數位壓力錶 4-20mA：輸出訊號、迴路接線、量程換算與選型完整指南

第 1 章：4-20mA 迴路原理與系統架構

要把數位壓力錶與 4-20mA 放在同一個系統裡正確運作，必須先理解 4-20mA 本身是怎麼工作的。這一章會從訊號定義、兩線式迴路、迴路負載計算、mA 與壓力換算，到 HART 通訊與常見的 PLC 輸入方式，建立後面選型所需要的基本框架。

1.1 訊號定義：4 mA 是零，20 mA 是滿量程

4-20mA 把一支壓力儀表的量測範圍對應到 4 mA 至 20 mA 的電流。壓力為量程下限時輸出 4 mA，壓力為量程上限時輸出 20 mA，中間呈線性關係。有效的量測幅度是 16 mA，因此每增加 1% 的量程，電流增加 0.16 mA。

為什麼零點不是 0 mA，而是 4 mA？這個設計稱為「活零點」（live zero）。如果零點是 0 mA，控制系統就無法分辨「壓力真的是零」與「線斷了、電源掉了、傳送器故障了」。活零點讓 4 mA 以下的電流成為診斷區間：只要 PLC 讀到接近 0 mA，就知道迴路有異常，而不是壓力為零。工業界常用的 NAMUR NE43 建議，把 3.8 mA 至 20.5 mA 視為有效量測範圍，低於 3.6 mA 或高於 21 mA 則視為故障訊號，讓控制系統能自動辨識並進入安全狀態。

1.2 mA 與壓力的換算公式

設量程下限為 P0、上限為 P1，量測壓力為 P，則輸出電流 I（單位 mA）為：

表 1-1：量程 0～10 bar 的壓力與電流對照

資料來源：依 4-20mA 標準線性關係計算。電流與電壓為理想值，實際讀值會受儀表精度與取樣電阻誤差影響。

1.3 兩線式迴路：供電與訊號走同一對線

最常見的 4-20mA 壓力傳送器是兩線式（loop-powered）：電源與訊號共用同一對電纜。24 VDC 電源的正端接傳送器，傳送器依壓力大小「調節」流過迴路的電流，電流流經 PLC 類比輸入模組內部（或外接）的取樣電阻，再回到電源負端。PLC 量測的是取樣電阻兩端的電壓，換算後得到電流，再換算成壓力。兩線式的好處是配線少、成本低，而且電流在整條迴路上處處相等，不會因為電纜長度造成衰減，所以特別適合長距離傳輸。

1.4 迴路電壓預算：24V 能帶多大的負載

兩線式傳送器需要最低工作電壓才能正常運作，常見為 12 VDC 左右，實際以各型號規格為準。電源電壓扣掉傳送器最低工作電壓，剩下的電壓就是迴路可承受的「負載電壓」，用歐姆定律在 20 mA 下換算成最大迴路電阻：

表 1-2：迴路電壓預算試算範例（假設值）

說明：本表為教學試算，實際專案請依傳送器與輸入模組的規格書逐項核對。

1.5 兩線式、三線式與四線式的差異

除了最常見的兩線式，現場也會看到三線式與四線式的類比輸出。兩線式只有一對線，電源與訊號共用；三線式有電源正、電源負與訊號輸出，電源負與訊號共地；四線式則是電源與訊號各用一對線，彼此隔離。當傳送器功耗較大（例如帶有大型顯示器或繼電器輸出）、或需要電氣隔離時，會選擇三線式或四線式。選型時要特別注意：PLC 輸入模組是否支援該種接線，尤其是「被動輸入」與「主動輸入」的差別。被動輸入的模組需要外部迴路電源，主動輸入的模組則自己提供 24V 給傳送器。若搞反，常見現象是讀值恆為 0 mA 或迴路完全沒有電流。

