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4-20mA，指的就是最小電流(liu)為4mA，最大電流(liu)為20mA 。

在工業現場，要完成信(xin)號(hao)的調理并進行(xing)長線傳輸，會產生以(yi)下問題：

第一，由于傳(chuan)輸(shu)(shu)的信(xin)號是電壓信(xin)號，傳(chuan)輸(shu)(shu)線會受到噪聲的干擾(rao)；

第二，傳輸線的分(fen)布電阻會產(chan)生電壓降；

第(di)三(san)，在現場如何提供儀表放大器的工(gong)作電壓也(ye)是個(ge)問(wen)題(ti)。

為了(le)解(jie)決上述(shu)問題和避開相關(guan)噪聲的影響，我們會(hui)用(yong)電(dian)流(liu)(liu)來傳輸信(xin)號(hao)，因為電(dian)流(liu)(liu)對噪聲并不(bu)敏感。4-20mA的電(dian)流(liu)(liu)環便(bian)是用(yong)4mA表示(shi)零信(xin)號(hao)，用(yong)20mA表示(shi)信(xin)號(hao)的滿刻度(du)，而低于(yu)4mA高于(yu)20mA的信(xin)號(hao)用(yong)于(yu)各種(zhong)故障的報(bao)警。

肯定有(you)很多朋友會問(wen)：為(wei)什么選擇(ze)4-20mA而(er)不是0-20mA呢？很簡單，如(ru)果0是最(zui)小(xiao)，那么(me)開路故障就檢測不到了(le)！

那么，為(wei)(wei)什么偏偏是(shi)(shi)4mA呢(ni)？正常工作時，電(dian)(dian)流信號(hao)不會(hui)低于4mA。當傳輸線(xian)因(yin)故障斷路(lu)，環路(lu)電(dian)(dian)流降為(wei)(wei)0。常取2mA作為(wei)(wei)斷線(xian)報警值。有兩(liang)個原(yuan)因(yin)。一個原(yuan)因(yin)是(shi)(shi)為(wei)(wei)了(le)避(bi)免干(gan)擾(rao)，另(ling)一個原(yuan)因(yin)是(shi)(shi)在4-20mA使用的是(shi)(shi)兩(liang)線(xian)制(zhi)，即兩(liang)根線(xian)即是(shi)(shi)信號(hao)線(xian)，同時也是(shi)(shi)電(dian)(dian)源線(xian)，而4mA是(shi)(shi)為(wei)(wei)了(le)給傳感器提供電(dian)(dian)路(lu)的靜態工作電(dian)(dian)流用。

這個4-20mA控制回路是怎么工(gong)作的呢？

4-20mA構(gou)成基礎要件：

• 24V電源供電

• 變送器控制4-20mA信號使其與過程變量成(cheng)比例變化(hua)

• 指示器將4-20mA信(xin)號轉化(hua)為(wei)相應過程變(bian)量

• 指示器(qi)(qi)或(huo)控制器(qi)(qi)I/O輸入(ru)電阻(zu)250Ω分流器(qi)(qi)生成(cheng)1-5V輸入(ru)信(xin)號（歐姆(mu)定律：電壓(ya)=電流*電阻(zu)，4-20 mA X 250 ohms = 1-5V）

通常情況下：

1)它(ta)們將熱電偶或熱電阻傳(chuan)感器的溫度信號(hao)轉換(huan)為4-20mA信號(hao)然后再(zai)輸出；

2)控制器再將4-20mA反(fan)譯為具體的溫度值；

3)基于此溫度(du)值，控制回(hui)路給實現對過程終端控制元件(jian)的控制。

同(tong)樣，控制(zhi)回路中的(de)壓力變(bian)送器，通常(chang)用(yong)來測量(liang)過程(cheng)介質的(de)壓力值：

1)傳(chuan)感器(qi)感知(zhi)壓力，又由變送器(qi)將信號轉換為4-20mA信號；

2)控制器再將4-20mA信號反譯為壓力值；

3)控制(zhi)器根據(ju)壓力(li)(li)值(zhi)，給閥門發送指(zhi)令，控制(zhi)閥門開(kai)度實現安全(quan)閥控制(zhi)，確保容器不產生危險壓力(li)(li)。

