なぜアナログ機器は4～20mAで信号を送信することを好むのでしょうか？

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4-20mA.DC（1-5V.DC）信号方式は、国際電気標準会議（IEC）のプロセス制御システムで採用されているアナログ信号伝送規格です。我が国もこの国際標準の信号方式を採用しており、計器の送信信号には4-20mA.DCを、受信信号には1-5V.DCを使用し、つまり電流で送信し電圧で受信する信号システムを採用している。 一般的な計測器の信号電流は4～20mAで、最小電流が4mA、最大電流が20mAを意味します。信号を伝送する際、導線にも抵抗があるため、電圧で伝送すると導線内で一定の電圧降下が生じ、受信側の信号に誤差が生じてしまいます。そのため、一般的にはトランスミッターの標準的な伝送手段として電流信号が使用されます。 一、4～20mA.DC（1～5V.DC）信号制とは何か？ 4～20mA.DC（1～5V.DC）信号規格は、国際電気標準会議（IEC）によるプロセス制御システム用アナログ信号規格です。我が国ではDDZ-Ⅲ型電動計器からこの国際標準の信号方式が採用され、計器の伝送信号には4～20mA.DCが、連絡信号には1～5V.DCが使用されており、つまり電流で伝送し電圧で受信する信号システムが採用されている。 4～20mA電流ループの動作原理：工業現場において、計測アンプを用いて信号を調整し長距離伝送すると、以下の問題が生じる。第一に、伝送される信号が電圧信号であるため、伝送線がノイズの影響を受けることだ；第二に、伝送線の分布抵抗が電圧降下を引き起こします；第三に、現場でアンプの動作電圧をどのように供給するかも問題です。 上記の問題を解決し、関連するノイズの影響を避けるために、私たちはノイズに鈍感な電流を使って信号を伝送します。4～20mAの電流リングでは、4mAでゼロ信号を表し、20mAで信号のフルスケールを表します。そして、4mA未満かつ20mAを超える信号は、さまざまな故障のアラームとして使用されます。 二、4～20mA.DC（1～5V.DC）信号方式の利点は？ 現場計器は2線式を実現でき、いわゆる2線式とは電源と負荷が直列に接続され、共通の接点があり、現場トランスミッターと制御室の計器間の信号伝達および給電には2本の電線のみが使用されることを指す。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ます。また、計器の電気的ゼロ点も4mA.DCであり、機械的ゼロ点とは一致しません。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ります。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。 制御室の計器は電圧並列信号伝送を採用しており、同一制御システムに属する計器同士には共通端子があり、計器の検出や調整、コンピュータ、警報装置との接続を容易にし、配線も簡単になっている。 現場計器と制御室計器間の通信信号に4～20mA.DCを採用する理由は、現場と制御室の距離が遠く、接続される電線の抵抗が大きいためである。電圧信号を用いて遠隔伝送すると、電線の抵抗と受信計器の入力抵抗による分圧が生じ、大きな誤差が発生する。一方、定電流源信号を用いる場合、伝送回路に分岐がない限り、回路内の電流は電線の長さに関わらず変わらないため、正確な伝送が保証される。 制御室の計器間の通信信号に1～5V.DCを採用する理由は、複数の計器が同じ信号を受信しやすくし、配線やさまざまな複雑な制御システムの構築を容易にするためです。電流源をリンク信号として使用する場合、複数の計器が同じ信号を受信する際には、それらの入力抵抗を直列に接続しなければならない。これにより最大負荷抵抗が送信計器の負荷容量を超えてしまい、さらに各受信計器の信号の負極電位が異なるため干渉が生じ、単一の集中供給も実現できない。 電圧源信号による通信を採用する場合、現場の計器との通信に使用される電流信号は電圧信号に変換する必要がある。最も簡単な方法は、電流伝送回路に250Ωの標準抵抗を直列に接続し、4～20mA.DCを1～5V.DCに変換することであり、通常は分配器がこの役割を担う。 三、なぜトランスミッターは4～20mA.DCを伝送信号として選ぶのか？ 1. まずは現場での使用における安全性の観点からです。安全対策としては、防爆機能を備えたスパーク型計器を用いることが重視され、計器のエネルギーを制御することを前提として、計器が正常に動作するために必要な静的・動的な消費電力を可能な限り低減します。4～20mAのDC標準信号を出力するトランスミッターで、その電源電圧は通常24V.DCが使用される。