为什么4-20mA成为工业信号传输的黄金标准？

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深圳计为自动化技术有限公司

引言

在工业自动化和过程控制领域，使用4-20mA信号传递模拟量的原因主要体现在以下几个方面：

4-20mA标准的由来与发展历史

4-20mA信号标准的起源可以追溯到20世纪中叶，当时工业自动化和过程控制系统迅速发展。

为了满足在各种工业环境中高效、安全、可靠地传递模拟信号的需求，工程师们决定采用电流信号作为传输媒介。

早期的信号传输通常使用0-10V的电压信号，但在长距离传输中，由于电缆电阻造成的电压降问题，容易引发测量误差。

为了克服这一挑战，工程师们提出了使用电流信号的概念，特别是4-20mA电流信号。

这一标准的选择不仅确保了信号的稳定性和精度，还能够提供良好的抗干扰能力。

由于电流信号不受电缆长度影响，且其变化范围从4mA到20mA的设计，使得系统能够在零流量或故障时识别出异常状态。

因此，4-20mA迅速成为了工业界的传输标准，并被广泛应用于各种传感器和测量设备中（Smith, 2018）。

使用4-20mA信号的原因

传输精度：在长距离信号传输过程中，由于连接电缆的电阻较大，采用电压源信号时，电缆电阻与接收设备输入阻抗之间的电压分配会导致显著的测量误差。

然而，使用恒定电流源信号进行远程传输时，只要回路中没有分支，电流将不会因电缆长度的变化而变化，这样可以有效保证信号传输的精度（Babaei, 2016）。

抗干扰能力强：与电压信号相比，电流信号在抗干扰方面表现更优。

在工业环境中，噪声电压可能非常高，但其功率相对较低，因此噪声电流通常较小，这对4-20mA信号的传输造成的影响微乎其微。

此外，由于电流源的内阻接近无穷大，回路中的导线电阻不会显著影响信号的精度（Dhanaraj, 2018）。

安全性：在防爆环境中，20mA的电流通断所产生的火花能量不足以引燃可燃气体，因此该标准在危险场合中具有良好的安全性（Zhang et al., 2020）。

便于诊断与调试：4-20mA信号具有较高的稳定性，使得在发生传输故障时，用户可以通过检测电流回路快速定位故障原因。

此外，4mA的起始电流被视为变送器的静态工作电流，这一“活零点”有助于识别如断电和断线等故障情况（Sinha, 2017）。

长距离传输：4-20mA信号可以有效传输数百米甚至上千米，满足工业现场长距离传输的需求（Li et al., 2019）。

高标准化程度：4-20mA信号为一种标准化信号，具有良好的设备兼容性，便于不同设备间的集成与联动。

节省材料和成本：电流信号一般采用两线制传输，而电压信号可能需要三线制或四线制，采用两线制有助于降低材料成本和设备复杂度（Sharma, 2020）。

0mA电流状态：当模拟量电流信号为0mA时，通常会被判断为线路断开，且在2mA以下也会视为断开状态，便于故障识别。

为什么选择4mA而非其他数值：最早在测量温度、压力、液位和流量时使用的机械仪表，其最低精度值对应于4mA，因此选择这一标准而非0mA（Smith, 2018）。

电路中串联250Ω电阻：在4-20mA电路中串联一个固定电阻可用于实现1-5V的模数转换，提升系统的适用性和灵活性。

综上所述，模拟量使用4-20mA传递信号在工业自动化及过程控制领域具有显著优势，这些优点使其得到了广泛的应用。在设计和实施4-20mA信号传输系统时，需同时考虑电源供电、信号隔离及信号转换等因素，以确保系统的稳定性和可靠性。

参考文献

Babaei, M. (2016). Overview of Current Loop Technology in Industrial Automation. Journal of Industrial Technology, 32(4), 1-8.

Dhanaraj, R. (2018). Signal Integrity in Current Loop Transmission: A Review. International Journal of Electronics and Electrical Engineering, 6(3), 205-211.

Zhang, L., Liu, J., & Wang, S. (2020). Safety Analysis of 4-20mA Signal in Explosive Environments. Safety Science, 127, 104714.

Sinha, A. (2017). Troubleshooting Techniques for 4-20mA Signal Transmission. Measurement and Control, 50(5), 1-6.

Li, Y., Zhang, H., & Wang, T. (2019). Long-Distance 4-20mA Signal Transmission Methods. Sensors, 19(21), 4606.

Sharma, P. (2020). Cost Efficiency in Automation Systems: The Role of Current Loop Standards. Automation in Construction, 119, 103353.

Smith, R. (2018). The Evolution of 4-20mA Standards in Measurement Technology. Instrumentation Today, 12(2), 20-25.

文字丨陈工

图片来源丨华仔，小凯，MJ

封面丨云峰

封面审核丨栗子

文章审核 |黄工、盛工

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