兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制、四線(xiàn)制的原理及其區別

所謂的兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制、四線(xiàn)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別，而并非只指變送器的接線(xiàn)形式。

幾線(xiàn)制的稱(chēng)謂，是在兩線(xiàn)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)就是一種能量轉換過(guò)程，這就離不開(kāi)供電。因此最先出現的是四線(xiàn)制的變送器；即兩根線(xiàn)負責電源的供應，另外兩根線(xiàn)負責輸出被轉換放大的信號(如電壓、電流、等)。ddz-⑿偷綞單元組合儀表的出現，供電為220v.ac，輸出信號為0--10ma.dc的四線(xiàn)制變送器得到了廣泛的應用,目前在有些工廠(chǎng)還可見(jiàn)到它的身影。

七十年代我國開(kāi)始生產(chǎn)ddz-Ｐ偷綞單元組合儀表，并采用國際電工委員會(huì )(iec)的:過(guò)程控制系統用模擬信號標準。即儀表傳輸信號采用4-20ma.dc,聯(lián)絡(luò )信號采用1-5v.dc，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統。采用4-20ma.dc信號，現場(chǎng)儀表就可實(shí)現兩線(xiàn)制。但限于條件，當時(shí)兩線(xiàn)制僅在壓力、差壓變送器上采用，溫度變送器等仍采用四線(xiàn)制?，F在國內兩線(xiàn)制變送器的產(chǎn)品范圍也大大擴展了，應用領(lǐng)域也越來(lái)越多。同時(shí)從國外進(jìn)來(lái)的變送器也是兩線(xiàn)制的居多。

因為要實(shí)現兩線(xiàn)制變送器必須同時(shí)滿(mǎn)足以下條件:

1．v≤emin-imaxrlmax

變送器的輸出端電壓v等于規定的最低電源電壓減去電流在負載電阻和傳輸導線(xiàn)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(guò)上式,通常＜90mw。

式中:emin=最低電源電壓，對多數儀表而言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(xiàn)電阻。

如果變送器在設計上滿(mǎn)足了上述的三個(gè)條件，就可實(shí)現兩線(xiàn)制傳輸。所謂兩線(xiàn)制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡(luò )及供電僅用兩根電線(xiàn)，這兩根電線(xiàn)既是電源線(xiàn)又是信號線(xiàn)。兩線(xiàn)制變送器由于信號起點(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，不與機械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線(xiàn)等故障。而且兩線(xiàn)制還便于使用安全柵,利于安全防爆。

兩線(xiàn)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(xiàn)電位最低，它就是信號公共線(xiàn)，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，在控制系統應用中為了便于連接，就要求信號制的統一，為此要求一些非電動(dòng)單元組合的儀表，如在線(xiàn)分析、機械量、電量等儀表，能采用輸出為4-20ma.dc信號制，但是由于其轉換電路復雜、功耗大等原因，難于全部滿(mǎn)足上述的三個(gè)條件，而無(wú)法做到兩線(xiàn)制，就只能采用外接電源的方法來(lái)做輸出為4-20ma.dc的四線(xiàn)制變送器了。

四線(xiàn)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值有所不同。

有的儀表廠(chǎng)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(xiàn)，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(xiàn)共用創(chuàng )造了條件，這樣就有了三線(xiàn)制的變送器產(chǎn)品。

三線(xiàn)制變送器如圖三所示，所謂三線(xiàn)制就是電源正端用一根線(xiàn)，信號輸出正端用一根線(xiàn)，電源負端和信號負端共用一根線(xiàn)。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值有所不同。

以上三個(gè)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(shí)，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，從而出現了不同的產(chǎn)品，也就決定了變送器的兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制、四線(xiàn)制接線(xiàn)形式。對于用戶(hù)而言，選型時(shí)應根據本單位的實(shí)際情況，如信號制的統一、防爆要求、接收設備的要求、投資等問(wèn)題來(lái)綜合考慮選擇。

要指出的是三線(xiàn)制和四線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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€(xiàn)制改四線(xiàn)制、四線(xiàn)制改兩線(xiàn)制的問(wèn)題。

從上述可知各種線(xiàn)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(xiàn)制了，由用戶(hù)來(lái)改動(dòng)線(xiàn)制是很困難的，再者實(shí)際意義也不大。

如果要把傳輸信號為0-10ma.dc的四線(xiàn)制變送器改為兩線(xiàn)制，首先遇到的問(wèn)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(wú)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(lái)的恒流特性，當變送器在負載電阻為0-1.5kω時(shí)，與其串聯(lián)的反饋動(dòng)圈電阻2kω左右，當輸出為10ma時(shí)，這兩部分的電壓降將大于24v,也就是說(shuō)用24v.dc供電，負載為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(xiàn)制傳輸了。

70年代曾有儀表廠(chǎng)做過(guò)把0-10ma.dc的四線(xiàn)制變送器改為兩線(xiàn)制變送器的工作，具體做法是:對原來(lái)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，為此采用負向電流來(lái)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(méi)有能得到推廣和應用。