計器の信号線方式について

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世の中で恐ろしいのは、真剣という言葉だ！技術的には真剣にやらなければ！——葉向東　著者紹介：葉向東、男性、1982年に撫順石油学院の自動化学科を卒業。中国石化集団北京設計院および中国石化工程建設会社の副総工程師であり、教授級の上級工程師でもある。 文｜葉向東 インターネットの発展に伴い、ネット上の知識はますます複雑化し、真偽の見分けも難しくなっている。計測器の「配線方式」に関する知識は、どれほど深いのだろうか？この記事は、ネット上でまとめられたものですが、表現上の誤りが多く見られます。本稿では、元の文章を引用しながら比較検証し、計測信号の「2線式、3線式、4線式」について正しく理解できるようにします。 1、3種類の線式の意味　原文：2線式：「2本の線が電源線であり同時に信号線でもあり、一般的に4～20mAの信号伝送に使用される」。 識別：「線制」とは、計器の電源供給および標準信号伝送に使用される導線の本数を指します。2線式とは、2本の導線で電力を供給しながら4～20mAの標準信号を伝送する方式です。この基準の信号でなければ、二線式とは呼ばれない。2線式の供給電力は、4mA×24V－受信計器の消費電力－配線損失です。 三線式：「1本の線が電源の正極線、1本の線が信号の正極線、そして1本の線が電源の負極線と信号の負極線の共用線であることを指す」；一般的に1～5Vの信号伝送に使用されます。 識別：3線式の3本の線とは、1本が電源線（通常は24VDC+）、1本が信号線、そしてもう1本が電源と信号の共通線で、電圧基準点および電流回路に使用される。2線式で供給される電力が計器の駆動に不十分な場合は、3線式を採用し、信号は4～20mAの標準信号とする。 1～5V信号は2本の線だけで済みます。通常は、4～20mAの標準信号回路に250Ωの抵抗を直列に接続することで得られる。 四線式：「電源用の2本の線と、信号用の2本の線を指す。」電源と信号は別々に動作します。つまり、3線式の基礎の上で、信号線は独自のグラウンドを持ち、電源線とはグラウンドを共有しない。自身の電流は総電流の一部であり、電源とグラウンドを共有していないため、三線式に比べてその電流を計算するのが難しい場合がある。” 識別：4線式信号の計器とは、電源回路と信号回路がそれぞれ独立しており、絶縁回路によって分離され、絶縁に使用される4～20mAの標準信号を指す。したがって、信号は必ず絶縁されており、通常はアースされません。電源は24VDCでも220VACでも構いません。220VACで動作する計器は必ず4線式です。 4線式は3線式を基に「信号と電源が接地を共有しない」として発展したわけではなく、信号電流も全電流の一部ではない。電源電流とは、計器の定格出力と供給電源との比率です。 2、3種類の線制の違いと共通点　原文：二線制、三線制、四線制それぞれの長所と短所　識別：3種類の線制は計器の電源供給の必要性に応じて選択されるものであり、その長所や短所を単純に比較することはできない。 二線式の利点は配線が簡単であり、圧力変換器、差圧変換器、温度変換器、容量式液面計、RFアドミタンス計、電磁流量計、渦街流量計など、一般的に出力が小さい一次センサーにのみ適用される。センサー自体の電力は2線式から供給されるため、その負荷容量に影響を与えることになる。 識別：2線式4～20mA信号は国際標準の信号方式で、電動ユニット式計装盤や各種低出力トランスミッタ、センサーなどに使用されます。計器は通常、24VDCの標準電源電圧を使用するため、供給可能な電力には一定の制限があります。 三重制限の利点は、熱抵抗に三線式接続法を採用することで、接続配線の抵抗によって生じる測定誤差をなくすためです。これは、熱抵抗を測定する回路が個別に不均衡ブリッジであるためです。熱抵抗はブリッジのブリッジアーム抵抗として機能し、その接続導線（熱抵抗から制御室まで）もブリッジアーム抵抗の一部となる。この部分の抵抗は不明であり、状況によって温度が変化するため、測定誤差が生じる。3線式を採用し、導線の1本をブリッジの電源端子に接続し、残りの2本を熱抵抗があるブリッジアームおよびそれに隣接するブリッジアームにそれぞれ接続することで、導線の抵抗による測定誤差を排除する。 