4-20ma模擬量輸出怎么測量

測量4-20mA模擬量輸出信號是工業(yè)自動化、過程控制中非常常見的任務。以下是幾種常用的測量方法，從簡單到專業(yè)：

核心原理

4-20mA信號是一個電流環(huán)信號。要測量電流，必須將測量儀表(如萬用表)串聯在電流回路中。絕對禁止直接將表筆并聯在信號線兩端測量電壓(除非使用特定方法，見下文方法3)。

常用測量方法

方法1：使用數字萬用表 (DMM) 串聯測量 (最常用)

1. 斷電 (強烈推薦，安全第一!):在斷開信號線之前，盡可能給整個回路斷電。如果無法斷電，操作務必極其小心，避免短路或觸電。

2. 斷開回路:找到需要測量的4-20mA輸出設備(如變送器、PLC模擬量輸出模塊)的信號輸出線(通常是正極 `+` 或 `LOOP+`)。

3. 設置萬用表:

將萬用表旋鈕轉到直流電流測量檔 (`A` 或 `mA`, `μA`)。

選擇`mA`量程(通常選擇20mA或200mA檔位)。

將紅表筆插入萬用表的`mA`插孔。

將黑表筆插入萬用表的`COM`插孔。

4. 串聯接入回路:

將萬用表的紅表筆觸碰設備斷開的那根信號輸出線 (`+`)。

將萬用表的黑表筆觸碰該信號線原本要連接的去向(通常是接收設備如PLC、DCS、記錄儀的輸入正端 `+` 或 `LOOP+`)。

此時，萬用表成為了電流回路的一部分。

5. 通電讀數:

給回路重新通電。

觀察萬用表顯示的電流值。正常應在4mA到20mA之間(或接近0-20mA范圍，取決于設備狀態(tài))。

6. 斷電恢復:

測量完成后，先斷電。

拆下萬用表表筆。

將斷開的信號線重新牢固連接回原來的位置。

重新通電。

優(yōu)點:直接、準確、成本低(只需常用萬用表)。

缺點:需要物理斷開線路，操作相對麻煩，有誤操作導致回路開路或短路的-風險(開路會使接收端無信號，短路可能損壞設備)。

方法2：使用過程校驗儀 (Process Calibrator)

過程校驗儀是專門用于校準和測試過程儀表的工具，通常具有高精度測量和模擬4-20mA信號的功能。

1. 斷電或不斷電操作 (校驗儀通常支持在線測量):

斷電串聯:操作同萬用表方法1，將校驗儀設置為`mA測量`模式，串聯接入回路。

在線測量 (更常用):許多校驗儀有`毫安鉗`功能或`無源測量`功能，允許在不斷開回路的情況下測量電流：

毫安鉗:類似電流鉗表，將鉗口夾住一根信號線即可非接觸測量(但低電流如4mA測量精度可能受限)。

無源測量:校驗儀自身不需要電源，直接以低阻抗模式并聯在回路中測量電流(校驗儀內部等效為一個精密取樣電阻)。這不會顯著中斷電流回路。

2. 設置校驗儀:選擇`mA測量`功能。

3. 連接:

串聯: 同萬用表。

在線: 將校驗儀的測量端子(通常是 `+` 和 `-`)并聯在信號輸出設備(如變送器)的輸出端子上(不是接收端!)。

4. 通電讀數:讀取校驗儀顯示的電流值。高級校驗儀還能同時顯示百分比、進行記錄等。

優(yōu)點:功能強大，精度高，支持在線測量(減少停機)，可同時模擬信號進行回路測試。

缺點:成本較高，主要用于專業(yè)維護校準人員。

方法3：測量回路電壓降 (間接測量)

如果無法或不便斷開回路測量電流，可以通過測量回路中已知負載電阻兩端的電壓降，根據歐姆定律 `I = V / R` 計算電流。這是PLC/DCS系統內部讀取信號的方式。

1. 確定負載電阻 (Rload):