1.6 HART 通訊：在 4-20mA 上疊加數位資料

HART 是在 4-20mA 類比訊號上疊加低振幅頻率偏移鍵控訊號（約 1200 Hz 與 2200 Hz）的通訊方式，疊加的訊號平均值為零，因此不影響類比讀值。透過 HART，工程師可以在不停機的情況下讀取傳送器的型號、量程、診斷資訊，並遠端修改設定。使用 HART 時，迴路中必須有足夠的總電阻（常見要求為 230～250 Ω 以上）才能讓通訊正常，這也是為什麼許多系統會刻意保留 250 Ω 的取樣電阻。昶特官網上的 SDPT-3100 與 PTX-CC 等型號，產品說明均提到 HART 通訊與遠端診斷，需要這個功能的專案可優先考慮。

1.7 PLC 輸入解析度與整體精度

傳送器標示的精度只是整個量測鏈中的一環。PLC 的類比輸入模組有自己的解析度與誤差，取樣電阻也有容許偏差。下表列出常見輸入模組位元數對應的理想解析度：

表 1-3：輸入模組位元數與理想解析度

說明：理想值未計入模組實際有效位數、線性誤差與雜訊。若模組輸入範圍涵蓋 0～20 mA，4-20mA 只佔其中 80%，有效計數會再略為減少。

若傳送器精度為 ±0.5%、PLC 輸入模組誤差為 ±0.1%、取樣電阻誤差為 ±0.1%，且三者彼此獨立，則以方和根估算的整體誤差約為 √(0.5² + 0.1² + 0.1²) ≈ 0.52%。可以看出，整體誤差主要由傳送器決定，因此在需要較高精度的製程，應優先提升感測端的精度等級，而不是只換輸入模組。

1.8 隔離器與突波保護：什麼時候需要多加一個元件

在簡單的單點迴路中，傳送器、電源與 PLC 輸入直接串聯就能運作。但在較大型的廠房或較嚴苛的環境，迴路中常會加入訊號隔離器與突波保護器，這兩個元件的目的不同，需要的場合也不同。

訊號隔離器的作用，是把輸入端與輸出端在電氣上分開，同時保持類比訊號不變。它能解決三類問題：第一，多個迴路共用電源或接地時，彼此之間產生的接地迴路電流會干擾量測，隔離器可以切斷這條路徑；第二，現場與控制室之間存在地電位差時，隔離器可避免電位差直接疊加在訊號上；第三，當現場位於需要隔離的區域，例如危險區域，隔離器（尤其是具備安全認證的型式）可限制進入危險區域的能量。使用隔離器時，要把它的輸入阻抗與電壓降計入迴路電壓預算，有些隔離器本身還會提供迴路電源，可以簡化設計。

突波保護器的作用，則是把雷擊感應或電源切換造成的瞬間高電壓導向大地，保護傳送器與 PLC 輸入模組。戶外長距離配線、架空電纜、靠近高大金屬結構的點位，遭遇突波的機率較高。突波保護器通常串聯在迴路兩端，安裝在進入控制盤與進入傳送器的位置，並需要良好的接地才能發揮效果。它同樣會增加少量的迴路電阻，也要一併納入預算。

表 1-4：隔離器與突波保護器的比較

說明：實際選用要依現場環境、法規與安全要求評估，並核對元件的額定電壓與電流。

第 3 章：完整儀表清單與三種配置方式

前兩章建立了原理與工況的基礎，這一章回到最實際的問題：一個需要「看得到、傳得出」的壓力點位，到底要買哪些東西？依據需求的不同，主要有三種配置方式，各有適用的場合與取捨。

3.1 三種配置方式一次看懂

配置 A：數位壓力錶（純現場顯示）

以數位壓力錶直接在現場讀值，不需要接入控制系統。這是最簡單、安裝最快的方式，適合巡檢、校驗、設備配套與臨時量測。昶特 DPG 系列屬於這一類，依官網說明，部分型號可顯示溫度與最大／最小值，並透過藍芽或 Type-C 匯出記錄。限制是：多數型號需電池或外部供電，且主要用於現場顯示，不是為了把訊號送入 PLC 而設計的。

