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是信號線。一般用于4~20mA信號傳輸。
三線制：根線為電源正線，一根線為信號正線，一根線為電源負線和信號負線的公共線；一般用于1~5v信號傳輸。
四線制：指電源兩根線，信號兩根線。電源和信號是分開工作的。即在三線制的基礎(chǔ)上，信號線有自己的地，不和電源線共地。自己的電流是總電流的一部分，且因為不和電源共地而相比三線制它的電流可能難于計算。
二線制、三線制、四線制各自的優(yōu)缺點
二線制的優(yōu)點是接線簡單，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、射頻導納、電磁流量計、渦街流量計等。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)點是熱電阻采取三線制接法，是為了打消銜接導線電阻惹起的丈量偏差。這是由于丈量熱電阻的電路個別是不均衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其銜接導線(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，將導線一根接到電橋的電源端，其他兩根分辨接到熱電阻地點的橋臂及與其相鄰的橋臂上，如許打消了導線線路電阻帶來的丈量偏差。
四線制的優(yōu)點是由于是將電源和功率分開，所以本機的功率與信號是沒有功率上的關(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)射的功率會很大，所以此款產(chǎn)品選型時要盡量四線的，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，輸出2個。
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，兩根信號線，其中一根共GND)和四線制(兩根正負電源線，兩根信號線)相比，兩線制的優(yōu)點是：
（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的導線；可節(jié)省大量電纜線和安裝費用；
（2）在電流源輸出電阻足夠大時，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著影響，因為干擾源引起的電流小，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）電容性干擾會導致接收器電阻有關(guān)誤差，對于4～20mA二線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout=1～5V）這個電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠；
（4）各個單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進行換接，不因電線長度的不等而造成精度的差異，實現(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。
二線制沒有線路電阻補償，配線簡單，但要帶進引線電阻的附加誤差。因此不適用制造精度的熱電阻，且在使用時引線及導線都不宜過長。
三線制有線路電阻補償，可以消除引線電阻的影響，測量精度高于2線制。作為過程檢測元件，其應(yīng)用。
兩線制傳感器電阻變化值與連接導線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值，由于導線電阻帶來的附加誤差使實際測量值偏高，用于測量精度要求不高的場合，并且導線的長度不宜過長。
三線制：要求引出的三根導線截面積和長度均相同，測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橋臂電阻，將導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，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導線線路電阻帶來的測量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能消除導線電阻的影響。采用三線制會大大減小導線電阻帶來的附加誤差，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？
二線制沒有線路電阻補償，配線簡單，但要帶進引線電阻的附加誤差。因此不適用制造精度的熱電阻，且在使用時引線及導線都不宜過長。
三線制有線路電阻補償，可以消除引線電阻的影響，測量精度高于2線制。作為過程檢測元件，其應(yīng)用。
四線制在熱電阻的根部兩端各連接兩根導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U，再通過另兩根引線把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。
二線制變送器與三線制變送器、四線制變送器的區(qū)別
實現(xiàn)二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)
變送器的小消耗功率P不能超過上式,通常＜90mW。
式中:Emin=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(shè)計上滿足了上述的三個條件，就可實現(xiàn)兩線制傳輸。所謂二線制即電源、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(luò)及供電僅用兩根電線，這兩根電線既是電源線又是信號線。二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，輸出信號為4-20mA.DC，負載電阻為250Ω，24V電源的負線電位，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。
圖一 二線制變送器接線示意圖
由于4-20mA.DC(1-5V.DC)信號制的普及和應(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(zhuǎn)換電路復雜、功耗大等原因，難于全部滿足上述的三個條件，而無法做到二線制，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。
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。
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。對于用戶而言，選型時應(yīng)根據(jù)本單位的實際情況，如信號制的統(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，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(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二線制，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。
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
