4…20 mA 电流回路的基本原理

 
在工业应用中,通常使用 4…20 mA 电流将过程信号连接到控制器。有时也会采用模拟电压信号或数字通信发送到控制器,但是使用电流回路将过程值发送到控制器具有诸多优势。

 

在本文中,我们将仔细研究行业标准 4…20 mA 电流回路的原理。

 

为何用电流替代电压?

要了解这一点,我们首先需要对 电流电压电阻有基本的了解:

 

  • 电流:电流是指电子在电路中的流动。1 安培电流相当于每秒 6.24 x10¹⁸ 电子的流量。测量电流时,打开电路并将安培表插入电路。通过这种方式,所有电子均须流过仪表,以确保测量出准确的电流。

    计量单位:安培,符号:A。

  • 电阻:电阻是指对电流的阻碍。电阻增大,则电流减少。欲测量电阻,需将电路上的电阻组件断开,然后使用欧姆表测量该组件的电阻。

    计量单位:欧姆,符号:Ω。

  • 电压:电压是指电路两点之间的电势差。如果某一点的电子与另一点的电子处于不同的能级,或者某个点同一能级的电子比另一点的多,则存在电势差。1 V的电势差可以以驱动 1 A 电流通过 1 Ω 电阻。测量电压时,将电压表与电路的两个点并联。

    计量单位:伏特,符号:V。

 

欧姆定律 定义了电路中电流、电压和电阻的相互关系:

 

  • 电流 = 电压/电阻
  • 电压 = 电流 x 电阻
  • 电阻 = 电压/电流

 

为阐释欧姆定律,请看一个典型的 AA 电池:

 

 

与右端(点 B)相比,左端(点 A)上的电势为负。在此电池中,电势差(电压)为 1.5 V。

 

当电路连接到电池时,为电流从正极端流向负极端建立了一条通路。以下电路中灯的电阻为 5 Ω。该电阻可调节电路中的电流量。

 

 

电流 = 电压/电阻,因此回路的电流为 1.5 V / 5 Ω = 0.3 A。

 

可以通过调整回路电阻或回路电压来改变电流量。在工业应用中,大多数电流回路均由固定的 24 V 电源供电,因此通过调节回路电阻来改变回路电流。

 

回路变送器

回路变送器可测量过程变量,并通过调节回路电阻,将回路电流控制在 0.004 至 0.02 A (4 mA…20 mA) 范围内。回路变送器几乎可以测量任何过程变量,如温度、压力、液位或流量。

 

以下为回路变送器测量温度传感器的示例。配置后的变送器,可在温度 0…100°C 范围内,将回路电流控制在 4…20 mA 之间。

 

 

 

为测量回路电流,将过程控制器也连接到回路中。该图中的电阻符号表示控制器;大多数控制器的固定电阻为 250Ω。回路导线本身也具有一定的电阻,在计算回路预算时应考虑这一点(更多内容请参见下一节)。

 

在串联电路中各处的电流相等,因此变送器控制的回路电流与控制器测量的电流相同。

 

电磁干扰

电磁干扰 (EMI) 引起的误差降至最低,对确保过程测量的精度至关重要。EMI 在工业环境中很常见,其中一些来源包括:变频器、软起动器、跨线接触器、移动无线电、输电线产生的 50/60 Hz 噪音、发电机滑环、直流电动机换向器以及过程中或闪电产生的静电放电(我们收集了有关该主题的更多信息,详见 这里))。

 

与电压信号相比,电磁干扰对电流信号的影响更小,尤其是距离较长时。这是采用电流信号而非电压信号来将过程测量值传输到控制系统的最大优势之一。过程控制中广泛采用 4…20 mA 标准的其他原因包括:

 