識別：熱抵抗には2線式、3線式、4線式といった異なる接続方法がありますが、これらは標準信号ではなく、3線式の標準信号とも異なりますので、混同してはいけません！“「是必」、「打消」、「丈量」、「衔接」、「部門抵抗」、「分辨接到」、「如許」などは用語の誤りです！すなわち、必ず、減少させる、測定する、接続する、部分抵抗、それぞれ接続する、実現するなどです。三線式の用途は、二線式で供給される電力だけでは計器に電力を供給するのに不十分な場合に、三線式を用いて計器に電力を供給することです。 4線式の利点は、電源とパワーを分離しているため、装置の出力パワーと信号にはパワー上の関連性がないことです。そのため、超音波のような高出力のセンサーに適しています（干渉に強くするために送信パワーが非常に大きくなるため、この種の製品を選定する際はできるだけ4線式を採用すべきであり、2線式では一般的に干渉耐性が弱いため、2線式では構築できず、必ず4線式、つまり動作電源2本と出力2本が必要です）。 識別：「電源とパワーを分ける」は「供給電源と信号を分ける」のことだろう。“「この機器の出力と信号には出力上の関連性がない」という主張は正確ではありません！計器の定格出力は負荷出力に本体の消費出力を加えたもので、信号負荷出力は計器の定格消費出力に含まれています。“「干渉耐性を高めるため、送信出力が非常に大きくなる」という言い方も正確ではありません。超音波計器が大きな消費電力を要するのは、より強い超音波検出信号を得て、検出側に十分な信号強度をもたらし、より良い検出信号を得るためです。“「抗干渉」とは幅広い概念で、電磁干渉、環境条件による干渉、同種の雑音信号による干渉などが含まれます。干渉対策は複雑な総合的な措置であり、単に出力を上げるだけでは実現できない。“「電源2個、出力2個」は、電源用の線が2本、信号用の線が2本ということだろう。 3、ワイヤー式の中には接続方法が1種類しかないものがある。原文：センサーの仲間の中には、2線式センサーの他に、3線式や4線式のセンサーもある；センサーだけでなく、トランスミッターやレベル計、流量計などもそれぞれ異なる接続方法があります……識別：配線方式と接続方法は別物で、各配線方式には1つの接続方法しかありません。 4、線制と干渉には関係がない　原文：二線式センサーと三線式センサーの違いは？ 2線式は、3線式（正極電源線1本、信号線2本でそのうち1本がGNDと共有）および4線式（正負の電源線2本、信号線2本）と比較して、以下のような利点がある：識別性――3線式では、電源線1本（通常は24VDC+）、信号線1本、そして電源と信号を共有する線1本となっている。 （1）寄生熱電対や配線の抵抗による電圧降下、および温度ドリフトの影響を受けにくく、非常に安価なより細い導線を使用できる；ケーブルや設置費用を大幅に節約できる； 識別：完全に間違っている！2線式の利点は、電力供給と信号伝送を2本の導線だけで行えるため、導線が節約できることです。「寄生熱電対」とは何ですか？何線式であっても配線抵抗は存在し、二線式ではその影響を軽減することはできない。“「温度ドリフト」はセンサーのパラメータであり、線形のパラメータではありません。 （2）電流源の出力抵抗が十分に大きい場合、磁界結合によって導線ループ内に誘起される電圧は顕著な影響を与えない。なぜなら、干渉源によって生じる電流は極めて小さいからであり、通常はツイストペアケーブルを使用することで干渉を低減できる；2線式および3線式ではシールド線を使用しなければならず、シールド線のシールド層は適切にアースする必要がある； 識別：この文の意味は不明確です。電流源の内部抵抗が非常に大きくても、信号負荷は一定（通常は250Ω）であるため、干渉信号は測定信号に影響を与えるのに十分であり、配線の電流の大きさに関わらず影響が出ます。そうでなければ、後段で干渉を低減する措置を講じる必要はありません。電磁誘導で生じるのは電流であり、電圧ではない。 識別：シールド線の使用は、2線式か3線式かとは関係なく、干渉環境によって決まり、「必ず」シールド線を使うわけではありません。一般的に、標準的な信号ケーブルは、ケーブル経路に電磁場がない場合にはツイストペアを使用しません。“「適切にアースする」という表現は正確ではなく、どうすれば適切なのでしょうか？ （3）容量性干渉により受信機の抵抗に関する誤差が生じるが、4～20mAの2線式ループでは受信機の抵抗は通常250Ω（サンプリングUout=1～5V）である。この抵抗値は顕著な誤差を引き起こすほど小さくないため、電圧テレメトリーシステムよりも長距離での配線が可能となる； 識別：干渉が引き起こすのは信号誤差であり、「受信機」の抵抗の誤差ではない。250Ωの信号抵抗上で干渉電流が引き起こす信号誤差は無視できないため、干渉電流を低減する措置を講じる必要があるのです。電線の長さは「電圧テレメトリーシステム」の何よりも長く、遠いのか？ （4）各々の読み取り装置や記録装置は、電線の長さが異なるさまざまなチャネル間で切り替えることができ、電線の長さの違いによって精度に差が生じることはない。これにより分散型収集が実現される。分散型収集の利点は、分散して収集しながらも一元管理できる点である。 識別：この文章はワイヤー方式とは無関係であり、二線式の特徴でもない。 （5）4mAをゼロレベルとして使用することで、開路や短絡、またはセンサーの損傷（0mA状態）の判別が非常に容易になる。 識別：4～20mAの標準信号における4mAは「ゼロレベル」ではなく、測定対象となる物理信号の出発点、つまり測定信号のゼロ点です。元の0mAよりも、ゼロ信号、起動ゼロ点、および回線障害を区別しやすい。 （6）2系統出力ポートには、雷やサージからの保護のために、1つか2つの防雷・サージ防止装置を簡単に追加でき、安全な雷保護や防爆に役立つ。 識別：サージプロテクターの取り付けは配線方式に関係なく、2線式、3線式、4線式の種類があり、異なる保護要件に応じた規格が存在します。避雷装置は防爆とは関係ありません！ 5、信号線方式は熱抵抗の接続方法と異なる　識別方法：信号線方式とは、計器の電源供給および標準信号の伝送に使用される導線の本数を指す。熱抵抗のリード本数とは、接続方法を指します。両者は同じものではなく、混同してはならない。計器の信号線規格は固定されており、変更することはできません。熱抵抗のリード線本数は、必要に応じて選択できます。 2線式には線路抵抗の補償がなく、配線が簡単ですが、リード線抵抗による追加的な誤差が生じます。したがって、A級精度の熱抵抗は適用できず、使用時にはリード線や導線も長すぎてはならない。 識別：正しい表現は、熱抵抗の2線式接続法には回路バランス補償がなく、回路抵抗によって測定誤差が生じるということです。 3線式には配線抵抗の補償機能があり、リード線抵抗の影響を排除できるため、2線式よりも測定精度が高い。プロセス検出素子として、最も広く応用されている。 識別：正しい表現は、熱抵抗の3線式接続法には補償用のラインバランスワイヤーがあり、配線抵抗によって生じる測定誤差を除去できるということです。三線接続法はプロセス検出素子ではなく、後の文の意味は不明確です。 2線式センサーの抵抗変化値と接続導線の抵抗値が合わさってセンサーの出力値を構成し、導線抵抗による追加的な誤差のため実際の測定値は高くなる。そのため、測定精度の要求が低い場面で使用され、また導線の長さはあまり長くすべきではない。 識別：正しい表現は、熱抵抗の2線式接続法です。 三線式：接続する3本の導線は、断面積と長さがすべて同じでなければならない。白金抵抗を測定する回路は一般的に不平衡ブリッジであり、白金抵抗はブリッジの一方のブリッジアーム抵抗として機能する。導線の1本をブリッジの電源端子に接続し、残りの2本をそれぞれ白金抵抗があるブリッジアームおよび隣接するブリッジアームに接続する。ブリッジ回路が平衡状態にある場合、導線抵抗の変化は測定結果に何の影響も与えないため、導線の抵抗による測定誤差がなくなる。しかし、これは完全に等しい長さのブリッジでなければ実現できず、そうでなければ導線抵抗の影響を完全に排除することは不可能である。三線式を採用することで、**導線抵抗による追加的な誤差が減少し、工業分野では一般的に三線式の接続方法が用いられています。 識別：正しい表現は、熱抵抗の三線式接続法では、同じ断面積と長さを持つ3本の導線を使用し、それぞれを測定ブリッジの2つのブリッジアームおよび電源端子に適切に接続することで、配線抵抗の影響を排除する、というものです。計器の配線や使用方法には説明書があるため、内部配線に関わることはなく、説明書に従って正しく配線すればよいです。 6、熱抵抗の接続方法の違い 原文：二線式熱抵抗と三線式熱抵抗、四線式熱抵抗の違いは？ 