兩線制、三線制、四線制的原理及其區(qū)別

所謂的兩線制、三線制、四線制，是指各種輸出為模擬直流電流信號的變送器，其工作原理和結構上的區(qū)別，而并非只指變送器的接線形式。

幾線制的稱謂，是在兩線制變送器誕生后才有的。這是電子放大器在儀表中廣泛應用的結果，放大的本質(zhì)就是一種能量轉(zhuǎn)換過程，這就離不開供電。因此最先出現(xiàn)的是四線制的變送器；即兩根線負責電源的供應，另外兩根線負責輸出被轉(zhuǎn)換放大的信號(如電壓、電流、等)。ddz-⑿偷綞單元組合儀表的出現(xiàn)，供電為220v.ac，輸出信號為0--10ma.dc的四線制變送器得到了廣泛的應用,目前在有些工廠還可見到它的身影。

七十年代我國開始生產(chǎn)ddz-Ｐ偷綞單元組合儀表，并采用國際電工委員會(iec)的:過程控制系統(tǒng)用模擬信號標準。即儀表傳輸信號采用4-20ma.dc,聯(lián)絡信號采用1-5v.dc，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng)。采用4-20ma.dc信號，現(xiàn)場儀表就可實現(xiàn)兩線制。但限于條件，當時兩線制僅在壓力、差壓變送器上采用，溫度變送器等仍采用四線制?，F(xiàn)在國內(nèi)兩線制變送器的產(chǎn)品范圍也大大擴展了，應用領域也越來越多。同時從國外進來的變送器也是兩線制的居多。

因為要實現(xiàn)兩線制變送器必須同時滿足以下條件:

1．v≤emin-imaxrlmax

變送器的輸出端電壓v等于規(guī)定的最低電源電壓減去電流在負載電阻和傳輸導線電阻上的壓降。

2. i≤imin

變送器的正常工作電流i必須小于或等于變送器的輸出電流。

3. p＜imin(emin-iminrlmax)

變送器的最小消耗功率p不能超過上式,通常＜90mw。

式中:emin=最低電源電壓，對多數(shù)儀表而言emin=24(1-5%)=22.8v,5%為24v電源允許的負向變化量；

imax=20ma；

imin=4ma；

rlmax=250ω+傳輸導線電阻。

如果變送器在設計上滿足了上述的三個條件，就可實現(xiàn)兩線制傳輸。所謂兩線制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡及供電僅用兩根電線，這兩根電線既是電源線又是信號線。兩線制變送器由于信號起點電流為4ma.dc，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時儀表電氣零點為4ma.dc，不與機械零點重合，這種“活零點”有利于識別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全柵,利于安全防爆。

兩線制變送器如圖一所示，其供電為24v.dc，輸出信號為4-20ma.dc，負載電阻為250ω，24v電源的負線電位最低，它就是信號公共線，對于智能變送器還可在4-20ma.dc信號上加載hart協(xié)議的fsk鍵控信號。

由于4-20ma.dc(1-5v.dc)信號制的普及和應用，在控制系統(tǒng)應用中為了便于連接，就要求信號制的統(tǒng)一，為此要求一些非電動單元組合的儀表，如在線分析、機械量、電量等儀表，能采用輸出為4-20ma.dc信號制，但是由于其轉(zhuǎn)換電路復雜、功耗大等原因，難于全部滿足上述的三個條件，而無法做到兩線制，就只能采用外接電源的方法來做輸出為4-20ma.dc的四線制變送器了。

四線制變送器如圖二所示，其供電大多為220v.ac，也有供電為24v.dc的。輸出信號有4-20ma.dc，負載電阻為250ω，或者0-10ma.dc，負載電阻為0-1.5kω；有的還有ma和mv信號，但負載電阻或輸入電阻，因輸出電路形式不同而數(shù)值有所不同。

有的儀表廠為了減小變送器的體積和重量、并提高抗干擾性能、減化接線，而把變送器的供電由220v.ac改為低壓直流供電，如電源從24v.dc電源箱取用，由于低壓供電就為負線共用創(chuàng)造了條件，這樣就有了三線制的變送器產(chǎn)品。

三線制變送器如圖三所示，所謂三線制就是電源正端用一根線，信號輸出正端用一根線，電源負端和信號負端共用一根線。其供電大多為24v.dc，輸出信號有4-20ma.dc，負載電阻為250ω或者0-10ma.dc，負載電阻為0-1.5kω；有的還有ma和mv信號，但負載電阻或輸入電阻，因輸出電路形式不同而數(shù)值有所不同。

以上三個圖中，輸入接收儀表的是電流信號，如將電阻rl并聯(lián)接入時，則接收的就是電壓信號了。

從上面敘述可看出，由于各種變送器的工作原理和結構不同，從而出現(xiàn)了不同的產(chǎn)品，也就決定了變送器的兩線制、三線制、四線制接線形式。對于用戶而言，選型時應根據(jù)本單位的實際情況，如信號制的統(tǒng)一、防爆要求、接收設備的要求、投資等問題來綜合考慮選擇。

要指出的是三線制和四線制變送器輸出的4-20ma.dc信號，由于其輸出電路原理及結構與兩線制的是不一樣的，因此在應用中其輸出負端能否和24v電源的負線相接?能否共地?這是要注意的，必要時可采取隔離措施，如用配電器、安全柵等，以便和其它儀表共電、共地及避免附加干擾的產(chǎn)生。

最后談談兩線制改四線制、四線制改兩線制的問題。

從上述可知各種線制變送器都能存在，那總是有存在的理由，否則就不會有那么多的線制了，由用戶來改動線制是很困難的，再者實際意義也不大。

如果要把傳輸信號為0-10ma.dc的四線制變送器改為兩線制，首先遇到的問題，就是其起始電流為零，在電流為零狀態(tài)下，變送器的電子放大器是無法建立工作點的，因此將難于正常工作。如果用直流電源，并保證儀表原來的恒流特性，當變送器在負載電阻為0-1.5kω時，與其串聯(lián)的反饋動圈電阻2kω左右，當輸出為10ma時，這兩部分的電壓降將大于24v,也就是說用24v.dc供電，負載為0-1.5kω時，要保證恒流特性是不可能的，也就談不上用兩線制傳輸了。

70年代曾有儀表廠做過把0-10ma.dc的四線制變送器改為兩線制變送器的工作，具體做法是:對原來的變送器電路進行改進，并將供電電壓提高至48v.dc，但變送器的起始電流仍不能為零，為此采用負向電流來抵消負載電阻上的起始輸出4ma的電流。但這樣的產(chǎn)品也沒有能得到推廣和應用。