前言

這篇文章講使用4-20mA模擬量輸出信號的時候會遇到的一些問題，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，問題主要來源于三個方面，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，在危化品行業占到10%，如果不要求防爆的話沒這個問題啊。這篇文章盡量把一些常見的專業性名詞說明白，用大白話，輔以大量的貼近生活的例子，幫助大家好好理解。

當我們去讀儀表的示值，比如你家溫度計，你得走過去讀。但是如果配上一個變送器，那么也許你可以在手機上讀。所謂的變送器，也是儀表的一種，是把壓力溫度等物理信息從傳感器讀出來，轉成可遠傳信號往遠處發。通常我們看到的組合是，一個機械式壓力表旁邊放著一個看上去很厚實，前面帶著一個屏幕的玩意，類似于這樣

  

4-20ma溫度變送器

之所以這樣組合是因為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壓力，巡檢人員一眼就能看到；這玩意很耐用，很便宜換一個也不花多少錢。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里面傳，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里面相當突出。而且羅斯蒙特的產品一直都很暢銷，所以這種顏色在很多地方都能看到，類似于tiffany公司和tiffany藍，此處是我司的軟廣。后面我將以羅斯蒙特的3051系列變送器講解。

為什么會有4-20mA

變送器輸出的遠傳信號有很多，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，只需要兩根線就可以建立變送器和接收器之間的連接。這里的接收器你可以理解為有個人拿著電流表幫你看電流大小然后輸入到計算機里面啊。這兩根線構成一個電路回路，里面走的是4mA到20mA之間電流量的直流電。如果你回憶一下電流的定義，你就會想起來是每秒鐘走過多少電荷。接下來我們將解釋這個電流量是按照怎么樣一個規律在大小變化的。

  

4-20mA 信號的由來

4-20mA是怎么變化的

再看一眼這個壓力表，如果我們事先約定，當壓力為0MPa的時候就輸出4mA，1MPa的時候輸出20mA，那么那個蹲在中控室拿著電流表看電流的人就會知道，他手上表顯示12mA代表現場管道里面的壓力是0.5Mpa。如果電流一直不變，代表壓力一直是這么大，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系，知其一就知道其二。

 

4-20mA的好處

這種信號的好處是萬一這兩根線其中一根斷了，電流就沒有了，接收器看到這是0mA就會報警提示，讓檢修人員趕緊去查哪里的線斷了，所以可靠性很高。如果這兩根線不是斷了，而是破皮導致電流跑到別的地方去了，4-20mA這么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，所以這兩根線是拉的很長的，電阻很變大，如果是傳4-20V電壓，電壓會被電阻分壓，傳到接收器那里的電壓說不定只有2-18V了，接收器就覺得很奇怪。但是電流不會，因為產生電流的電流源內阻很大，電線的內阻對于電流的影響很小，所以可以傳得很遠。后面我們將計算到底能傳多遠，這需要在介紹完供電和接收器以后才能說明白，但是比我們常見的串行通信或是網線都要遠。最后，這么長的導線中間不定經過各種干擾源，比如一個電機啟動，就會導致兩根線的感應出電壓來，但是因為電流源內阻很大，根據歐姆定律，其實這額外多出來的電壓除以大電阻以后只有很小的電流，對4-20mA電流量大小影響很小。與之相比，感應電壓對串行通信或是網線都是災難性的，輕則丟包（類似于快遞在途中丟失），重則把通信設備燒掉，所以務必要做好屏蔽。

4-20mA的兩線制，三線制和四線制

回到我們那個藍色的變送器，它是需要供電才能運作的，那么怎么傳這個電力呢。我們曾經說過4-20mA電流代表著每秒傳輸多少個電荷，這個電荷可以為變送器帶來電力。可是現代電子器件大多是工作在一個電壓范圍里面，比如家用電器需要在220V交流電壓下工作，比如我們的U盤是在5V直流電壓下工作。怎么把4-20mA電流變成電壓？加一個電阻就好了。查閱羅斯蒙特3051變送器的手冊可以發現，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。之所以有這么寬的變化范圍是因為一方面如果要HART通信，需要串聯一個250歐姆電阻，參考下面的接線圖。

 

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

四線制顧名思義，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。三線制比四線制少了一個端子電源的負端子，電源的正接一個端子，電源的負接4-20mA端子的負端子，4-20mA正端子是第三個端子。有了三線制和四線制，可以用標準的電源為變送器供電，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，會產生浮點電勢的問題，在地和4-20mA正這一個回路中形成了獨立的環流，疊加到4-20mA上，從而影響精度。

安全柵與源型漏型4-20mA有的同學可能會問了，兩線制的變送器既然需要裝在中控室的接收器提供電力，那會不會接收器壞了，一個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。安全柵可以理解為是一個水閘，能夠把4-20mA這條線斷開，4-20mA這樣的小電流從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，比如中控室，隔爆箱內，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電流偏離正常范圍。