为什么现场传感器信号都是用4~20mA的电流信号？

引言

在工厂自动化生产中，传感器就像是设备的“眼睛”和“耳朵”，负责收集各种物理量信息，如温度、压力、流量等，并将这些信息转化为电信号传输给控制系统。

而模拟量信号是工厂设备传感器中最常用的信号类型，模拟量与开关量是两种常见且重要的信号类型，它们如同工业系统的“神经”，负责传递各种设备运行状态和参数信息。

其中，模拟量以其细腻、连续且有层次的特点，能够精准地表达一个连续变化的具体数值，在众多工业场景中发挥着关键作用。

那么，为什么模拟量大多采用4到20毫安的电流信号呢？

一、模拟量：细腻连续的工业信号

为了更好地理解模拟量，我们可以从生活中的常见例子说起。就像开灯这个动作，它并非像开关那样只有简单的“开”与“关”两种绝对状态，而是能够表达一个连续变化的具体数值。

比如，我们可以要求把灯光调到35%的亮度或者50%的亮度，这种细腻的调节体现了模拟量的连续性。再比如开车时，油门踏板就是最经典的模拟量应用。

我们踩油门的深浅直接控制了喷油量，进而决定了车速，从0到120公里每小时，车速有着无数种可能的状态，每一个细微的踩踏变化都对应着不同的车速，这充分展现了模拟量细腻、连续且有层次的核心特点，它负责回答“有多少”“到什么程度”这样的问题。

二、电流信号VS电压信号：稳定性与成本的考量

在工业信号传输中，电压信号和电流信号都是常见的传输方式。电压信号很容易获取，乍一看似乎是个不错的选择。

然而，电压信号在实际传输过程中存在一个显著的缺点，即它极易受到负载影响而发生变化。当传输线路的负载发生改变时，电压信号就会出现波动，这就如同在一条不稳定的道路上行驶，信号的准确性难以保证。

相比之下，4到20毫安的电流信号具有明显的优势。电流本身非常微弱，这使得传输过程中的电阻很小。根据欧姆定律，在远距离传输时，较小的电阻能够有效减少信号衰减和干扰，很好地保证信号的稳定性。

就好像在一条畅通无阻的高速公路上行驶，信号能够准确无误地到达目的地。此外，使用电流传输时所需的线缆较少，不仅可以简化布线过程，还能有效降低布线的复杂性和成本。这就好比搭建一座桥梁，使用较少的材料既能保证桥梁的稳固，又能节省建设成本。

还有一点非常重要，“有电压不一定有电流，但有电流一定有电压”。

这一特性为电流信号的检测和判断提供了便利。在工业系统中，我们可以通过检测电流是否存在来判断信号是否正常传输，从而提高系统的可靠性和稳定性。

三、4 - 20毫安：安全与兼容性的平衡

既然电流信号有诸多优势，那么为什么选择的是4到20毫安，而不是0到20毫安或0到50毫安呢？这背后有着安全与兼容性的多重考量。

首先，20毫安是一个相对安全的阈值。在24伏的电压下，20毫安以下的电流通常不会引起火花。在一些需要防爆的特殊场景中，如化工、石油等行业，火花可能会引发爆炸等严重事故。

因此，20毫安的电流限制符合这些场景的安全需求，为工业生产提供了可靠的保障。

其次，兼容性也是一个关键因素。实际上，在早期的控制系统中，许多设备的最大电流就限制在20毫安左右。为了保证新系统能够与旧设备兼容，继续使用20毫安作为上限是一个明智的选择。

这就好比为了让不同年代的汽车都能在同一条道路上行驶，我们需要遵循一定的交通规则和道路标准。

另外，将下限设定为4毫安也有着重要的意义。如果信号范围是0到20毫安，当设备读到0毫安时，我们很难分清是信号真的为零，还是电源线断了根本没信号。而将下限设定为4毫安，就可以有效地解决这个问题。

当电流低于4毫安时，我们就可以判断是线路出现了断路等故障，而不是信号本身的问题。这样，在行业内就形成了一个不成文的规定，当使用模拟量时会采用4到20毫安的电流信号。

开关量如同电灯开关，仅有开和关两种状态，用于表示“是”与“否”；而选择模拟量则如调光旋钮，能连续变化，4到20毫安的电流信号可以精准地反应程度或大小。

在工业领域，采用4到20毫安电流传输模拟量具有诸多优势。它抗干扰能力强，能够实现远距离传输，而且4毫安的起点能清晰地区分信号为零与线路断路，大大提升了系统的可靠性。

这种经过深思熟虑的信号传输方式，是工业工程师们在长期实践中总结出来的智慧结晶，为工业自动化的发展提供了坚实的基础。

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