电流环

电流环是一种类比的电子信号，可以用二条导线进行远端监控或是控制的应用，利用电流来传递讯号，线上同一时间只会有一个电流命令。

电流环主要的应用是用在过程控制应用中的业界标准 4–20 mA电流环，广泛的用在仪表和PID控制器、数据采集与监控系统（SCADA）以及可编程逻辑控制器（PLC）之间的信号传输。4–20 mA信号也用来传送控制器输出给调变的现场设备（例如控制阀）。电流环的好处是简单，并且抗杂讯能力高。在国际上有大量的使用者以及设备供应商。有些4–20 mA现场设备可以用电流环供电，不需额外的电源，而HART通讯协定利用电流环进行设备和控制器之间的通讯。有许多自动化通讯协定可以取代类比的电流环，但4–20 mA仍然是主要的工业标准之一。

过程控制的4–20 mA电流环

在工业过程控制中，常用模拟信号 4–20 mA 电流环作为电子信号传输，4 mA对应0%的量测量或是控制量，20 mA对应100%的量测量或是控制量。可以用电流环传送现场感测器的信号，也可以传送要给致动装置（例如阀）的控制信号。

电流环的主要好处如下：

• 电流环可以为远端设备供电，电源由控制器提供，因此不需要额外给远端设备的电源线。许多仪表制造商的4–20 mA感测器是透过电流环供电的。
• 表示0%的信号为“有供电的0”，也就是4 mA，因此现场传感器没有信号输出时也可以提供电源。
• 信号是电流信号，其精准度不会受到互连接线的电压降影响。
• 抗杂讯的能力强，因为接线多半是双绞线，而本身也是低阻抗电路。
• 可以自我监测，电流低于3.8 mA或高于20.5 mA都视为故障
• 可以使用长导线（长度会受电阻以及可以提供的电压所限制）
• 只要电流环上的电阻没有超过允许值，可以在电流环上加上灯号，由电流环供电
• 利用电阻即可转换为电压
• 电流环供电的电流转压强（I to P）转换器可以将4–20 mA的电流信号转换到3–15 psi 的压强输出，提供给控制阀，因此4–20 mA电流信号可以整合到现有的气压系统中。

现场仪表量测的讯号有压强、温度、水位、体积流率、PH值或其他的物理量。电流环可以用来控制阀门位置或是其他输出执行器。因为仪表的输入端子可能有一个电流环的输入是接到外壳（接地）。若要串接数个仪表，可能需要类比隔离器。

电流值和过程变数之间的关系可以透过校正来设定，将4到20 mA的信号范围转换为不同的工程单位。工程单位和电流之间的关系不一定要正相关。4 mA可以对应工程单位最大值，20 mA可以对应工程单位最小值。

主动设备以及被动设备

依电流环的电流来源，设备可以分为是“主动”（提供电流环电源）或是“被动”（需要电流环提供电源）。例如图表记录器可以提供电流环电源，也可以提供压强传感器，压强传感器调整电流环上的电流，送讯号给图表记录器，但压强传感器不提供电源，因此是被动设备。另一个电流环可能包括被动（不供供电）的图表记录器、被动压强传感器，以及24 V电源（电源是主动设备）。“四线”（4-wire）仪表有独立电源，不需靠电流环来供电。

面板显示及图表记录器有时会称为“指示设备”或是“过程监控”。数个被动设备可以串接在同一个电流环上，一个电流环只能有一个传感器，也只能有一个主动设备。

类比控制信号的演进

有气压膜致动器以及智慧型4–20 mA定位装罝的控制阀，4–也可以将目前阀的位置以及状态回授透过电流环传到控制器

4–20 mA信号是在1950年问世，前身是早期非常成功的3–15 psi气压控制信号标准，而当时的电子设备已相当便宜而且可靠，可以当成旧标准的电子版本。3–15 psi标准和4–20 mA有类似之处，都可以作为远端设备的动力源，而且其零信号有压力输出。不过4–20 mA标准比较适合电子控制器。

转换是渐进的，而且因为现场有大量已装设的3–15 psi设备，转换一直延续到21世纪。气压阀的运作相较于电子驱动的阀，在成本以及可靠度上都有优势，因此气压致动仍然是工业标准。为了建构混合气压和电流讯号的系统，由控制器产生4–20 mA信号，但仍然可以使用气压阀，制造商开发了各种的电流－压强（I to P）转换器。一般会放在控制阀附近，将4–20 mA电流讯号转换为3–15 psi（或0.2–1.0 bar）的压强讯号。此讯号再输送给阀致动器（或气压定位装罝）。定位装罝是特制的控制器，有机械连杆连接到致动器的可动部份。确保可以克服摩擦力，并且让阀控制元件可以移动到理想的位置。也可以用更高的气压来让阀动作。

随著低价工业微控制器的开发，在1980年代中期，“智能”阀定位装罝渐渐普及，在新架设的设备中很常使用。其中包括电流－压强转换器，以及阀位置以及状态的监控。后者会透过电流环回传控制器，使用像是HART通讯协定之类的通讯协定。

长距离电路

以往类比电流环曾用在电话线路中，是向各地电话公司租用的线路。当时常用的是4–20 mA的电流环讯号，需要点对点的直流连续性（DC ontinuity）传输能力，现今只有少数有专门硬体配线的电话仍使用类比电流环，其他的都已被半导体切换的技术取代了。直流连续性无法透过无线电波、光纤传播，也无法用多接的多路电话设备传送。 根据基本的直流电路理论，可知电路上任一点的电流都相同。4–20 mA的电流环电路，长度可以到数英哩。目前仍有旧有使用此一技术的系统。在贝尔系统的电路中，最大会用到125 VDC的直流电压。

离散控制

电流环也可以输送离散控制的信号，方式是用不同大小的电路表示不同的信号。在单一对信号线上可以有多个控制机能。没有特定机能通用的电流大小标准。同一机能对应的电流大小可能会随制造商而不同。目前几乎通用的是0 mA表示电路故障，若有火灾的可能，6 mA表示正常，15 mA可能表示有火灾，0 mA是故障信号，表示线路有问题，需告知监控站。有些设备（双路无线电的远端控制设备）可以反转电流的方向，也可以在直流信号上加上音频信号。

这类设备可以用在许多的场合中。例如可以用电流环驱动避难的警报系统，或是让交通号志同步。

相关条目

• 电流源
• 电流电压转换器
• HART通讯协定
• NAMUR：德国国家标准订定组织，订定了4–20 mA的故障准位。
• 管线与仪表图（P&ID）：控制架构以及相关的管线以及设备

参考资料

• Lipták, Béla G. Instrumentation Engineers' Handbook. Process Measurement and Analysis. CRC Press. 2003. HB. ISBN 0-8493-1083-0

外部链接

• Fundamentals, System Design, and Setup for the 4 to 20 mA Current Loop （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• 4–20 mA Current Loop Primer (PDF). [10 September 2017]. （原始内容 (PDF)存档于2018-10-03）. 
• What Voltage do I need to operate my 4...20 mA transducer? （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Current signal systems （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• How to read current loop using arduino （页面存档备份，存于互联网档案馆）