O que são os sistemas de dois fios, três fios e quatro fios em sistemas de cabos de instrumentação?

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““Sistema de fios dos instrumentos” refere-se ao número de fios utilizados para fornecer energia aos instrumentos e transmitir sinais padrão. Os termos relacionados a sistemas de várias linhas surgiram somente após o desenvolvimento dos transmissores de dois linhas. Isso é resultado da ampla utilização de amplificadores eletrônicos em instrumentos. A essência da amplificação é um processo de conversão de energia, o que exige a presença de alimentação elétrica. Portanto, os primeiros transmissores a serem desenvolvidos foram os de sistema de quatro fios: dois fios eram responsáveis pelo fornecimento de energia, enquanto os outros dois fios eram usados para transmitir o sinal amplificado e convertido (como tensão, corrente, etc.). ◆Os instrumentos alimentados por 220V AC devem ser de sistema de quatro fios. Um instrumento com sistema de quatro fios é aquele em que o circuito de alimentação e o circuito de sinal são independentes, sendo separados por um circuito de isolamento, para transmitir o sinal padrão de 4-20mA. Portanto, o sinal deve ser isolado, geralmente sem conexão à terra. A fonte de alimentação pode ser DC24V ou AC220V. ◆Quando a potência fornecida pelo sistema de dois fios não é suficiente para alimentar o instrumento, utiliza-se o sistema de três fios. Nesse caso, o sinal é um sinal padrão de 4-20mA. Os três fios do sistema de três fios são: um fio para alimentação (geralmente DC24V+), um fio para o sinal e um fio comum para a alimentação e o sinal, utilizado como ponto de referência de tensão e para o circuito de corrente. ◆Sinais que não seguem o padrão 4-20mA não são considerados de dois fios. O sistema de dois fios consiste no uso de dois fios para fornecer energia, ao mesmo tempo em que transmite o sinal padrão 4-20mA. Um sinal que não atende a esse padrão não é considerado de dois fios. A capacidade mínima de alimentação em sistema de duas linhas é: 4mA×24V – consumo energético do instrumento receptor – perdas nas linhas. ◆Na prática, quais são os principais métodos de fornecimento de energia para sistemas de quatro fios, três fios e dois fios? ①A alimentação em sistema de quatro fios é, na maioria dos casos, de 220V CA. Existem também transmissores em sistema de quatro fios que recebem alimentação de 24V DC, como mostrado na figura abaixo. Nesses casos, a alimentação é, em sua maioria, de 220V CA, mas há também aqueles que utilizam 24V DC. O sinal de saída pode ser de 4-20mA com uma resistência de carga de 250Ω, ou de 0-10mA com uma resistência de carga de 0-1,5KΩ ； Alguns também possuem sinais de mA e mV, mas a resistência de carga ou a resistência de entrada variam de acordo com o tipo de circuito de saída. ②O fornecimento de energia em sistema de três fios geralmente é feito por transmissores de 24V DC, como mostrado na figura abaixo. O chamado sistema de três fios significa que o terminal positivo da fonte de energia utiliza um fio, o terminal positivo de saída de sinal também utiliza um fio, enquanto o terminal negativo da fonte de energia e o terminal negativo de saída de sinal compartilham o mesmo fio. Sua alimentação é, em sua maioria, de DC24V. O sinal de saída é de 4-20mADC. A resistência de carga pode ser de 250Ω, ou então 0-10mA, com uma resistência de carga de 0-1,5KΩ ； Alguns também possuem sinais de mA e mV, mas a resistência de carga ou a resistência de entrada variam de acordo com o tipo de circuito de saída. ③O alimentação em dois fios, com tensão de DC24V, para os transmissores desse tipo é mostrada na figura abaixo. A tensão de alimentação é de DC24V, enquanto o sinal de saída é de DC4-20mA. A resistência de carga é de 250Ω. O polo negativo da fonte de 24V possui a tensão mais baixa; esse polo serve como linha comum para o sinal. Nos transmissores inteligentes, é possível adicionar ao sinal de 4-20mA um sinal modulado por FSK, segundo o protocolo HART. Devido às diferentes formas de funcionamento e estruturas dos vários transmissores, surgem produtos distintos, o que determina as configurações de conexão em dois fios, três fios ou quatro fios para os transmissores. ◆Como escolher instrumentos de sistema de quatro fios, três fios ou dois fios? ① Quando a potência é superior a 10W e é necessária alta precisão, geralmente se opta por instrumentos de sistema de quatro fios. A utilização de instrumentos de sistema de quatro fios teve início com o surgimento dos instrumentos elétricos do tipo DDZ-II. Eles operam com tensão AC220V, e os transmissores de sistema de quatro fios, que fornecem sinal na faixa de 0-10mA, tornaram-se amplamente utilizados. Devido à complexidade dos circuitos de conversão e ao alto consumo de energia, muitos instrumentos ainda preferem o sistema de quatro fios. Os exemplos mais comuns são os medidores de vazão por força de Coriolis e os medidores eletromagnéticos de vazão; ambos continuam a utilizar o sistema de quatro fios. Isso se deve ao fato de que os medidores de vazão por massa precisam de energia para gerar vibrações, enquanto os medidores eletromagnéticos precisam de energia para serem ativados. O consumo de energia de ambos os tipos de medidores é superior a 10 W, por isso é necessário usar o sistema de quatro fios. ②Reduzir o uso de tensões não seguras para alimentação: geralmente, são utilizados instrumentos com sistema de três fios. Para atender às necessidades de potência de alimentação dos instrumentos, a alimentação do transmissor é alterada de AC220V para alimentação em corrente contínua de baixa tensão. Por exemplo, a fonte de energia pode ser obtida de uma caixa de alimentação DC24V, reduzindo assim o uso de tensões não seguras. Assim, surgem os transmissores de sistema de três fios. ③Com baixa potência e custo acessível, é geralmente utilizado em instrumentos de sistema de dois fios. Eles utilizam sinais de 4-20mA, permitindo que os instrumentos locais operem no modo de dois fios. Atualmente, os transmissores de sistema de dois fios são amplamente utilizados no mercado nacional. Em resumo, para os usuários, a escolha do modelo adequado deve levar em consideração as condições reais da própria organização, como a uniformidade do sistema de sinais, os requisitos de segurança contra explosões, as necessidades dos equipamentos de recepção e os custos envolvidos. É importante ressaltar que os sinais de 4-20mA emitidos pelos transmissores de sistema de três fios e quatro fios, devido às diferenças em seu princípio de funcionamento e estrutura em relação aos transmissores de sistema de dois fios, exigem atenção quanto à possibilidade de conectar o terminal negativo de sua saída ao fio negativo da fonte de 24V. Nesse caso, podem ser adotadas medidas de isolamento, como o uso de distribuidores de energia ou barreiras de segurança, a fim de permitir que esses dispositivos compartilhem a mesma alimentação e o mesmo terra, evitando assim interferências adicionais.