常見故障(zhang)、原因與排查步驟

• 接線(xian)和端子(zi)的問題：壞(huai)的終端(duan)，絕緣問題，線(xian)路的腐(fu)蝕及(ji)污染(ran)等；

• 回(hui)路(lu)電(dian)源：噪(zao)音(yin)干擾、過(guo)壓等問(wen)題都可能導(dao)致回路工作的(de)不正常；

• 控制系統I/O卡件故障(zhang)；

• 變送器(qi)；

• 傳感器：元件的損壞、測量通道的阻(zu)塞。

1. 驗證4-20mA信號

用串(chuan)聯法或用毫安(an)電流鉗表(biao)測量4-20毫安(an)信號：

1)驗(yan)證電(dian)源供電(dian)

2)查(cha)找線路問題

3)查找(zhao)I/O問(wen)題(ti)

4)查(cha)找有(you)問題的接線(xian)終(zhong)端

故(gu)障排查步驟：

1)測量(liang)回路中(zhong)的毫安數值，如(ru)果(guo)測量(liang)到了(le)0mA，那么繼續深入排障；

2)如果控制器沒有(you)指示(shi)顯示(shi)，可能是I/O輸入的保險絲熔斷，回(hui)路(lu)出(chu)現開(kai)路(lu)故(gu)障。

2.控(kong)制(zhi)器I/O問題排障：4-20mA回路排障(替代測試(shi))

變(bian)送器替代測(ce)試是非常好的I/O故(gu)障分析方(fang)法，即使用測(ce)試設(she)備(bei)輸(shu)出一(yi)個(ge)標(biao)準信(xin)號來核對控(kong)制的輸(shu)出。

故障排查步(bu)驟：

1)斷開(kai)變送器(qi)連(lian)接，將回路校準器(qi)或過程(cheng)表(biao)連(lian)接在原變送器(qi)位置；

2)設(she)置(zhi)毫安(an)模擬(ni)，并設(she)置(zhi)范(fan)圍在4-20毫安(an)；

3)驗證指示器的(de)(de)正確數(shu)值(zhi)，在同一測試(shi)中完(wan)成對線路、電(dian)源供(gong)電(dian)和I/O的(de)(de)測試(shi)；

4)如果控制器沒有指示(shi)顯示(shi)，可能是(shi)I/O輸入的保險絲熔(rong)斷，回路(lu)出現(xian)開路(lu)故(gu)障。可(ke)通過測量在250Ω輸入來進(jin)行驗(yan)證。

3.電源供(gong)電問題排查(cha)

使用回路校驗儀或多(duo)用表，測量回路供電電壓。

故(gu)障排查步驟：

1)測(ce)量(liang)電(dian)(dian)源供電(dian)(dian)，應(ying)該在近似24V。

2)如果測量結果是不確(que)定的(de)，就進行替代(dai)測試。

a. 斷開裝置回(hui)路電源

b.將回路(lu)校準器(qi)或(huo)過程表的(de)24V回路(lu)供(gong)電端連(lian)接在(zai)這(zhe)個位置(zhi)

c.如果此(ci)時(shi)問題得到解決，那么裝置(zhi)的回(hui)路電源可能有(you)缺陷或者存(cun)在過載

4.線路噪聲(sheng)排(pai)障

線路(lu)噪聲產生(sheng)的原因絕緣性能差(cha)、電纜(lan)屏蔽故(gu)障(zhang)、接地回路(lu)故(gu)障(zhang)、臨界電源供電、布線錯誤(wu)等。

噪聲信(xin)號的捕捉和確認(ren)可(ke)以通過(guo)帶萬用(yong)表(biao)(biao)功能的過(guo)程多用(yong)表(biao)(biao)，或者萬用(yong)表(biao)(biao)、手持式示波表(biao)(biao)等設備來(lai)查找(zhao)系統(tong)中是否存(cun)在交(jiao)流信(xin)號。

在正(zheng)常情況下，系(xi)統(tong)中應該只有(you)少量的mV級的交流電(dian)壓存在。

兩線制4-20mA電流信號能傳多遠呢？

4-20mA電流環是可以分為兩線(xian)制和三線(xian)制的(de)，今天先不說(shuo)那(nei)么多其(qi)他內容了，下(xia)面請大家跟小編一(yi)起計算一(yi)下(xia)吧。