識別：熱抵抗には信号線方式がなく、接続方法の違いしかない。同じ熱抵抗には、2線式、3線式、4線式などの接続方法が用いられる。 2線式には線路抵抗の補償がなく、配線が簡単ですが、リード線抵抗による追加的な誤差が生じます。したがって、A級精度の熱抵抗は適用できず、使用時にはリード線や導線も長すぎてはならない。3線式には配線抵抗補償があり、リード線抵抗の影響を排除できるため、2線式よりも測定精度が高い。プロセス検出素子として、最も広く応用されている。 熱抵抗の両端にそれぞれ2本の導線を接続する方式を四線式と呼び、そのうちの2本のリード線が熱抵抗に一定電流Iを供給し、Rを電圧信号Uに変換した後、別の2本のリード線を通じてUをPLCまで送る。このリード方式ではリードの抵抗による影響を完全に排除できますが、コストが高く、主に高精度な温度検出に使用されます。 識別：正確な表現は、熱抵抗の2線式、3線式、4線式の接続方法です。“「プロセス検出素子」としては、このような接続方法であるべきです。 7、2線式トランスミッター 原文：2線式トランスミッターと3線式トランスミッター、4線式トランスミッターの違いは？ 2線式トランスミッタを実現するには、以下の条件を同時に満たす必要があります：1．V≤Emin-ImaxRLmax トランスミッタの出力端子電圧Vは、規定された最小電源電圧から、負荷抵抗および伝送ケーブル抵抗上での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。識別：正確な表現は、トランスミッタの正常動作電流とはトランスミッタの出力信号電流である、ということだ。これは固有の特徴であり、条件ではない。 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。 式の中で：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%とは、24Vの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。 もし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同時に信号線でもある。2線式トランスミッターは、信号の出力電流が4mA.DCであるため、トランスミッター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。 識別：条件は1と3のみで、本安システムの場合はセーフガードにおける電圧降下も差し引かなければならない。2線式の定義は「電源と負荷が直列に接続され、共通点がある」というものではなく、2本の線で電力を供給しながら4～20mAの標準信号を伝送するもので、これら2本の線は電源線であり信号線でもある。“「信号連絡」は「信号伝送」とすべきである；“「計器電気のゼロ点」は信号の開始点であるべきです。最後の文「二線式はセーフガードの使用にも便利だ」は間違っています！2線式、3線式、4線式にはそれぞれ対応するセーフガードがあり、本安システムで使用されるため、「便利かどうか」は問題にならない。 8、3線式トランスミッター　原文：一部の計測機器メーカーは、トランスミッターのサイズと重量を小さくし、ノイズ耐性を高め、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から低電圧の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3線式のトランスミッター製品が誕生した。 識別：三線式計器は、220VACで動作する四線式計器を改良したものではなく、またトランスミッターのサイズや重量を小さくするためのものでもありません。それは、計器が必要とする電力供給能力に基づいて設計されているのです。24VDCで給電する目的は、220VACで給電される計器を減らし、安全でない電圧による給電を低減することです。三線式計器もそれによって四線式計器より耐干渉性能が優れているわけではない。 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、異なる製品が生まれ、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。 識別：計器の選定においては線式の問題を考慮する必要はなく、選んだ計器の線式に従って正しく配線すればよい。 9、4線式トランスミッター
