4 至 20 mA 電流環(huán)路概述

4 至 20 mA 電流環(huán)路是一種非常可靠的傳感器信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。電流環(huán)路是數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇，因?yàn)樗鼈児逃械膶?duì)電噪聲不敏感。設(shè)計(jì)4至20 mA電流環(huán)路只是管理環(huán)路周圍的壓降。壓降發(fā)生在導(dǎo)線、變送器和負(fù)載電阻中。

導(dǎo)線 根據(jù)歐姆定律，導(dǎo)線中的壓降與流過(guò)它的電流成正比，電流 x 電阻等于電壓。表1顯示了普通導(dǎo)線的電阻。

變送器
變送器消耗 7 至 15 VDC 的環(huán)路電壓（具體取決于型號(hào)）來(lái)為自己供電。

負(fù)載電阻
最后，控制器的負(fù)載電阻將環(huán)路電流轉(zhuǎn)換為電壓，以便于信號(hào)處理。最常見(jiàn)的是使用250歐姆電阻將環(huán)路電流轉(zhuǎn)換回電壓。在 4 mA 時(shí)，一個(gè) 250Ω 電阻壓降 1 V;在 12 mA 時(shí)，250 歐姆電阻器壓降 3 伏，在 20 mA 時(shí)，250 歐姆電阻器壓降 5 伏。負(fù)載電阻可以是控制器內(nèi)部或外部。

ANSI/ISA-50.1-1982（R1992）電子工業(yè)過(guò)程儀器模擬信號(hào)兼容性規(guī)定負(fù)載電阻應(yīng)為250Ω，而可以使用50至1，000Ω的電阻值。要正確設(shè)計(jì)電流環(huán)路，您必須知道控制器電阻的值。

帶外部電源和外部電阻的2線變送器

許多低成本 HVAC/R 控制器不包括專用電源或工廠配置的 4 至 20 mA 信號(hào)輸入。同時(shí)，業(yè)內(nèi)許多最好的傳感器僅提供4至20 mA輸出。下一頁(yè)的圖2顯示了如何為沒(méi)有專用電源或4至20 mA信號(hào)輸入的控制器創(chuàng)建4至20 mA電流環(huán)路電路。

24 VAC 變壓器為控制器和 BAPI VC350A 電流環(huán)路電源供電（未顯示變壓器的初級(jí)高壓接線）。VC350A 應(yīng)盡可能靠近控制器安裝。VC350A 的正輸出通過(guò)電纜連接到變送器的紅色或正極端子。變送器的黑色或信號(hào)端子連接到控制器的模擬輸入。

負(fù)載電阻從模擬輸入端連接到地。如果控制器的模擬輸入配置為0-5 VDC，則負(fù)載電阻應(yīng)為250Ω。信號(hào)電壓在 4 mA 時(shí)為 1 伏，在 20 mA 時(shí)為 5 伏。如果控制器的模擬輸入配置為0-10 VDC，則負(fù)載電阻應(yīng)為500Ω。信號(hào)電壓在 4 mA 時(shí)為 2 V，在 20 mA 時(shí)為 10 V。

在上面的回路示意圖中，BAPI傳感器正在測(cè)量外部空氣的濕度。DDC 控制器位于地下室，而濕度傳感器位于屋頂。兩者通過(guò) 1，600 英尺的 22 號(hào)雙絞線連接。

控制器沒(méi)有外圍電源或?qū)Ｓ玫?4 至 20 mA 輸入。因此，需要外部電源和負(fù)載電阻。4 至 20 mA 變送器是上面提到的 BAPI 傳感器，而電流環(huán)路電源是設(shè)置為 24 VDC 的 BAPI VC350A 電壓轉(zhuǎn)換器。

線電阻

1，600 英尺的 22 號(hào)雙絞線實(shí)際上是 3，200 英尺長(zhǎng)——1，600 英尺外和 1，600 英尺后。上一頁(yè)的電阻圖顯示，銅線在20°C時(shí)每1，000英尺的電阻為16.14Ω。因此，3，200 英尺電線在 20°C 時(shí)的電阻為：

3，200 英尺 x 16.14 Ω/1，000 英尺 = 51.65Ω。

電線在沒(méi)有空調(diào)的設(shè)備軸中運(yùn)行。設(shè)備軸永遠(yuǎn)不會(huì)低于 32°F （0°C），但在夏天它們可能會(huì)變得高達(dá) 140°F （60°C）。銅的溫度系數(shù)為每攝氏度+0.393%。這意味著如果溫度升高 1°C，電阻將增加 0.393%。上圖中的導(dǎo)線在20°C時(shí)的總電阻為51.65Ω，因此60°C時(shí)電阻的增加等于：

