在现代工业操控体系中，4-20 mA电流环路发送器一直是在操控中心和现场传感器/执行器之间进行数据传输最为常用的发送器，首要是因其便于装置、运用和保护。跟着气动信号被用于操控执行器，并在前期工业自动化现场作为份额操控之后，4-20 mA电流环路发送器开端被许多运用[1]。典型的压力规模是3 PSI – 15 PSI，其间3 PSI代表零度输入/输出，15 PSI代表满量输入/输出。假如气动管路产生决裂，压力将降至0 PSI，表明呈现需求修正的毛病。电子化开端遍及之后，气动管路逐步被代替，取而代之的是由放大器、晶体管和其他分立电子元件组成的4-20 mA电流环路。
您可能会问“为什么要运用电流环路?”基尔霍夫定律中指出电流在闭合环路中是稳定的。由此便能够在很长的间隔内运用4-20 mA电流环路，并且环路中任一点的电流都是稳定的，不受导线电阻的影响。当然，欧姆定律有效性的条件是具有充沛的环路电压。相似于气动体系，线路开裂或断开会使环路电流降为0 mA，有必要对毛病进行修正。别的，电流环路还能够相对简略地避免电气暂态导致的损坏，并且对无线电频率搅扰或电磁搅扰也具有天然的反抗才能[2]。
最常见的4-20 mA发送器类型是双线拓扑，或双线传感器发送器(见图1)。
图 1
带有双线模仿输入模块的简化双线4-20 mA传感器发送器
双线传感器发送器用于将现场的物理参数发送回模仿输入模块，以进行处理和操控。物理参数包含压力、方位、温度、电平、应变、荷载、流量、成分/杂质等。正如产品名称的表述相同，该款发送器为双线。因而，传感器的电源线与传送4-20 mA信号的两条线路相同，这也是双线4-20 mA发送器的首要规划要求。传感器、传感器调度电路和4-20 mA传送电路的作业电流有必要小于4 mA，不然发送器便无法输出4 mA零度电平[3]。
请注意，VLOOP GND不是双线发送器的接线。因而，发送器有必要创立一条部分接地线(GND)或双线GND。当发送器输出电流改动接纳器阻抗回输(RTN)接头的电压时，该双线GND有必要相对VLOOP GND上下起浮[3]。假如传感器能够电气性衔接至相对VLOOP GND的电势，则此刻需求采纳阻隔办法。该景象在热耦传感器发送器中比较常见，由于热电偶一般热短接或电气性短接至其所丈量温度的资料。
双线发送器只要一种可行性阻隔拓扑：输入阻隔双线发送器(见图2)。输入阻隔双线发送器从环形电源生成一个部分阻隔电源，该环形电源为传感器、传感器调度电路和阻隔通讯供电。阻隔势垒与发送器输出级之间最常用的数据传送办法是数字阻隔宽脉调制、单线或串行外围接口(SPI)的信号。
图 2
简化的输入阻隔双线4-20 ma传感器发送器
如上文所述，双线传感器发送器具有必定的局限性，首要原因是传感器发送器的总耗费电流有必要小于4mA。这就意味着许多类型的传感器无法运用，包含不约束电桥电流的低电阻电桥(例如100 Ω、120 Ω、350 Ω)，因其会下降电桥的敏感性和精确度。三线传感器发送器拓扑(见图3)支撑作业电流超越4mA的传感器发送器规划。
图 3
简化的三线4-20 mA传感器发送器(双线模仿输入模块)
三线传感器发送器从三线模仿输入模块接纳供电，与GND衔接以支撑传感器和调度电路的供电要求。这样可使传感器功率到达要求的水平，一起不会对传感器的输出规模形成影响(坚持欧姆定律)。这样还能够使三线发送器创立0-20 mA和0-24 mA等常用的输出电流规模。当需求电压输出时(例如 0-10 V、±10 V)，也会运用到三线传感器发送器。
假如传感器有必要与模仿输出模块供电和GND电势阻隔，三线发送器则也有一个阻隔拓扑：输入阻隔三线发送器。输入阻隔三线发送器的阻隔结构与输入阻隔双线发送器相相似。在传感器信息经阻隔势垒发送至三线发送器输出级之前，会为传感器和传感器调度电路生成一个部分阻隔供电。
图 4
简化的输入阻隔三线传感器发送器
定论
虽然4-20 mA电流环路发送器已面世数十年，但它至今仍被广泛用于工业工厂自动化和操控运用中。现场级双线和三线传感器发送器占有了运用三线可编程逻辑操控器(PLC)模仿输入商场的大部分商场份额，其他则被四线传感器发送器占有。
