位移传感器4-20mA电流信号详解

    电压、电流等是工控领域信号传输常用的模拟量信号，RS485、RS232、CAN等是常用的总线传输数字信号。我们系统地分析位移传感器现场应用为何偏爱4-20mA电流信号传输。

    4-20mA信号是国际电工委员会（IEC）过程控制系统采用的模拟信号传输标准。我国也采用电流传输（4-20mA）、电压接收（1-5V DC）这一国际标准。

    4-20mA电流信号不容易受外界干扰。工控领域电气环境较为复杂，工业现场噪声电压的幅度可能高达数V，但是噪声的功率很弱，对电流信号的干扰几乎可以忽略不计。电流源内阻趋于无穷大，导线电阻的影响也可以忽略不计，因此电流信号在位移传感器屏蔽线众可以传输数百米而不影响传输信号的质量。在信号接收端只需要配置一个250欧姆电阻就可以获得1-5V电压信号。如果位移传感器信号传输采用电压信号长线传输，会因为信号线分布电阻产生一定的压降；传输过程中也会受外界噪声干扰，影响信号传输质量。4-20mA电流信号传输质量更高，传输距离更远。

    4-20mA电流输出型位移传感器正常工作时电流不会低于4mA，不高于20mA。当传输线路故障，环路电路降为0，可触发系统断线报警（报警值常选用2mA）；20mA电流信号的通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯气体爆炸，可满足特殊场合防爆的要求。4-20mA电流转换线路需要外部电源供电。最典型的设计是两条电源线，两条电流输出线（信号线，即为四线制电流变送器；电流输出与电源公用一条线（VCC或者GND），则为三线制电流变送器；如果把变送器在电路中看做一个特殊的负载，4-20mA电流可以直接为变送器供电，这时只需要两条线，则为二线制电流变送器。

    工业现场仪表及测控元器件多采用二线制电流信号传输，电源与负载串联，因为仪表电气零点为4mA，为传感器变送器提供了静态工作电流，又不予机械零点重合，这样有利于识别电路断电或者短路故障；测控现场距离控制室仪表或者集中控制系统往往较远，便于传感器信号远传；二线制电流信号便于使用安全栅，有利于实现安全防爆。

    信号采集端可采用电压信号并联传输，同一集中控制系统不同单元之间有公共端，便于传感器、测控仪、显示仪表、计算机、报警器等装置培养，节约成本，并方便接线。如果用电流源作联络信号，当多台仪表共同接收同一个信号时，它们的输入电阻必须串联起来，这会使最大负载电阻超过变送仪表的负载能力，而且各接收仪表的信号负端电位各不相同，会引入干扰，而且不能做到单一集中供电。

    相对于数字信号传输的高成本设计，模拟信号传输的成本相对较低。所以工业上普遍采用4-20mA电流信号输出。但是综合测控需求、系统设计与成本核算，也有大量的位移传感器选用0-3.3V；0-5V；0-10V；增量脉冲；RS485；CAN总线等作为信号输出。