4-20ma模拟量输出怎么测量

测量4-20mA模拟量输出信号是工业自动化、过程控制中非常常见的任务。以下是几种常用的测量方法，从简单到专业：

核心原理

4-20mA信号是一个电流环信号。要测量电流，必须将测量仪表(如万用表)串联在电流回路中。绝对禁止直接将表笔并联在信号线两端测量电压(除非使用特定方法，见下文方法3)。

常用测量方法

方法1：使用数字万用表 (DMM) 串联测量 (最常用)

1. 断电 (强烈推荐，安全第一!):在断开信号线之前，尽可能给整个回路断电。如果无法断电，操作务必极其小心，避免短路或触电。

2. 断开回路:找到需要测量的4-20mA输出设备(如变送器、PLC模拟量输出模块)的信号输出线(通常是正极 `+` 或 `LOOP+`)。

3. 设置万用表:

将万用表旋钮转到直流电流测量档 (`A` 或 `mA`, `μA`)。

选择`mA`量程(通常选择20mA或200mA档位)。

将红表笔插入万用表的`mA`插孔。

将黑表笔插入万用表的`COM`插孔。

4. 串联接入回路:

将万用表的红表笔触碰设备断开的那根信号输出线 (`+`)。

将万用表的黑表笔触碰该信号线原本要连接的去向(通常是接收设备如PLC、DCS、记录仪的输入正端 `+` 或 `LOOP+`)。

此时，万用表成为了电流回路的一部分。

5. 通电读数:

给回路重新通电。

观察万用表显示的电流值。正常应在4mA到20mA之间(或接近0-20mA范围，取决于设备状态)。

6. 断电恢复:

测量完成后，先断电。

拆下万用表表笔。

将断开的信号线重新牢固连接回原来的位置。

重新通电。

优点:直接、准确、成本低(只需常用万用表)。

缺点:需要物理断开线路，操作相对麻烦，有误操作导致回路开路或短路的-风险(开路会使接收端无信号，短路可能损坏设备)。

方法2：使用过程校验仪 (Process Calibrator)

过程校验仪是专门用于校准和测试过程仪表的工具，通常具有高精度测量和模拟4-20mA信号的功能。

1. 断电或不断电操作 (校验仪通常支持在线测量):

断电串联:操作同万用表方法1，将校验仪设置为`mA测量`模式，串联接入回路。

在线测量 (更常用):许多校验仪有`毫安钳`功能或`无源测量`功能，允许在不断开回路的情况下测量电流：

毫安钳:类似电流钳表，将钳口夹住一根信号线即可非接触测量(但低电流如4mA测量精度可能受限)。

无源测量:校验仪自身不需要电源，直接以低阻抗模式并联在回路中测量电流(校验仪内部等效为一个精密取样电阻)。这不会显著中断电流回路。

2. 设置校验仪:选择`mA测量`功能。

3. 连接:

串联: 同万用表。

在线: 将校验仪的测量端子(通常是 `+` 和 `-`)并联在信号输出设备(如变送器)的输出端子上(不是接收端!)。

4. 通电读数:读取校验仪显示的电流值。高级校验仪还能同时显示百分比、进行记录等。

优点:功能强大，精度高，支持在线测量(减少停机)，可同时模拟信号进行回路测试。

缺点:成本较高，主要用于专业维护校准人员。

方法3：测量回路电压降 (间接测量)

如果无法或不便断开回路测量电流，可以通过测量回路中已知负载电阻两端的电压降，根据欧姆定律 `I = V / R` 计算电流。这是PLC/DCS系统内部读取信号的方式。

1. 确定负载电阻 (Rload):

接收设备(PLC/DCS模拟量输入模块)内部通常有一个标准的精密采样电阻，最常见的是250Ω。查看设备手册确认其阻值。

2. 测量电压:

将万用表旋钮转到直流电压测量档 (`V` 或 `VDC`)。

选择合适量程(如2V或20V档)。

将万用表的红表笔触碰接收设备(如PLC模块)的信号输入正端 (`+` 或 `AI+`)。

将万用表的黑表笔触碰接收设备的信号输入负端 (`-` 或 `AI-`)。

此时，万用表并联在接收设备的内部采样电阻两端。

3. 读数与计算:

读取万用表显示的电压值 (`Vmeas`)。

计算电流： `I (mA) = (Vmeas / Rload) * 1000`

例如，使用250Ω采样电阻：

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

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

优点:无需断开回路，操作相对简单安全(只测电压)。

缺点:

需要知道接收端采样电阻 (`Rload`) 的确切阻值(通常是250Ω，但务必确认)。

测量精度依赖于采样电阻的精度和万用表的电压测量精度。

如果回路中没有负载电阻(极少见)，此方法无效。

无法区分是信号源输出问题还是线路电阻过大导致压降的问题。

测量结果解读与故障排查

4mA:通常代表信号下限(如传感器量程的0%)。也可能是设备故障(零点漂移)或回路开路(实际应为0mA，但有些设备开路检测会强制输出低报警值如3.8mA)。

20mA:通常代表信号上限(如传感器量程的100%)。也可能是设备故障(饱和)或回路短路(实际电流可能非常大，但设备可能有限流保护)。

0mA:几乎总是回路开路!检查保险丝、接线端子松动、导线断开、设备未供电或损坏。

20mA:通常是回路短路!检查信号线是否对地短路或对电源短路。也可能是设备输出故障。

读数不稳定/跳动:检查接线是否松动、接触不良。检查是否有强电磁干扰。设备本身故障或电源波动。

读数偏差大:设备需要校准。传感器故障。线路电阻过大(尤其在长距离传输时，要确保电源电压足够驱动整个回路的总电阻)。

重要安全注意事项

1. 断电操作:在断开或连接线路前，强烈建议断开回路电源。工业现场可能有24VDC，也可能有更高电压(如为变送器供电的220VAC)，存在触电风险。

2. 确认量程:测量电流前，务必确认万用表表笔插在正确的插孔(`mA`孔)，且档位选在`mA`档。错误地使用电流档去测量电压会直接导致短路，可能损坏设备、烧毁万用表保险丝甚至造成人身伤害!

3. 防止开路:4-20mA回路设计上是连续的。在串联测量完成后，必须先断电，再拆除万用表并恢复线路。带电断开串联的万用表会造成回路开路，导致控制系统接收不到信号(相当于故障状态)。

4. 防止短路:操作时小心表笔，避免无意中将信号线正负极短接。

5. 了解设备:操作前查阅相关设备(信号源、接收端)的手册，了解其接线方式和电气特性。

6. 使用合适工具:确保万用表或校验仪的精度和量程满足测量要求。对于安全关键回路，使用经过校准的仪表。

总结：对于大多数现场维护人员，方法1(万用表串联)是最直接实用的方法，但务必注意安全和操作步骤。方法3(测压降算电流)是不断开回路的常用替代方案，尤其适合在PLC柜内测量输入信号。方法2(过程校验仪)是专业维护和校准的首选工具。选择哪种方法取决于现场条件、可用工具和操作人员的经验。安全、准确、避免干扰生产过程是关键原则。