前言

这篇文章讲使用4-20mA模拟量输出信号的时候会遇到的一些问题，包括设计时候的问题，现场吹牛逼的时候的问题，调试使用的问题。单单是4-20mA是很容易理解和很容易使用的，问题主要来源于三个方面，1.HART通信问题，占到总问题的80%，2.电源问题，占到10%，3.安全栅问题，在危化品行业占到10%，如果不要求防爆的话没这个问题啊。这篇文章尽量把一些常见的专业性名词说明白，用大白话，辅以大量的贴近生活的例子，帮助大家好好理解。

当我们去读仪表的示值，比如你家温度计，你得走过去读。但是如果配上一个变送器，那么也许你可以在手机上读。所谓的变送器，也是仪表的一种，是把压力温度等物理信息从传感器读出来，转成可远传信号往远处发。通常我们看到的组合是，一个机械式压力表旁边放着一个看上去很厚实，前面带着一个屏幕的玩意，类似于这样

  

4-20ma温度变送器

之所以这样组合是因为机械式压力表是不用电的，当发生断电时它依然工作忠实地指示着管道内压力，巡检人员一眼就能看到；这玩意很耐用，很便宜换一个也不花多少钱。可是你得走过去现场看啊，所以还需要把压力值读出来往中控室里面传，让操作人员能一眼就看到当前压力多少以免憋坏了。这就是变送器的作用。顺带一提变送器通常是蓝色是因为最早做变送器的罗斯蒙特公司喜欢这种颜色，在各种管道保温层的环境里面相当突出。而且罗斯蒙特的产品一直都很畅销，所以这种颜色在很多地方都能看到，类似于tiffany公司和tiffany蓝，此处是我司的软广。后面我将以罗斯蒙特的3051系列变送器讲解。

为什么会有4-20mA

变送器输出的远传信号有很多，4-20mA是其中的一种，这种信号非常古老但是生命力顽强。首先它很简单，只需要两根线就可以建立变送器和接收器之间的连接。这里的接收器你可以理解为有个人拿着电流表帮你看电流大小然后输入到计算机里面啊。这两根线构成一个电路回路，里面走的是4mA到20mA之间电流量的直流电。如果你回忆一下电流的定义，你就会想起来是每秒钟走过多少电荷。接下来我们将解释这个电流量是按照怎么样一个规律在大小变化的。

  

4-20mA 信号的由来

4-20mA是怎么变化的

再看一眼这个压力表，如果我们事先约定，当压力为0MPa的时候就输出4mA，1MPa的时候输出20mA，那么那个蹲在中控室拿着电流表看电流的人就会知道，他手上表显示12mA代表现场管道里面的压力是0.5Mpa。如果电流一直不变，代表压力一直是这么大，电流有变化，可以得知管道压力也在变化，电流和压力是线性关系，知其一就知道其二。

 

4-20mA的好处

这种信号的好处是万一这两根线其中一根断了，电流就没有了，接收器看到这是0mA就会报警提示，让检修人员赶紧去查哪里的线断了，所以可靠性很高。如果这两根线不是断了，而是破皮导致电流跑到别的地方去了，4-20mA这么小的电流也没有足够大的能量导致易燃易爆品爆炸。还有，变送器一般安装在偏远的地方，所以这两根线是拉的很长的，电阻很变大，如果是传4-20V电压，电压会被电阻分压，传到接收器那里的电压说不定只有2-18V了，接收器就觉得很奇怪。但是电流不会，因为产生电流的电流源内阻很大，电线的内阻对于电流的影响很小，所以可以传得很远。后面我们将计算到底能传多远，这需要在介绍完供电和接收器以后才能说明白，但是比我们常见的串行通信或是网线都要远。最后，这么长的导线中间不定经过各种干扰源，比如一个电机启动，就会导致两根线的感应出电压来，但是因为电流源内阻很大，根据欧姆定律，其实这额外多出来的电压除以大电阻以后只有很小的电流，对4-20mA电流量大小影响很小。与之相比，感应电压对串行通信或是网线都是灾难性的，轻则丢包（类似于快递在途中丢失），重则把通信设备烧掉，所以务必要做好屏蔽。

4-20mA的两线制，三线制和四线制

回到我们那个蓝色的变送器，它是需要供电才能运作的，那么怎么传这个电力呢。我们曾经说过4-20mA电流代表着每秒传输多少个电荷，这个电荷可以为变送器带来电力。可是现代电子器件大多是工作在一个电压范围里面，比如家用电器需要在220V交流电压下工作，比如我们的U盘是在5V直流电压下工作。怎么把4-20mA电流变成电压？加一个电阻就好了。查阅罗斯蒙特3051变送器的手册可以发现，它的正常工作电压是直流10.5-42.4V。根据欧姆定律可以算出，这个变送器可以看成是可变电阻，电阻最大时是42.4V/4mA=10kΩ，电阻最小时是10.5V/20mA=525Ω。之所以有这么宽的变化范围是因为一方面如果要HART通信，需要串联一个250欧姆电阻，参考下面的接线图。

 

最明显的一个问题是，如果我要用HART，我串联了一个250欧姆电阻进去，当4-20mA运行在20mA时，这个电阻的分压达到了5V那么用一个12V的电源是无法让这个变送器工作的，因为变送器最小需要10.5V电压。那么有没有我给一个12V或者24V电压就立马可以工作的变送器呢？所以就有了三线制和四线制。

四线制顾名思义，多了一对电源接线口，电源正负直接接变送器的正负，变送器就可以工作了。三线制比四线制少了一个端子电源的负端子，电源的正接一个端子，电源的负接4-20mA端子的负端子，4-20mA正端子是第三个端子。有了三线制和四线制，可以用标准的电源为变送器供电，增加了可靠性，同时也不再需要接收器供电，降低了对接收器的要求。但是电源和接收器可能不共地，会产生浮点电势的问题，在地和4-20mA正这一个回路中形成了独立的环流，叠加到4-20mA上，从而影响精度。

安全栅与源型漏型4-20mA有的同学可能会问了，两线制的变送器既然需要装在中控室的接收器提供电力，那会不会接收器坏了，一个大电流打到变送器那打坏变送器，甚至变送器装在易燃易爆区域，一个大电流引发大爆炸呢？完全有可能，所以出现了安全栅。安全栅可以理解为是一个水闸，能够把4-20mA这条线断开，4-20mA这样的小电流从水闸一边往另一边搬运，大电流就直接拦着不让过，保证危险区域的用电安全。所以首先明确，安全栅是安装在安全区域内，比如中控室，隔爆箱内，保证大电流出不了安全区域。其次是它工作需要24V电，它也可以把这个电转发给变送器供电，它也可以接供电或者不供电的接收器。但是它把供电的叫做源(Source)，把不供电的叫做漏(Sink)，迷惑了很多工程师，常常导致4-20mA电流偏离正常范围。