儀表“線制”
文章核心：儀表的二線制、三線制、四線制的作用、優(yōu)缺點(diǎn)的析以及應(yīng)用。
二線制、三線制、四線制的作用
二線制：兩根線既是電源線又同時(shí)是信號(hào)線。一般用于4~20mA信號(hào)傳輸。
三線制：根線為電源正線，一根線為信號(hào)正線，一根線為電源負(fù)線和信號(hào)負(fù)線的公共線；一般用于1~5v信號(hào)傳輸。
四線制：指電源兩根線，信號(hào)兩根線。電源和信號(hào)是分開(kāi)工作的。即在三線制的基礎(chǔ)上，信號(hào)線有自己的地，不和電源線共地。自己的電流是總電流的一部分，且因?yàn)椴缓碗娫垂驳囟啾热€制它的電流可能難于計(jì)算。
二線制、三線制、四線制各自的優(yōu)缺點(diǎn)
二線制的優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單，只適用一般功率小的一次傳感器，如：壓變、差壓變、溫變、電容式液位計(jì)、射頻導(dǎo)納、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)等。傳感器本身用電由二線制中得到，是必影響其帶載能力。
三限制的優(yōu)點(diǎn)是熱電阻采取三線制接法，是為了打消銜接導(dǎo)線電阻惹起的丈量偏差。這是由于丈量熱電阻的電路個(gè)別是不均衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其銜接導(dǎo)線(從熱電阻到中控室)也成為橋臂電阻的一部門，這一部門電阻是未知的且隨情況溫度變更，形成丈量偏差。采取三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其他兩根分辨接到熱電阻地點(diǎn)的橋臂及與其相鄰的橋臂上，如許打消了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的丈量偏差。
四線制的優(yōu)點(diǎn)是由于是將電源和功率分開(kāi)，所以本機(jī)的功率與信號(hào)是沒(méi)有功率上的關(guān)聯(lián)的，適用于大功率的的傳感器，如超聲波（由于其為了加大抗干擾能力，所以發(fā)射的功率會(huì)很大，所以此款產(chǎn)品選型時(shí)要盡量四線的，二線的一般抗干擾能力較弱），就不能作成2線的，只能是4線，分別是工作電源2個(gè)，輸出2個(gè)。
二線制傳感器與三線制傳感器的區(qū)別
二線制與三線制 (一根正電源線，兩根信號(hào)線，其中一根共GND)和四線制(兩根正負(fù)電源線，兩根信號(hào)線)相比，兩線制的優(yōu)點(diǎn)是：
（1）不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細(xì)的導(dǎo)線；可節(jié)省大量電纜線和安裝費(fèi)用；
（2）在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，因?yàn)楦蓴_源引起的電流小，一般利用雙絞線就能降低干擾；二線制與三線制必須用屏蔽線，屏蔽線的屏蔽層要妥善接地；
（3）電容性干擾會(huì)導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差，對(duì)于4～20mA二線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout=1～5V）這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長(zhǎng)度比電壓遙測(cè)系統(tǒng)更長(zhǎng)更遠(yuǎn)；
（4）各個(gè)單臺(tái)示讀裝置或記錄裝置可以在電線長(zhǎng)度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長(zhǎng)度的不等而造成精度的差異，實(shí)現(xiàn)分散采集，分散式采集的好處就是：分散采集，集中控制。
（5）將4mA用于零電平，使判斷開(kāi)路與短路或傳感器損壞（0mA狀態(tài)）十分方便。
（6）在兩線輸出口非常容易增設(shè)一兩只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。
二線制沒(méi)有線路電阻補(bǔ)償，配線簡(jiǎn)單，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用制造精度的熱電阻，且在使用時(shí)引線及導(dǎo)線都不宜過(guò)長(zhǎng)。
三線制有線路電阻補(bǔ)償，可以消除引線電阻的影響，測(cè)量精度高于2線制。作為過(guò)程檢測(cè)元件，其應(yīng)用。
兩線制傳感器電阻變化值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值，由于導(dǎo)線電阻帶來(lái)的附加誤差使實(shí)際測(cè)量值偏高，用于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，并且導(dǎo)線的長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。
三線制：要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長(zhǎng)度均相同，測(cè)量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能消除導(dǎo)線電阻的影響。采用三線制會(huì)大大減小導(dǎo)線電阻帶來(lái)的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。
二線制熱電阻與三線制熱電阻、四線制熱電阻的區(qū)別？
二線制沒(méi)有線路電阻補(bǔ)償，配線簡(jiǎn)單，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用制造精度的熱電阻，且在使用時(shí)引線及導(dǎo)線都不宜過(guò)長(zhǎng)。
三線制有線路電阻補(bǔ)償，可以消除引線電阻的影響，測(cè)量精度高于2線制。作為過(guò)程檢測(cè)元件，其應(yīng)用。
四線制在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至PLC。這種引線方式可消除引線的電阻影響，但成本較高，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。
二線制變送器與三線制變送器、四線制變送器的區(qū)別
實(shí)現(xiàn)二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)
變送器的小消耗功率P不能超過(guò)上式,通常＜90mW。
式中:Emin=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。所謂二線制即電源、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。二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。而且二線制還便于使用安全柵,利于安全防爆。
區(qū)別：
二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，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)。
圖一 二線制變送器接線示意圖
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(wú)法做到二線制，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。
圖二 四線制變送器接線示意圖
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。
圖三 三線制變送器接線示意圖
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二線制、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(wèn)題來(lái)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)與二線制的是不一樣的，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。
二線改四線，四線改二線
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(lái)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二線制，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(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(shuō)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。
四線制轉(zhuǎn)二線制原理 ：
一、正向輸出（1、3短接，2接6，4接5，輸出5、6端）
1 －●
24VDC
2 ＋○ ○＋ 6
發(fā)送端 接收端 4-20mA
4 ＋● ●－ 5
4-20mA
3 －○
二、反向輸出（2、6短接，1接3，4接5，輸出3、4端）
1 －● ○－ 3
24VDC
2 ＋○
發(fā)送端 接收端 4-20mA
6 ＋●
4-20mA
5 －○ ●＋ 4