接收設備(PLC/DCS模擬量輸入模塊)內部通常有一個標準的精密采樣電阻，最常見的是250Ω。查看設備手冊確認其阻值。

2. 測量電壓:

將萬用表旋鈕轉到直流電壓測量檔 (`V` 或 `VDC`)。

選擇合適量程(如2V或20V檔)。

將萬用表的紅表筆觸碰接收設備(如PLC模塊)的信號輸入正端 (`+` 或 `AI+`)。

將萬用表的黑表筆觸碰接收設備的信號輸入負端 (`-` 或 `AI-`)。

此時，萬用表并聯在接收設備的內部采樣電阻兩端。

3. 讀數與計算:

讀取萬用表顯示的電壓值 (`Vmeas`)。

計算電流： `I (mA) = (Vmeas / Rload) * 1000`

例如，使用250Ω采樣電阻：

測量到 `1.000 V` => `I = (1.000 / 250) * 1000 = 4.000 mA`

測量到 `5.000 V` => `I = (5.000 / 250) * 1000 = 20.000 mA`

優(yōu)點:無需斷開回路，操作相對簡單安全(只測電壓)。

缺點:

需要知道接收端采樣電阻 (`Rload`) 的確切阻值(通常是250Ω，但務必確認)。

測量精度依賴于采樣電阻的精度和萬用表的電壓測量精度。

如果回路中沒有負載電阻(極少見)，此方法無效。

無法區(qū)分是信號源輸出問題還是線路電阻過大導致壓降的問題。

測量結果解讀與故障排查

4mA:通常代表信號下限(如傳感器量程的0%)。也可能是設備故障(零點漂移)或回路開路(實際應為0mA，但有些設備開路檢測會強制輸出低報警值如3.8mA)。

20mA:通常代表信號上限(如傳感器量程的100%)。也可能是設備故障(飽和)或回路短路(實際電流可能非常大，但設備可能有限流保護)。

0mA:幾乎總是回路開路!檢查保險絲、接線端子松動、導線斷開、設備未供電或損壞。

20mA:通常是回路短路!檢查信號線是否對地短路或對電源短路。也可能是設備輸出故障。

讀數不穩(wěn)定/跳動:檢查接線是否松動、接觸不良。檢查是否有強電磁干擾。設備本身故障或電源波動。

讀數偏差大:設備需要校準。傳感器故障。線路電阻過大(尤其在長距離傳輸時，要確保電源電壓足夠驅動整個回路的總電阻)。

重要安全注意事項

1. 斷電操作:在斷開或連接線路前，強烈建議斷開回路電源。工業(yè)現場可能有24VDC，也可能有更高電壓(如為變送器供電的220VAC)，存在觸電風險。

2. 確認量程:測量電流前，務必確認萬用表表筆插在正確的插孔(`mA`孔)，且檔位選在`mA`檔。錯誤地使用電流檔去測量電壓會直接導致短路，可能損壞設備、燒毀萬用表保險絲甚至造成人身傷害!

3. 防止開路:4-20mA回路設計上是連續(xù)的。在串聯測量完成后，必須先斷電，再拆除萬用表并恢復線路。帶電斷開串聯的萬用表會造成回路開路，導致控制系統接收不到信號(相當于故障狀態(tài))。

4. 防止短路:操作時小心表筆，避免無意中將信號線正負極短接。

5. 了解設備:操作前查閱相關設備(信號源、接收端)的手冊，了解其接線方式和電氣特性。

6. 使用合適工具:確保萬用表或校驗儀的精度和量程滿足測量要求。對于安全關鍵回路，使用經過校準的儀表。

總結：對于大多數現場維護人員，方法1(萬用表串聯)是最直接實用的方法，但務必注意安全和操作步驟。方法3(測壓降算電流)是不斷開回路的常用替代方案，尤其適合在PLC柜內測量輸入信號。方法2(過程校驗儀)是專業(yè)維護和校準的首選工具。選擇哪種方法取決于現場條件、可用工具和操作人員的經驗。安全、準確、避免干擾生產過程是關鍵原則。