工业自动化模拟信号的“黄金标准”——4~20 mA（1）

剑指工控星期五, 09/12/2025 - 15:54 发表

1 工业自动化为何需要“黄金标准”

大约在二十世纪20年代之前，工业自动化的仪器仪表还是“独立独行”的，一台台仪器仪表各行其是，各干各的，相互之间少有联系，而且大都是现场仪表，安装在现场，操作人员查看仪表的读数也需要到现场。即使有个操作室集中了几块仪表集中显示，也只不过是将现场仪表换了个安装地点。如压力表要从现场搬到操作室，无非是把压力表的取压管道延伸到操作室，这种事现在肯定不会这样做了，但想想我在上世纪六十年代刚从事自控设计的时候，这种事也干过：把取压管敷设到操作室，还要选取带边的压力表，因为压力表带的边上有孔，可以直接固定在仪表盘的正面。当然，这里说的都是检测传感器与参数显示合成一体的仪器仪表，比如弹簧管压力表、膜盒压力表、U形管压力表、玻璃液体温度计、双金属温度计、转子流量计、机械水表、玻璃管水位表等等。

但随着带电信号输出的传感器问世，检测一个参数光有传感器还不行，还得有个显示器，这就涉及到“联络信号”，也就是说传感器输出的是什么类别的电信号，信号范围有多大，那么跟这个传感器配套的显示器的输入信号就得能接收这个信号，信号范围也得符合要求。传感器的电信号输出有各种各样，如电压、电阻、电感、电容、脉冲，而每一种又有各种量程，显示时的刻度也是千变万化的，这样显示器的设计、生产、销售、使用就太复杂了，可能仅测量电压的就得有成百上千的规格型号才能满足要求。我是自控设计人员，即使到了上世纪七八十年代还在为这事苦恼，设计一套温度检测系统需要一个测温传感器加一台显示器，比如测温传感器选用铂铑-铂热电偶，分度号是S，测温范围0~1300℃，那么，显示器就得与此对应，也得选与铂铑-铂热电偶、分度号S、测温范围0~1300℃配套的，一样也不能错。这可苦坏了显示器的制造厂家，他得为用户准备成百上千个规格的显示器供用户选用，甚至可以说是为每一个用户定制一个显示器！

这还只是一只热电偶。还有热电阻、红外测温、电阻式远传压力表、金属管电远传转子流量计，信号类别、测量参数、测量范围多种多样，所以这显示器的详细型号、规格可能就得有成千上万种。而且关键的是，每一个具体型号规格的产品还卖不出去多少台，形不成批量，你说这事烦不烦心！

人还是聪明的，老这么干那行呢，于是就有人出头呼吁，咱们是否应该定个规矩、弄个标准，把这个信号统一统一，搞个“通用语言”。也就是说，不管你是什么传感器，你要把测量信号送出去，这个测量信号的类别和信号范围就得是一样的，让大家通用。而接收测量信号显示仪表的制作就变得简单了，至少信号类别、测量范围都是一模一样的了，在当时的技术条件下，只是测量参数范围不一样，这只是显示标尺的问题，不同用户的订货只需配专用的标尺即可。

这里提出的问题是工业控制系统中仪表间采用的统一标准联络信号机制，也就是信号制的问题，它是用来保障不同仪表的兼容性与互连能力。

当然，事情得一步一步做，于是不少仪器仪表厂家就提出来一些建议和做法，比如在电动仪表方面，Foxboro （福克斯波罗）公司提出10~50mA、Taylor（泰勒）公司提出1~5mA、Honeywell(霍尼韦尔)公司提出4~20mA，当然还有0~10V、0~10mA这样一些电信号。上世纪五六十年代气动仪表流行，因为它具有天然的防爆性能，它们的气动信号范围一开头也是很多的，如2~14、3~15、3~18、5~20、5-25、6-30、3-27psi等等。

经过岁月的沉淀，各种不同信号制的优劣充分显现，气动信号选择了20~100kPa，而在电动信号的激烈比拼中，4~20mA脱颖而出，成为电动信号制的最终选择。但到了上世纪八十年代后期，由于电子技术的发展，电动仪表防爆性能提升、精度提高，气动仪表逐渐推出历史舞台，目前已经很难见到他的踪影了。

工控人将4~20 mA称为工业自动化模拟信号的“黄金标准”、“通用语言”，据推测，最早由自动化公司推出4~20 mA的时间可能在上世纪五十年代中后期，那么到现在就已经快七十年来，这七十年经久不衰，已经证明了4~20mA的生命力。虽然自动化仪表的信号制已经由模拟信号向数字信号过渡，但使用台数数以亿计的变送器仍在工控场合以模拟信号方式工作，离全部淘汰还远着呢！