为什么在社会场景中采用4-20毫安电流传输模拟量信号以Interbus现场总线为例
我可能会非常熟悉RS232、RS485和CAN等工业上常用的总线，因为他们都是传输数字信号的方式。那么，我们用什么方式来传输模拟信号呢？在工业场景中，人们经常需要测量各种非电物理量，比如温度、压力、速度和角度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能通过几百米长的导线传送到控制室或显示设备上。工业中最广泛采用的是使用4~20mA的电流来传输模拟量。采用这种方法的原因之一是它不易受到干扰，因为尽管工业现场中的噪声电压可能达到数V，但噪声功率很弱，因此噪声电流通常小于nA级别，这意味着给4-20mA信号传输带来的误差极小；而且，由于电流源内阻接近无穷大，导线中的串联阻抗对精度几乎没有影响，因此即使是在普通双绞线上传输，也能覆盖数百米距离；在接收端，只需放置一个250欧姆至地的電阻，就可以从0-5V之间获得输出电压，而这对于低输入阻抗接收器来说，其好处是，即使有nA级别的输入电流噪声，它也只会产生微乎其微的地表面粗糙。
选择20mA作为上限，是因为考虑到了防爆要求：20mA通断引起的火花能量不足以点燃瓦斯。而下限不取0mA，是为了能够检测到断路情况：正常工作时不会低于4mA，当监测线因故障断开时，环路电流就会降为0。在实际应用中，2mA被设定为断路报警值。这些物理量转换成4-20 mA 电流输出所需变送器，不仅要外加供电，还必须有外部供给其运行所需能源。这通常涉及四根连接——两根供给连接（用于提供必要动力）和两根输出连接（用于发送转换后的数据）。然而，可以节省一条线的情况也存在，其中变送器与供给共享一条路径，从而将四根连接缩减至三根。这就是为什么现在称之为三线制变送器。而当变送器自身就足以提供所有必要能源并保持稳定的操作，那么我们就说它们实现了“两行制”，即只有两个输入端口—一个用于交流信息另一个则是获取动力的入口。此类设计尤其重要在标准化规定了最大下限为4毫安时，一旦达到这一界限，就可以确保整个系统按照预期工作，并且高效利用资源。