（60°C-20°C） x 0.00393/°C x 51.65Ω = 8.12Ω

將此增加與原始阻力相加等于：

8.12Ω + 51.65Ω = 59.77Ω

3，200英尺導(dǎo)線在140°F時(shí)的電阻從51.65Ω增加到59.77Ω，增加了16%。

環(huán)路周圍的壓降

為了正確設(shè)計(jì)4至20 mA電流環(huán)路，需要在最大電阻和最大信號(hào)電流20 mA下計(jì)算環(huán)路周圍的壓降，并在最小電阻和最小信號(hào)電流4 mA下再次計(jì)算。

導(dǎo)線的最大電阻（60°C）為59.77Ω。將其乘以最大信號(hào)電流 20 mA，導(dǎo)線的壓降等于：

59.77Ω x 0.02A = 1.195 V

BAPI 濕度變送器在 20 mA 時(shí)壓降至少為 15 V，而 250Ω 控制器電阻在 20 mA 時(shí)壓降 5 V。將所有壓降相加等于：

1.195 + 15 + 5 = 21.195 伏

電源設(shè)置為 24 伏。額外的 2.805 伏特去哪兒了？它落在發(fā)射器上。所有未通過(guò)電線或控制器電阻壓降的電壓都會(huì)壓降到變送器本身。

因此，在最大信號(hào)電流為 20 mA 時(shí)，發(fā)射器上的總壓降為 17.802 伏（24 伏 – 1.195 伏 – 5 伏 = 17.802 伏）。讓發(fā)射器比其最低額定值（15 伏）多降幾伏只是很好的工程實(shí)踐。它可以在連接氧化和老化時(shí)保護(hù)電流環(huán)路的完整性。

還必須在最小電阻和最小信號(hào)電流4 mA下計(jì)算壓降，以確保不會(huì)要求變送器壓降超過(guò)其最大額定值。

運(yùn)行銅線的設(shè)備軸可能低至 0°C。銅的溫度系數(shù)為每攝氏度+0.393%，因此下降1°C將使電阻降低0.393%。圖2原理圖中的導(dǎo)線在20°C時(shí)的總電阻為51.65Ω，因此0°C時(shí)的電阻下降等于：

（0°C-20°C） x 0.00393/°C x 51.65Ω = -4.06Ω

從原始阻力中減去這個(gè)等于;

51.65Ω – 4.06Ω = 47.59Ω

導(dǎo)線的最小電阻（0°C）為47.59Ω。將其乘以 4 mA 的最小信號(hào)電流，導(dǎo)線的壓降等于：

47.59Ω x 0.004A = 0.19 V

濕度變送器至少壓降 15 伏，而 250 Ω 控制器電阻在 4 mA 時(shí)壓降 1 伏。將所有壓降相加等于：

0.19 + 15 + 1 = 16.19 伏

將電源設(shè)置為 24 伏時(shí)，發(fā)射器下降 22.81 伏（24 伏 – 0.19 伏 – 1 伏 = 22.81 伏）。BAPI 濕度變送器的最大額定電壓降為 24 伏。因此，變送器兩端的壓降接近其最大規(guī)格，但在最小電阻和最小信號(hào)電流下仍處于公差范圍內(nèi)。

一些可編程邏輯控制器具有高達(dá)36VDC的電源，允許非常長(zhǎng)的電流環(huán)路。在上面的例子中，36VDC電源會(huì)在變送器上產(chǎn)生高于其最大額定值的壓降。使用36VDC電源的唯一方法是在環(huán)路中放置一兩個(gè)電阻以消耗額外的電壓。只要確保不要在低端過(guò)火，否則您將無(wú)法達(dá)到 20 mA 信號(hào)點(diǎn)。一個(gè) 50Ω 電阻在 20 mA 時(shí)會(huì)壓降 1 V，在 4 mA 時(shí)會(huì)壓降 0.2 V。

3線制變送器電流環(huán)

BAPI的一些電流發(fā)射器是三線設(shè)備，而不是兩線設(shè)備。三線制變送器與兩線制變送器明顯不同。三線制變送器從系統(tǒng)電源消耗的電流將超過(guò)20 mA信號(hào)電流，因?yàn)樽兯推鞅旧硇枰恍╇娏鞑拍芄ぷ鳌?/p>

