前言

這篇文章講使用4-20mA模擬量輸出信號的時候會(hui) 遇到的一些問題，包括設計時候的問題，現場吹牛逼的時候的問題，調試使用的問題。單單是4-20mA是很容易理解和很容易使用的，問題主要來源於(yu) 三個(ge) 方麵，1.HART通信問題，占到總問題的80%，2.電源問題，占到10%，3.安全柵問題，在危化品行業(ye) 占到10%，如果不要求防爆的話沒這個(ge) 問題啊。這篇文章盡量把一些常見的專(zhuan) 業(ye) 性名詞說明白，用大白話，輔以大量的貼近生活的例子，幫助大家好好理解。

當我們(men) 去讀儀(yi) 表的示值，比如你家溫度計，你得走過去讀。但是如果配上一個(ge) 變送器，那麽(me) 也許你可以在手機上讀。所謂的變送器，也是儀(yi) 表的一種，是把壓力溫度等物理信息從(cong) 傳(chuan) 感器讀出來，轉成可遠傳(chuan) 信號往遠處發。通常我們(men) 看到的組合是，一個(ge) 機械式壓力表旁邊放著一個(ge) 看上去很厚實，前麵帶著一個(ge) 屏幕的玩意，類似於(yu) 這樣

  

4-20ma溫度變送器

之所以這樣組合是因為(wei) 機械式壓力表是不用電的，當發生斷電時它依然工作忠實地指示著管道內(nei) 壓力，巡檢人員一眼就能看到；這玩意很耐用，很便宜換一個(ge) 也不花多少錢。可是你得走過去現場看啊，所以還需要把壓力值讀出來往中控室裏麵傳(chuan) ，讓操作人員能一眼就看到當前壓力多少以免憋壞了。這就是變送器的作用。順帶一提變送器通常是藍色是因為(wei) 最早做變送器的羅斯蒙特公司喜歡這種顏色，在各種管道保溫層的環境裏麵相當突出。而且羅斯蒙特的產(chan) 品一直都很暢銷，所以這種顏色在很多地方都能看到，類似於(yu) tiffany公司和tiffany藍，此處是我司的軟廣。後麵我將以羅斯蒙特的3051係列變送器講解。

為(wei) 什麽(me) 會(hui) 有4-20mA

變送器輸出的遠傳(chuan) 信號有很多，4-20mA是其中的一種，這種信號非常古老但是生命力頑強。首先它很簡單，隻需要兩(liang) 根線就可以建立變送器和接收器之間的連接。這裏的接收器你可以理解為(wei) 有個(ge) 人拿著電流表幫你看電流大小然後輸入到計算機裏麵啊。這兩(liang) 根線構成一個(ge) 電路回路，裏麵走的是4mA到20mA之間電流量的直流電。如果你回憶一下電流的定義(yi) ，你就會(hui) 想起來是每秒鍾走過多少電荷。接下來我們(men) 將解釋這個(ge) 電流量是按照怎麽(me) 樣一個(ge) 規律在大小變化的。

  

4-20mA 信號的由來

4-20mA是怎麽(me) 變化的

再看一眼這個(ge) 壓力表，如果我們(men) 事先約定，當壓力為(wei) 0MPa的時候就輸出4mA，1MPa的時候輸出20mA，那麽(me) 那個(ge) 蹲在中控室拿著電流表看電流的人就會(hui) 知道，他手上表顯示12mA代表現場管道裏麵的壓力是0.5Mpa。如果電流一直不變，代表壓力一直是這麽(me) 大，電流有變化，可以得知管道壓力也在變化，電流和壓力是線性關(guan) 係，知其一就知道其二。

 