配置 B：數顯壓力傳送器（顯示加輸出）

一台儀表同時具備現場數位顯示與標準電流訊號輸出。現場人員能看到讀值，控制系統也能收到 4-20mA。這是「數位壓力錶 4-20mA」需求最直接的對應。昶特的 SPT-X 工業型數顯壓力傳送器，以及具備 HART 通訊的 SDPT-3100，都適合考慮。優點是點位簡單、接線少；缺點是顯示的視野與位置受限於傳送器的安裝位置，若傳送器裝在高處或不易觀察的位置，現場讀值就不方便。

配置 C：壓力傳送器加盤面型數位顯示錶

傳送器負責感測與輸出 4-20mA，盤面型數位顯示錶則安裝在控制盤、操作面板或人員容易看到的位置，接收電流訊號後以多位數顯示，並可設定警報點。昶特官網的數位顯示量測錶系列包含 ATM-DA5H-A 類比訊號量測錶（5 位數雙警報）與 ATM-MF5H-A 5 位數多功能量測錶等型號。這種配置的好處是：傳送器可以放在最適合取壓的位置，顯示器放在最方便閱讀的位置，兩者分離，各自最佳化。代價是多一個元件與多一組接線，並且要把顯示器的輸入阻抗算進迴路電壓預算。

表 3-1：三種配置方式比較

資料來源：昶特官網產品分類與規格說明；各項目依訂購規格而異，請以報價資料為準。

3.2 一個完整點位的儀表與配件清單

無論選擇哪一種配置，一個設計完整的壓力量測點位，除了儀表本身，還需要一系列配件才能長期穩定運作。許多現場問題其實出在配件被省略，而不是儀表品質。下表整理了一個典型點位會用到的元件與角色。

表 3-2：壓力量測點位的完整儀表與配件清單

說明：表中「昶特官網對應類別」取自官網產品分類名稱，實際可供應型號與規格請洽業務確認。

3.3 五個問題，快速決定配置方式

1. 控制系統需要收到壓力訊號嗎？若需要，排除配置 A，進入配置 B 或 C。
2. 現場人員是否需要在取壓點旁邊直接讀值？若需要，且取壓點易於觀察，優先配置 B。
3. 顯示位置與取壓位置是否分離？例如取壓點在機台深處，顯示卻必須在操作面板，則配置 C 較合適。
4. 是否需要在顯示端設定警報？若需要，配置 C 的盤面型顯示錶通常更直接。
5. 點位是否位於高溫、腐蝕或防爆區域？若是，先決定傳送器的材質、隔膜與防爆等級，再回頭決定顯示方式。

3.4 採購規格書要寫什麼：避免來回確認

許多專案在詢價階段的往返，大多是因為資料不齊。以下是詢價 4-20mA 壓力儀表時，建議一次提供的資料。昶特官網也提供採購規格產生器與「壓力錶詢價前要準備哪些資料」的文章，可協助整理。

表 3-3：詢價規格資料清單

3.5 常見場合的配置範例

• 空壓站：排氣總管需要把壓力送入控制系統，現場也要看得到。可考慮配置 B，並在取壓點加裝針閥抑制脈動。
• 冰水主機與冷卻水塔：多點位分散在各樓層，現場維護要看讀值，機房控制盤要有集中顯示。可考慮在關鍵點位用配置 B，並在機房盤面加裝配置 C 的顯示錶。
• 液壓站：脈動與尖峰明顯，量程宜取較大，現場讀值可選 LED 高亮度的數位壓力錶作為輔助，控制訊號由專用傳送器提供。
• 食品與製藥管線：需要衛生型接頭與可清潔的外殼，接液材質與清潔流程（如 CIP、SIP）要先確認，再決定儀表型式。
• 校驗與品保實驗室：以高精度數位壓力錶作為標準器，現場傳送器則依年度計畫定期比對。

3.6 別忘了機械式指針錶作為備援

數位儀表需要供電，一旦電源異常或電子元件故障，現場就失去讀值。對於安全相關、或無法容忍「看不到壓力」的點位，常見做法是在同一取壓管路上，另外加裝一支不需供電的指針式壓力錶作為備援。昶特官網也在數位與指針式的比較中指出，無電源、單純現場目視的場合，指針式壓力錶仍是穩健選擇。兩種儀表並用，既有數位的精度與記錄功能，也有機械式的可靠性，是許多重要點位的標準配置。