在上面的環(huán)路示意圖中，BAPI-Stat房間傳感器正在測(cè)量房間的溫度。BAPI-Stat本身需要10 mA電流才能工作。因此，當(dāng)信號(hào)電流（白線）為4 mA時(shí)，來(lái)自電源的總電流為14 mA。當(dāng)信號(hào)電流為20 mA時(shí)，來(lái)自電源的總電流為30 mA。

計(jì)算這種三線制發(fā)送器環(huán)路的壓降與計(jì)算兩線制環(huán)路不同。在三線環(huán)路中，電源正極（+）導(dǎo)線的總電流流過(guò)它，而4至20 mA信號(hào)線只有信號(hào)電流流過(guò)它。因此，需要計(jì)算兩個(gè)單向壓降;一個(gè)是電源線電壓降，第二個(gè)是信令線壓降。由于每根導(dǎo)線中的電流不同，因此壓降分別確定，然后相加。

由于BAPI-Stats測(cè)量占用的空間，因此無(wú)需計(jì)算由于溫度波動(dòng)大而導(dǎo)致的接線電阻。只需使用 20°C （68°F） 電阻即可。如果 BAPI-Stat 距離使用 22 號(hào)線的控制器 250 英尺，并且信號(hào)電流為 20 mA，則從電源線到 BAPI-Stat 的壓降為：

16.14Ω x （250Ft/1000Ft） x 30mA = 0.12 V

信號(hào)線上20 mA時(shí)的壓降為：

16.14Ω x （250Ft/1000Ft） x 20mA = 0.08 V

250 歐姆接收器電阻在 20 mA 時(shí)壓降 5 伏，BAPI-Stat 的最低電壓為 15 VDC，因此環(huán)路周圍的電壓為：

0.12 + 0.08 + 5 + 15 = 20.2 VDC

任何大于 20.2 VDC 的系統(tǒng)電源都將允許完全信號(hào)。

由于3線制變送器電源引腳上的電壓基本上是恒定的，不受信號(hào)電流水平的影響，因此不必計(jì)算信號(hào)電流為4 mA時(shí)的壓降。只要電源的電壓大于20 mA信號(hào)電流下環(huán)路周圍的電壓降，并且低于變送器本身的最大額定電壓，那么電源電壓就設(shè)計(jì)正確。

3線制變送器，帶兩個(gè)獨(dú)立的4至20 mA信號(hào)

BAPI-Stat還能夠提供兩個(gè)獨(dú)立的4至20 mA信號(hào)。在這種情況下，計(jì)算壓降并正確調(diào)整電源大小與前面的示例非常相似。BAPI-Stat本身需要10 mA電流才能工作。

因此，當(dāng)每個(gè)信號(hào)為4 mA輸出時(shí)，BAPI-Stat從系統(tǒng)電源消耗18 mA電流。當(dāng)每個(gè)信號(hào)輸出為20 mA時(shí)，BAPI-Stat從系統(tǒng)電源消耗50 mA。

在上面的例子中，電源正極（+）線的總電流流過(guò)它，而4至20 mA信號(hào)線只有信號(hào)電流流過(guò)它們。與前面的示例一樣，有兩個(gè)單向壓降需要計(jì)算;一個(gè)是電源線壓降，第二個(gè)是信號(hào)線壓降。由于每根導(dǎo)線中的電流不同，因此壓降分別確定，然后相加。

如果 BAPI-Stat 距離使用 22 號(hào)線的控制器 250 英尺，并且兩個(gè)信號(hào)電流均為 20 mA，則從電源線到 BAPI-Stat 的壓降為：

16.14Ω x （250Ft/1000Ft） x 50mA = 0.20 V

一個(gè)通道的20 mA信號(hào)電流引起的壓降為：

16.14Ω x （250Ft/1000Ft） x 20mA = 0.08 V

第二個(gè)信號(hào)通道與第一個(gè)通道并聯(lián)，因此不需要將其添加到環(huán)路周圍的壓降中。250 歐姆接收器電阻在 20 mA 時(shí)壓降 5 伏，BAPI-Stat 的最低電壓為 15 VDC，因此環(huán)路周圍的電壓為：

0.20 + 0.08 + 5 + 15 = 20.28 VDC

任何大于 22.28 VDC 的系統(tǒng)電源都將允許完全信號(hào)。

由于3線制變送器電源引腳上的電壓基本上是恒定的，不受信號(hào)電流水平的影響，因此不必計(jì)算信號(hào)電流為4 mA時(shí)的壓降。只要電源電壓大于20 mA信號(hào)電流下環(huán)路周圍的壓降，并且低于變送器本身的最大額定電壓，則電源電壓設(shè)計(jì)正確。