1.干擾因素

①與激勵電壓高低(di)有關；

②與變送(song)器允許的最(zui)小(xiao)工作電(dian)壓有關；

③與板卡設備采集電流用(yong)的(de)取壓電阻大(da)小有(you)關；

④與導線(xian)電阻的大小(xiao)有關。

通過這四項有關量，可以(yi)計算出4-20mA電流(liu)信(xin)號的理論(lun)傳輸距離。

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

即：

（激勵電(dian)壓－變送器允(yun)許(xu)的最(zui)小工作電(dian)壓）≥輸出電(dian)流(liu)×電(dian)流(liu)環路總(zong)電(dian)阻

當輸出電流(liu)I=20mA，即0.02A時，上式取等號，

則(ze)：

電(dian)(dian)(dian)流環路總電(dian)(dian)(dian)阻=（激勵電(dian)(dian)(dian)壓－變(bian)送器(qi)允許的(de)最小工作電(dian)(dian)(dian)壓）÷0.02，將(jiang)這個計算值記(ji)作r，

即r=（激勵電壓(ya)－變(bian)送器允許(xu)的最小(xiao)工作電壓(ya)）×50，單位Ω。

這個(ge)r，業界(jie)稱之為(wei)電(dian)(dian)流(liu)信號的(de)負載電(dian)(dian)阻(zu)，也(ye)就是電(dian)(dian)流(liu)信號的(de)最大帶載能力。

3.為什么(me)要特意給出這(zhe)個r的(de)計(ji)算式呢(ni)？

4-20mA電流信號能傳多遠(yuan)，實(shi)質是實(shi)際電阻與r比大小的問(wen)題。

當環路實際(ji)總電阻＞r時(shi)，就算(suan)傳輸(shu)距離為0，變送器也是(shi)沒辦(ban)法輸(shu)出(chu)20mA電流的；

當環路實(shi)際總電阻=r時，變送器(qi)輸出20mA電流，傳(chuan)輸距離(li)只能為0米(mi)（超導除外）；

當環路(lu)實際(ji)總(zong)電阻(zu)＜r時，變送器輸(shu)出(chu)20mA電流，才能在環路(lu)中有效傳輸(shu)若干米。

①由(you)于板卡采集電(dian)流用的取(qu)壓(ya)電(dian)阻為定值，故導(dao)線電(dian)阻大小，決定著(zhu)傳輸距離(li)的長短(duan)；

②導線(xian)電阻越小(xiao)，信號傳輸的距離越遠；

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

綜上所(suo)述，電流環(huan)路的(de)總(zong)電阻(zu)R，必須滿足R≤r，否則4～20mA信號，無法正常傳輸。

4.電流環路的總電阻R，由(you)板(ban)卡設備上采集(ji)電流信號的取壓電阻R1，和導線電阻R2組成。

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

導(dao)(dao)線電阻R2＝電導(dao)(dao)率×導(dao)(dao)線總(zong)長度(du)÷導(dao)(dao)線橫截(jie)面積=單位(wei)長度(du)電阻×導(dao)(dao)線總(zong)長度(du)＝單位(wei)長度(du)電阻×傳輸距離×2

5.編個小(xiao)題(ti)算一(yi)算

4~20mA電(dian)流(liu)信號的(de)(de)理論(lun)傳輸(shu)距(ju)離L（單位(wei)千米(mi)(mi)），A采用2.5平方(fang)毫(hao)米(mi)(mi)雙絞線，每(mei)1000米(mi)(mi)的(de)(de)電(dian)阻=7.5Ω，用此(ci)導線傳輸(shu)信號A自(zi)研自(zi)造的(de)(de)SC322無零漂壓(ya)(ya)力變送(song)器，最小允許(xu)激勵(li)電(dian)壓(ya)(ya)=10VDC，DCS板(ban)卡(ka)(ka)上采集(ji)電(dian)流(liu)用的(de)(de)取(qu)壓(ya)(ya)電(dian)阻R1=100Ω，DCS板(ban)卡(ka)(ka)上的(de)(de)供電(dian)電(dian)壓(ya)(ya)＝24VDC，電(dian)流(liu)信號的(de)(de)最大傳輸(shu)距(ju)離距(ju)離為(wei)多少？

計算如下(xia)：

①先(xian)計算變送(song)器的負載電阻(zu)r，r=(24-10)×50=700Ω

②再寫(xie)出環路總電阻(zu)R的算式(shi)：

R=R1+R2=100+7.5×L×2=100+15L 單位Ω

③由于有R≤r，即(ji)（100+15L）≤700

計(ji)算得：L≤40千米，即最大傳輸距離為40000米。

（來源：網絡，版(ban)權歸原作者(zhe)）