3.7 現場接線與施工步驟：一步一步做，少走回頭路

配置決定之後，施工品質決定了系統能不能一次到位。以下是 4-20mA 壓力點位從安裝到送電的建議流程，適用於一般工業現場。每一步都有其用意，跳過任何一步，往往要在試車階段以數倍的時間補回來。

1. 確認系統狀態：安裝或更換儀表前，管路必須完全洩壓，並確認取壓閥已關閉；控制盤端的迴路電源也要先斷電並掛上標示，避免誤送電。
2. 安裝取壓閥與管件：先裝取壓閥，再裝阻尼元件或虹吸管，最後裝儀表。螺紋依規格使用密封膠帶或墊片，NPT 與平行螺紋不可混用。
3. 鎖緊儀表：只用扳手夾持接頭六角部位，不可握著殼體直接旋轉。對錶殼施力會讓內部感測器承受應力，造成零點偏移。
4. 敷設訊號電纜：使用屏蔽雙絞線，與動力線分開走線，必須交叉時以直角交叉。電纜入口使用合適的電纜固定頭，並讓電纜在進入傳送器前形成向下的滴水彎，避免水沿電纜流入接線盒。
5. 端子接線：依傳送器接線圖，確認正負極性。兩線式傳送器的正端接電源正，負端接 PLC 輸入的正端，PLC 輸入的負端回到電源負。接線完成後，旋緊端子並拉扯確認。
6. 串入電流錶預先量測：送電前，在迴路中串入電流錶，送電後先確認電流落在 3.8 mA 至 20.5 mA 之間，若為 0 mA，立即回頭檢查極性、電源與輸入型式。
7. 零點與滿量程檢查：洩壓後確認接近 4 mA，再施加量程上限壓力，確認接近 20 mA，並取中間點驗證。
8. 標示與記錄：在傳送器與端子排貼上位號、量程與單位，把接線圖、量程與設定值整理成文件，交付給維護單位。

表 3-4：常見迴路型式的端子連接對照

說明：實際端子標示與接線方式因儀表型號與輸入模組而異，施工前請務必以各產品的接線圖為準。

3.8 PLC 端的工程值換算與參數設定

儀表送出的是電流，PLC 內部看到的則是整數計數值，最後工程師與操作員要看的是 bar、kPa 或 MPa 這類工程單位。這中間的換算如果設定錯誤，即使傳送器完全正常，畫面上的壓力也會是錯的。常見的做法是先確認輸入模組的計數範圍，再用線性比例換算。

以某些輸入模組以 0 至 27648 計數對應 0 至 20 mA 為例，4 mA 約對應 5530 計數，20 mA 對應 27648 計數。若傳送器量程為 0～10 bar，則工程值的計算式為：

除了換算，還有幾項設定經常被忽略，它們對系統的可靠度影響很大：第一，設定斷線與超範圍診斷，讓計數值低於 4 mA 對應值一個容許範圍時，就產生故障警報，而不是顯示一個看起來合理的壓力；第二，設定適當的濾波時間，兼顧雜訊抑制與反應速度；第三，設定高高、高、低、低低四段警報，並加上延遲與遲滯，避免壓力在警報點附近來回時，警報頻繁觸發與復歸；第四，確認取樣週期，若要捕捉短暫的壓力尖峰，PLC 的掃描時間與類比模組的更新時間都需要納入考量。

表 3-5：PLC 端類比輸入的建議設定清單

說明：以上為通用建議，實際設定請依 PLC 型號、製程需求與安全要求調整。

第 5 章：情境案例研究與投資回收試算

本章以一個匿名化的「情境案例」說明，把純現場讀值的壓力點位升級為 4-20mA 監控架構時，效益大致如何估算。需要特別說明：下列案例為依典型工廠條件設計的試算模型，所有數字均為假設值，用來示範計算方法，並非昶特客戶的實際成效數據。你可以把自己工廠的實際數字代入同樣的方法，得到更貼近現實的評估。

