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。
公式
仕組み
この計算機は、プロセス制御エンジニア、産業オートメーションインテグレーター、および計装技術者にとって不可欠な、4～20mAの電流ループトランスミッターおよびレシーバー回路を設計します。ISA-50.00.01およびIEC 60381-1によると、産業環境におけるアナログセンサー伝送の主要規格は、4～20mAの電流ループです。トランスミッタは、プロセス変数 (圧力、温度、流量、レベル) を比例電流 (I = 4 + 16 * (X-Xmin)/(X-Xmin)/(Xmax-Xmin) mA) に変換します。ライブゼロ (0mAではなくゼロ入力で4mA) は、断線検出 (0-1 mA = 障害) を可能にし、2線式トランスミッタに電力を供給します。電流は直列ループ全体で一定で、24V電源で最大3000mのケーブルで電圧降下の影響を受けません。レシーバは、負荷抵抗の両端の電流を電圧に変換します (1～5V出力では通常250オーム)。最大ループ抵抗 = (電源電圧-VTX_min)/20mA。電源電圧が24V、トランスミッタの最小電圧が12Vの場合、R_max = 600オーム。HART プロトコル (IEC 62591) では、+/-0.5 mA の FSK を 1200 bps で重ね合わせることにより、アナログ信号を乱すことなくデジタル通信を行うことができます。
計算例
問題：製油所におけるハネウェルのSTD800圧力トランスミッタ（0-1000 kPa、出力4〜20 mA）用のシグナルコンディショニングを設計します。電源はDC24V、ケーブルは18 AWGの500m、PLC入力には250オームの負荷がかかります。
解決策: 1。ケーブル抵抗:18 AWG = 20.9 オーム/km 0.5 km 2 (往復) = 20.9 オーム 2.総ループ抵抗:R_Loop = 250 (負担) + 20.9 (ケーブル) = 270.9 オーム 3.20 mA での電圧:V_Loop = 0.020 * 270.9 = 5.42V 4.トランスミッタ電圧:V_tX = 24-5.42 = 18.58V (最小 12V 以上、OK) 5.600 kPa の場合:I = 4+ 16* (600/1000) = 13.6 mA 6.ADC 入力:V_ADC = 13.6 mA* 250 オーム = 3.40V 7.PLC スケーリング:4 mA = 0 kPa = 1.0V; 20 mA = 1000 kPa = 5.0V 8.12 ビット ADC (0-5V) での解像度:5V/4096/4V* 1000 kPa = 0.31 kPa/LSB
結果:600 kPa で 13.6 mA が発生し、PLC 入力で 3.40 V が生成されます。システムのトランスミッタに使用できる電圧は18.58Vで、最小12Vをはるかに上回っています。
実践的なヒント
- ✓4 ～ 20 mA の配線には、全体シールド付きの 18-24 AWG ツイストペアケーブルを使用します。ISA-RP12.06.01 の設置方法に従い、グラウンドループ電流を避けるため、コントロールルームの端でのみシールドを接地してください。
- ✓長いケーブルの両端に過渡保護（TVSダイオードまたはガス放電管）を追加してください。落雷によるサージは1000Vを超え、IEC 61643-21に従ってトランスミッタとPLC入力に損傷を与える可能性があります
- ✓HART対応の送信機では、通信に最低230オームの負荷をかけてください。負荷が230オーム未満の場合は、HART Foundationの仕様に従ってHARTモデムと並列に250オームの外付け抵抗を追加してください
よくある間違い
- ✗負荷抵抗を加算せずに複数のレシーバを直列に接続:250Ω入力を2個直列に接続すると、負荷が500オームになり、ケーブル抵抗の最大許容値が半分になります。ループ抵抗の合計が (Vsupply-Vtx_min) /20mA以下にとどまることを確認
- ✗4mAを「ゼロ」ではなく「障害」と解釈すると、4mAはISA-50.00.01に従ってプロセス入力がゼロであることを表し、フォルト状態は3.6mA未満です（NAMUR NE43では、3.6〜3.8mAをアンダーレンジ、3.6mA未満をセンサー障害と定義しています）
- ✗オープンループの両端の電圧計で4～20mAを測定：高インピーダンスの電圧計を挿入すると電流経路が遮断されます。既知の負荷抵抗（V = I * R_Burden）の両端の電圧を測定するか、クランプオン式mAメーターを使用してください