为什么工业采用4-20mA的模拟量输入
工业领域广泛采用 4-20mA 作为模拟量输入标准，主要基于以下核心原因：
1. 抗干扰能力强（电流信号 vs 电压信号）
电流信号特性：电流在传输过程中不受线路电阻变化的影响，而电压信号在长距离传输时会因导线电阻产生压降，导致信号衰减。
工业环境挑战：工厂环境中存在电磁干扰（如电机、变频器），电流信号的抗噪能力显著优于电压信号（如0-10V）。
2. 断线检测功能（Live Zero）
4mA 零点：
正常工作时，信号下限为 4mA（对应传感器量程的0%）。
若电流降至 0mA，可立即判断为 断线或电源故障（区别于0-20mA方案无法区分“零信号”和“断线”）。
故障安全机制：避免系统误将“断线”当作“零输入”处理，提升可靠性。
3. 两线制供电（节省布线成本）
电源与信号复用：
4-20mA 传感器通常采用 两线制（电源线和信号线共用），无需额外供电线，减少布线复杂度。对比：0-10V 传感器常需独立电源（三线制）。
长距离支持：适合分布式工业现场（如石油管道、化工厂），传输距离可达数百米甚至千米。
4. 兼容性与标准化
工业协议支持：
4-20mA 是国际电工委员会（IEC）和多个工业标准（如HART协议）的基础，兼容绝大多数PLC、DCS和变送器。简单易用：无需复杂调制（如PWM或数字通信），直接通过ADC读取电流值。
5. 宽动态范围与精度
分辨率优化：
4-20mA 的 16mA 跨度（20-4）比0-20mA的20mA跨度更合理，可利用ADC的更高分辨率（例如12位ADC的分辨率集中在有效范围内）。功耗可控：
4mA 的最低电流降低了低功耗场景的能耗（如电池供电传感器）。
对比其他模拟量输入的劣势
| 信号类型 | 问题 | 4-20mA 的改进 |
|---|---|---|
| 0-10V | 长距离压降、易受干扰 | 电流抗干扰、无压降 |
| 0-20mA | 无法区分“零信号”和“断线” | 4mA 零点实现断线检测 |
| 电阻信号 | 需激励源、受温度影响 | 直接电流输出，无需额外电路 |
典型应用场景
过程控制：流量、压力、温度变送器（如罗斯蒙特3051变送器）。
工业自动化：PLC模拟量输入模块（如西门子SM331）。
安全监测：可燃气体探测器、液位传感器。
总结
4-20mA 成为工业模拟量输入的黄金标准，核心在于：
抗干扰（电流传输稳定），
断线检测（4mA Live Zero），
两线制节省成本，
标准化兼容性。
这些特性使其在复杂工业环境中兼具可靠性、安全性和经济性。
