電流環

電流環是一種類比的電子信号，可以用二條導線進行遠端監控或是控制的應用，利用電流來傳遞訊號，線上同一時間只會有一個電流命令。

電流環主要的應用是用在过程控制應用中的業界標準 4–20 mA電流環，廣泛的用在儀表和PID控制器、数据采集与监控系统（SCADA）以及可编程逻辑控制器（PLC）之間的信號傳輸。4–20 mA信號也用來傳送控制器輸出給調變的現場設備（例如）。電流環的好處是簡單，並且抗雜訊能力高。在國際上有大量的使用者以及設備供應商。有些4–20 mA現場設備可以用電流環供電，不需額外的電源，而HART通訊協定利用電流環進行設備和控制器之間的通訊。有許多自動化通訊協定可以取代類比的電流環，但4–20 mA仍然是主要的工業標準之一。

過程控制的4–20 mA電流環
在工業过程控制中，常用模擬信號 4–20 mA 電流環作為電子信號傳輸，4 mA對應0%的量測量或是控制量，20 mA對應100%的量測量或是控制量。可以用電流環傳送現場感測器的信號，也可以傳送要給致動裝置（例如閥）的控制信號。

電流環的主要好處如下：

 電流環可以為遠端設備供電，電源由控制器提供，因此不需要額外給遠端設備的電源線。許多儀表製造商的4–20 mA感測器是透過電流環供電的。
 表示0%的信號為「有供電的0」，也就是4 mA，因此現場傳感器沒有信號輸出時也可以提供電源。
 信號是電流信號，其精準度不會受到互連接線的電壓降影響。
 抗雜訊的能力強，因為接線多半是雙絞線，而本身也是低阻抗電路。
 可以自我監測，電流低於3.8 mA或高於20.5 mA都視為故障NAMUR standard NE 043 "Standardisation of the Signal Level for the Failure Information of Digital Transmitters"
 可以使用長導線（長度會受電阻以及可以提供的電壓所限制）
 只要電流環上的電阻沒有超過允許值，可以在電流環上加上燈號，由電流環供電
 利用電阻即可轉換為電壓
 電流環供電的電流轉壓強（I to P）轉換器可以將4–20 mA的電流信號轉換到3–15 psi 的壓強輸出，提供給控制閥，因此4–20 mA電流信號可以整合到現有的氣壓系統中。

現場儀表量測的訊號有压强、温度、水位、體積流率、PH值或其他的物理量。電流環可以用來控制閥門位置或是其他輸出执行器。因為儀表的輸入端子可能有一個電流環的輸入是接到外殼（接地）。若要串接數個儀表，可能需要類比隔離器。

電流值和過程變數之間的關係可以透過校正來設定，將4到20 mA的信號範圍轉換為不同的工程單位。工程單位和電流之間的關係不一定要正相關。4 mA可以對應工程單位最大值，20 mA可以對應工程單位最小值。

主動設備以及被動設備
依電流環的電流來源，設備可以分為是「主動」（提供電流環電源）或是「被動」（需要電流環提供電源）。例如可以提供電流環電源，也可以提供壓強傳感器，壓強傳感器調整電流環上的電流，送訊號給圖表記錄器，但壓強傳感器不提供電源，因此是被動設備。另一個電流環可能包括被動（不供供電）的圖表記錄器、被動壓強傳感器，以及24 V電源（電源是主動設備）。「四線」（4-wire）儀表有獨立電源，不需靠電流環來供電。

面板顯示及圖表記錄器有時會稱為「指示設備」或是「過程監控」。數個被動設備可以串接在同一個電流環上，一個電流環只能有一個傳感器，也只能有一個主動設備。

類比控制信號的演進

4–20 mA信號是在1950年問世，前身是早期非常成功的3–15 psi氣壓控制信號標準，而當時的電子設備已相當便宜而且可靠，可以當成舊標準的電子版本。3–15 psi標準和4–20 mA有類似之處，都可以作為遠端設備的動力源，而且其零信號有壓力輸出。不過4–20 mA標準比較適合電子控制器。

轉換是漸進的，而且因為現場有大量已裝設的3–15 psi設備，轉換一直延續到21世紀。氣壓閥的運作相較於電子驅動的閥，在成本以及可靠度上都有優勢，因此氣壓致動仍然是工業標準。為了建構混合氣壓和電流訊號的系統，由控制器產生4–20 mA信號，但仍然可以使用氣壓閥，製造商開發了各種的電流－壓強（I to P）轉換器。一般會放在控制閥附近，將4–20 mA電流訊號轉換為3–15 psi（或0.2–1.0 bar）的壓強訊號。此訊號再輸送給閥致動器（或氣壓定位裝罝）。定位裝罝是特制的控制器，有機械連桿連接到致動器的可動部份。確保可以克服摩擦力，並且讓閥控制元件可以移動到理想的位置。也可以用更高的氣壓來讓閥動作。

隨著低價工業微控制器的開發，在1980年代中期，「智能」閥定位裝罝漸漸普及，在新架設的設備中很常使用。其中包括電流－壓強轉換器，以及閥位置以及狀態的監控。後者會透過電流環回傳控制器，使用像是HART通訊協定之類的通訊協定。

長距離電路
以往類比電流環曾用在電話線路中，是向各地電話公司租用的線路。當時常用的是4–20 mA的電流環訊號，需要點對點的直流連續性（DC ontinuity）傳輸能力，現今只有少數有專門硬體配線的電話仍使用類比電流環，其他的都已被半導體切換的技術取代了。直流連續性無法透過無線電波、光纖傳播，也無法用多接的多路電話設備傳送。
根據基本的直流電路理論，可知電路上任一點的電流都相同。4–20 mA的電流環電路，長度可以到數英哩。目前仍有舊有使用此一技術的系統。在贝尔系统的電路中，最大會用到125 VDC的直流電壓。

離散控制
電流環也可以輸送離散控制的信號，方式是用不同大小的電路表示不同的信號。在單一對信號線上可以有多個控制機能。沒有特定機能通用的電流大小標準。同一機能對應的電流大小可能會隨製造商而不同。目前幾乎通用的是0 mA表示電路故障，若有火災的可能，6 mA表示正常，15 mA可能表示有火災，0 mA是故障信號，表示線路有問題，需告知監控站。有些設備（的遠端控制設備）可以反轉電流的方向，也可以在直流信號上加上音頻信號。

這類設備可以用在許多的場合中。例如可以用電流環驅動避難的警報系統，或是讓交通號誌同步。

相關條目
 电流源
 電流電壓轉換器
 HART通訊協定
 ：德國國家標準訂定組織，訂定了4–20 mA的故障準位。
 （P&ID）：控制架構以及相關的管線以及設備

參考資料

 Lipták, Béla G. Instrumentation Engineers' Handbook. Process Measurement and Analysis. CRC Press.  2003.  HB. 

外部連結
 Fundamentals, System Design, and Setup for the 4 to 20 mA Current Loop 

 What Voltage do I need to operate my 4...20 mA transducer?  
 Current signal systems 
 How to read current loop using arduino 

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