詳解儀表二線制、三線制、四線制的工作原理和結構上的區(qū)別

今天小編和大家討論的兩線制、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。

首先，我們先看一下它們的定義

兩線制：兩根線及傳輸電源又傳輸信號，也就是傳感器輸出的負載和電源是串聯(lián)在一起的，電源是從外部引入的，和負載串聯(lián)在一起來驅動負載。

三線制：三線制傳感器就是電源正端和信號輸出的正端分離，但它們共用一個COM端。

四線制：電源兩根線，信號兩根線。電源和信號是分開工作的。

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換放大的信號（如電壓、電流、等）。但目前，很多變送器采用二線制。下面，我們就來具體看看不同線制變送器的差異有哪些？

不同線制變送器的差異

一、兩線制

要實現(xiàn)兩線制變送器，必須要同時滿足以下條件：

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。

圖一兩線制變送器接線示意圖

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。

二、三線制

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。

圖二三線制變送器接線示意圖

三線制變送器如圖二所示，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。

三、四線制

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，難于全部滿足兩線制變送器設計的三個條件，從而無法做到兩線制，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。

圖三四線制變送器接線示意圖

四線制變送器如圖三所示，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。

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。

兩線制與四線制互改

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，在電流為零的狀態(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48VDC，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。