4 至 20 mA 電流環路概述

4 至 20 mA 電流環路是一種非常可靠的傳感器信號標準。電流環路是數據傳輸的理想選擇，因為它們固有的對電噪聲不敏感。設計4至20 mA電流環路只是管理環路周圍的壓降。壓降發生在導線、變送器和負載電阻中。

導線 根據歐姆定律，導線中的壓降與流過它的電流成正比，電流 x 電阻等于電壓。表1顯示了普通導線的電阻。

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

負載電阻
最后，控制器的負載電阻將環路電流轉換為電壓，以便于信號處理。最常見的是使用250歐姆電阻將環路電流轉換回電壓。在 4 mA 時，一個 250Ω 電阻壓降 1 V;在 12 mA 時，250 歐姆電阻器壓降 3 伏，在 20 mA 時，250 歐姆電阻器壓降 5 伏。負載電阻可以是控制器內部或外部。

ANSI/ISA-50.1-1982（R1992）電子工業過程儀器模擬信號兼容性規定負載電阻應為250Ω，而可以使用50至1，000Ω的電阻值。要正確設計電流環路，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 信號輸入。同時，業內許多最好的傳感器僅提供4至20 mA輸出。下一頁的圖2顯示了如何為沒有專用電源或4至20 mA信號輸入的控制器創建4至20 mA電流環路電路。

24 VAC 變壓器為控制器和 BAPI VC350A 電流環路電源供電（未顯示變壓器的初級高壓接線）。VC350A 應盡可能靠近控制器安裝。VC350A 的正輸出通過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端子連接到控制器的模擬輸入。

負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，則負載電阻應為250Ω。信號電壓在 4 mA 時為 1 伏，在 20 mA 時為 5 伏。如果控制器的模擬輸入配置為0-10 VDC，則負載電阻應為500Ω。信號電壓在 4 mA 時為 2 V，在 20 mA 時為 10 V。

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

控制器沒有外圍電源或專用的 4 至 20 mA 輸入。因此，需要外部電源和負載電阻。4 至 20 mA 變送器是上面提到的 BAPI 傳感器，而電流環路電源是設置為 24 VDC 的 BAPI VC350A 電壓轉換器。

線電阻

1，600 英尺的 22 號雙絞線實際上是 3，200 英尺長——1，600 英尺外和 1，600 英尺后。上一頁的電阻圖顯示，銅線在20°C時每1，000英尺的電阻為16.14Ω。因此，3，200 英尺電線在 20°C 時的電阻為：

3，200 英尺 x 16.14 Ω/1，000 英尺 = 51.65Ω。

電線在沒有空調的設備軸中運行。設備軸永遠不會低于 32°F （0°C），但在夏天它們可能會變得高達 140°F （60°C）。銅的溫度系數為每攝氏度+0.393%。這意味著如果溫度升高 1°C，電阻將增加 0.393%。上圖中的導線在20°C時的總電阻為51.65Ω，因此60°C時電阻的增加等于：

（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英尺導線在140°F時的電阻從51.65Ω增加到59.77Ω，增加了16%。

環路周圍的壓降

為了正確設計4至20 mA電流環路，需要在最大電阻和最大信號電流20 mA下計算環路周圍的壓降，并在最小電阻和最小信號電流4 mA下再次計算。

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

59.77Ω x 0.02A = 1.195 V

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

1.195 + 15 + 5 = 21.195 伏

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

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

還必須在最小電阻和最小信號電流4 mA下計算壓降，以確保不會要求變送器壓降超過其最大額定值。

運行銅線的設備軸可能低至 0°C。銅的溫度系數為每攝氏度+0.393%，因此下降1°C將使電阻降低0.393%。圖2原理圖中的導線在20°C時的總電阻為51.65Ω，因此0°C時的電阻下降等于：

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

從原始阻力中減去這個等于;

51.65Ω – 4.06Ω = 47.59Ω

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

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 時壓降 1 伏。將所有壓降相加等于：

0.19 + 15 + 1 = 16.19 伏

將電源設置為 24 伏時，發射器下降 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格，但在最小電阻和最小信號電流下仍處于公差范圍內。

一些可編程邏輯控制器具有高達36VDC的電源，允許非常長的電流環路。在上面的例子中，36VDC電源會在變送器上產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路中放置一兩個電阻以消耗額外的電壓。只要確保不要在低端過火，否則您將無法達到 20 mA 信號點。一個 50Ω 電阻在 20 mA 時會壓降 1 V，在 4 mA 時會壓降 0.2 V。

3線制變送器電流環

BAPI的一些電流發射器是三線設備，而不是兩線設備。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電源消耗的電流將超過20 mA信號電流，因為變送器本身需要一些電流才能工作。

在上面的環路示意圖中，BAPI-Stat房間傳感器正在測量房間的溫度。BAPI-Stat本身需要10 mA電流才能工作。因此，當信號電流（白線）為4 mA時，來自電源的總電流為14 mA。當信號電流為20 mA時，來自電源的總電流為30 mA。

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

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

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

信號線上20 mA時的壓降為：

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

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

0.12 + 0.08 + 5 + 15 = 20.2 VDC

任何大于 20.2 VDC 的系統電源都將允許完全信號。

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

3線制變送器，帶兩個獨立的4至20 mA信號

BAPI-Stat還能夠提供兩個獨立的4至20 mA信號。在這種情況下，計算壓降并正確調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，當每個信號為4 mA輸出時，BAPI-Stat從系統電源消耗18 mA電流。當每個信號輸出為20 mA時，BAPI-Stat從系統電源消耗50 mA。

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

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

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

一個通道的20 mA信號電流引起的壓降為：

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

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

0.20 + 0.08 + 5 + 15 = 20.28 VDC

任何大于 22.28 VDC 的系統電源都將允許完全信號。

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