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两线制、三线制、四线制的原理及其区别


两线制、三线制、四线制的原理及其区别
所谓的两线制、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。 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)。ddz-ⅱ型电动单元组合仪表的出现,供电为 220v.ac,输出信号为 0--10ma.dc 的四线 制变送器得到了广泛的应用,目前在有些工厂还可见到它的身影。 七十年代我国开始生产 ddz-ⅲ型电动单元组合仪表,并采用国际电工委员会(iec)的: 过程控制系统用模拟信号标准。即仪表传输信号采用 4-20ma.dc,联络信号采用 1-5v.dc,即 采用电流传输、电压接收的信号系统。采用 4-20ma.dc 信号,现场仪表就可实现两线制。 但限于条件,当时两线制仅在压力、差压变送器上采用,温度变送器等仍采用四线制。现在 国内两线制变送器的产品范围也大大扩展了, 应用领域也越来越多。 同时从国外进来的变送 器也是两线制的居多。 因为要实现两线制变送器必须同时满足以下条件: 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。 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。

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 部满足上述的三个条件,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。 四线制变送器如图二所示,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。

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。 三线制变送器如图三所示,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。

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。 最后谈谈两线制改四线制、四线制改两线制的问题。 从上述可知各种线制变送器都能存在,那总是有存在的理由,否则就不会有那么多的 线制了,由用户来改动线制是很困难的,再者实际意义也不大。 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 48v.dc,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。


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