10.29 一篇看懂儀表二線制、三線制、四線制的區別

今天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別，而並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在一起的，電源是從外部引入的，和負載串聯在一起來驅動負載。

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後才有的。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，很多變送器採用二線制。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等於規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必須小於或等於變送器的輸出電流。

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，就可實現兩線制傳輸。所謂兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之間的信號聯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。兩線制變送器由於信號起點電流為4mA DC，為變送器提供了靜態工作電流，同時儀表電氣零點為4mA DC，不與機械零點重合，這種“活零點”有利於識別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便於使用安全柵，利於安全防爆。

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，對於智能變送器還可在4-20mA DC信號上加載HART協議的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、並提高抗干擾性能、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，由於低壓供電就為負線共用創造了條件，這樣就有了三線制的變送器產品。

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值有所不同。

三、 四線制

由於4-20mA DC（1-5V DC）信號制的普及和應用，在控制系統應用中為了便於連接，就要求信號制的統一，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，能採用輸出為4-20mA DC信號制，但是由於其轉換電路複雜、功耗大等原因，難於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，就只能採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並聯接入時，則接收的就是電壓信號了。

從上面敘述可看出，由於各種變送器的工作原理和結構不同，從而出現了不同的產品，也就決定了變送器的兩線制、三線制、四線制接線形式。對於用戶而言，選型時應根據本單位的實際情況，如信號制的統一、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，由於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，必要時可採取隔離措施，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，在電流為零的狀態下，變送器的電子放大器是無法建立工作點的，因此將難於正常工作。如果用直流電源，並保證儀表原來的恆流特性，當變送器在負載電阻為0-1.5KΩ時，與其串聯的反饋動圈電阻2KΩ左右，當輸出為10mA時，這兩部分的電壓降將大於24V，也就是說用24V DC供電，負載為0-1.5KΩ時，要保證恆流特性是不可能的，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，並將供電電壓提高至48VDC，但變送器的起始電流仍不能為零，為此採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。