4-20mA是什么意思

　　工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，它們都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。

　　4-20mA，指的就是最小電流為4mA，最大電流為20mA 。

　　在工業(yè)現(xiàn)場，要完成信號的調理并進行長線傳輸，會產生以下問題：

　　第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會受到噪聲的干擾;

　　第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降;

　　第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。

　　為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，我們會用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4-20***電流環(huán)便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低于4mA高于20***信號用于各種故障的報警。

　　肯定有很多朋友會問：為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢?很簡單，如果0是最小，那么開路故障就檢測不到了!

　　那么，為什么偏偏是4mA呢?正常工作時，電流信號不會低于4mA。當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。有兩個原因。一個原因是為了避免干擾，另一個原因是在4-20mA使用的是兩線制，即兩根線即是信號線，同時也是電源線，而4mA是為了給傳感器提供電路的靜態(tài)工作電流用。

　　繼電器輸入

　　這個4-20mA控制回路是怎么工作的呢?

　　4-20mA構成基礎要件：

　　24V電源供電

　　變送器控制4-20mA信號使其與過程變量成比例變化

　　指示器將4-20mA信號轉化為相應過程變量

　　指示器或控制器I/O輸入電阻250Ω分流器生成1-5V輸入信號(歐姆定律：電壓=電流*電阻，4-20 mA X 250 ohms = 1-5V)

　　通常情況下：

　　1)它們將熱電偶或熱電阻傳感器的溫度信號轉換為4-20mA信號然后再輸出;

　　2)控制器再將4-20mA反譯為具體的溫度值;

　　3)基于此溫度值，控制回路給實現(xiàn)對過程終端控制元件的控制。

　　同樣，控制回路中的壓力變送器，通常用來測量過程介質的壓力值：

　　1)傳感器感知壓力，又由變送器將信號轉換為4-20mA信號;

　　2)控制器再將4-20mA信號反譯為壓力值;

　　3)控制器根據(jù)壓力值，給閥門發(fā)送指令，控制閥門開度實現(xiàn)安全閥控制，確保容器不產生危險壓力。

　　常見故障、原因與排查步驟

　　接線和端子的問題：壞的終端，絕緣問題，線路的腐蝕及污染等;

　　回路電源：噪音干擾、過壓等問題都可能導致回路工作的不正常;

　　控制系統(tǒng)I/O卡件故障;

　　變送器;

　　傳感器：元件的損壞、測量通道的阻塞。

　　1. 驗證4-20mA信號

　　用串聯(lián)法或用毫安電流鉗表測量4-20毫安信號：

　　1)驗證電源供電

　　2)查找線路問題

　　3)查找I/O問題

　　4)查找有問題的接線終端

　　故障排查步驟：

　　1)測量回路中的毫安數(shù)值，如果測量到了0mA，那么繼續(xù)深入排障;

　　2)如果控制器沒有指示顯示，可能是I/O輸入的保險絲熔斷，回路出現(xiàn)開路故障。

　　2.控制器I/O問題排障：4-20mA回路排障(替代測試)

　　變送器替代測試是非常好的I/O故障分析方法，即使用測試設備輸出一個標準信號來核對控制的輸出。

　　故障排查步驟：

　　1)斷開變送器連接，將回路校準器或過程表連接在原變送器位置;

　　2)設置毫安模擬，并設置范圍在4-20毫安;

　　3)驗證指示器的正確數(shù)值，在同一測試中完成對線路、電源供電和I/O的測試;

