工业自动化模拟信号的“黄金标准”：4~20 mA确定的根据

剑指工控星期一, 12/29/2025 - 10:06 发表

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工业自动化的活化石系列

工业自动化模拟信号的“黄金标准”：4~20 mA

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。

03 4~20 mA信号确定的根据

对4~20 mA信号制的确定我们可能会有3个大的疑问：

为什么是电流信号？

为什么电流信号的下限值定位4mA？

为什么电流信号的上限值定位20mA？

弄明白这三个问题，我们就能知道为什么将4~20 mA信号制称为“黄金标准”。

3.1 为什么是电流信号？

4~20mA电流信号具有以下的优点：

电流信号适合远距离传输，因为它不受导线电阻的影响，而电压信号在导线本身具有电阻的情况下会分压，导致测量不精准，通常应用的传送距离在数米范围内；而一般4~20mA信号传送距离可在数百米到一千米范围以内，这能满足绝大多数应用的要求，如选用更粗的电缆和更高的供电电压，信号传送距离还可以延长。

生产现场工况复杂，电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）是信号失真的常见罪魁祸首，如变频器、软启动器、接触器之类的电气设备在运行过程中会产生电磁干扰。像 0~10V 这样的基于电压的系统很难避免受到攻击，因为噪声很容易改变电压值大小，导致读数不准确，而采用了屏蔽双绞线电缆的4~20 mA 电流环路本质上不受此类干扰的影响，其抗干扰的能力远比电压信号强。

一般的变送器可以采用两线制，即信号回路、电源回路公用两条线，使布线简单、成本降低。对比一下我们国家早期的DDZ-Ⅱ型变送器，用的还是信号回路、电源回路分开的四线制，那你管线敷设就得用四根线，而4~20 mA 电流环路一般只用两根线，一台变送器多两根线问题不大，成百上千台变送器都这样，那桥架、电缆甚至接线工作量那得多多少啊！

允许使用相对简单的安全栅将环路电流限制在本质安全水平，显著降低了产生火花的风险，从而可以安全地应用在有火灾或爆炸风险的工业环境中。

电流信号采用HART协议可以承载叠加在其上的FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）信号，即在低频的4~20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信，数据传输率为1200bps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟电流信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。除了原有4~20mA模拟信号测量值之外，HART协议还可以传输其它数据，例如诊断信息、设备配置和状态报告。

4-20mA 模拟输出可提供足够的“功率”来驱动许多型号的模拟或智能阀门定位器等。

3.2 为什么电流信号的下限值不是0mA而是定位在4mA？

4~20mA信号源自3~15 psi 的气动信号，气动仪表的工作原理是喷嘴挡板，3~15 psi 的气动信号是喷嘴挡板工作曲线上线性最佳的部分，如果要检测低于3 psi的压力信号，因为压力值低，检测装置就非常昂贵了。

如果把电流信号的下限值定位在0mA，那么将无法识别信号值的零点和系统故障（如断电）的零点。当把电流信号的下限值定位在4mA时，识别信号值的零点（4mA）和系统故障（如断电）的零点（0mA）就变得很容易了。

通常把0mA称为“死零点”，把抬高后的4mA称为“活零点”或“带电零点”。“带电零点”在某种程度上是为了掩盖第一代晶体管不能完全关闭的缺陷，因此使用 4mA 的带电零点就是为了掩盖这一缺陷。

后人常常把检测下限3 psi压力、4mA电流等“活零点”的确定点赞为“工程师的智慧”，回避了许多问题，也巧妙地解决了实际应用中的一些难题。

两线制变送器的信号线也是电源线，如果把电流信号的下限值定位在0mA，那么当电流信号达到下限值或接近下限值时，所提供电流的能量为零或很低，变送器将无法工作。据介绍，变送器电路的最小工作电流约3~3.5mA，而4mA还预留了0.5mA左右的余量，因此，电流信号的下限值定位在4mA也是为了向变送器提供足够能量的静态工作电流。

3.3 为什么电流信号的上限值定位在20mA？