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4–20 mA 電流迴路：原理與故障排除

訊號 · 閱讀約 9 分鐘

4–20 mA 迴路至今仍是把現場傳送器的量測值送到控制器最常見的方式。它構造簡單，也不怕長距離配線；只要知道該量什麼，故障排除也很容易。本篇說明迴路的原理、如何檢查電源預算、如何換算訊號，以及如何找出故障。

為什麼用電流而不用電壓？

在串聯電路中，流過每個元件的電流都相同。電纜電阻、端子接觸電阻和小幅的壓降，都不會改變傳送器設定的電流。電壓訊號傳送數百公尺後，會因這些壓降而失準；電流訊號則不會，只要迴路的供電電壓足夠即可。

量測範圍從 4 mA 而不是 0 mA 開始，原因有兩個：

典型的迴路由 24 VDC 電源、傳送器和接收端輸入串聯而成。接收端通常是帶 250 Ω 電阻的類比輸入卡。傳送器依製程值，把迴路電流按比例控制在 4 到 20 mA 之間。

圖 1 — 兩線式迴路。同一個電流流過電源、傳送器和 250 Ω 輸入電阻，在電阻兩端換算成 1–5 V。

每台傳送器的端子都需要一個最低電壓（lift-off voltage）才能正常運作，通常約 10–12 V，請以規格書為準。電源電壓必須足以涵蓋這個電壓，加上滿載電流時迴路中所有電阻的壓降。計算時電流要取略高於 20 mA，迴路才仍能送出警報電流。

R_max = (V_電源 − V_{傳送器最低}) ÷ 0.022 A

例：電源 24 V，傳送器最低電壓 10.5 V。

R_max = (24 − 10.5) ÷ 0.022 ≈ 614 Ω

圖 2 — 迴路電壓預算。如果各段壓降加起來超過電源電壓，讀值會在到達 20 mA 前就上不去。

250 Ω 輸入電阻、電纜電阻（兩條導線合計），以及迴路中的安全柵或指示器，總和必須低於約 614 Ω。否則讀值會在 20 mA 前就上不去——傳送器的電壓不夠用了。

傳送器的量程設定在下限值（LRV）與上限值（URV）之間，電流在兩者之間呈線性：

PV = LRV + (I − 4) ÷ 16 × (URV − LRV)

例：量程 0–10 bar 的壓力傳送器，讀到 13.6 mA：

PV = 0 + (13.6 − 4) ÷ 16 × 10 = 6.0 bar

反過來，某個製程值對應的預期電流為：

I = 4 + 16 × (PV − LRV) ÷ (URV − LRV)

許多新型傳送器遵循 NAMUR NE43 建議，把正常量測範圍和故障訊號分開，讓控制系統能分辨「製程到達極限」和「儀表故障」：

圖 3 — 電流與製程值呈線性。紅色區域是 NAMUR NE43 的故障訊號，位於 3.8–20.5 mA 量測範圍之外。

傳送器故障時要輸出上限側或下限側，通常用跳線或組態設定。請確認它和警報或跳脫邏輯的設計一致。

把電表串聯在迴路中；如果傳送器有測試端子，也可以直接使用。許多迴路校正器能透過測試二極體讀取電流，不必斷開迴路。把讀值和依製程狀況預期的數值比較。

如果低於傳送器的最低工作電壓，請檢查迴路電阻是否過大、電源是否不足，或接線是否不良。

圖 4 — 從量到的迴路電流，快速判斷可能原因。

安全提醒：斷開迴路前，請遵循現場的工作許可與隔離程序，並先通知操作人員。斷開迴路會使讀值掉到 0 mA，可能觸發連鎖或使控制閥動作。