各行各業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場總離不開過程控制系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)一般由很多單元組成，如可燃氣體濃度探測器、輸入模塊、現(xiàn)場監(jiān)控端、中央處理單元、電源等等，不同單元間需要進行數(shù)據(jù)通訊。在實際應(yīng)用中，除了數(shù)字信號（如RS485、CAN等總線）外，還有一種“古董級”的模擬信號同樣廣泛應(yīng)用于各類儀表。這就是4~20mA電流環(huán)（以下簡稱4~20mA）。

一、簡介

4~20mA是國際電工委員會(IEC)過程控制系統(tǒng)用模擬信號標準。4~20mA的零電平信號采用4mA大小的電流表示，滿量程采用20mA電流表示，因此得名“4mA~20mA電流環(huán)(current loop)”。 分線制的可燃氣體濃度探測器就采用4mA~20mA。

4mA以下的電流輸出用來進行故障診斷功能，20mA以上電流被認為是超量程輸出。不同電流輸出的具體含義如下表所示：

二、為什么采用4~20mA的電流來傳輸模擬量?

4~20mA是一種模擬通信方式，與各種現(xiàn)代數(shù)字通信方式相比，它有其自身的優(yōu)點。

1、它不需要復(fù)雜的編碼、解碼工作，通信方式簡單且通用。如采用4~20mA輸出信號的可燃氣體濃度探測器，理論上可以配接任意廠家的可燃氣體濃度控制器，無需專門編碼。

2、由于電流環(huán)與生俱來的抗干擾能力，在噪聲環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場具有很高的可靠性。因為工業(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA級別，因此給4~20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源內(nèi)阻趨于無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。

3、4~20mA電流環(huán)通信又有比較可靠的故障診斷功能。4~20mA輸出信號的氣體變送器每回路單獨通訊，任何一臺的故障不會影響其他氣體變送器，同時可以方便地根據(jù)電流信號來判斷氣體變送器的工作狀態(tài)。

三、為什么上限為20mA？為什么下限為4mA?

可燃氣體濃度探測器基于安全、實用、功耗、成本的考慮，特別是要滿足防爆的要求，20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃可燃氣。

下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于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。

四、4-20mA電流環(huán)類型?

1、四線制：兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。

2、三線制：電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），稱之為三線制變送器。目前三線制是4-20mA輸出信號可燃氣體濃度探測器的主流類型。

3、二線制： 4~20mA電流環(huán)本身就可以為變送器供電，變送器在電路中相當于一個特殊的負載，這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。

兩線制更為簡單，但要注意的是，電流環(huán)標準下限為4mA，變送器通常只有24V，4mA供電，因此變送器的功耗要小，常見的可燃可燃氣體濃度探測器、聲光報警可燃氣體濃度探測器等產(chǎn)品均不能兩線制正常工作。兩線制僅常見于有毒氣遠程顯示變送器等少數(shù)場合。

五、4-20mA不適合場合?

雖然4~20mA電流環(huán)以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點在可燃氣體濃度探測器、有毒氣體濃度探測器等產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，但在需要高速通信的場合，一般認為4~20mA不適合。電流源的高阻特性、傳輸電纜的寄生參數(shù)等因素限制了整個環(huán)路的頻率響應(yīng)。

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