4-20ma电流环电路（20ma电流环传输）

在现代工业控制系统中，4-20mA电流环变送器一直是控制中心和现场传感器/执行器之间数据传输最常用的变送器，主要是因为它们易于安装、使用和维护。由于早期工业自动化现场使用气动信号来控制执行器和比例控制，4-20 mA 电流环变送器开始得到广泛使用。典型压力范围为3 PSI 15 PSI，其中3 PSI 表示零度输入/输出，15 PSI 表示满量程输入/输出。如果气动管路破裂，压力将降至0 PSI，表明存在需要修复的故障。电子产品普及后，气动管道逐渐被由放大器、晶体管和其他分立电子元件组成的4-20mA电流回路所取代。

您可能会问“为什么要使用电流循环？”基尔霍夫定律指出电流在闭环中恒定。这允许长距离使用4-20 mA 电流环路，并且环路中任何点的电流都是恒定的，与导线电阻无关。当然，欧姆定律有效的前提是回路电压足够。与气动系统类似，线路中断或断开会将回路电流降低至0 mA，并且必须修复故障。此外，电流环路可以相对容易地防止电气瞬变造成的损坏，并且天然能够抵抗射频干扰或电磁干扰[2]。

最常见的4-20 mA 变送器类型是两线拓扑或两线传感器变送器（见图1）。

图1

带有两线模拟输入模块的简化两线4-20 mA 传感器变送器

两线传感器发射器用于将物理参数从现场发送回模拟输入模块进行处理和控制。物理参数包括压力、位置、温度、液位、应变、负载、流量、成分/杂质等。顾名思义，该变送器是两线制的。因此，传感器的电源线与承载4-20 mA信号的两根线相同，这是两线4-20 mA变送器的主要设计要求。传感器、传感器调节电路和4-20mA传输电路的工作电流必须小于4mA，否则变送器将无法输出4mA零电平[3]。

请注意，两线制发射器未接线VLOOPGND。因此，发射机必须创建本地地线（GND）或双线GND。当发送器输出电流改变接收器阻抗反馈(RTN) 连接器处的电压时，该两线GND 必须相对于VLOOPGND 上下浮动[3]。如果传感器可以电连接到相对于VLOOPGND 的电位，则需要隔离。这种情况在热电偶传感器变送器中很常见，因为热电偶通常与它们测量温度的材料发生热或电短路。

对于两线制变送器来说，只有一种可行的隔离拓扑：输入隔离的两线制变送器（见图2）。输入隔离两线制变送器从环形电源生成部分隔离的电源，为传感器、传感器调节电路和隔离通信供电。隔离栅和发送器输出级之间最常见的数据传输方法是数字隔离的宽脉冲调制、单线或串行外设接口(SPI) 信号。

图2

简化输入隔离两线制4-20 MA 传感器发送器

如上所述，两线传感器发射器具有一定的局限性。主要原因是传感器发送器的总电流消耗必须小于4mA。这意味着无法使用许多类型的传感器，包括不限制电桥电流的低电阻电桥（例如，100 、120 、350 ），因为这会降低电桥的灵敏度和精度。三线传感器发送器拓扑（见图3）支持工作电流超过4mA 的传感器发送器设计。

图3

简化的三线4-20 mA传感器变送器（两线模拟输入模块）

三线传感器发送器从三线模拟输入模块接收电源，并连接至GND，以支持传感器和调节电路的电源要求。这使传感器功率达到所需的水平，而不影响传感器的输出范围（维持欧姆定律）。这还允许三线制变送器创建常用的输出电流范围，例如0-20 mA 和0-24 mA。当需要电压输出（例如0-10 V、10 V）时，也可使用三线传感器发射器。

如果传感器必须与模拟输出模块电源和GND 电位隔离，则3 线制变送器还具有隔离拓扑：输入隔离3 线制变送器。输入隔离三线制变送器的隔离结构与输入隔离两线制变送器类似。在传感器信息穿过隔离栅发送到三线发送器输出级之前，会为传感器和传感器调节电路生成本地隔离电源。

图4

简化输入隔离三线传感器发送器

综上所述

尽管4-20 mA 电流环变送器已存在数十年，但它们仍然广泛应用于工业工厂自动化和控制应用中。现场级两线制和三线制传感器发送器占据了三线制可编程逻辑控制器（PLC）模拟输入市场的大部分市场份额，其余部分由四线制传感器发送器占据。

审稿编辑：郭婷