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(hào)的變送器，其工作原理和結(jié)構(gòu)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(yīng)用的結(jié)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(fù)責(zé)電源的供應(yīng)，另外兩根線負(fù)責(zé)輸出被轉(zhuǎn)換放大的信號(hào)(如電壓、電流、等)。ddz-ⅱ型電動(dòng)單元組合儀表的出現(xiàn)，供電為220v.ac，輸出信號(hào)為0--10ma.dc的四線制變送器得到了廣泛的應(yīng)用,目前在有些工廠還可見到它的身影。

七十年代我國(guó)開始生產(chǎn)ddz-ⅲ型電動(dòng)單元組合儀表，并采用國(guó)際電工委員會(huì)(iec)的:過程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。即儀表傳輸信號(hào)采用4-20ma.dc,聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用1-5v.dc，即采用電流傳輸、電壓接收的信號(hào)系統(tǒng)。采用4-20ma.dc信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)儀表就可實(shí)現(xiàn)兩線制。但限于條件，當(dāng)時(shí)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。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)兩線制變送器的產(chǎn)品范圍也大大擴(kuò)展了，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多。同時(shí)從國(guó)外進(jìn)來的變送器也是兩線制的居多。

因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)兩線制變送器必須同時(shí)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(fù)載電阻和傳輸導(dǎo)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(duì)多數(shù)儀表而言emin=24(1-5%)=22.8v,5%為24v電源允許的負(fù)向變化量；

imax=20ma；

imin=4ma；

rlmax=250ω+傳輸導(dǎo)線電阻。

如果變送器在設(shè)計(jì)上滿足了上述的三個(gè)條件，就可實(shí)現(xiàn)兩線制傳輸。所謂兩線制即電源、負(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線，這兩根電線既是電源線又是信號(hào)線。兩線制變送器由于信號(hào)起點(diǎn)電流為4ma.dc，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4ma.dc，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識(shí)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(hào)為4-20ma.dc，負(fù)載電阻為250ω，24v電源的負(fù)線電位最低，它就是信號(hào)公共線，對(duì)于智能變送器還可在4-20ma.dc信號(hào)上加載hart協(xié)議的fsk鍵控信號(hào)。

由于4-20ma.dc(1-5v.dc)信號(hào)制的普及和應(yīng)用，在控制系統(tǒng)應(yīng)用中為了便于連接，就要求信號(hào)制的統(tǒng)一，為此要求一些非電動(dòng)單元組合的儀表，如在線分析、機(jī)械量、電量等儀表，能采用輸出為4-20ma.dc信號(hào)制，但是由于其轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜、功耗大等原因，難于全部滿足上述的三個(gè)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(hào)有4-20ma.dc，負(fù)載電阻為250ω，或者0-10ma.dc，負(fù)載電阻為0-1.5kω；有的還有ma和mv信號(hào)，但負(fù)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(fù)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(hào)輸出正端用一根線，電源負(fù)端和信號(hào)負(fù)端共用一根線。其供電大多為24v.dc，輸出信號(hào)有4-20ma.dc，負(fù)載電阻為250ω或者0-10ma.dc，負(fù)載電阻為0-1.5kω；有的還有ma和mv信號(hào)，但負(fù)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(gè)圖中，輸入接收儀表的是電流信號(hào)，如將電阻rl并聯(lián)接入時(shí)，則接收的就是電壓信號(hào)了。

從上面敘述可看出，由于各種變送器的工作原理和結(jié)構(gòu)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(duì)于用戶而言，選型時(shí)應(yīng)根據(jù)本單位的實(shí)際情況，如信號(hào)制的統(tǒng)一、防爆要求、接收設(shè)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(hào)，由于其輸出電路原理及結(jié)構(gòu)與兩線制的是不一樣的，因此在應(yīng)用中其輸出負(fù)端能否和24v電源的負(fù)線相接?能否共地?這是要注意的，必要時(shí)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?wù)剝删€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(huì)有那么多的線制了，由用戶來改動(dòng)線制是很困難的，再者實(shí)際意義也不大。

如果要把傳輸信號(hào)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(diǎn)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(dāng)變送器在負(fù)載電阻為0-1.5kω時(shí)，與其串聯(lián)的反饋動(dòng)圈電阻2kω左右，當(dāng)輸出為10ma時(shí)，這兩部分的電壓降將大于24v,也就是說用24v.dc供電，負(fù)載為0-1.5kω時(shí)，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(duì)原來的變送器電路進(jìn)行改進(jìn)，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(fù)向電流來抵消負(fù)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(yīng)用。