如何管理4至20mA电流环路中的压降？如何确定环路的适当电源电压？

4 至 20 mA 电流环路概述

4 至 20 mA 电流环路是一种非常可靠的传感器信号标准。电流环路是数据传输的理想选择，因为它们固有的对电噪声不敏感。设计4至20 mA电流环路只是管理环路周围的压降。压降发生在导线、变送器和负载电阻中。

导线 根据欧姆定律，导线中的压降与流过它的电流成正比，电流 x 电阻等于电压。表1显示了普通导线的电阻。

变送器
变送器消耗 7 至 15 VDC 的环路电压（具体取决于型号）来为自己供电。

负载电阻
最后，控制器的负载电阻将环路电流转换为电压，以便于信号处理。最常见的是使用250欧姆电阻将环路电流转换回电压。在 4 mA 时，一个 250Ω 电阻压降 1 V;在 12 mA 时，250 欧姆电阻器压降 3 伏，在 20 mA 时，250 欧姆电阻器压降 5 伏。负载电阻可以是控制器内部或外部。

ANSI/ISA-50.1-1982（R1992）电子工业过程仪器模拟信号兼容性规定负载电阻应为250Ω，而可以使用50至1，000Ω的电阻值。要正确设计电流环路，您必须知道控制器电阻的值。

带外部电源和外部电阻的2线变送器

许多低成本 HVAC/R 控制器不包括专用电源或工厂配置的 4 至 20 mA 信号输入。同时，业内许多最好的传感器仅提供4至20 mA输出。下一页的图2显示了如何为没有专用电源或4至20 mA信号输入的控制器创建4至20 mA电流环路电路。

24 VAC 变压器为控制器和 BAPI VC350A 电流环路电源供电（未显示变压器的初级高压接线）。VC350A 应尽可能靠近控制器安装。VC350A 的正输出通过电缆连接到变送器的红色或正极端子。变送器的黑色或信号端子连接到控制器的模拟输入。

负载电阻从模拟输入端连接到地。如果控制器的模拟输入配置为0-5 VDC，则负载电阻应为250Ω。信号电压在 4 mA 时为 1 伏，在 20 mA 时为 5 伏。如果控制器的模拟输入配置为0-10 VDC，则负载电阻应为500Ω。信号电压在 4 mA 时为 2 V，在 20 mA 时为 10 V。

在上面的回路示意图中，BAPI传感器正在测量外部空气的湿度。DDC 控制器位于地下室，而湿度传感器位于屋顶。两者通过 1，600 英尺的 22 号双绞线连接。

控制器没有外围电源或专用的 4 至 20 mA 输入。因此，需要外部电源和负载电阻。4 至 20 mA 变送器是上面提到的 BAPI 传感器，而电流环路电源是设置为 24 VDC 的 BAPI VC350A 电压转换器。

线电阻

1，600 英尺的 22 号双绞线实际上是 3，200 英尺长——1，600 英尺外和 1，600 英尺后。上一页的电阻图显示，铜线在20°C时每1，000英尺的电阻为16.14Ω。因此，3，200 英尺电线在 20°C 时的电阻为：

3，200 英尺 x 16.14 Ω/1，000 英尺 = 51.65Ω。

电线在没有空调的设备轴中运行。设备轴永远不会低于 32°F （0°C），但在夏天它们可能会变得高达 140°F （60°C）。铜的温度系数为每摄氏度+0.393%。这意味着如果温度升高 1°C，电阻将增加 0.393%。上图中的导线在20°C时的总电阻为51.65Ω，因此60°C时电阻的增加等于：

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

将此增加与原始阻力相加等于：

8.12Ω + 51.65Ω = 59.77Ω

3，200英尺导线在140°F时的电阻从51.65Ω增加到59.77Ω，增加了16%。

环路周围的压降

为了正确设计4至20 mA电流环路，需要在最大电阻和最大信号电流20 mA下计算环路周围的压降，并在最小电阻和最小信号电流4 mA下再次计算。

导线的最大电阻（60°C）为59.77Ω。将其乘以最大信号电流 20 mA，导线的压降等于：

59.77Ω x 0.02A = 1.195 V

BAPI 湿度变送器在 20 mA 时压降至少为 15 V，而 250Ω 控制器电阻在 20 mA 时压降 5 V。将所有压降相加等于：

1.195 + 15 + 5 = 21.195 伏

电源设置为 24 伏。额外的 2.805 伏特去哪儿了？它落在发射器上。所有未通过电线或控制器电阻压降的电压都会压降到变送器本身。

因此，在最大信号电流为 20 mA 时，发射器上的总压降为 17.802 伏（24 伏 – 1.195 伏 – 5 伏 = 17.802 伏）。让发射器比其最低额定值（15 伏）多降几伏只是很好的工程实践。它可以在连接氧化和老化时保护电流环路的完整性。