  • 由于导线自身电阻,电压信号在远距离上会略微衰减。当信号电平较低(例如测压元件的 mV 输出)时,这尤其成问题。与电压信号不同,4…20 mA 的电流信号在很长的距离(在限度范围内)内都不会衰减。无论过程传感器与控制器之间的距离为 5 m、100 m 甚至更远,都不会存在影响。倘若变送器控制的电流正确,则电流回路各处的电流均正确。
  • 电流回路上有任一处断线,电流就会变为 0 mA。控制器可以轻易地检测到此异常低的电流并将其视为电缆错误。如果采用电压信号,则断线会起到像天线一样的作用,造成信号线受局部电磁干扰而感应出电压。如果此情况在控制器测量电压时发生,探测出电缆断线就会增加难度。
  • 您可以对大多数电流变送器进行配置,将传感器出现故障时的电流调节到异常高或低的水平。例如,当热电偶传感器损坏时,变送器可以将回路电流调节到 3.5 或 23 mA。

 

回路预计算

在前面的示例中,控制回路上电流的变送器由 24V 电源供电,并且还有另一个设备(控制器)连接到回路中。

 

现在,如果将一个图表记录器添加到回路中,我们必须确认该回路在增加 350Ω 电阻情况下是否仍能正常工作。因此,我们需要对回路进行预计算。

 

 

如何进行回路预计算:

我们首先确定回路中的最大电流。在此示例中,变送器配置为在发生传感器错误时将回路电流增加到 23 mA。因此,整个回路的最大电流为 0.023 A。

根据欧姆定律:电压 = 电流 x 电阻。因此:

 

  • 控制器 回路电压需为:0.023 A x 250 Ω = 5.75 V
  • 图表记录器 回路电压需为 0.023 A x 350 Ω = 8.05 V

 

变送器 数据表显示至少需要 8 V 才能通电。

 

最后,必须考虑 导线 的长度。在此示例中,变送器与控制器/图表记录器之间的距离为 40 米。因此,总回路导线长度为 80 米。假设使用横截面积为 0.445 mm² 的导线,则总回路导线电阻为 10.7Ω。根据欧姆定律:0.023 A x 10.7 Ω = 0.25 V

 

现在,从回路电压源中减去所有压降:

 

 

回路电压 24 V
控制器所需电压 -5.75 V
图表记录器所需电压 -8.05 V
变送器通电所需电压 -8 V
回路导线电阻所需电压 -0.25
可给其他回路负载供电的剩余电压为 1.95 V

 

在完成预计算后,我们现在知道该回路具有足够的电压可以在发生传感器错误时通过所有回路负载产生23 mA的电流。

 

保险丝保护

回路中应始终安装保险丝以保护回路免受短路电流的影响。当回路绕过变送器 4…20 mA 的电流调节而发生短路时,保险丝可保护回路免受过大电流的影响。如果保险丝烧断,回路电流将降至 0 mA,控制器和图表记录器可以检测到此异常低的电流值并将其视为错误。

 

 

两线制变送器与四线制变送器

到目前为止,我们讨论的变送器都是“两线制”变送器。两线制变送器由回路电源供电,所以有时将其称为“回路供电”变送器。

 

两线制变送器的优势:

 

  • 安装中无需单独的电源线
  • 成本更低
  • 可以安装在传感器头部(即非常靠近传感器)
  • 功耗很低

 

然而,根据不同的需求,四线制变送器有时会是更好的选择。

 

 

在此示例中,24 V 电源连接到变送器。它的部分功率用于直接为变送器供电,而其他功率则用于为 4…20 mA 电流回路供电。

 

四线制变送器的优势:

 

  • 有足够的功率可供变送器的其他功能运行,例如触点输出和集成显示
  • 有足够的功率可实现更高水平的传感器驱动;例如几乎所有的测压变送器都是四线制变送器,因为每个测压传感器通常需要 10 V 才能产生 29 mA 的电流激励
  • 四线制变送器可由直流或交流电压供电,而回路供电的变送器仅可通过直流电压供电。

 

有源与无源电流

电流回路上的设备可以是有源或无源的。在本文中,“有源”表示设备具有为回路供电的电压源。电流回路上只能有一个有源设备。“无源”设备正好相反 – 它们没有自己的电压源,因此依赖于外部电源。您可以在此处找到有关有源/无源信号的更多信息 (English)

 

 

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