4-20mA的好處

這種信號的好處是萬(wan) 一這兩(liang) 根線其中一根斷了，電流就沒有了，接收器看到這是0mA就會(hui) 報警提示，讓檢修人員趕緊去查哪裏的線斷了，所以可靠性很高。如果這兩(liang) 根線不是斷了，而是破皮導致電流跑到別的地方去了，4-20mA這麽(me) 小的電流也沒有足夠大的能量導致易燃易爆品爆炸。還有，變送器一般安裝在偏遠的地方，所以這兩(liang) 根線是拉的很長的，電阻很變大，如果是傳(chuan) 4-20V電壓，電壓會(hui) 被電阻分壓，傳(chuan) 到接收器那裏的電壓說不定隻有2-18V了，接收器就覺得很奇怪。但是電流不會(hui) ，因為(wei) 產(chan) 生電流的電流源內(nei) 阻很大，電線的內(nei) 阻對於(yu) 電流的影響很小，所以可以傳(chuan) 得很遠。後麵我們(men) 將計算到底能傳(chuan) 多遠，這需要在介紹完供電和接收器以後才能說明白，但是比我們(men) 常見的串行通信或是網線都要遠。最後，這麽(me) 長的導線中間不定經過各種幹擾源，比如一個(ge) 電機啟動，就會(hui) 導致兩(liang) 根線的感應出電壓來，但是因為(wei) 電流源內(nei) 阻很大，根據歐姆定律，其實這額外多出來的電壓除以大電阻以後隻有很小的電流，對4-20mA電流量大小影響很小。與(yu) 之相比，感應電壓對串行通信或是網線都是災難性的，輕則丟(diu) 包（類似於(yu) 快遞在途中丟(diu) 失），重則把通信設備燒掉，所以務必要做好屏蔽。

4-20mA的兩(liang) 線製，三線製和四線製

回到我們(men) 那個(ge) 藍色的變送器，它是需要供電才能運作的，那麽(me) 怎麽(me) 傳(chuan) 這個(ge) 電力呢。我們(men) 曾經說過4-20mA電流代表著每秒傳(chuan) 輸多少個(ge) 電荷，這個(ge) 電荷可以為(wei) 變送器帶來電力。可是現代電子器件大多是工作在一個(ge) 電壓範圍裏麵，比如家用電器需要在220V交流電壓下工作，比如我們(men) 的U盤是在5V直流電壓下工作。怎麽(me) 把4-20mA電流變成電壓？加一個(ge) 電阻就好了。查閱羅斯蒙特3051變送器的手冊(ce) 可以發現，它的正常工作電壓是直流10.5-42.4V。根據歐姆定律可以算出，這個(ge) 變送器可以看成是可變電阻，電阻最大時是42.4V/4mA=10kΩ，電阻最小時是10.5V/20mA=525Ω。之所以有這麽(me) 寬的變化範圍是因為(wei) 一方麵如果要HART通信，需要串聯一個(ge) 250歐姆電阻，參考下麵的接線圖。

 

最明顯的一個(ge) 問題是，如果我要用HART，我串聯了一個(ge) 250歐姆電阻進去，當4-20mA運行在20mA時，這個(ge) 電阻的分壓達到了5V那麽(me) 用一個(ge) 12V的電源是無法讓這個(ge) 變送器工作的，因為(wei) 變送器最小需要10.5V電壓。那麽(me) 有沒有我給一個(ge) 12V或者24V電壓就立馬可以工作的變送器呢？所以就有了三線製和四線製。

四線製顧名思義(yi) ，多了一對電源接線口，電源正負直接接變送器的正負，變送器就可以工作了。三線製比四線製少了一個(ge) 端子電源的負端子，電源的正接一個(ge) 端子，電源的負接4-20mA端子的負端子，4-20mA正端子是第三個(ge) 端子。有了三線製和四線製，可以用標準的電源為(wei) 變送器供電，增加了可靠性，同時也不再需要接收器供電，降低了對接收器的要求。但是電源和接收器可能不共地，會(hui) 產(chan) 生浮點電勢的問題，在地和4-20mA正這一個(ge) 回路中形成了獨立的環流，疊加到4-20mA上，從(cong) 而影響精度。

安全柵與(yu) 源型漏型4-20mA有的同學可能會(hui) 問了，兩(liang) 線製的變送器既然需要裝在中控室的接收器提供電力，那會(hui) 不會(hui) 接收器壞了，一個(ge) 大電流打到變送器那打壞變送器，甚至變送器裝在易燃易爆區域，一個(ge) 大電流引發大爆炸呢？完全有可能，所以出現了安全柵。安全柵可以理解為(wei) 是一個(ge) 水閘，能夠把4-20mA這條線斷開，4-20mA這樣的小電流從(cong) 水閘一邊往另一邊搬運，大電流就直接攔著不讓過，保證危險區域的用電安全。所以首先明確，安全柵是安裝在安全區域內(nei) ，比如中控室，隔爆箱內(nei) ，保證大電流出不了安全區域。其次是它工作需要24V電，它也可以把這個(ge) 電轉發給變送器供電，它也可以接供電或者不供電的接收器。但是它把供電的叫做源(Source)，把不供電的叫做漏(Sink)，迷惑了很多工程師，常常導致4-20mA電流偏離正常範圍。