4–20 mA ループ伝送器

産業用センサー伝送器の4〜20mA電流ループ電圧バジェット、電流からのセンサー値、最大ループ抵抗を計算します。

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公式

I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA

I — Loop current (mA)

X — Process variable (eng units)

仕組み

4～20mAの電流ループは、産業用プロセス制御センサー伝送の主要規格です。トランスミッタは、プロセス変数 (圧力、温度、流量、レベル) を 4 ～ 20 mA の範囲の比例電流に変換します。電流は直列ループのどの部分でも一定なので、（電圧信号とは異なり）長いケーブル配線でも電圧降下の影響を受けません。ライブゼロ（0mAではなくゼロ入力で4mA）により、本物のゼロ読み取り値ではなく断線（0mA）を検出できます。マッピングは線形で、I = 4 + 16 × (X − X_min)/(x_max − X_min) mA です。ここで X はプロセス変数です。レシーバは、ADC 入力の負荷抵抗 (通常は 250 Ω、1 ～ 5 V) の両端の電流を電圧に変換します。電圧バジェットには、V_電源 ≥ V_トランスミッタ_最小 + I × R_ループ合計が必要です。電源電圧が24V、トランスミッタの最小電圧が12Vの場合、最大ループ抵抗は (24 − 12) /0.02 = 600 Ωで、24 AWG ケーブルを約 300 m 伝送するのに十分です。HART（ハイウェイ・アドレス可能なリモート・トランスデューサ）プロトコルは、プロセス信号を乱すことなく4～20mAの電流に±0.5mAのFSK信号を重ね合わせるため、デジタル設定と診断が可能になります。

計算例

問題: 圧力トランスミッタは、0～500 kPa (4～20 mA) でキャリブレーションされています。PLC 入力には 250 Ω の負荷抵抗が使われています。24 V 電源は 120 m の 22 AWG ケーブル (0.054 Ω/m × 2 = 10.8 Ω) に電力を供給します。200 kPa でのトランスミッタの電圧はどのくらいですか?

解決策:

1。200 kPa でのループ電流: I = 4 + 16 × (200/500) = 4 + 6.4 = 10.4 mA

2.ループ抵抗: R_Loop = 250 (負担) + 10.8 (ケーブル) = 260.8 Ω

3.ループ間の電圧: V_Loop = 10.4×10³ × 260.8 = 2.71 V

4.トランスミッタ電圧: V_tX = 24 − 2.71 = 21.29 V (最小値 12 V をはるかに超えています ✓)

5.ADC 入力: V_ADC = 10.4×10³ × 250 = 2.60 V → 200 kPa

結果: 200 kPa で 10.4 mA、ADC で 2.60 V、トランスミッタには 21.3 V が供給可能です。

実践的なヒント

✓4～20 mAの配線には、全体的にシールド付きの24 AWG以上のツイストペア・ケーブルを使用します。グラウンド・ループ電流を避けるため、シールドの一端のみを接地してください。
✓負荷抵抗と並列に過渡保護ダイオード（1N4007など）を追加して、ケーブルの断線による誘導スパイクをクランプします。
✓HART対応のトランスミッタの場合、HART通信の最小負荷は230Ωです。HART FSK信号を検出できるようにするには、常に少なくとも250Ωの負荷をかけてください。

よくある間違い

✗複数のレシーバを直列に接続し、その負荷抵抗の合計を忘れてしまう場合、250Ωの入力を2つ直列に接続すると、合計負荷は500Ωになり、ケーブル抵抗の最大許容値の半分になります。
✗4mAの電流を「障害」検出ではなく「ゼロ」に使用すると、4mAはプロセス入力がゼロになり、真の断線では0～1mAが出力され、これが障害表示になります。
✗ループの両端の電圧計で4～20mAを測定-既知の負荷抵抗の両端を測定する必要があります。ループの開回路電圧を測定すると、信号ではなく電源電圧が得られます。

よくある質問

ライブゼロが0mAではなく4mAなのはなぜですか？

4mAのライブ・ゼロには3つの目的があります。1つは、2線式トランスミッタに電力を供給すること（トランスミッタはループから最低4mAを引き出して動作させること）、純正のゼロ読み取り値を配線不良と区別すること（0～1mAは断線またはトランスミッタのショートを示す）、個別の電源配線なしで24V単電源でトランスミッタを使用できるようにすることです。

4～20 mA ループの最大ケーブル長はどのくらいですか?

ケーブル抵抗と必要なトランスミッタ電圧によって異なります。電源電圧が24V、負荷が250Ω、トランスミッタの最小電圧が12Vの場合、最大外部抵抗は (24 − 12) /0.02 = 600Ωです。250 Ω の負荷を引くと、ケーブルは 350 Ω になります。22 AWG で 0.11 Ω/m とすると、これによって 350/0.11 = 3180 m のケーブルが可能になります。適切なケーブルを使用した場合、実際的な制限は通常 1000 ～ 1500 m です。

HARTは4～20mAの信号とどのように共存するのでしょうか？

HARTは、ベル202変調（マーク=2200 Hz、スペース=1200 Hz）を使用して、±0.5mAのFSK信号を1200bpsで4〜20mAのDC電流に変調します。AC 成分の平均値はゼロなので、プロセス変数の読み取り値には影響しません。230 Ω 以上の負荷抵抗は、電流変調を HART モデムが検出して復調できる電圧に変換します。

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