兩線制、三線制、四線制區(qū)別和原理
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。否則熱電偶配毫伏計測量溫度可稱為是兩線制的鼻祖了!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，放大的本質就是一種能量轉換過程，這就離不開供電。因此更先出現(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換放大的信號(如電壓、電流、等)。DDZ-Ⅱ型電動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DDZ-Ⅲ型電動單元組合儀表，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)在國內兩線制變送器的產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)定的更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=更低電源電壓，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，其供電為24V.DC，輸出信號為4-20mA.DC，負載電阻為250Ω，24V電源的負線電位更低，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，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品。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，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。但這樣的產品也沒有能得到推廣和應用。如果想將兩線制改為四線制，根本沒有必要，再者這是一種技術上的倒退。
