为什么工业自动化传输信号通常使用4-20 mA电流信号而不是电压信号？

在工业自动化中，4-20 mA电流信号被广泛用于传输传感器或控制设备的测量值，这是因为它在多种应用场景中具有显著的优势。以下是具体原因的详细讲解：

1. 抗干扰能力强

• 电流信号不易受到外部电磁干扰的影响：相比于电压信号，电流信号的传输更加稳定，因为在线路中的电流值不易因外界电磁场或线缆长度的变化而变化。电流信号通过导线传输时，只要导线的电阻不太大，电流值基本不会受损耗的影响。

• 长距离传输更可靠：在工业现场，信号常需要传输数十米甚至上百米。电流信号的抗干扰能力和稳定性使得它在长距离传输中仍然能够保持准确。

2. 与回路电阻无关

• 电流恒定性：4-20 mA信号的大小由信号源控制，与接收设备的输入阻抗无关。即使信号传输回路中存在电阻或接头接触不良导致电压降，电流值仍然能准确反映测量值。

• 电压信号的局限：相比之下，电压信号的值容易因线路电阻或电压降的影响而发生偏差，导致误差增大。

3. 零点漂移和故障检测

• 4-20 mA的“活零”设计：

• 在工业自动化中，4 mA作为信号的零点，而不是0 mA。这样设计的好处是可以区分设备的正常工作状态和故障状态。

• 如果信号为0 mA，说明可能是断线、供电中断或设备故障。而4 mA以下（接近0 mA）的电流值能够快速检测到异常情况。

• 相比之下，电压信号难以实现类似的故障检测功能：

• 例如，0 V可能既代表“无信号”，也可能代表“断线”或“设备故障”，无法区分。

4. 线性关系和精度

• 4-20 mA的线性关系：

• 电流信号与被测量的物理量（如温度、压力等）之间通常保持线性关系，便于信号解读和转换。

• 高精度传输：

• 电流信号由于其抗干扰性，具有更高的传输精度，适合用在需要精确测量的场景。

5. 兼容性和标准化

• 广泛使用的行业标准：4-20 mA电流环路已经成为工业信号传输的国际标准，设备之间的互联互通更加方便。

• 与二线制设备的兼容性：许多传感器和变送器支持两线制工作模式，通过同一对导线传输信号和供电。这样可以简化布线，降低成本。

6. 安全性

• 低电压操作的优势：4-20 mA系统的信号传输通常在低电压下工作（通常不超过24 V直流电），相比高电压信号系统更安全，尤其是在危险或防爆场合。

• 本质安全设计：低功耗和低电流的特点使得4-20 mA信号能够与本质安全设备结合，减少火花风险。

7. 功耗和电源适应性

• 低功耗设计：工业现场的许多传感器设备是通过4-20 mA回路供电的，而无需额外供电。回路电流不仅传输信号，还能同时为设备提供能量，简化了电源设计。

总结

与电压信号相比，4-20 mA电流信号在工业自动化信号传输中的优势主要体现在：

1. 抗干扰能力强，适合长距离传输。

2. 不受线路电阻和电压降影响，信号更可靠。

3. “活零”设计便于故障检测。

4. 提供高精度和线性传输。

5. 成为工业标准，设备兼容性好。

6. 低电压操作更安全，适合危险场合。

7. 简化供电和信号线路设计。

正是由于这些显著的优势，4-20 mA电流信号在工业自动化中得以广泛应用，成为测量与控制领域的首选方式。