仪表“线制”
文章核心：仪表的二线制、三线制、四线制的作用、优缺点的析以及应用。
二线制、三线制、四线制的作用
二线制：两根线既是电源线又同时是信号线。一般用于4~20mA信号传输。
三线制：根线为电源正线，一根线为信号正线，一根线为电源负线和信号负线的公共线；一般用于1~5v信号传输。
四线制：指电源两根线，信号两根线。电源和信号是分开工作的。即在三线制的基础上，信号线有自己的地，不和电源线共地。自己的电流是总电流的一部分，且因为不和电源共地而相比三线制它的电流可能难于计算。
二线制、三线制、四线制各自的优缺点
二线制的优点是接线简单，只适用一般功率小的一次传感器，如：压变、差压变、温变、电容式液位计、射频导纳、电磁流量计、涡街流量计等。传感器本身用电由二线制中得到，是必影响其带载能力。
三限制的优点是热电阻采取三线制接法，是为了打消衔接导线电阻惹起的丈量偏差。这是由于丈量热电阻的电路个别是不均衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其衔接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部门，这一部门电阻是未知的且随情况温度变更，形成丈量偏差。采取三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其他两根分辨接到热电阻地点的桥臂及与其相邻的桥臂上，如许打消了导线线路电阻带来的丈量偏差。
四线制的优点是由于是将电源和功率分开，所以本机的功率与信号是没有功率上的关联的，适用于大功率的的传感器，如超声波（由于其为了加大抗干扰能力，所以发射的功率会很大，所以此款产品选型时要尽量四线的，二线的一般抗干扰能力较弱），就不能作成2线的，只能是4线，分别是工作电源2个，输出2个。
二线制传感器与三线制传感器的区别
二线制与三线制 (一根正电源线，两根信号线，其中一根共GND)和四线制(两根正负电源线，两根信号线)相比，两线制的优点是：
（1）不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；
（2）在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；二线制与三线制必须用屏蔽线，屏蔽线的屏蔽层要妥善接地；
（3）电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA二线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；
（4）各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制。
（5）将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。
（6）在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。
二线制没有线路电阻补偿，配线简单，但要带进引线电阻的附加误差。因此不适用制造精度的热电阻，且在使用时引线及导线都不宜过长。
三线制有线路电阻补偿，可以消除引线电阻的影响，测量精度高于2线制。作为过程检测元件，其应用。
两线制传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。
三线制：要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能消除导线电阻的影响。采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。
二线制热电阻与三线制热电阻、四线制热电阻的区别？
二线制没有线路电阻补偿，配线简单，但要带进引线电阻的附加误差。因此不适用制造精度的热电阻，且在使用时引线及导线都不宜过长。
三线制有线路电阻补偿，可以消除引线电阻的影响，测量精度高于2线制。作为过程检测元件，其应用。
四线制在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至PLC。这种引线方式可消除引线的电阻影响，但成本较高，主要用于高精度的温度检测。
二线制变送器与三线制变送器、四线制变送器的区别
实现二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=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。所谓二线制即电源、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。二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。而且二线制还便于使用安全栅,利于安全防爆。
区别：
二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，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。
图一 二线制变送器接线示意图
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，而无法做到二线制，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。
图二 四线制变送器接线示意图
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。
图三 三线制变送器接线示意图
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二线制、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二线制的是不一样的，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。
二线改四线，四线改二线
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二线制，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。
四线制转二线制原理 ：
一、正向输出（1、3短接，2接6，4接5，输出5、6端）
1 －●
24VDC
2 ＋○ ○＋ 6
发送端 接收端 4-20mA
4 ＋● ●－ 5
4-20mA
3 －○
二、反向输出（2、6短接，1接3，4接5，输出3、4端）
1 －● ○－ 3
24VDC
2 ＋○
发送端 接收端 4-20mA
6 ＋●
4-20mA
5 －○ ●＋ 4
