4－20 mA电流环路基础知识、系统设计和设置

通过电流传输换能器数据

工业级换能器通常使用电流信号来传输数据。而大多数其他换能器（如热电偶和电阻式应变计）则使用电压信号。虽然基于电压的换能器足够应对许多环境，但在某些情况下，基于电流的换能器则更加适用。例如，在工业环境中通过电压传输信号具有固有缺点：由于导线存在电阻，在通过长线缆时会造成电压降低。您可以使用高输入阻抗设备来规避信号损失。然而，这些设备对附近的电机、传送带和无线电传输引发的噪声很敏感。

根据基尔霍夫电流定律(KCL)，流入某一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。从理论上来说，环路起点的所有电流都必然会到达终点，如图1所示。

图1.根据基尔霍夫电流定律，环路起点的所有电流都必然会到达终点。

这是电流环路运作的基本原理。在单个环路的任意位置测量电流都会得到相同的结果。通过使用电流信号和低阻抗数据采集设备，工业应用将会获得更好的抗噪能力，可采用更长的传输线缆。

电流环路组成部分

电流环路的主要组成部分包括直流电源、换能器、数据采集设备和将它们串联在一起的导线，如图2所示。

图2.电流环路系统

直流电源为该系统供电。换能器控制电流以4至20 mA的大小流经导线，其中4 mA代表非零最小输出，20 mA代表最大信号。0 mA信号表示环路中存在断点。数据采集设备测量受控的电流。一个有效而准确的电流测量方法是在数据采集设备放大器的导线之间放置一个精密的分流电阻（如图2所示），将电流信号转换为电压测量，最终再与换能器的原始测量相关联。

为更好地理解电流环路，可以参考本技术白皮书中使用换能器的范例系统设计。系统规范包括以下内容：

• 换能器需要测量压力
• 换能器距离测量设备2000英尺
• 电流测量数据采集设备可为操作人员提供关于换能器测量的反馈信息

在本范例中，首先为应用确定合适的换能器。

选择换能器

设计电流环路系统的第一步是选择换能器。除了测量的类型（流量、压力、温度等）之外，在选择换能器时还需要考虑的另外一个重要因素是工作电压。电压源为基于电流的换能器供电，使其能够控制流经导线的电流。为了维持换能器功能正常运行，提供的电压不应低于所需的最小值；同样，若提供的电压超过规定的最大值则会损坏换能器。

对于此范例电流环路系统，所选择的换能器需测量压力，工作电压范围为12至30 V。在选择了换能器后，需要正确测量电流信号，以准确表示施加在换能器上的压力。

选择电流测量数据采集设备

构建电流环路系统时，务必要注意规避接地环路。采用测量数据采集设备时，防止接地环路的常见方法是隔离。通过隔离，可以避免如图3所示的接地环路。

图3.接地环路

当电路中2个连接的接线端具有不同的接地电势差时便形成了接地环路。这个电势差会导致电流流入交叉连接点，从而产生偏移误差。

隔离数据采集设备是将信号源接地与数据采集设备的放大器接地进行电气隔离的一种手段，如图4所示。由于电流无法流过隔离屏障，放大器参考接地的电势差可以与信号源接地相同。因此，不会在无意中产生接地环路。

图4.隔离的共模和常模电压

隔离还可以防止大共模电压损坏数据采集设备。共模电压是指仪表放大器正负输入的电压。例如，图4中数据采集设备的+和-引脚的共模电压均为+14 V。许多数据采集设备的最大输入电压范围为±10 V。如果数据采集设备没有隔离，而共模电压又在最大输入范围之外，则可能会损坏设备。尽管图4中的常模电压只有+2 V，偏移量为+14 VDC，但产生的工作电压为+16 V（常模电压是+引脚和-引脚之间的电压差；工作电压是常模和共模电压之和）。此电压电平对工作电压较小的数据采集设备来说比较危险。

在隔离的情况下，放大器参考接地与地面之间进行电气隔离。如图4所示，可以将放大器参考接地电平位移以匹配+14 V电压。将放大器参考接地提高到+14 V，可以有效地将数据采集放大器的+16 V移至+2 V。现在，数据采集设备不会再有过压损坏的风险。（请注意，隔离器具有可以拒绝的最大共模电压。）