5.1 案例背景（情境設定）

北台灣某中型食品加工廠（匿名情境），廠內有空壓站、冷卻水循環、蒸汽鍋爐與清洗用水管線，共 12 個需要管理的壓力點位。原先全部使用指針式壓力錶，由現場人員每天巡檢三次、抄錄在紙本表單上。廠務主管希望：第一，壓力異常能更早被發現；第二，品保稽核時能提出完整的壓力記錄；第三，降低巡檢的人力負擔。

5.2 遭遇的問題

• 異常發現太慢：兩次巡檢之間發生的壓力異常，往往要到下一輪巡檢才被注意到，發現時間不確定。
• 記錄不完整：紙本抄錄會漏點、寫錯、字跡難辨，稽核時需要花很多時間整理。
• 儀表壽命不穩定：空壓站排氣與泵浦出口的點位，指針錶偶爾出現指針抖動、零點偏移，需要更換。
• 讀值爭議：同一管線上不同位置的兩支錶讀值有差距，現場無法判斷哪一個準。
• 巡檢耗時：每次巡檢要繞完全廠，佔用維護人員大量時間。

圖 5-1：情境案例中的基礎配置以數顯壓力傳送器為核心（示意產品：ATLANTIS SPT-X）。

5.3 解決方案：分三階段導入

第一階段：盤點與量程重選

先以具最大值記錄功能的數位壓力錶，在各點位量測一週，記下正常壓力、尖峰壓力與脈動情況，再依 30% 至 70% 的原則與尖峰餘裕，重新決定每個點位的量程。這個階段的產出是一份點位清單，包含介質、壓力範圍、安裝位置與建議的儀表型式。

第二階段：關鍵點位升級為 4-20mA

針對異常會直接影響生產與安全的點位（例如空壓站排氣總管、冷卻水供水與蒸汽管路），改為數顯壓力傳送器，現場可看讀值，同時把 4-20mA 接入 PLC，設定高低限警報。脈動明顯的點位加裝針閥或阻尼元件，蒸汽點位加裝虹吸管。

第三階段：記錄、備援與校正計畫

在控制盤加裝盤面型數位顯示錶，集中顯示最關鍵的三個壓力；PLC 自動記錄壓力曲線並保存；安全相關點位保留一支指針式壓力錶作為斷電備援；以高精度數位壓力錶作為標準器，訂定每年定期比對與校正的計畫。

5.4 成效試算（假設值）

下表以 12 個點位、每年 300 個工作日為基礎，列出導入前後的假設差異。

表 5-1：情境案例導入前後指標對照（假設值）

說明：本表為教學用試算模型，數值為假設，非實際客戶資料。實際成效依工廠規模、點位數與管理方式而異。

5.5 投資回收試算（以工時表示，不含設備採購成本）

由於昶特產品為報價制，本文不列出金額。以下改以「工時」衡量投入與節省，讓你可以先評估人力面的回收速度，再把實際報價代入，得到完整的回收期。

表 5-2：一次性投入與每年節省（以工時計，假設值）

說明：工時為假設值。實際回收期請將儀表與配件報價、人工單價代入下方公式。

5.6 導入時的驗收測試清單

案例成功與否，不只看「裝完了」，更要看「驗收有沒有做」。建議在每個點位完成後，至少進行下列測試：

1. 零點確認：系統完全洩壓後，現場顯示應接近零，迴路電流應接近 4 mA。
2. 滿量程確認：以校驗設備施加量程上限壓力，迴路電流應接近 20 mA。
3. 中間點確認：至少取 25%、50%、75% 三點，比對標準器、現場顯示與 PLC 讀值。
4. 斷線測試：人為斷開迴路，PLC 應顯示故障警報，而不是壓力為零。
5. 警報測試：確認高低限警報能正確觸發與復歸，並傳送到負責人員。
6. 記錄測試：確認 PLC 的壓力曲線能被保存與讀取，單位與換算正確。

