详解为什么4-20mA成为工业信号传输的首选标准

在仪表领域，我们常常会遇到一种标准信号范围，即4-20mA。这个范围为何被广泛采用，背后蕴含着怎样的技术原理和实际应用考量?接下来，让我们一起探索这个问题的答案。

首先，要理解4-20mA这一标准信号范围的选定，我们不得不提及它的起源。在工业自动化和仪表测量领域，为了实现信号的标准化和互操作性，人们制定了一系列的标准和规范。其中，4-20mA便是在这些标准中占据一席之地的重要信号范围。

其次，从技术层面来看，4-20mA信号范围具有其独特的优势。它能够满足工业自动化中对于信号精度和稳定性的高要求。同时，这一范围还具备易于转换和处理的特性，使得各种仪表和控制系统能够方便地进行信号传输和处理。

再者，实际应用中，4-20mA信号范围也展现出了其广泛适用性。无论是用于测量流量、压力、温度还是其他物理量，这一标准信号都能满足需求，为工业自动化提供了有力的支持。

综上所述，4-20mA作为标准信号范围，在仪表领域的应用是不可或缺的。它不仅承载着技术层面的优势，更在实际应用中发挥了广泛而重要的作用。

4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制，这一国际电工委员会(IEC)所制定的过程控制系统用模拟信号标准，在我国有着深厚的历史渊源。自DDZ-Ⅲ型电动仪表问世以来，我国便开始采用这一国际标准信号制。在这一系统中，仪表传输信号采用4-20mA.DC，而联络信号则采用1-5V.DC，形成了独特的电流传输、电压接收的信号模式。那么，究竟是何原因使得标准信号最终选定为4-20mA呢?

4-20mA直流电流作为标准信号的原因主要包括以下几个方面‌：

‌远距离传输的精度和稳定性‌：在现场与控制室距离较远的情况下，使用电压源信号会因为电线电阻与接收仪表输入电阻的分压而产生较大误差。而电流源信号则不受电线电阻的影响，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。

‌安全性和实用性‌：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯，因此在安全火花仪表中使用非常安全。此外，20mA的选择还考虑了功耗和成本，综合了生产现场仪表之间的连接距离、所带负载等因素‌12。

‌信号起点电流的选择‌：4mA是变送器的静态工作电流，同时也是仪表电气零点。这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障‌。

‌抗干扰能力‌：电流信号在传输过程中受外界干扰的影响相对较小，能够在较长距离传输中保持相对稳定。即使在有干扰的工况下，电流信号也比电压信号更强‌。

‌易于检测和故障诊断‌：4-20mA信号的范围设定便于检测线路是否存在断路或短路故障。当信号为4mA时通常表示测量值为下限，当信号为20mA时表示测量值为上限。这样的范围设定有助于快速诊断线路故障‌。

在远传信号的传输过程中，电流源相较于电压源具有显著优势。当现场与控制室距离较远，连接电线的电阻增大时，若采用电压源信号远传，电线电阻与接收仪表输入电阻的分压会导致较大误差。然而，恒电流源信号作为远传信号时，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会因电线长短而改变，从而确保了远传信号的准确性。这一技术特性使得4~20mA成为远传信号的理想选择。

为何选择20mA作为信号最大电流

选择最大电流为20mA，是综合考虑了安全、实用、功耗及成本等多个因素。首先，安全方面，火花仪表需采用低电压、低电流，以确保20mA电流通断时产生的火花能量不足以引燃瓦斯，从而保障现场安全。其次，从生产实际出发，需综合考虑仪表之间的连接距离、负载情况等实用因素。此外，功耗和成本也是重要考量，包括对电子元件的要求以及供电功率的需求等。通过这些综合权衡，最终确定了20mA作为信号的最大电流选择。

为何选择4mA作为信号起点电流

在4~20mA的变送器中，两线制是常见的设计方式，其中电源和负载串联，并共享一个公共点，仅需两根电线即可实现现场变送器与控制室仪表之间的信号传输与供电。那么，为什么起点信号不设置为0mA呢?这主要基于以下两个原因：

静态工作电流需求：变送器的电路需要一定的静态工作电流才能正常工作。在这个场景下，4mA.DC的信号起点电流恰好充当了这一角色。

电气零点与机械零点的分离：仪表的电气零点被设置为4mA.DC，这一设计使得电气零点与机械零点不重合，从而形成了所谓的“活零点”。这种设计对于识别断电和断线等故障情况极为有利。

► 4-20mA信号制基础

一般而言，仪器仪表常采用4-20mA电流信号标准，以避免电压信号传输时的压降误差和噪声干扰。在信号传输过程中，由于导线本身具有一定的电阻，若采用电压传输方式，导线内将不可避免地产生压降，从而导致接收端信号出现误差。因此，为了确保信号传输的准确性，通常选择电流信号作为变送器的标准传输方式。

选择4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制因两线制带来的布线便捷性、抗干扰性和较高的传输精度。现场仪表采用两线制，即电源与负载串联，共用一个公共点。这种配置使得现场变送器与控制室仪表之间的信号传输及供电仅需两根电线即可完成。

4mA.DC作为信号起点，不仅为变送器提供了必要的工作电流，还确保了仪表电气零点与机械零点的分离，从而有利于故障诊断，如断电或断线等。此外，两线制还简化了安全栅的使用，增强了系统的安全防爆性能。

在控制室，仪表则采用电压并联信号传输方式。这种配置下，同一控制系统内的仪表共享一个公共端，极大地方便了检测仪表、调节仪表、计算机以及报警装置的配用和接线。

为何选择4~20mA.DC作为现场仪表与控制室仪表之间的联络信号呢?这是因为远距离传输时，电线电阻较大。若采用电压信号传输，会因电线电阻与接收仪表输入电阻的分压而产生显著误差。而恒流源信号则能有效避免这一问题，只要传输回路保持完整，回路中的电流就不会随电线长度变化而改变，从而确保了传输的准确性。

► 变送器的选择理由

变送器倾向于4-20mA.DC信号，因其安全性、电流信号长距离传输的准确性以及方便的故障诊断功能。首要考虑的是现场应用的安全性。在以防爆安全火花型仪表为前提的条件下，我们致力于将仪表正常工作所需的静态和动态功耗降至最低。采用输出4~20mA.DC标准信号的变送器，其电源电压通常设定为24V.DC。

选用电流源作为传送信号更佳。在现场与控制室距离较远、连接电线电阻较大的情况下，若采用电压源信号进行远传，由于电线电阻与接收仪表输入电阻的分压作用，会产生显著的误差。然而，若选用电流源信号进行远传，且传送回路中无分支，那么回路中的电流将不受电线长短的影响，从而确保了信号传送的精确度。

为何选择20mA作为信号最大电流?在安全方面，火花仪表通常采用低电压、低电流设计，而4~20mA的电流范围以及24V.DC电压对易燃氢气来说是安全的。此外，对于24V.DC氢气，其引爆电流远大于20mA。在实用性和成本方面，也需要综合考虑生产现场仪表之间的连接距离、所带负载等因素，以及电子元件和供电功率的要求。