4-20 mA 電流迴路的基本原理、系統設計與設定

使用電流傳輸傳感器資料

工業級傳感器經常使用電流訊號傳輸資料。而其他多數傳感器如熱電偶與電阻應變規，則是採用電壓訊號。儘管電壓架構的傳感器足以應付許多環境，但在某些情況下電流架構的傳感器卻更為適用。舉例來說，在工業環境中使用電壓傳輸訊號的一項固有劣勢，就是由於電線上有電阻，連接線較長時會發生電壓衰減的情況。輸入阻抗裝置可用來減少訊號損耗。不過，這些裝置容易受周遭馬達、輸送帶與無線電傳輸衍生的雜訊影響。

克希荷夫電流定律 (KCL) 指出，流向某個點的電流總和等於流出該點的電流總和。理論上，存在於迴路起點的所有電流都必須抵達迴路末端，如圖 1 所示。

圖 1.根據克希荷夫電流定律，存在於迴路起點的所有電流都必須抵達迴路末端。

這是電流迴路的基本運作原則。在單一迴路中的任何位置量測電流，都會產生相同的結果。只要使用電流訊號與低阻抗資料擷取裝置，工業應用就能享有更出色的抗雜訊能力，並使用更長的傳輸線。

電流迴路的組成要素

電流迴路的主要組成要素，包含 DC 電源供應器、傳感器、資料擷取裝置，以及透過串聯方式連結上述項目的接線，如圖 2 所示。

圖 2.電流迴路系統

DC 電源供應器負責為系統提供電力。傳感器負責將通過接線的電流控制在 4 至 20 mA，此處的 4 mA 代表非零最小輸出，而 20 mA 則代表最大訊號。0 mA 訊號代表迴路發生中斷。資料擷取裝置負責量測受控制的電流。有效且準確的電流量測方法，就是在資料擷取裝置放大器的引線之間配置精確分流電阻器 (如圖 2 所示)，以便將電流訊號轉換為電壓量測值，藉此回推傳感器的原始量測值。

為了進一步了解電流迴路，本技術文章將採用配備傳感器的範例系統設計進行說明，其系統規格包括：

• 傳感器需要量測壓力
• 傳感器與量測裝置之間有著 2000 英呎的距離
• 用來量測資料擷取裝置的電流，可為操作人員提供傳感器量測的相關反饋

在這個範例中，第一步是判斷應用程式適合使用的傳感器。

選擇傳感器

選擇傳感器為設計電流迴路系統的第一步。選擇傳感器時，除了量測類型 (電流、壓力與溫度等) 之外，也應將操作電壓納入考量。電壓來源可為電流架構的傳感器提供電力，好讓其控制通過接線的電流。為了讓傳感器正常運作，供應電壓不應低於所需的最低電壓，同樣地，如果供應電壓超過指定上限，也有可能對傳感器造成損害。

這個範例電流迴路系統選用的傳感器會負責量測壓力，而其作業電壓為 12 至 30 V。在挑選好傳感器後，請務必適當量測電流訊號，以準確呈現套用在傳感器上的壓力。

選取電流量測資料採集裝置

避免接地迴路為建立電流迴路系統的重要關鍵之一。避免接地迴路的其中一個常見方法，就是將量測資料擷取裝置予以隔離。只要加以隔離，即可避免如圖 3 所示的接地迴路。

圖 3.接地迴路

如果在電路中連接的兩個端子，採用了不同的接地電位，就會產生接地迴路。此一電位差會導致電流流入交叉連接點，進而產生偏移錯誤。

隔離資料擷取裝置的做法，可讓訊號來源接地與資料擷取裝置放大器接地進行電氣隔離，如圖 4 所示。由於電流無法通過隔離障礙，放大器接地參考可與訊號來源接地位於相同的電位。這樣一來，您就不會在非預期的情況下產生接地迴路。

圖 4.共模與標準模式的電壓隔離

此外，隔離也可避免大型共模電壓對資料擷取裝置造成損害。共模電壓是位於儀器放大器正輸入與負輸入的電壓。舉例來說，圖 4 中資料擷取裝置的 + 與 – 針腳，就具備 +14 V 的共模電壓。許多資料擷取裝置的最大輸入範圍為 ±10 V。如果資料擷取裝置並未進行隔離，且共模電壓高於最大輸入範圍，即有可能對裝置造成損害。圖 4 中的標準模式電壓僅 +2 V，而 VDC 偏移為 +14 V，因此可得出作業電壓為 +16 V (標準模式電壓代表 + 與 – 針腳的電壓差異，作業電壓則為標準模式與共模電壓相加後得出的數值)。對於容許作業電壓較小的資料擷取裝置而言，此一電壓等級已屬有害。

只要加以隔離，放大器接地參考就能與接地進行電氣隔離。如圖 4 所示，放大器接地參考可水平轉換，以合乎 +14 V 的限制。將放大器接地參考提高至 +14 V，即可將資料擷取放大器的 +16 V 有效轉換為 +2 V。這樣一來，資料擷取裝置就再也無需承受過電壓損害的風險 (請注意，隔離器設有可抑制的最大共模電壓)。

在隔離與保護進行電流量測的資料擷取裝置後，只需找出相應的電源供應器，就能完成基本的電流迴路系統。

選擇電源供應器

探索哪一款電源供應器最能滿足自身需求，其實一點也不難。在電流迴路中，電源供應器所提供的電壓，必須等於或大於系統中所有電壓衰減值的總和。 

本範例中的資料擷取裝置，會使用精確分流電阻來量測電流。您需要計算電阻內的電壓衰減值。典型的分流電阻為 249 Ω。使用 4 至 20mA 的電流迴路進行基本計算，即可得出：

