工业自动化的活化石｜工业自动化模拟信号的“黄金标准”：4~20 mA（新）

剑指工控星期二, 12/23/2025 - 14:16 发表

朋友们刚刚看完我的上一篇连载文章《基地式调节器“考古”纪实》，那是我在国内考古热潮的带动下，对自动化仪表“考古”的第一篇习作，不着边际地在哪里叙说历史，也不知大家对它有没有兴趣？反正我也不管了，依据我一贯的风格——自行其是，又把第二篇“考古”习作拿出来，可我真心希望你能喜欢啊！

剑指工控仪表客厅

工业自动化的活化石系列

4~20 mA是个信号制，我希望告诉大家它是在什么背景下出现的，它是什么时候成为国际标准的，它如今还在发挥什么作用，它还有什么样的应用前景。

01 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！

图1 工业自动化模拟信号的“黄金标准”——4~20 mA

02 工业自动化仪表用模拟信号统一的过程

2.1 工业自动化仪表用气动仪表模拟信号

气动仪表的结构是机械式的，如关键部件的喷嘴—挡板（见图2）等，所以它的问世远远早于电动仪表，资料“Instrument Mechanic”-（https://encyclopedia.pub/entry/30785）中说：气动控制器在 1930 年之后被广泛使用，当时福克斯波罗公司的 Clesson E Mason 发明了一种宽带气动控制器，将喷嘴—挡板高增益气动放大器与负反馈结合在一个完全机械的设备中。

图2 喷嘴—挡板结构示意图

图2所示喷嘴—挡板结构的原理是当挡板的位置左右移动时，由气源压力产生的输出背压变化。如果挡板位置的变化是由控制器输出决定的，那么背压值输出到执行器就可以调节阀门的开度。

讲到气动仪表还使我想起一段故事：

Long long ago(很久很久以前啦)，在工厂里维护仪表的人大都是机械师（比如钳工），你看看图2就知道了，如果气动仪表出故障了，比如喷嘴—挡板出了啥问题，搞电气的懂吗？搞电气的能修吗？还得找机械师，他们懂，他们能修。怪不得，在上世纪五六十年代，在加拿大从事仪器工作的熟练技工被称为“仪器机械师”。在美国、澳大利亚和其他地方，他们可以被称为“仪器装配工”。我研究的皮带秤，五六十年代都是用的机械式皮带秤，主要元器件是什么杠杆、滚轮、齿轮、机械计数器什么的，跟电气一点关系也没有，出问题都是钳工来修。所以，现在仪表工的祖师爷还是机械师！

信号范围

大多数气动仪表的设计采用不同的信号范围，如2~14、3~15、3~18、5~20、5-25、6-30、3-27psi等等，但出于检测小于2~3 psi压力值的精度低和价格高等原因，这些信号范围均选择不采用“0 psi”值的死零点作为信号范围的量程下限，而是采用“2、3、5、6psi”等数值的活零点作为信号范围的量程下限。其优点除了低压力检测费用昂贵外，主要是当信号值低于活零点时可以区分是信号的故障还是气源断开故障。

我查阅到的有关气动仪表模拟信号范围的标准有：

1956年的“ISA-RP7.1-1956，Pneumatic Control Circuit Pressure Test，关于气动控制回路压力试验的标准”、
1975年的“ISA-7.3-1975（R1981）关于仪表空气质量标准的标准、ISA7.4气动控制器和传动系统的气压”标准、
1991年的“IEC 60382:1991 Analogue Pneumatic Signal for Process Control Systems，过程控制用模拟气动信号”标准
1996年的“ANSI/ISA-S7.0.01-1996 Quality Standard for Instrument Air，仪表用空气质量标准”。甚至在1996年的标准中，作为气动仪表模拟信号传输范围值，同时列出了3~15、5-25、6-30、3-27 psi （对应的公制单位kPa范围值分别为20~100、35~175、40~200、20~190kPa）4个压力范围值。
中国国家标准有1985年的“GB/T 777-1985工业自动化仪表用模拟气动信号”，气动仪表模拟信号传输范围值选为20~100kPa，从一开始我们选取的气动仪表模拟信号传输范围值就符合世界自控界的发展潮流，少走了不少弯路。

据介绍，1949年以后，国外大多数制造商已将 3-15 psi 或20~100kPa 作为标准化的气动仪表模拟信号范围，据说3-15 psi 的变化范围是喷嘴—挡板性能曲线上线性化最优的部分。3~15 psi（磅力/平方英寸，约合20.7~103.4kPa，圆整后取值为20~100kPa）。

气动仪表模拟信号的这个标准有两个特点：

信号范围的最小值不是“0”，是3 psi，即所谓的“活零点”；
信号范围的最大值与最小值之比多数是5：1，如15 psi/3 psi=5：1。

2.2 工业自动化仪表用电动仪表模拟信号

自上世纪五十年代起，虽然存在多种电动仪表模拟信号模拟标准，例如 0~10V、1~5mA 、0~20 mA、4-20mA、10~50 mA等等，而从上世纪50年代后期起，信号制选为 4-20 mA成为大势所趋。