原文：4-20mA.DC（1-5V.DC）信号方式の普及と利用に伴い、制御システムにおいて接続を容易にするために信号方式の統一が求められるようになった。そのため、オンライン分析計、機械量計、電気量計などの非電動式計測器も、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、上記の3つの条件をすべて満たすことは難しく、2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4線式トランスミッターを使用するしかないのである。 識別：計器信号の伝送は必ず同一規格の信号でなければならず、そうでなければ信号受信計器は受信して識別することができない。これは接続が容易かどうかの問題ではない。電動ユニット式計器にも、例えばDDZⅡ型計器のような4線式計器があります。4線式計器の多くは、220VACで動作する計器、または大きな電力供給が必要な計器です。 図2に示すように、4線式トランスミッターの電源はほとんどが220V.ACですが、24V.DCのものもあります。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。 識別：1980年代から、4線式計器はすべて4～20mAの標準信号を採用し、0～10mAのDC信号方式は廃止されました。熱電対信号が自己発生のmV信号である以外、mVクラスの標準信号は存在しない。出力信号計器の負荷抵抗とは、信号受信計器の入力抵抗であり、信号受信計器の入力回路と信号識別の要件によって決定される。ほとんどが250Ωで、一般的には50～750Ωの範囲であり、ゼロになることはない。 10、計器の配線と信号の絶縁
原文：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信号について、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電源の負線に接続してもよいのか、またグラウンドを共有してもよいのかが問題となる。これには注意が必要であり、必要に応じて配電装置やセーフガードなどの絶縁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つつ、余分な干渉の発生を防ぐことができる。 識別：計器の配線は取扱説明書に従って行う必要があり、勝手に行ってはならない。「共地」などの問題も気にする必要はありません。計器のグランドには特定の意味があり、計器の電源と信号の「グランド」や配線方式の問題ではありません。隔離措置とは、アイソレータを使用することであり、配電装置やセーフガードではありません。隔離型セーフガードには隔離機能がありますが、主な目的は本安全システムを構成することです。絶縁措置を講じるということは、他の計器と「共電」や「共地」することを意味するわけではなく、これは別の大きな話題、すなわち絶縁器の適用に関するものです。 11、信号線制は変更できない　原文：では、二線式、三線式、四線式という区分があるのなら、これらの接続方法同士を互いに交換することはできるのでしょうか？では一緒に見ていきましょう。2線から4線に、4線から2線にするにはどうすればよいのでしょうか？以上から、さまざまな線式のトランスミッターが存在することがわかるが、それには必ず存在理由がある。そうでなければ、これほど多くの線式が存在するはずがない。ユーザーが線式を変更するのは非常に困難であり、さらに実際的な意味もあまりない。 識別：計器の設計が製品として定型化されると、配線方式は固定された仕様の一つとなり、変更することはできない。異なる線制にはそれぞれ異なる用途があり、これは計器自体の設計時に考慮される事項であり、計器の使用時に考慮すべき事項ではありません。計器の使用は、説明書に従って配線するだけです。 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。 識別：計器の量産時には、信号仕様が既に決まっており、使用者はそれを変更することはできない。既存の計器の配線を変更することには意味がなく、また変更も不可能である。変えようとする試みは無駄だ。