如何进行4-20 mA电流环路测量

看起来我们的典型客户至少需要一次4-20 mA（毫安）的测量，并且这样做的方法对许多人来说是一个混乱的源头。所以我认为我对各种4-20 mA电流环配置进行了研究，并详细说明了成功测量所需的具体信息。以下讨论是从最常见的配置到最不常见的配置，我希望涵盖我在客户应用程序中遇到的所有内容。如果不包括您的，请使用评论部分填写。

4-20 mA电流环路基础知识
具有4-20 mA电流环路输出的传感器或其他设备在工业测量和控制应用中非常常见。它们易于部署，具有宽电源要求，产生低噪声输出，并且可以在远距离无损耗的情况下进行传输。我们在过程控制和基本测量数据记录器和数据采集应用程序中始终遇到它们。

4-20 mA电流回路操作背后的想法是传感器从其电源汲取电流，与其测量的机械特性成正比。以带有电流回路输出的100 psi传感器为例。施加0 psi后，传感器从其电源吸收4 mA电流。施加100 psi后，传感器消耗20 mA。在50 psi时，传感器消耗12 mA，依此类推。机械特性测量与电流输出的关系几乎总是线性的，允许用简单的mx + b公式缩放得到的电流环数据，以显示更多有用的测量结果，这些测量结果可以扩展到工程单位中。

实际测量4-20 mA电流环信号的方法取决于传感器的架构以及您将用于测量的仪器的功能。

术语
因此，我的讨论很好地涵盖了各种4-20 mA电流环配置，我选择标准化我用来描述每个的术语。这是一个概述：

“E”（直流激励）
以下大多数配置将显示直流电压激励源，我将其表示为“E”。许多第一次使用电流环传感器的人都惊讶地发现他们需要提供这种激励源。尽管如此，除非传感器是自供电的（即交流线路供电），否则需要外部直流电源。好消息是，这有时可以由仪器提供，可接受值的范围通常很宽，通常为10-24 V dc。

“R”（分流电阻）
这里有一些琐事：没有仪器直接测量电流。它们都通过测量已知值的电阻上的电压来间接地进行，然后使用欧姆定律计算实际电流。电阻器被称为“分流器”，绝对需要进行电流测量，并且可以从外部提供给测量仪器，也可以内置在测量仪器中。为清楚起见，我假设它是外部供应的。

“i”（电流回路值范围为4-20 mA）
这是传感器产生的4-20 mA电流信号。请注意，某些传感器可能会消耗0-20 mA甚至其他值，但绝大多数传感器使用4-20 mA惯例。

“v”（与电流成正比的分流电压）
这是分流器上实际测量的电压降。由于我们的行业已经标准化了250欧姆的分流值，对于4-20 mA电流回路信号（v = i *电阻），“v”的范围在1到5伏之间。注意，分流电阻值是任意的，只要它是已知的。您还需要确保它不会给循环带来负担，因此较低的值优于较高的值。是的，我的意思是更低。请记住，我们正在使用电流而不是电压，因此规则被颠倒了。正如无限高电阻负载对电压源的工作良好一样，您可以将负载一直带到零欧姆的电流源，而不会产生任何影响。

自供电传感器

我承诺从大多数到最不常见的顺序订购这些配置，而自供电传感器只是嗅到了第一名。自供电传感器就是那些自给自足的传感器。传感器可以具有集成的交流电源，从而无需外部直流电源。或者它可能根本不是传感器。它可以是来自PLC或内部供电的其他源的输出。

2线制传感器（低侧分流器）

好的，首次使用4-20 mA电流回路的用户可能会感到困惑。是的，既可以为传感器供电，也可以测量它在相同的两根电线上的电流。在此处显示的2线示例中，只有两根导线将传感器连接到其电源，传感器从其中吸取电流，与其测量的机械特性成正比。随着电流的变化，电阻器R两端产生的电压将发生变化，从而提供适合连接到测量仪器（如数据记录器或数据采集系统）的信号。

