此靠近的插座。如果单个插座上的插座用完了，请使用电源板。

同样，值得重复的是，如果使用隔离仪器进行测量，则与正确接地相关的所有注意事项都将消失。

具有4-20 mA输出的传感器在所有学科和许多配置中都会遇到。如果您的独特情况中出现任何问题，请与我们联系。

审核编辑：郭婷