4-20ma传感器 电气工程师基础知识 为何工业一般选择4-20ma模拟量传感器？
电气工程师基础知识 为何工业一般选择4-20ma模拟量传感器？
大家可能会非常熟悉RS232，RS485，CAN等工业上常用的总线，他们都是传输数字信号的方式。那么，我们用什么方式来传输模拟信号呢？工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
上限取20mA是因为防爆的要求： 20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。 常取2mA作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
采用电流信号的原因是不容易受干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此给4－20mA传输带来的误差非常小； 电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百米；由于电流源的大内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0－5V的电压，低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。 当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此在量程范围内，变送器通常只有24V，4mA供电（因此，在轻负载条件下高效率的DC/DC电源（TPS54331,TPS54160），低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器（如MSP430）对于两线制的4-20mA收发非常重要）。这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。
两线制、三线制、四线制变送器的差异
咱们评论的两线制、三线制、四线制，是指各种输出为模仿直流电流信号的变送器，其作业原理和布局上的差异，而并非只指变送器的接线方式。不然热电偶配毫伏计丈量温度可称为是两线制的开山祖师了!
几线制的称谓，是在两线制变送器诞生后才有的。这是电子扩大器在外表中广泛运用的成果，扩大的实质即是一种能量变换进程，这就离不开供电。因而最先呈现的是四线制的变送器；即两根线担任电源的供给，别的两根线担任输出被变换扩大的信号(如电压、电流、等)。
两线制变送器如图一所示，其供电为24V.DC，输出信号为4-20mA.DC，负载电阻为250Ω，24V电源的负线电位最低，它即是信号公共线，关于智能变送器还可在4-20mA.DC信号上加载HART协议的FSK键控信号。
图一 两线制变送器接线示意图
因为4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制的遍及和运用，在控制系统运用中为了便于衔接，就需求信号制的一致，为此需求一些非电动单元组合的外表，如在线剖析、机械量、电量等外表，能选用输出为4-20mA.DC信号制，可是因为其变换电路杂乱、功耗大等缘由，难于悉数满意上述的三个条件，而无法做到两线制，就只能选用外接电源的方法来做输出为4-20mA.DC的四线制变送器了。
四线制变送器如图二所示，其供电大多为220V.AC，也有供电为24V.DC的。输出信号有4-20mA.DC，负载电阻为250Ω，或许0-10mA.DC，负载电阻为0-1.5KΩ；有的还有mA和mV信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路方式不一样而数值有所不一样。
图二 四线制变送器接线示意图
有的外表厂为了减小变送器的体积和分量、并提高抗搅扰功能、减化接线，而把变送器的供电由220V.AC改为低压直流供电，如电源从24V.DC电源箱取用，因为低压供电就为负线共用发明了条件，这样就有了三线制的变送器商品。
三线制变送器如图三所示，所谓三线制即是电源正端用一根线，信号输出正端用一根线，电源负端和信号负端共用一根线。其供电大多为24V.DC，输出信号有4-20mA.DC，负载电阻为250Ω或许0-10mA.DC，负载电阻为0-1.5KΩ；有的还有mA和mV信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路方式不一样而数值有所不一样。
图三 三线制变送器接线示意图
以上三个图中，输入接纳外表的是电流信号，如将电阻RL并联接入时，则接纳的即是电压信号了。
既然4-20ma是行业标准，那为什么模拟量还有着那么多量程？
原创不易，请勿抄袭！
工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等;另外电物理量(简称电量),例如电流、电压、功率、频率等,都需要转换成标准模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的标准模拟量电信号是用4~20mA直流电流来传输模拟量。
那么为什么4~20mA是行业标准呢？
采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。
那么既然4-20 mA是行业标准，为什么还有其他量程？
不知道大家注意过没有S7-200smart的模拟量输入通道的电流类型的范围只有0-20 mA，那么西门子工程师是设计错了吗？
当然不是，仪表的使用其实有些混乱，有一些仪表使用的是0-10mA，有的使用4-20 Ma，而0-20mA有一个巨大的优势，就是即可以接收0-10mA，也可以接收4-20mA，只要在程序里做设置即可，而S7-200smart定位就是一个小型PLC，因此功能自然会少很多。
那么4-20mA是不是就没有缺点呢？
4-20Ma最致命的缺点就是分辨率低，以前我们讲过称重，那么称重可以通过模拟量连接到PLC，但是很多人都不想使用这种最为方便的方式，其原因就是因为模拟量的分辨率低，单就分辨率而言，4-20 mA没有-20mA-+10mA的显示效果好。
说到分辨率我们不得不再举一个西门子的例子，大家都知道S7-300/400的模拟量输入有很多种量程，其中包括0-10V,那么是不是作为升级版的博途软件是否会有更多的量程范围呢？恰恰相反！安装了软件的可以打开软件去软件里面看一下，博途全系都没有0-10V，而是使用-10V-+10V去取代0-10V，原因就是容纳的量程变宽而且分辨率相对变高。
好吧，我们再聊下两线制和四线制吧!
电流输出型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。 当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算，省去2根信号传输导线意味着成本降低近百元！另外四线制变送器和三线制变送器因导线内电流不对称必须使用昂贵的屏蔽线,而两线制变送器可使用非常便宜的的双绞线导线,因此在应用中两线制变送器必然是首选。
最后多说一句，针对混乱的仪表市场如果遇到两线制和四线制需要转换的时候，大家可以选择隔离配电器做转换。
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