　　4)如果控制器沒有指示顯示，可能是I/O輸入的保險絲熔斷，回路出現(xiàn)開路故障?？赏ㄟ^測量在250Ω輸入來進行驗證。

　　3.電源供電問題排查

　　使用回路校驗儀或多用表，測量回路供電電壓。

　　故障排查步驟：

　　1)測量電源供電，應該在近似24V。

　　2)如果測量結果是不確定的，就進行替代測試。

　　a. 斷開裝置回路電源

　　b.將回路校準器或過程表的24V回路供電端連接在這個位置

　　c.如果此時問題得到解決，那么裝置的回路電源可能有缺陷或者存在過載

　　4.線路噪聲排障

　　線路噪聲產生的原因絕緣性能差、電纜屏蔽故障、接地回路故障、臨界電源供電、布線錯誤等。

　　噪聲信號的捕捉和確認可以通過帶萬用表功能的過程多用表，或者萬用表、手持式示波表等設備來查找系統(tǒng)中是否存在交流信號。

　　在正常情況下，系統(tǒng)中應該只有少量的mV級的交流電壓存在。

　　兩線制4-20mA電流信號能傳多遠呢?

　　4-20mA電流環(huán)是可以分為兩線制和三線制的，今天先不說那么多其他內容了，下面請大家跟小編一起計算一下吧。

　　1.干擾因素

　?、倥c激勵電壓高低有關;

　?、谂c變送器允許的最小工作電壓有關;

　?、叟c板卡設備采集電流用地取壓電阻大小有關;

　?、芘c導線電阻的大小有關。

　　通過這四項有關量，可以計算出4-20mA電流信號的理論傳輸距離。

　　2.要使4-20mA信號無損失在兩線回路里傳輸，必須滿足歐姆定律。

　　即：

　　(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)≥輸出電流×電流環(huán)路總電阻

　　當輸出電流I=20mA，即0.02A時，上式取等號，

　　則：

　　電流環(huán)路總電阻=(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)÷0.02，將這個計算值記作r，

　　即r=(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)×50，單位Ω。

　　這個r，業(yè)界稱之為電流信號的負載電阻，也就是電流信號的最大帶載能力。

　　3.為什么要特意給出這個r的計算式呢?

　　4-20mA電流信號能傳多遠，實質是實際電阻與r比大小的問題。

　　當環(huán)路實際總電阻>r時，就算傳輸距離為0，變送器也是沒辦法輸出20mA電流的;

　　當環(huán)路實際總電阻=r時，變送器輸出20mA電流，傳輸距離只能為0米(超導除外);

　　當環(huán)路實際總電阻

　?、儆捎诎蹇ú杉娏饔玫娜弘娮铻槎ㄖ?，故導線電阻大小，決定著傳輸距離的長短;

　?、趯Ь€電阻越小，信號傳輸?shù)木嚯x越遠;

　　③導線若是超導，電阻≈0，那電流傳到美國去也不是事，傳到火星去也沒問題。

　　綜上所述，電流環(huán)路的總電阻R，必須滿足R≤r，否則4～20mA信號，無法正常傳輸。

　　4.電流環(huán)路的總電阻R，由板卡設備上采集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250Ω、150Ω、100Ω、50Ω，而今流行100Ω-40Ω等小電阻取壓。

　　導線電阻R2=電導率×導線總長度÷導線橫截面積=單位長度電阻×導線總長度=單位長度電阻×傳輸距離×2

　　5.編個小題算一算

　　4~20mA電流信號的理論傳輸距離L(單位千米)，A采用2.5平方毫米雙絞線，每1000米的電阻=7.5Ω，用此導線傳輸信號A自研自造的SC322無零漂壓力變送器，最小允許激勵電壓=10VDC，DCS板卡上采集電流用的取壓電阻R1=100Ω，DCS板卡上的供電電壓=24VDC，電流信號的最大傳輸距離距離為多少?

　　計算如下：

　　①先計算變送器的負載電阻r，r=(24-10)×50=700Ω

　?、谠賹懗霏h(huán)路總電阻R的算式：

　　R=R1 R2=100 7.5×L×2=100 15L 單位Ω

　?、塾捎谟蠷≤r，即(100 15L)≤700

　　計算得：L≤40千米，即最大傳輸距離為40000米。