計装線制における2線式、3線式、4線式とは何ですか？

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“「計器線制」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す。数線式という呼称は、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、電子アンプが計測機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、電力供給が不可欠です。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であり、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。 ◆AC220Vで動作する計器は必ず4線式です。4線式の信号計器とは、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、絶縁用に4-20mAの標準信号が使用されるものを指します。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DC24VでもAC220Vでも構いません。◆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の標準信号となる。3線式の3本の線とは、1本が電源線（通常はDC24V+）、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。 ◆4-20mA規格の信号でないものは二線式とは呼ばれません。二線式とは、2本の配線を使って電力を供給しつつ、4-20mA規格の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線式の最小供給電力は、4mA×24V－受信計器の消費電力－配線損失です。 ◆実際の現場での運用において、4線式、3線式、2線式の主な給電方式は何ですか？ ①4線式電源の多くはAC220Vであり、DC24Vで動作する4線式トランスミッタも存在します。下図に示すように、その電源はほとんどがAC220Vですが、DC24Vで動作するものもあります。出力信号は4-20mA/負荷抵抗250Ω、または0-10mA/負荷抵抗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。②三線式給電の多くはDC24Vの三線式トランスミッタで、下図のようになっています。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。その電源はほとんどがDC24Vで、出力信号は4-20mADC、負荷抵抗は250Ωまたは0-10mA、負荷抵抗は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。③2線式給電のDC24V 2線式トランスミッタは下図の通りで、給電電圧はDC24V、出力信号はDC4-20mA、負荷抵抗は250Ωである。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信号にHARTプロトコルのFSKキーイング信号を重ねて送信することも可能である。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、それによって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が決定される。 ◆4線式、3線式、2線式の計測器の選び方 ①出力が10Wを超え、高い精度が求められる場合は、一般的に4線式の計測器が選ばれる。4線式計測器の利用は、DDZ-II型電動ユニット組合計測器の登場に始まり、供給電源はAC220Vで、その後出力信号が0～10mAの4線式トランスミッターが広く使用されるようになった。変換回路が複雑で消費電力が大きいといった理由から、現在でも多くの計測器では4線式が優先的に採用されている。最も一般的な例としてコリオリ質量流量計や電磁流量計があり、これらは依然として4線式を採用している。質量流量計には振動による消費電力が、電磁流量計には励磁による消費電力が必要であり、どちらの計器も消費電力が10Wを超えるため、4線式が必要となるのだ。 ②安全でない電圧による給電を減らすため、一般的には3線式の計器が使用される。計器が必要とする供給電力の要件を満たすため、トランスミッターの電源をAC220Vから低圧直流電源に変更し、電源はDC24Vの電源ボックスから供給されることで、安全でない電圧による給電を削減する。こうして3線式のトランスミッタ製品ができた。 ③出力が小さくコストも安いため、一般的に2線式の計器が使用されます。2線式の計器では4-20mAの信号を利用し、現場の計器だけで2線式を実現できます。現在、国内では2線式トランスミッターの製品が非常に広く利用されています。 以上のことから、ユーザーは選定時に、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る。 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、実際の使用にあたっては出力の負極を24V電源の負線に接続し、共地化できるかどうかに注意が必要だという点です。必要に応じて、分配器やセーフガードなどの隔離手段を講じることで、他の計器と電源や接地を共有しつつ、不要な干渉の発生を防ぐことができます。