一篇看懂仪表二线制、三线制、四线制的区别

今天仪控君和大家讨论的两线制、三线制、四线制，是指各种输出为模拟直流电流信号的变送器，其工作原理和结构上的区别，而并非只指变送器的接线形式。

                               
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首先，我们先看一下它们的定义
两线制：两根线及传输电源又传输信号，也就是传感器输出的负载和电源是串联在一起的，电源是从外部引入的，和负载串联在一起来驱动负载。
三线制：三线制传感器就是电源正端和信号输出的正端分离，但它们共用一个COM端。
四线制：电源两根线，信号两根线。电源和信号是分开工作的。

                               
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几线制的称谓，是在两线制变送器诞生后才有的。这是电子放大器在仪表中广泛应用的结果，放大的本质就是一种能量转换过程，这就离不开供电。因此最先出现的是四线制的变送器；即两根线负责电源的供应，另外两根线负责输出被转换放大的信号（如电压、电流、等）。但目前，很多变送器采用二线制。下面，我们就来具体看看不同线制变送器的差异有哪些？
不同线制变送器的差异
一、两线制
要实现两线制变送器，必须要同时满足以下条件：
1. V≤Emin-ImaxRLmax
变送器的输出端电压V等于规定的最低电源电压减去电流在负载电阻和传输导线电阻上的压降。
2. I≤Imin
变送器的正常工作电流I必须小于或等于变送器的输出电流。
3. P＜Imin(Emin-IminRLmax)
变送器的最小消耗功率P不能超过上式，通常＜90mW。
式中：Emin=最低电源电压，对多数仪表而言Emin=24(1-5%)=22.8V，5%为24V电源允许的负向变化量；
Imax=20mA；
Imin=4mA；
RLmax=250Ω+传输导线电阻。
如果变送器在设计上满足了上述的三个条件，就可实现两线制传输。所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。两线制变送器由于信号起点电流为4mA DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。而且两线制还便于使用安全栅，利于安全防爆。

                               
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图一 两线制变送器接线示意图
两线制变送器如图一所示，其供电为24V DC，输出信号为4-20mA DC，负载电阻为250Ω，24V电源的负线电位最低，它就是信号公共线，对于智能变送器还可在4-20mA DC信号上加载HART协议的FSK键控信号。
二、三线制
有的仪表厂为了减小变送器的体积和重量、并提高抗干扰性能、减化接线，而把变送器的供电由220V AC改为低压直流供电，如电源从24V DC电源箱取用，由于低压供电就为负线共用创造了条件，这样就有了三线制的变送器产品。

                               
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图二 三线制变送器接线示意图
三线制变送器如图二所示，所谓三线制就是电源正端用一根线，信号输出正端用一根线，电源负端和信号负端共用一根线。其供电大多为24V DC，输出信号有4-20mA DC，负载电阻为250Ω或者0-10mA DC，负载电阻为0-1.5KΩ；有的还有mA和mV信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路形式不同而数值有所不同。
三、四线制
由于4-20mA DC（1-5V DC）信号制的普及和应用，在控制系统应用中为了便于连接，就要求信号制的统一，为此要求一些非电动单元组合的仪表，如在线分析、机械量、电量等仪表，能采用输出为4-20mA DC信号制，但是由于其转换电路复杂、功耗大等原因，难于全部满足两线制变送器设计的三个条件，从而无法做到两线制，就只能采用外接电源的方法来做输出为4-20mA DC的四线制变送器了。

                               
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图三 四线制变送器接线示意图
四线制变送器如图三所示，其供电大多为220V AC，也有供电为24V DC的。输出信号有4-20mA DC，负载电阻为250Ω，或者0-10mA DC，负载电阻为0-1.5KΩ；有的还有mA和mV信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路形式不同而数值有所不同。
以上三个图中，输入接收仪表的是电流信号，如将电阻RL并联接入时，则接收的就是电压信号了。
从上面叙述可看出，由于各种变送器的工作原理和结构不同，从而出现了不同的产品，也就决定了变送器的两线制、三线制、四线制接线形式。对于用户而言，选型时应根据本单位的实际情况，如信号制的统一、防爆要求、接收设备的要求、投资等问题来综合考虑选择。
要指出的是三线制和四线制变送器输出的4-20mA DC信号，由于其输出电路原理及结构与两线制的是不一样的，因此在应用中其输出负端能否和24V电源的负线相接？能否共地？这是要注意的，必要时可采取隔离措施，如用配电器、安全栅等，以便和其它仪表共电、共地及避免附加干扰的产生。

                               
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两线制与四线制互改
如果要把传输信号为0-10mA DC的四线制变送器改为两线制，首先遇到的问题就是其起始电流为零，在电流为零的状态下，变送器的电子放大器是无法建立工作点的，因此将难于正常工作。如果用直流电源，并保证仪表原来的恒流特性，当变送器在负载电阻为0-1.5KΩ时，与其串联的反馈动圈电阻2KΩ左右，当输出为10mA时，这两部分的电压降将大于24V，也就是说用24V DC供电，负载为0-1.5KΩ时，要保证恒流特性是不可能的，也就谈不上用两线制传输了。
70年代曾有仪表厂做过把0-10mA DC的四线制变送器改为两线制变送器的工作，具体做法是：对原来的变送器电路进行改进，并将供电电压提高至48VDC，但变送器的起始电流仍不能为零，为此采用负向电流来抵消负载电阻上的起始输出4mA的电流。但这样的产品也没有能得到推广和应用。
如果想将两线制改为四线制，根本没有必要，再者这是一种技术上的倒退。

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感谢分享，讲的很透彻