一般儀器儀表的信號電流都為4-20mA，指最小電流為4mA，最大電流為20mA 。傳輸信號時(shí)候，因為導線(xiàn)上也有電阻，如果用電壓傳輸則會(huì )在導線(xiàn)內產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號就會(huì )產(chǎn)生一定的誤差了，所以一般使用電流信號作為變送器的標準傳輸。

一、什么是4～20mA.DC（1～5V.DC）信號制？

4～20mA.DC（1～5V.DC）信號制是國際電工委員會(huì )（IEC）：過(guò)程控制系統用模擬信號標準。我國從DDZ-Ⅲ型電動(dòng)儀表開(kāi)始采用這一國際標準信號制，儀表傳輸信號采用4～20mA.DC，聯(lián)絡(luò )信號采用1～5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統。

4~20mA電流環(huán)工作原理：

在工業(yè)現場(chǎng)，用一個(gè)儀表放大器來(lái)完成信號的調理并進(jìn)行長(cháng)線(xiàn)傳輸，會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題：第一，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線(xiàn)會(huì )受到噪聲的干擾；第二，傳輸線(xiàn)的分布電阻會(huì )產(chǎn)生電壓降；第三，在現場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來(lái)傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4～20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿(mǎn)刻度，而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報警。

二、4～20mA.DC（1～5V.DC）信號制的優(yōu)點(diǎn)？

現場(chǎng)儀表可實(shí)現兩線(xiàn)制，所謂兩線(xiàn)制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現場(chǎng)變送器與控制室儀表之前的信號聯(lián)絡(luò )及供電僅用兩根電線(xiàn)。因為信號起點(diǎn)電流為4mA.DC，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4mA.DC，不與機械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線(xiàn)等故障。而且兩線(xiàn)制還便于使用安全柵，利于安全防爆。

控制室儀表采用電壓并聯(lián)信號傳輸，同一個(gè)控制系統所屬的儀表之間有公共端，便于檢測儀表、調節儀表、計算機、報警裝置配用，并方便接線(xiàn)。

現場(chǎng)儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò )信號采用4~20mA.DC的理由是：因為現場(chǎng)與控制室之間的距離較遠，連接電線(xiàn)的電阻較大，如果用電壓信號遠傳，優(yōu)于電線(xiàn)電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，而用恒流源信號作為遠傳，只要傳送回路不出現分支，回路中的電流就不會(huì )隨電線(xiàn)長(cháng)短而改變，從而保證了傳送的精度。

控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò )信號采用1~5V.DC理由是：為了便于多臺儀表共同接收同一個(gè)信號，并有利于接線(xiàn)和構成各種復雜的控制系統。如果用電流源作聯(lián)絡(luò )信號，當多臺儀表共同接收同一個(gè)信號時(shí)，它們的輸入電阻必須串聯(lián)起來(lái)，這會(huì )使最大負載電阻超過(guò)變送儀表的負載能力，而且各接收儀表的信號負端電位各不相同，會(huì )引入干擾，而且不能做到單一集中供電。

采用電壓源信號聯(lián)絡(luò )，與現場(chǎng)儀表的聯(lián)絡(luò )用的電流信號必須轉換為電壓信號，最簡(jiǎn)單的辦法就是：在電流傳送回路中串聯(lián)一個(gè)250Ω的標準電阻，把4～20mA.DC轉換為1～5V.DC，通常由配電器來(lái)完成這一任務(wù)。

三、為什么變送器選擇4～20mA.DC作傳送信號？

1、首先是從現場(chǎng)應用的安全考慮

安全重點(diǎn)是以防爆安全火花型儀表來(lái)考慮的，并以控制儀表能量為前提，把維持儀表正常工作的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗降低到最低限度。輸出4～20mA.DC標準信號的變送器，其電源電壓通常采用24V.DC，采用直流電壓的主要原因是可以不用大容量的電容器及電感器，就只需考慮變送器與控制室儀表連接導線(xiàn)的分布電容及電感，如2mm 2 的導線(xiàn)其分布電容為0.05μ/km左右；對于單線(xiàn)的電感為0.4mH/km左右；大大低于引爆氫氣的數值，顯然這對防爆是非常有利的。

2、傳送信號用電流源優(yōu)于電壓源

因為現場(chǎng)與控制室之間的距離較遠，連接電線(xiàn)的電阻較大時(shí)，如果用電壓源信號遠傳，由于電線(xiàn)電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，如果用電流源信號作為遠傳，只要傳送回路不出現分支，回路中的電流就不會(huì )隨電線(xiàn)長(cháng)短而改變，從而保證了傳送的精度。

3、信號最大電流選擇20mA的原因

最大電流20mA的選擇是基于安全、實(shí)用、功耗、成本的考慮。安全火花儀表只能采用低電壓、低電流， 4～20mA電流和24V.DC對易燃氫氣也是安全的，對于24V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠在20mA以上，此外還要綜合考慮生產(chǎn)現場(chǎng)儀表之間的連接距離，所帶負載等因素；還有功耗及成本問(wèn)題，對電子元件的要求，供電功率的要求等因素。

4、信號起點(diǎn)電流選擇 4mA的原因

輸出為 4~20mA的變送器以?xún)删€(xiàn)制的居多，兩線(xiàn)制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡(luò )及供電僅用兩根電線(xiàn)。為什么起點(diǎn)信號不是0mA？這是基于兩點(diǎn)：一是變送器電路沒(méi)有靜態(tài)工作電流將無(wú)法工作，信號起點(diǎn)電流4mA.DC，不與機械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線(xiàn)等故障。

四、4～20mA傳感器的由來(lái)？

采用電流信號的原因是不容易受干擾、并且電流源內阻無(wú)窮大，導線(xiàn)電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線(xiàn)上可以傳輸數百米。

采用電流信號的原因是不容易受干擾，因為工業(yè)現場(chǎng)的噪聲電壓的幅度可能達到數V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA級別，因此給4-20mA傳輸帶來(lái)的誤差非常??；電流源內阻趨于無(wú)窮大，導線(xiàn)電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線(xiàn)上可以傳輸數百米；由于電流源的大內阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個(gè)250歐姆到地的電阻就可以獲得0-5V的電壓，低輸入阻抗的接收器的好處是nA級的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。

上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒(méi)有取0mA的原因是為了能檢測斷線(xiàn)：正常工作時(shí)不會(huì )低于4mA，當傳輸線(xiàn)因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線(xiàn)報警值。電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線(xiàn)，加上兩根電流輸出線(xiàn)，總共要接4根線(xiàn)，稱(chēng)之為四線(xiàn)制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線(xiàn)公用VCC或者GND，可節省一根線(xiàn)，稱(chēng)之為三線(xiàn)制變送器。其實(shí)大家可能注意到，4-20mA電流本身就可以為變送器供電。變送器在電路中相當于一個(gè)特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4～20mA之間根據傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線(xiàn)，因而被稱(chēng)為兩線(xiàn)制變送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為4mA，因此只要在量程范圍內，變送器至少有4mA供電。

因此、4-20mA的信號輸出一般不容易受干擾而且安全可靠、所以工業(yè)上普遍使用的都是二線(xiàn)制4-20mA的電源輸出信號。但為了能更好的處理傳感器的信號、目前還有更多其它形式的輸出信號：3.33MV/V；2MV/V；0-5V; 0-10V等。

另附一張4到20mA轉電壓信號的簡(jiǎn)單電路圖：