在电流测量数据采集设备得到隔离和保护后，完成基本电流环路系统构建的最后一步便是匹配电源。

选择电源

寻找最符合自己要求的电源很简单。在一个电流环路中，电源必须发出等于或大于系统中所有压降总和的电压。 

本例的数据采集设备采用精密的分流电阻来测量电流。您需要计算该电阻上的压降。典型的分流电阻是249 Ω。用4到20 mA的电流环路进行基本计算，如下所示：

借助这个249 Ω的分流电阻，您可以将电流映射到1到5 V的电压范围，使数据采集放大器的电压读数与压力换能器的信号相关联。

上述压力换能器所需的最低工作电压为12 V，最高为30 V。将精密分流电阻的压降与换能器的电压相加，可以得出以下结果：

这表明17 V的电源就足以满足需求。 然而，电流环路导线的内阻给电源带来了额外的负荷。

在换能器距离测量仪器较远的应用场景中，必须在计算环路电源时考虑导线电阻。铜线的直流电阻与其长度和直径（线规）成正比。对于范例系统中的压力换能器，在计算所需电源时应考虑2000英尺的距离。24号实心铜线的内阻为2.62 Ω/100英尺[1]。此电阻计算得：

在2000英尺外，沿线有1.05 V的压降。为了完成这个环路，需要两条导线，实际长度将翻倍，达4000英尺：

当压力换能器距离数据采集设备2000英尺时，由于布线原因，总共将损失大约2.1 V电压。将所有的压降相加，结果如下：

如果使用17 V的电源来驱动前面的设置，由于受导线固有电阻和分流电阻的影响，压力换能器的电压将低于换能器的最低工作电平。选择常用的24 V电源可以满足压力换能器系统的电源要求。 如果需要，将压力换能器放在更远的位置，电压也是足够的。

在换能器、数据采集设备、线缆长度和电源都正确匹配后，简单的压力换能器环路系统就构建完成了。对于更复杂的应用，可以在系统中加入其他测量。

添加更多换能器和仪器

对于更复杂的应用，可以添加更多的换能器和仪器，与电源并联，如图5所示。

图5.添加更多换能器

由于并联添加了额外的电流环路，电源的电压不需要改变，只需要确保它能提供所需的电流即可。只要每个换能器和电源的工作电压匹配，便可以混合和匹配不同类型的换能器。在前面的范例中，只要新换能器的最大工作电压不低于24 V电源电压，就可以并联添加新的换能器。

有时，测量同一信号可能需要多个电流测量数据采集设备。要在同一个换能器上增加另一个数据采集设备，必须将新仪器与特定环路串联。本例中，将简单的数字电流环路表与现有的数据采集设备添加在一起，如图6所示。

图6.在换能器上添加额外的仪器

每次在换能器上串联添加电流测量数据采集设备时，都必须重新计算总的电压要求，以确保环路的功率要求仍在规范之内。在本例中，新的电流表使用的是105 Ω的精密电阻：

使用105 Ω的分流电阻，电流表最多需要2.1 V的电压，所以系统的总电压要求变为：

因为加上电流表后，总电压只需要大约21.2 V，所以之前推荐的24 V电源仍然足以满足此应用的需求。

借助少量计算和额外的硬件，您可以迅速扩展电流环路系统的应用范围。同时，利用较新的标准和换能器类型，您还可以扩展现有电流环路基础设施的测量功能。

数字信号的发展拓宽了电流环路的应用空间，可为目前已十分强大的低成本系统提供更多功能。

由罗斯蒙特公司(Rosemount Inc.)开发的可寻址远程换能器高速公路(HART)是一种数字信号协议，可以与现有的电流环路系统同时运行。借助数字信号，支持HART的换能器可响应专有命令，以执行某些行动或在超出4至20 mA电流信号的状态下做出响应。利用这项技术，工业自动化和控制应用可以通过智能现场仪器和主机系统之间的通信，主动监测和响应情况。

详细了解HART。

对于磁流量计等特殊应用，还可选用3线制（3型）和4线制（4型）换能器。

3型换能器可提供2个打包在一起的换能器。这些换能器的设计和安装方式与本技术白皮书中介绍的2线制换能器相同。

4型换能器可为功率和电流测量提供单独的连接。由于4线制换能器将电源与测量系统分开，测量数据采集设备便无需再隔离。不过，4线制换能器的缺点是，电源需要一对单独的导线，长度必须达布线距离。这致使在许多应用场景中，电源都靠近换能器放置。

详细了解3型和4型换能器。 

在某些工业环境中，需要使用长线缆传输信号，或者换能器与数据采集设备之间存在大量电磁干扰，此时电流环路是理想之选。无论是工厂车间的自动化实现还是现场测量，都可以在不同的平台上找到各种NI隔离电流测量设备，满足您的应用需求。隔离功能通常会在NI的在线目录中列出，但详细信息请参见产品规范。推荐的选项随附在以下产品中：C系列电流输入模块、PXI多功能I/O模块和多功能I/O设备，或者您也可以浏览其他电流测量选项。

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