計装器の2線式、3線式、4線式の違いを一文で理解する

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今日、儀控君が皆さんと議論した二線式、三線式、四線式とは、アナログの直流電流信号を出力する各種トランスミッターの動作原理や構造上の違いを指すものであり、単にトランスミッターの配線形態だけを指すわけではありません。 まず、それらの定義を見てみましょう。2線式：2本の線で電源と信号の両方が伝送されます。つまり、センサーから出力される負荷と電源が直列に接続されており、電源は外部から供給され、負荷と一緒に直列に接続されて負荷を駆動します。 三線式：三線式センサーとは、電源の正極と信号出力の正極が分離されているが、両者で共通のCOM端子を使用するものです。 4線式：電源2本、信号2本。電源と信号は別々に動作します。 数線式の呼称は、2線式トランスミッターが登場してから生まれたものです。これは、電子アンプが計測器で広く利用されている結果であり、増幅の本質はエネルギー変換の過程であるため、電力供給が不可欠となる。したがって、最初に登場したのは4線式のトランスミッターです；つまり、2本の線が電源供給を担い、残りの2本の線が変換・増幅された信号（電圧、電流など）を出力する役割を果たします。しかし現在、多くのトランスミッターは2線式を採用しています。では、さまざまな線式トランスミッターの違いについて具体的に見ていきましょう 異なる線式のトランスミッターの違い　一、2線式
2線式トランスミッターを実現するためには、以下の条件を同時に満たす必要があります：
1. V≤Emin-ImaxRLmax
トランスミッターの出力電圧Vは、規定された最小電源電圧から、負荷抵抗および伝送導線の抵抗における電流による電圧降下分を引いた値となります。 2. I≤Imin トランスミッタの正常な動作電流Iは、トランスミッタの出力電流以下でなければならない。 3. P＜Imin(Emin-IminRLmax) トランスミッタの最小消費電力Pは上式を超えてはならず、通常は＜90mWである。 式において：Emin=最小電源電圧であり、ほとんどの計測器においてEmin=24(1-5%)=22.8Vとなる。ここで5%は24V電源が許容する負方向の変動量である； Imax=20mA； Imin=4mA； RLmax=250Ω+伝送導線抵抗。 トランスミッタが設計上、上記の3つの条件を満たしていれば、2線式伝送を実現できる。いわゆる2線式とは、電源と負荷が直列に接続され、共通の接点を持ち、現場の変換器と制御室の計器間の信号のやり取りおよび給電には2本の配線のみが使用されるもので、この2本の配線は電源線でありながら信号線でもある。2線式トランスミッタは、信号の出力電流が4mA DCであるため、トランスミッタに静止時の動作電流が供給される。また、計器の電気的ゼロ点も4mA DCであり、機械的ゼロ点と一致しない。この「動的ゼロ点」により、停電や配線切断などの故障を検出しやすくなる。また、2線式はセーフガードの使用が容易で、安全性と防爆性に優れています。 図1 二線式トランスミッタの接続図
二線式トランスミッタは図1に示すように、電源は24V DCで、出力信号は4-20mA DCである。負荷抵抗は250Ωであり、24V電源の負極が最も低い電位を持ち、これが信号の共通線となる。インテリジェントトランスミッタの場合、4-20mA DC信号にHARTプロトコルに基づくFSK変調信号を重ねて送信することも可能である。 二、三線式　一部の計測器メーカーは、トランスミッターの体積や重量を削減し、ノイズ耐性を向上させ、配線を簡素化するために、トランスミッターの電源を220V ACから低電圧直流電源に変更している。例えば、電源を24V DCの電源ボックスから供給する場合、低電圧電源によって負極線を共有する条件が整い、これにより三線式のトランスミッター製品が誕生した。 図二　三線式トランスミッタの接続図　三線式トランスミッタは図二に示す通りで、いわゆる三線式とは、電源の正極を1本の線で、信号出力の正極を1本の線で、電源の負極と信号の負極を1本の線で共有する方式です。供給電圧はほとんどが24V DCで、出力信号は4-20mA DC、負荷抵抗は250Ω、または0-10mA DCの場合は負荷抵抗が0-1.5KΩです；mAやmVの信号を持つものもあるが、負荷抵抗や入力抵抗は出力回路の形態によって値が異なる。 三、四線式
4-20mA DC（1-5V DC）信号方式が広く普及し利用されているため、制御システムにおいて接続を容易にするためには信号方式の統一が求められる。このため、オンライン分析計、機械量計、電気量計など、電動式でない計測器も4-20mA DC信号を出力できるようにする必要がある。しかし、変換回路が複雑で消費電力が大きいなどの理由から、二線式トランスミッターの設計上の3つの条件をすべて満たすことは難しく、二線式を採用することができない。その結果、外部電源を接続する方法によって4-20mA DCを出力する四線式トランスミッターを使用せざるを得ないのである。 図三　四線式トランスミッタの接続図
四線式トランスミッタは図三に示すように、その電源はほとんどが220V ACであるが、24V DCのものもある。出力信号は4-20mA DC、負荷抵抗は250Ω、または0-10mA DC、負荷抵抗は0-1.5KΩ；mAやmVの信号を持つものもあるが、負荷抵抗や入力抵抗は出力回路の形態によって値が異なる。 上記の3つの図において、入力される計測器への信号は電流信号ですが、抵抗RLを並列に接続すると、受信されるのは電圧信号になります。 上記の説明からわかるように、さまざまなトランスミッターの動作原理や構造が異なるため、多様な製品が生まれ、それがトランスミッターの2線式、3線式、4線式といった接続形態を決定しているのである。ユーザーにとっては、選定時には信号方式の統一、防爆要件、受信機器の要求、投資額など、自組織の実情を総合的に考慮して選択する必要があります。 指摘しておくべきは、3線式および4線式のトランスミッタが出力する4-20mA DC信号は、その出力回路の原理や構造が2線式のものと異なるため、実用上、その出力の負極を24V電源の負線に接続できるかどうかという点です一緒にできますか？これは注意が必要で、必要に応じて配電器やセーフガードなどの隔離措置を講じることで、他の計器と電源やグラウンドを共有し、余分な干渉の発生を避けることができます。 2線式と4線式の相互変換 伝送信号を0～10mA DCとする4線式トランスミッターを2線式に変更する場合、最初に直面する問題は起動電流がゼロであることです。電流がゼロの状態では、トランスミッターの電子アンプは動作点を確立できないため、正常に動作させるのが難しくなります。直流電源を使用し、計器の元々の定電流特性を維持する場合、トランスミッターの負荷抵抗が0～1.5KΩのとき、それに直列に接続されるフィードバック動線抵抗は約2KΩとなり、出力が10mAのとき、これら2つの部分での電圧降下は24Vを超えてしまいます。つまり、24VのDC電源を使用し、負荷が0～1.5KΩの場合、定電流特性を保つことは不可能であり、2線式伝送を用いることも言語道断です。 70年代には、計測機器メーカーが0～10mA DCの4線式トランスミッタを2線式トランスミッタに変更する作業を行ったことがある。具体的な方法としては、元のトランスミッタ回路を改良し、供給電圧を48VDCまで上げたが、トランスミッタの起動時電流は依然としてゼロにはならなかった。そこで、負の電流を用いて負荷抵抗上の起動時出力として生じる4mAの電流を相殺したのである。しかし、このような製品も普及や活用には至らなかった。 2線式を4線式に変更したいと思っても、全く必要はなく、それにこれは技術的な後退です。