有了此一 249 Ω 分流電阻，您就能將電流對應至 1 至 5 V 的範圍，進而讓資料擷取放大器的電壓讀取值與壓力傳感器的訊號相互關聯。

上述壓力傳感器的作業電壓範圍需介於 12 V 至 30 V 之間。將精準分流電阻的電壓衰減與傳感器電壓相加後，即可得出：

這表示，您只需要使用 17 V 的電源供應器。 不過，電流迴路接線的內部電阻，也會為電源供應器帶來額外的負載。

針對將傳感器配置在遠離量測儀器的相關應用，請務必將接線電阻納入迴路的電力計算考量中。銅製接線的 DC 電阻，會與自身的長度及直徑 (線徑) 成正比。針對本範例系統的壓力傳感器，您需要計算出距離 2000 英呎所衍生的電力要求。使用線徑 24 的實心銅線時，內部電阻為每 100 英呎 2.62 Ω [1]。因此，電阻計算方式將如下所示：

在距離 2000 英呎的情況下，接線的電壓衰減值為 1.05 V。為了完成迴路，您需要使用兩組接線，以將長度有效延長至 4000 英呎。

整體而言，如果壓力傳感器與資料擷取裝置有 2000 英呎的距離，接線部分會產生的損耗約為 2.1 V。將所有電壓衰減加總，即可得出：

如果您使用 17 V 的電源供應器來驅動先前的設定，在接線產生的自然電阻與分流電阻器的影響下，壓力傳感器電壓將低於傳感器的最小作業電壓。選用常見的 24 V 電源供應器，將可滿足該壓力傳感器系統的電力需求。 這樣一來，如果需要將壓力傳感器配置在更長的距離之外，也可享有足夠的電壓。

在傳感器、資料擷取裝置、傳輸線長度與電源供應器各就各位後，即可順利完成簡單的壓力傳感器迴路系統。針對規模較大的應用，您可以將其他量測作業整合至系統中。

增加更多傳感器與儀器

在規模較大的應用中，您可以透過與電源供應器並聯的方式，增加更多傳感器與儀器，如圖 5 所示。

圖 5.增加更多傳感器

由於您透過並聯增加了額外的電流迴路，電源供應器電壓並不需要做出變更，而您只需確保電源供應器足以提供所需的電力就好。只要每個傳感器和電源供應器的作業電壓相符，您就能混合與搭配運用不同類型的傳感器。在先前的範例中，只要新傳感器的最大作業電壓未低於電源供應器的 24 V 電壓，您就能並聯增加新的傳感器。

有時，您可能需要使用多個電流量測資料擷取裝置來量測相同的訊號。若要為相同的傳感器新增另一個資料擷取裝置，您必須將新的儀器串聯配置在特定迴路中。在本範例中，您新增了簡單的數位電流迴路計，以搭配現有的資料擷取裝置使用，如圖 6 所示。

圖 6.為傳感器新增額外的儀器

每當您透過與傳感器串聯的方式新增電流量測資料擷取裝置，都必須重新計算整體電壓需求，以確保迴路未超出規格。在本範例中，新的電流計採用 105 Ω 的精確電阻器：

使用 105 Ω 的分流電阻器時，電流計最多需要 2.1 V，因此，系統的整體電壓需求會如下方所示：

由於新增電流計之舉，只會讓整體電壓需求提高至大約 21.2 V，先前推薦使用的 24 V 電源供應器仍足以負荷此一應用。

只要透過次要計算與額外的硬體，您就能快速擴充電流迴路系統的應用範圍。此外，在較新的標準與傳感器類型之下，您可望將現有電流迴路基礎架構的量測功能予以延伸。

數位訊號開發不僅大舉了拓展電流迴路的應用領域，更賦予這個早已可靠耐用的平價系統更多功能。

Rosemount Inc. 開發的高速可定址遠端傳感器 (HART)，是一款數位訊號通訊協定，可搭配現有的電流迴路系統並行執行。啟用 HART 的傳感器可透過數位訊號回應專屬指令，藉此執行特定動作，或使用超越 4 至 20 mA 電流訊號的狀態做出回覆。只要使用這項技術，工業自動化與控制應用就能透過在智慧型現場儀器及主機系統之間進行通訊的方式，主動監控與回應情況。

深入了解 HART。

若為電磁流量計等特殊應用，也可使用 3 線式(Type 3) 與 4 線式 (Type 4) 傳感器。

Type 3 傳感器可提供兩個一組的傳感器。這些傳感器不僅經過精心設計，也會透過與雙線式傳感器相同的方式 (如同本技術文章所述) 安裝。

Type 4 傳感器可提供個別的連線點，以做為電力和電流量測之用。由於 4 線式傳感器可將電力與量測系統相互分開，如此一來，就無需將量測用的資料擷取裝置予以隔離。不過，4 線式傳感器的其中一個缺點，在於電源需要配置一組個別的接線，以因應連接線的長度。正因如此，許多應用都會將電源配置在靠近傳感器之處。

深入了解 Type 3 與 Type 4 傳感器。 

電流迴路相當適合運用在傳感器與資料擷取裝置之間的連接線較長，或兩者之間存在大量電磁干擾的工業環境中。無論要將工廠的現場作業自動化，或進行現場量測，都可在不同的平台上使用諸多 NI 隔離式電流量測裝置，以滿足您的應用需求。雖然 NI 線上目錄經常會列出隔離功能，您也可以參閱裝置規格，以了解詳情。C 系列電流輸入模組、PXI 多功能 I/O 模組，以及多功能 I/O 介面卡等產品頁面，皆有提供建議的選項，或者，您也可以探索其他電流量測選項。

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