我們經(jīng)常需要測(cè)量4-20mA（毫安）電流信號(hào)，但是如何正確測(cè)量呢？我們認(rèn)為應(yīng)該重點(diǎn)通過(guò)各種4-20mA電流環(huán)路的配置上，來(lái)詳細(xì)講解成功測(cè)量所需了解的細(xì)節(jié)。下面將從較為常見到較不常見的配置順序進(jìn)行討論說(shuō)明，盡可能地涵蓋客戶在實(shí)際應(yīng)用中遇到的配置。
4-20 mA 電流環(huán)路基礎(chǔ)知識(shí)
具有4-20mA電流環(huán)路輸出的傳感器或其他設(shè)備，在工業(yè)測(cè)量和控制應(yīng)用中極為常見。它們具有易部署，對(duì)供電電源要求寬泛，低噪聲輸出，并且可以遠(yuǎn)距離無(wú)損失傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在過(guò)程控制、數(shù)據(jù)記錄器及數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用廣泛。4-20mA電流環(huán)路的原理是，傳感器電流值與其測(cè)量的機(jī)械特性成正比。以帶有電流環(huán)路輸出的100psi傳感器為例。壓力為0psi時(shí)，傳感器電流值為4 mA。壓力為100psi時(shí)，傳感器電流值為20mA。壓力為50psi時(shí)，傳感器電流值為12mA。 依此類推，機(jī)械性能測(cè)量值與電流輸出之間的關(guān)系幾乎總是線性的，因此可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的kx+b公式對(duì)得到的電流環(huán)路數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放，以顯示更為有用的工程單位值。在實(shí)際應(yīng)用中如何測(cè)量4-20mA電流環(huán)路信號(hào)，取決于傳感器的構(gòu)造和測(cè)量?jī)x器的功能。
專業(yè)術(shù)語(yǔ)
為了便于表述，下文將采用如下標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語(yǔ)：
“ E”（直流激勵(lì)）
以下大多數(shù)配置中都會(huì)有直流電壓激勵(lì)源，將其表示為“E”。除非傳感器是自供電型的（即交流電源供電），否則我們需要提供一個(gè)外部直流電源。有時(shí)可以由儀器直接提供，可接受值的范圍通常很寬，典型值為10-24VDC。*使用電流環(huán)路傳感器時(shí)尤其要注意，是否需要提供這種激勵(lì)源。
“ R”（分流電阻）
需要注意的是：沒(méi)有儀器可以直接測(cè)量電流。大家通常采用的方法是：通過(guò)測(cè)量已知阻值電阻兩端的電壓降來(lái)間接測(cè)量，然后通過(guò)歐姆定律來(lái)計(jì)算實(shí)際電流。這個(gè)電阻被稱為“shunt-分流電阻”，是進(jìn)行電流測(cè)量所必需的，可以從外部提供，也可以內(nèi)置在測(cè)量?jī)x中。為了更好地說(shuō)明情況，我們假設(shè)它是外部提供的。
“ i”（電流回路值，范圍為4-20 mA）
在此指?jìng)鞲衅鳟a(chǎn)生的4-20mA電流信號(hào)。某些傳感器可能會(huì)產(chǎn)生0-20mA甚至其他值，但絕大多數(shù)傳感器采用4-20mA。
“ v”（與電流成比例的分流電壓）
V是指由儀器實(shí)際測(cè)量所得的分流電阻兩端的電壓降。在行業(yè)應(yīng)用中通常將分流電阻阻值定為250歐姆，因此對(duì)于4-20 mA的電流環(huán)路信號(hào)，“ v”將在1~5伏之間（電壓 = 電流 * 阻值）。請(qǐng)注意，分流電阻器的阻值可以是任意值，只要是已知值即可。同時(shí)還需要確保它不會(huì)增加環(huán)路的負(fù)擔(dān)，因此阻值低一些更好。請(qǐng)記住，我們使用的是電流，而不是電壓，因此規(guī)則是相反的。正如無(wú)窮大的電阻器負(fù)載對(duì)于電壓源工作正常一樣，對(duì)于電流源可以將負(fù)載減至零歐姆，而不會(huì)產(chǎn)生任何后果。
自供電傳感器
自供電傳感器是較為常見的傳感器之一，是無(wú)需外部直流供電的傳感器。自供電傳感器有可能是在傳感器內(nèi)部集成了交流電源；也有可能它根本就不是傳感器；也有可能是來(lái)自PLC或其他具有內(nèi)部供電的源的輸出。
2線制傳感器（低端分流）
?這可能會(huì)使初次使用4-20 mA電流環(huán)路的用戶感到困惑。但是我們的確可以僅用兩條線就可以同時(shí)完成了傳感器供電和電流測(cè)量。如右圖所示例，只有兩根線將傳感器連接到供電電源，并且傳感器電流值與所測(cè)量的機(jī)械性能成正比。隨著電流的變化，電阻R兩端產(chǎn)生的電壓也會(huì)變化，從而提供適合連接到測(cè)量?jī)x器（數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等）的信號(hào)。