在大多数情况下，应注意将电阻器放置在环路的低侧，如此处所示，而不是高侧。这样做将允许非隔离仪器进行测量。在下一节中，我将讨论高侧分流放置，并更详细地讨论这些注意事项。

2线制传感器（高侧分流器）

这种配置几乎与低侧2线方式完全相同，但它将分流电阻放置在环路的高端。注意，虽然电压跨越电阻与传感器吸收的电流成正比（就像低侧方法一样），两侧也存在共模电压（CMV）。在一侧接地，CMV等于电源电压。在接地的另一侧，它等于电源电压，减去电阻器降低的电压（v）。CMV的存在会对您用来测量的仪器施加条件v。特别地，仪器需要具有隔离的前端，因此它可以浮动到CMV的水平并仍然成功地进行测量。使用非隔离的单端仪器尝试此操作，您将使传感器与地短路。非隔离差分仪器将饱和或提供错误结果。

3线传感器

带有过程电流输出的三线制传感器具有单独的接地线，信号（4-20 mA）和电源。对于电流回路初学者来说，这种配置是最容易掌握的，一个用于电源的输入，另一个用于具有公共接地的电流回路。3线传感器优于2线传感器的主要优点是能够驱动更高的电阻负载。对于任何给定电流，电阻器的电压降低与其电阻值成正比。保持电流恒定，较高的电阻会降低更多的电压。回到2线传感器并保持电流恒定，随着分流电阻的增加，其上的电压降也会增加。您可能会达到这样的程度，即分流器降低的电压会使传感器上的压降低于正常工作所需的最小压降。

我们有一个客户的2线电流环测量功能很好，直到环路电流达到约18 mA，此时一切都变得混乱。仔细检查后，我们确定她使用的电源电压过低至少0.56V。她需要2 mA以上的测量才能达到满量程，使用250欧姆电阻可以转换为0.56 V. 解决方案是使用更高电压的电源，以确保传感器两端的电压降低于最低水平。她本可以使用3线传感器，确保施加在传感器上的电压与分流电阻器压降无关。

观察你的理由（或使用隔离的仪器）
与许多人相信（并且在学校中被错误地教授）相反，在工业环境中，地面几乎从不相同，恰好在大多数使用4-20 mA电流环路传感器的地方。两个或多个相同的理由意味着它们具有相同的潜力。如果是这样，各种现场传感器的接地和使用数字电压表（DVM）的仪器在其DC和AC设置之间的测量将显示零伏或非常接近它。实际上，你将测量至少几伏特，我已经看到多达75伏特。当不具有相同电位的接地连接在一起时（您需要进行测量），电流流过它们，为非隔离仪器创建了几种可能的测量结果：

测量结果很嘈杂。测量结果不准确。你不可挽回地损坏了仪器。你使仪器饱和（它没有损坏，但你也无法成功测量。）
要解决这些问题，需要执行以下操作：

使用隔离仪器进行4-20 mA电流环测量。这一单一决策允许您忽略所有其他接地问题，以换取在任何情况下的成功测量。如果您没有隔离仪器，请继续阅读......确保环路电源已隔离。这意味着其输出接地（连接到传感器的接地）不依赖于其输入接地（连接到交流线路电源的接地）。隔离电源意味着输出接地可以连接到另一个接地（如非孤立的仪器）没有后果。如果使用自供电传感器，请确保环路的低侧与其电源隔离。如果使用需要外部直流电源的传感器，请确保将分流电阻放置在环路的低压侧（参见上面的“2线传感器（低侧分流器）”。）如果您无法控制电源并确定它们未被隔离，那么您唯一的选择就是从完全相同的电源插座为所有设备（电源，自供电传感器，仪器和连接的PC）供电。不要错误地使用彼此靠近的插座。如果单个插座上的插座用完，请使用电源板。
同样，值得重复的是，如果使用隔离仪器进行测量，与正确接地相关的所有注意事项都会消失。

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李娓仑

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