前言

這篇文章講使用4-20mA模擬量輸出信號(hào)的時(shí)候會(huì)遇到的一些問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)時(shí)候的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)吹牛逼的時(shí)候的問(wèn)題，調(diào)試使用的問(wèn)題。單單是4-20mA是很容易理解和很容易使用的，問(wèn)題主要來(lái)源于三個(gè)方面，1.HART通信問(wèn)題，占到總問(wèn)題的80%，2.電源問(wèn)題，占到10%，3.安全柵問(wèn)題，在危化品行業(yè)占到10%，如果不要求防爆的話沒(méi)這個(gè)問(wèn)題啊。這篇文章盡量把一些常見的專業(yè)性名詞說(shuō)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(dāng)我們?nèi)プx儀表的示值，比如你家溫度計(jì)，你得走過(guò)去讀。但是如果配上一個(gè)變送器，那么也許你可以在手機(jī)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(lái)，轉(zhuǎn)成可遠(yuǎn)傳信號(hào)往遠(yuǎn)處發(fā)。通常我們看到的組合是，一個(gè)機(jī)械式壓力表旁邊放著一個(gè)看上去很厚實(shí)，前面帶著一個(gè)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?yàn)闄C(jī)械式壓力表是不用電的，當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)它依然工作忠實(shí)地指示著管道內(nèi)壓力，巡檢人員一眼就能看到；這玩意很耐用，很便宜換一個(gè)也不花多少錢。可是你得走過(guò)去現(xiàn)場(chǎng)看啊，所以還需要把壓力值讀出來(lái)往中控室里面?zhèn)鳎�讓操作人員能一眼就看到當(dāng)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(lán)色是因?yàn)樽钤缱鲎兯推鞯牧_斯蒙特公司喜歡這種顏色，在各種管道保溫層的環(huán)境里面相當(dāng)突出。而且羅斯蒙特的產(chǎn)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(lán)，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(huì)有4-20mA

變送器輸出的遠(yuǎn)傳信號(hào)有很多，4-20mA是其中的一種，這種信號(hào)非常古老但是生命力頑強(qiáng)。首先它很簡(jiǎn)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(gè)人拿著電流表幫你看電流大小然后輸入到計(jì)算機(jī)里面啊。這兩根線構(gòu)成一個(gè)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(huì)想起來(lái)是每秒鐘走過(guò)多少電荷。接下來(lái)我們將解釋這個(gè)電流量是按照怎么樣一個(gè)規(guī)律在大小變化的。

  

4-20mA 信號(hào)的由來(lái)

4-20mA是怎么變化的

再看一眼這個(gè)壓力表，如果我們事先約定，當(dāng)壓力為0MPa的時(shí)候就輸出4mA，1MPa的時(shí)候輸出20mA，那么那個(gè)蹲在中控室拿著電流表看電流的人就會(huì)知道，他手上表顯示12mA代表現(xiàn)場(chǎng)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(guān)系，知其一就知道其二。

 

4-20mA的好處

這種信號(hào)的好處是萬(wàn)一這兩根線其中一根斷了，電流就沒(méi)有了，接收器看到這是0mA就會(huì)報(bào)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(dǎo)致電流跑到別的地方去了，4-20mA這么小的電流也沒(méi)有足夠大的能量導(dǎo)致易燃易爆品爆炸。還有，變送器一般安裝在偏遠(yuǎn)的地方，所以這兩根線是拉的很長(zhǎng)的，電阻很變大，如果是傳4-20V電壓，電壓會(huì)被電阻分壓，傳到接收器那里的電壓說(shuō)不定只有2-18V了，接收器就覺(jué)得很奇怪。但是電流不會(huì)，因?yàn)楫a(chǎn)生電流的電流源內(nèi)阻很大，電線的內(nèi)阻對(duì)于電流的影響很小，所以可以傳得很遠(yuǎn)。后面我們將計(jì)算到底能傳多遠(yuǎn)，這需要在介紹完供電和接收器以后才能說(shuō)明白，但是比我們常見的串行通信或是網(wǎng)線都要遠(yuǎn)。最后，這么長(zhǎng)的導(dǎo)線中間不定經(jīng)過(guò)各種干擾源，比如一個(gè)電機(jī)啟動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致兩根線的感應(yīng)出電壓來(lái)，但是因?yàn)殡娏髟磧?nèi)阻很大，根據(jù)歐姆定律，其實(shí)這額外多出來(lái)的電壓除以大電阻以后只有很小的電流，對(duì)4-20mA電流量大小影響很小。與之相比，感應(yīng)電壓對(duì)串行通信或是網(wǎng)線都是災(zāi)難性的，輕則丟包（類似于快遞在途中丟失），重則把通信設(shè)備燒掉，所以務(wù)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(gè)藍(lán)色的變送器，它是需要供電才能運(yùn)作的，那么怎么傳這個(gè)電力呢。我們?cè)��?jīng)說(shuō)過(guò)4-20mA電流代表著每秒傳輸多少個(gè)電荷，這個(gè)電荷可以為變送器帶來(lái)電力。可是現(xiàn)代電子器件大多是工作在一個(gè)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(gè)電阻就好了。查閱羅斯蒙特3051變送器的手冊(cè)可以發(fā)現(xiàn)，它的正常工作電壓是直流10.5-42.4V。根據(jù)歐姆定律可以算出，這個(gè)變送器可以看成是可變電阻，電阻最大時(shí)是42.4V/4mA=10kΩ，電阻最小時(shí)是10.5V/20mA=525Ω。之所以有這么寬的變化范圍是因?yàn)橐环矫嫒绻�要HART通信，需要串聯(lián)一個(gè)250歐姆電阻，參考下面的接線圖。

 

最明顯的一個(gè)問(wèn)題是，如果我要用HART，我串聯(lián)了一個(gè)250歐姆電阻進(jìn)去，當(dāng)4-20mA運(yùn)行在20mA時(shí)，這個(gè)電阻的分壓達(dá)到了5V那么用一個(gè)12V的電源是無(wú)法讓這個(gè)變送器工作的，因?yàn)樽兯推髯钚⌒枰?0.5V電壓。那么有沒(méi)有我給一個(gè)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(duì)電源接線口，電源正負(fù)直接接變送器的正負(fù)，變送器就可以工作了。三線制比四線制少了一個(gè)端子電源的負(fù)端子，電源的正接一個(gè)端子，電源的負(fù)接4-20mA端子的負(fù)端子，4-20mA正端子是第三個(gè)端子。有了三線制和四線制，可以用標(biāo)準(zhǔn)的電源為變送器供電，增加了可靠性，同時(shí)也不再需要接收器供電，降低了對(duì)接收器的要求。但是電源和接收器可能不共地，會(huì)產(chǎn)生浮點(diǎn)電勢(shì)的問(wèn)題，在地和4-20mA正這一個(gè)回路中形成了獨(dú)立的環(huán)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(xué)可能會(huì)問(wèn)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(huì)不會(huì)接收器壞了，一個(gè)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(qū)域，一個(gè)大電流引發(fā)大爆炸呢？完全有可能，所以出現(xiàn)了安全柵。安全柵可以理解為是一個(gè)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(yùn)，大電流就直接攔著不讓過(guò)，保證危險(xiǎn)區(qū)域的用電安全。所以首先明確，安全柵是安裝在安全區(qū)域內(nèi)，比如中控室，隔爆箱內(nèi)，保證大電流出不了安全區(qū)域。其次是它工作需要24V電，它也可以把這個(gè)電轉(zhuǎn)發(fā)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(dǎo)致4-20mA電流偏離正常范圍。