這些測試的結果建議留存紙本或電子紀錄，作為日後校正週期與稽核的基準資料。昶特官網也有現場校正與校正週期的整理文章，可延伸參考。

5.8 導入專案常見的失敗模式與預防

除了情境試算的好處，也要誠實面對導入過程中常見的失敗模式。以下整理的是工程實務上反覆出現的問題，它們多半不是單一原因造成，而是規劃、施工與維護各階段的小疏忽累積的結果。了解這些模式，可以在專案一開始就把預防措施放進規格與驗收項目。

表 5-3：4-20mA 壓力量測專案的常見失敗模式

說明：本表整理自常見工程實務，並非特定案例的統計資料。

這些失敗模式有一個共同點：幾乎都可以在設計與驗收階段用很低的成本避免。例如，在規格書中明確寫出輸入型式、在施工圖上標示取壓位置與管路走向、在驗收清單中加入斷線測試與警報測試，這些工作所需的時間，遠低於試車階段反覆除錯所消耗的時間。專案負責人也應該把「誰負責維護、多久校正、誰負責更新文件」這類管理問題，與技術選型同步討論，而不是在儀表裝完之後才開始處理。

最後要提醒的是，任何儀表系統都不是裝完就一勞永逸。壓力儀表會隨著使用時間與環境而漂移，傳送器會老化，電纜接點會鬆動，警報設定也會因為製程調整而需要修訂。把定期巡檢、校正與文件更新，視為系統的一部分，才能讓 4-20mA 帶來的數位化效益持續下去。

5.7 從案例中可以帶走的三件事

• 先量測、再選型：用數位壓力錶的最大值功能先抓出實際尖峰，比憑經驗選量程可靠得多。
• 關鍵點位優先升級：不必一次改完所有點位，先處理異常會造成最大影響的地方。
• 備援與校正不能省：安全點位保留機械備援，並以標準器定期比對，才能讓整個系統長期可信。

第 7 章：延伸閱讀與內部資源

如果你想把 4-20mA 數位壓力量測往更深的方向了解，以下是昶特官網上與本文主題直接相關的文章與工具。每一篇都針對不同的決策環節，可依你目前所處的階段挑選閱讀。

選型與規格確認

• 壓力傳送器與壓力錶的工業選型完全指南：釐清「只要現場讀值」與「需要訊號輸出」的差別，是本文配置 A、B、C 的延伸。
• 數位壓力錶與指針壓力錶完整比較：工廠採購決策指南：從精度、維護與適用場合，比較兩種儀表的取捨。
• 數位壓力錶原理、規格與產業應用完整指南：補充數位壓力錶本身的原理與選購重點。
• 壓力錶量程為什麼要選 1.5 至 2 倍：儀錶工程師的選型黃金法則：與本文第 2 章的量程討論互相呼應。

產品系列頁面

• 昶特 DPG 系列數位壓力錶產品頁：9 款型號的完整介紹與型號比較表。
• 壓力傳送器產品系列總覽：需要 4-20mA、HART 或防爆輸出時的起點。
• 數位顯示量測錶產品系列：盤面型顯示、警報與多功能量測錶。
• 昶特工業儀表完整產品目錄：查詢完整型號與基本規格。

校正、維護與工具

• 壓力錶多久校正一次：各產業校正週期完整指南：規劃校正計畫時的參考。
• 壓力錶現場校正完整指南：手持式校正泵操作實務與誤差診斷：現場比對與誤差診斷的實作方法。
• 數位壓力錶選型精靈：輸入條件，取得建議規格。
• 壓力錶量程計算器：快速試算量程與尖峰餘裕。
• 採購規格產生器：整理詢價所需的規格資料。
• 工業 4.0 壓力感測器整合指南：智慧製造與 IoT 遠端監控應用：當 4-20mA 要進一步接入雲端與遠端監控時的延伸閱讀。

想進一步了解昶特的品牌理念與製造背景，可閱讀昶特 ATLANTIS 品牌故事。