我查阅到的有关电动仪表模拟信号范围的标准有：

1975年制定的“ANSI/ISA 50.00.01-1975 Compatibility Of Analog Signals For Electronic Industrial Process Instruments，模拟信号与电子工业过程仪表的兼容性”、
1982年制定的“IEC 60381-1:1982 EN-FR Analogue signals for process control systems. Part 1: Direct current signals 过程控制系统模拟信号第1部分：直流信号”。
中国国家标准有：1989年制定的“GB/T 3369-1989 工业自动化仪表用模拟直流电流信号”、“GB/T 2613-1989 DDZ-Ⅲ系列电动单元组合仪表工作信号”、
2009年修订后的“GB/T 3369.1-2008过程控制系统用模拟信号.第1部分:直流电流信号”。

ANSI/ISA 50.00.01-1975标准是美国国家标准协会和美国仪器学会发布的，据介绍在长达11年的辩论过程中，曾考虑过许多备选方案。直到 1975 年最终确定 4~20mA DC，但保留了采用 10~50mA 的替代方案来满足一家无法在较低电流下运行的制造商的技术要求。

一般都是说1975年确定 4~20mA信号制

但在“Inst Tools”杂志2019 29 年8 月 29 日编辑部文章“Why 4-20 mA Standard is so popular （为什么 4-20 mA 标准如此受欢迎）?”中说：“The original published standard for 4-20 mA, ISA SP50, was published in 1966,（最早的 4~20 mA标准ISA SP50于1966 年发布）”（https://instrumentationtools.com/why -4-20ma-standard-is-so-popular/），只不过我一直没有查到 ISA SP50 1966年的版本。

美国Acromag是一家拥有60多年过程监测和控制经验的I/O设备制造商，如DT系列信号调节器。在它的白皮书“Introduction To The Two-Wire Transmitter And The 4-20mA Current Loop，两线制变送器和4-20mA电流回路介绍”（https://www.acromag.com /wp-content/uploads/2019/08/Acromag_Intro_TwoWire_Transmitters_4_20mA_Current_Loop_904A.pdf）中有这样一段话“First appearing in the 1950’s with the advent of electrical and electronic controls, the 4-20mA signal standard reigns as one of the most popular mediums，随着电气和电子控制的出现，4~20mA信号标准首次出现在上世纪50年代，是最受欢迎的信号制之一”。

所以，关于确定 4~20mA信号制的时间，我倾向于4~20 mA是上世纪50年代出现、1966年第一次列入标准的观点。

由于当时自动化仪表大牌公司福克斯波罗研制电动仪表时采用的器件是磁放大器，它运行的最低电流值靠近10 mA，所以该公司力荐的信号制是10~50 mA。但随着晶体管新技术的引入，以4 mA作为信号制下限运行成为可能，因此在1982年的修订版中，从标准中删除了10~50mA 选项。

中国大致从1961年、1964年上海自动化仪表研究所启动DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表的研制工作，1974年由重庆自动化仪表研究所启动DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表的研制工作。三类电动单元组合仪表采用的基本元器件分别是：DDZ-Ⅰ型是电子管、磁放大器；DDZ-Ⅱ是晶体管；DDZ-Ⅲ是集成电路。三类电动单元组合仪表选用的信号制非常令人寻味：DDZ-Ⅰ是0～10mA和-5~+5mA(感到非常奇怪，居然还有从负值跨过零点再到正值这样的信号制！)；DDZ-Ⅱ是0～10mA，DDZ-Ⅲ是4~20mA。其中DDZ-I、DDZ-II都有0~10mA中的“0mA”这样的电气零点、机械零点重合的情况，直到DDZ-Ⅲ才紧跟国际潮流，正确地选择了4~20 mA信号制。回顾这段历史，虽感觉然DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ电动单元组合仪表在信号制确定过程走了一段弯路，但在稍后上世纪70年代DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表信号制确定4~20mA的过程中及时地弥补了。

还有一个问题

多于2台以上仪表同时接受4~20mA时，其输入电阻必须串联起来，这会使最大负载电阻超过变送仪表的负载能力，而且各接收仪表的信号负端电位各不相同，会引入干扰。而在控制室的仪表盘上或盘后，可能会有更多的仪表需要共同接收同一个信号，比如一台流量变送器的输出信号可能要同时送到多台控制器、记录仪、比例积算器等仪表，加起来750Ω以上的负载电阻对一般电流环路是难以承受的。为了便于相距很近的多台仪表共同接收同一个信号，以有利于接线和构成各种复杂的控制系统、计算系统，需要在信号制中规定一个联络信号，或者称为辅助信号。因此在DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表中都确定了这样的联络信号：DDZ-Ⅱ型是0~10mV及0~2V，DDZ-Ⅲ型是1~5V。