在大多數(shù)情況下，應(yīng)注意將電阻器放置在環(huán)路的低端（如圖所示），而不是。這樣做的目的是可以允許使用非隔離的儀器進(jìn)行測(cè)量。
2線制傳感器（分流）
此配置和上述2線制低端分流的方法非常相似，只是將分流電阻器放置在環(huán)路的。請(qǐng)注意，盡管電阻兩端的電壓與傳感器電流值成正比（同低端分流法一樣），但對(duì)地的每一端都存在共模電壓(CMV)，一端等于電源電壓，另一端等于電源電壓減去電阻(v)下降的電壓CMV的存在為我們選擇測(cè)量電壓的儀器設(shè)置了條件。
如果使用帶有隔離前端的測(cè)量?jī)x器，在具有高CMV電壓情況下，仍然可以成功進(jìn)行測(cè)量。使用不帶隔離的單端輸入測(cè)量?jī)x器，傳感器將會(huì)對(duì)地短路。使用不帶隔離的差分輸入測(cè)量?jī)x器，會(huì)造成飽和或提供錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。
3線制傳感器
具有過(guò)程電流輸出的三線制傳感器具有單獨(dú)的地線、信號(hào)線(4-20 mA)和電源線。這種配置對(duì)于電流環(huán)路初學(xué)者來(lái)說(shuō)是容易掌握的，一個(gè)輸入用于電源，另一個(gè)輸入用于具有共同接地點(diǎn)的電流環(huán)路。與兩線制傳感器相比，三線制傳感器主要優(yōu)勢(shì)在于它能夠驅(qū)動(dòng)更高的電阻負(fù)載。對(duì)于任何給定的電流，電阻的壓降與其阻值成正比。保持電流不變，電阻值越大，電壓降越大。對(duì)于兩線制傳感器，電流恒定時(shí)，分流電阻越大，其兩端的壓降也會(huì)增大。在某點(diǎn)，分流器的分壓會(huì)將傳感器兩端的電壓降低到低于傳感器正常工作所需的小值。
有一位客戶的2線電流環(huán)路測(cè)量功能良好，直到環(huán)路電流達(dá)到約18mA后，測(cè)量失去了控制。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，我們確定該客戶使用的電源電壓至少低了0.56V。需要再增加2mA的測(cè)量才能達(dá)到滿量程，通過(guò)250歐姆電阻轉(zhuǎn)換為0.56V。解決方案是采用更高電壓的供電電源，以確保傳感器兩端的電壓降保持在低水平以上。如果采用3線制傳感器，可以確保施加到傳感器的電壓與分流電阻器的壓降無(wú)關(guān)。
注意接地（或使用隔離的儀器）
大多數(shù)4-20mA電流環(huán)路傳感器應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合中，與大多數(shù)人的認(rèn)知所相反的是，“地”幾乎都是不一樣的。“地”相同，就意味著它們具有相同的電勢(shì)。此時(shí)，使用數(shù)字電壓表(DVM)的直流和交流檔分別來(lái)測(cè)量傳感器的地與儀器的地之間的電壓差，測(cè)量值應(yīng)該為零伏或非常接近零伏。而實(shí)際上，測(cè)量值至少會(huì)是幾伏，我們?cè)娺^(guò)高達(dá)75伏特。當(dāng)不同電位的地被連接到一起時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電流，在使用非隔離式儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)造成如下幾種可能的結(jié)果：
1.測(cè)量值為噪聲。
2.測(cè)量不準(zhǔn)確。
3. 儀器損壞。
4.儀器飽和，雖然沒(méi)有損壞，但也無(wú)法成功進(jìn)行測(cè)量。
要解決這些問(wèn)題，需要執(zhí)行以下操作：
如果您沒(méi)有帶有隔離的儀器，請(qǐng)閱讀1~4。
1.確保回路電源已隔離。即輸出端的地（連接到傳感器端）與輸入端的地（連接交流電源的地線）沒(méi)有相連。隔離電源意味著輸出地可與另一個(gè)地相連（例如非隔離的儀器）而不會(huì)產(chǎn)生任何后果。
2.如果使用自供電傳感器，請(qǐng)確保電流環(huán)路的低壓側(cè)與其電源隔離。
3.如果使用需要外部直流電源供電的傳感器，請(qǐng)確保將分流電阻器放置在環(huán)路的低端（請(qǐng)參閱上面的“ 2線制傳感器（低端分流器）”）。
4.如果無(wú)法控制并確認(rèn)電源是非隔離的，那么可以選擇從同一電源插座為所有設(shè)備（電源、自供電傳感器、儀器及其連接的PC）供電。即使是相近的插座也不行。如果單個(gè)插座板上的插座用完了，請(qǐng)使用接線板。
5.使用帶有隔離的儀器進(jìn)行4-20mA電流環(huán)路測(cè)量，這樣可以*避免接地問(wèn)題，在任何情況下都可以成功進(jìn)行測(cè)量。
再重申一下，如果使用帶有隔離的儀器進(jìn)行測(cè)量，則這些與正確接地相關(guān)的所有注意事項(xiàng)都可以忽視。
幾乎所有領(lǐng)域和配置中都會(huì)遇到4-20mA電流輸出型的傳感器，如果您遇到特殊情況，請(qǐng)與我們聯(lián)系。
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