深度解析工业自动化里的 4 - 20mA 信号传输原理

出处:网络整理时间:2025-07-28
在工业自动化领域,4 - 20mA 信号传输是一种极为重要且广泛应用的技术。下面我们将对其进行详细解析,深入探讨其优点和应用。

4 - 20mA 信号传输优点


  1. 电流信号不易受干扰
    在工业应用中,采用电流信号进行传输具有显著优势。工业现场环境复杂,往往存在幅度高达数伏的噪声电压,但这些噪声的功率较弱,通常不会超过纳安级别。这使得电流信号在传输过程中能够保持较高的准确性。此外,电流源的内阻极大,导线电阻在回路中对精度的影响几乎可以忽略不计。因此,4 - 20mA 电流信号能够在普通双绞线上进行数百米的远距离传输,这是电压信号难以比拟的。
  2. 接收端低噪声设计
    在接收端,只需将一个 250 欧姆的电阻与地相连,就可以将 0 - 5V 的电压转换为可用的信号。同时,由于接收器采用低输入阻抗设计,nA 级的输入电流噪声所产生的电压噪声非常微弱,这进一步保证了信号接收的准确性和稳定性。
  3. 电流信号安全特性
    选择上限为 20mA 是出于防爆安全的考虑。因为在这个电流值下,通断时产生的火花能量不足以引燃瓦斯,从而确保了在易燃易爆环境中的使用安全。而选择下限不取 0mA,则是为了能够检测断线情况。当传输线断路时,电流会低于 4mA,系统可以及时发出报警信号,保障了系统的可靠性。
  4. 变送器与信号转换
    电流型变送器能够将物理量转换为 4 - 20mA 电流输出,但它需要外电源供电。典型的四线制变送器需要两根电源线和两根电流输出线。为了节省线缆成本和安装空间,出现了三线制变送器,它让电流输出与电源公用一根线。更进一步,两线制变送器利用 4 - 20mA 电流本身为变送器供电,使变送器成为电路中的一个特殊负载,只需外接两根线即可正常工作,极大地简化了工业现场的布线和安装。

4 - 20mA 信号制应用


  1. 现场与控制室信号选择
    4 - 20mA DC 信号制在现场与控制室之间的信号传输中具有明显的优越性。在这一标准下,仪表传输信号采用 4 - 20mA DC,接收信号转化为 1 - 5V DC,构成了电流传输、电压接收的信号系统。这是因为电流信号在远传时,只要传送回路无分支,回路电流就不会因电线长短而改变,确保了传输的准确性。而电压信号在远传时,容易受到电线电阻的影响,产生误差。
  2. 信号制的优点
    采用 4 - 20mA 信号制具有诸多优点。它能够保证信号传输的性和抗干扰能力,连接简单,并且有利于防爆安全。自 DDZ - Ⅲ 型电动仪表起,该信号制在我国得到了广泛应用,成为了仪表传输的标准。
  3. 变送器选择原因
    变送器选择 4 - 20mA DC 信号制的主要原因是这一信号范围提供了足够的信号强度和分辨率,能够满足各种工业应用的需求。此外,这种信号制还具备抗干扰能力强、易于与其他设备兼容等优点,在实际应用中占据着重要地位。
  4. 信号与电流选择
    选择 20mA 作为信号电流是综合考虑了安全、实用、功耗及成本等多个因素。在以防爆安全火花型仪表为前提的条件下,为了降低仪表静态和动态功耗,确保其正常工作,需要将功耗降至。采用输出 4 - 20mA DC 标准信号的变送器,其电源电压通常选用 24V DC。而选择 4mA 作为信号起点电流,是为了提供一个 “活零点”,便于在故障情况下识别问题。当信号低于 4mA 时,就可以判断系统可能出现了故障,如断线等情况。
  5. 传感器的发展与多样化
    随着工业需求的不断变化,传感器的输出形式也从传统的 4 - 20mA 电流信号传输发展得更加多样化,如 3.33mV/V、2mV/V、0 - 5V 和 0 - 10V 等。这些多样化的输出形式能够更好地适应不同的工业应用场景,为工业自动化系统的设计和实现提供了更多的选择。
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