还必须在最小电阻和最小信号电流4 mA下计算压降，以确保不会要求变送器压降超过其最大额定值。

运行铜线的设备轴可能低至 0°C。铜的温度系数为每摄氏度+0.393%，因此下降1°C将使电阻降低0.393%。图2原理图中的导线在20°C时的总电阻为51.65Ω，因此0°C时的电阻下降等于：

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

从原始阻力中减去这个等于;

51.65Ω – 4.06Ω = 47.59Ω

导线的最小电阻（0°C）为47.59Ω。将其乘以 4 mA 的最小信号电流，导线的压降等于：

47.59Ω x 0.004A = 0.19 V

湿度变送器至少压降 15 伏，而 250 Ω 控制器电阻在 4 mA 时压降 1 伏。将所有压降相加等于：

0.19 + 15 + 1 = 16.19 伏

将电源设置为 24 伏时，发射器下降 22.81 伏（24 伏 – 0.19 伏 – 1 伏 = 22.81 伏）。BAPI 湿度变送器的最大额定电压降为 24 伏。因此，变送器两端的压降接近其最大规格，但在最小电阻和最小信号电流下仍处于公差范围内。

一些可编程逻辑控制器具有高达36VDC的电源，允许非常长的电流环路。在上面的例子中，36VDC电源会在变送器上产生高于其最大额定值的压降。使用36VDC电源的唯一方法是在环路中放置一两个电阻以消耗额外的电压。只要确保不要在低端过火，否则您将无法达到 20 mA 信号点。一个 50Ω 电阻在 20 mA 时会压降 1 V，在 4 mA 时会压降 0.2 V。

3线制变送器电流环

BAPI的一些电流发射器是三线设备，而不是两线设备。三线制变送器与两线制变送器明显不同。三线制变送器从系统电源消耗的电流将超过20 mA信号电流，因为变送器本身需要一些电流才能工作。

在上面的环路示意图中，BAPI-Stat房间传感器正在测量房间的温度。BAPI-Stat本身需要10 mA电流才能工作。因此，当信号电流（白线）为4 mA时，来自电源的总电流为14 mA。当信号电流为20 mA时，来自电源的总电流为30 mA。

计算这种三线制发送器环路的压降与计算两线制环路不同。在三线环路中，电源正极（+）导线的总电流流过它，而4至20 mA信号线只有信号电流流过它。因此，需要计算两个单向压降;一个是电源线电压降，第二个是信令线压降。由于每根导线中的电流不同，因此压降分别确定，然后相加。

由于BAPI-Stats测量占用的空间，因此无需计算由于温度波动大而导致的接线电阻。只需使用 20°C （68°F） 电阻即可。如果 BAPI-Stat 距离使用 22 号线的控制器 250 英尺，并且信号电流为 20 mA，则从电源线到 BAPI-Stat 的压降为：

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

信号线上20 mA时的压降为：

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

250 欧姆接收器电阻在 20 mA 时压降 5 伏，BAPI-Stat 的最低电压为 15 VDC，因此环路周围的电压为：

0.12 + 0.08 + 5 + 15 = 20.2 VDC

任何大于 20.2 VDC 的系统电源都将允许完全信号。

由于3线制变送器电源引脚上的电压基本上是恒定的，不受信号电流水平的影响，因此不必计算信号电流为4 mA时的压降。只要电源的电压大于20 mA信号电流下环路周围的电压降，并且低于变送器本身的最大额定电压，那么电源电压就设计正确。

3线制变送器，带两个独立的4至20 mA信号

BAPI-Stat还能够提供两个独立的4至20 mA信号。在这种情况下，计算压降并正确调整电源大小与前面的示例非常相似。BAPI-Stat本身需要10 mA电流才能工作。

因此，当每个信号为4 mA输出时，BAPI-Stat从系统电源消耗18 mA电流。当每个信号输出为20 mA时，BAPI-Stat从系统电源消耗50 mA。

在上面的例子中，电源正极（+）线的总电流流过它，而4至20 mA信号线只有信号电流流过它们。与前面的示例一样，有两个单向压降需要计算;一个是电源线压降，第二个是信号线压降。由于每根导线中的电流不同，因此压降分别确定，然后相加。

如果 BAPI-Stat 距离使用 22 号线的控制器 250 英尺，并且两个信号电流均为 20 mA，则从电源线到 BAPI-Stat 的压降为：

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

一个通道的20 mA信号电流引起的压降为：

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

第二个信号通道与第一个通道并联，因此不需要将其添加到环路周围的压降中。250 欧姆接收器电阻在 20 mA 时压降 5 伏，BAPI-Stat 的最低电压为 15 VDC，因此环路周围的电压为：

0.20 + 0.08 + 5 + 15 = 20.28 VDC

任何大于 22.28 VDC 的系统电源都将允许完全信号。

由于3线制变送器电源引脚上的电压基本上是恒定的，不受信号电流水平的影响，因此不必计算信号电流为4 mA时的压降。只要电源电压大于20 mA信号电流下环路周围的压降，并且低于变送器本身的最大额定电压，则电源电压设计正确。