直流電圧を採用する主な理由は、大容量のコンデンサーやインダクターを使わずともよく、トランスミッターと制御室の計器を接続する配線の分布容量や分布インダクタンスのみを考慮すればよいからである。例えば2mm2の配線では、その分布容量は約0.05μ/kmである；単線のインダクタンスは0.4mH/km程度です；**水素の爆発限界値よりも低いことは、明らかに防爆にとって非常に有利である。 2、信号伝送には電流源の方が電圧源より優れている。現場と制御室の距離が遠く、接続された配線の抵抗が大きい場合、電圧源を用いて信号を遠隔伝送すると、配線の抵抗と受信計器の入力抵抗による分圧のために大きな誤差が生じる。一方、電流源を用いて信号を遠隔伝送する場合、伝送回路に分岐がない限り、回路内の電流は配線の長さに関わらず変わらないため、伝送精度が保証される。 3、信号の最大電流を20mAに設定した理由 最大電流を20mAに設定したのは、安全性、実用性、消費電力、コストを考慮したためです。安全スパーク計器は低電圧・低電流のみを使用でき、4～20mAの電流と24V.DCは可燃性の水素に対しても安全です。24V.DCの場合、水素の発火電流は200mAであり、20mAを大幅に上回ります。さらに、製造現場における計器同士の接続距離や負荷などの要因も総合的に考慮する必要があります；さらに、消費電力やコストの問題、電子部品への要求、供給電力の要件などもあります。 4、信号の出力開始電流を4mAに設定した理由は、出力が4～20mAのトランスミッターは2線式のものが多いためです。2線式とは、電源と負荷が直列に接続され、共通点が1つあり、現場のトランスミッターと制御室の計器間の信号伝達および給電にはわずか2本の配線のみが使用されます。なぜスタート信号は0mAではないのですか？これは2つの点に基づいています。一つ目は、トランスミッタ回路には静的な動作電流がなければ動作できず、信号の出力電流は4mA.DCであり、機械的なゼロ点と一致しないことです。このような「動的ゼロ点」は、停電や配線切断などの故障を検出するのに役立ちます。 四、4～20mAセンサーの由来は？ 電流信号を採用する理由は、干渉を受けにくく、かつ電流源の内部抵抗が無限大であるため、回路に直列に接続される導線の抵抗が精度に影響を与えず、通常のツイストペアケーブルで数百メートル伝送できるからです。 電流信号を採用する理由は、干渉を受けにくいからです。工場現場のノイズ電圧の振幅は数Vに達することがありますが、ノイズのパワーは非常に弱いため、ノイズ電流は通常nAレベル未満であり、その結果4－20mA伝送に与える誤差は極めて小さいのです；電流源の内部抵抗は無限大に近く、回路に直列に接続される導線の抵抗は精度に影響を与えないため、通常のツイストペアケーブルで数百メートル伝送可能である；電流源の高い内部抵抗と定電流出力により、受信側には250オームの接地抵抗を1つ設置するだけで0～5Vの電圧を得ることができる。低入力インピーダンスの受信機の利点は、nAレベルの入力電流ノイズがごくわずかな電圧ノイズしか生じない点である。 上限を20mAとするのは、防爆の要件によるものです。20mAの電流のオン・オフによって発生するスパークのエネルギーでは、ガスを点火させるには不十分だからです。下限を0mAに設定しないのは、断線を検出できるようにするためです。通常動作時は4mA未満にはならず、伝送線が故障で開路するとループ電流は0になります。通常、2mAを断線警報値として使用する。電流型トランスミッタは物理量を4～20mAの電流出力に変換するため、必ず外部電源からの供給が必要となる。最も典型的なのは、トランスミッターに電源線が2本と電流出力線が2本必要で、合計4本の線を接続する必要があり、これを4線式トランスミッターと呼びます。もちろん、電流出力は電源と同じ線でVCCまたはGNDを共有することができ、1本の線を節約できるため、これを3線式トランスミッターと呼びます。実は、4-20mAの電流自体がトランスミッターに電力を供給できることに、皆さんも気づいているかもしれません。トランスミッタは回路内で特別な負荷に相当し、その特徴は、センサーの出力に応じてトランスミッタの消費電流が4～20mAの間で変化することです。表示計器は回路に直列に接続するだけでよい。このタイプのトランスミッターは外部に2本の線を接続するだけで済むため、2線式トランスミッターと呼ばれます。工業用電流リングの標準下限は4mAであるため、測定範囲内であれば、トランスミッターには少なくとも4mAの電力が供給されます。 したがって、4-20mAの信号出力は一般的に干渉を受けにくく、安全かつ信頼性が高いため、産業界では広く2線式の4-20mA電源出力信号が使用されています。しかし、センサーの信号をより適切に処理するため、現在はさらに多くの別の形式の出力信号も存在します：3.33MV/V；2MV/V；0-5V；0-10Vなど。