아날로그 장비들은 왜 4~20mA 신호 전송을 선호할까요?

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4-20mA. DC(1-5V.DC) 신호 방식은 국제전기기술위원회(IEC)가 공정 제어 시스템에서 사용하는 아날로그 신호 전송 표준입니다.우리나라도 이 국제 표준 신호 체계를 채택하고 있으며, 계측기의 전송 신호는 4-20mA.DC를 사용하고, 수신 신호는 1-5V.DC를 사용합니다. 즉, 전류로 신호를 전송하고 전압으로 신호를 수신하는 방식을 사용하는 것입니다. 일반적인 계측기의 신호 전류는 4-20mA이며, 이는 최소 전류가 4mA이고 최대 전류가 20mA임을 의미합니다.신호를 전송할 때, 전선에도 저항이 있기 때문에 전압을 이용해 전송하면 전선 내부에서 일정한 전압 강하가 발생합니다. 그 결과 수신 측의 신호에 오차가 생기게 됩니다. 따라서 일반적으로는 전류 신호를 트랜스미터의 표준 전송 방식으로 사용합니다. 1. 4~20mA.DC(1~5V.DC) 신호 방식이란 무엇인가? 4~20mA.DC(1~5V.DC) 신호 방식은 국제전기기술위원회(IEC)의 공정 제어 시스템용 아날로그 신호 표준입니다.우리나라는 DDZ-Ⅲ형 전동 계측기부터 이 국제 표준 신호 체계를 도입했으며, 계측기의 신호 전송에는 4~20mA.DC가 사용되고, 연락 신호에는 1~5V.DC가 사용됩니다. 즉, 전류를 이용해 신호를 전송하고 전압을 이용해 신호를 수신하는 방식입니다. 4~20mA 전류 루프 작동 원리: 산업 현장에서는 신호를 조절하고 장거리로 전송하기 위해 계측 증폭기를 사용하는데, 이때 다음과 같은 문제가 발생합니다. 첫째, 전송되는 신호가 전압 신호이기 때문에 전송선이 노이즈의 영향을 받습니다；둘째, 전송선의 분배 저항으로 인해 전압 강하가 발생합니다；셋째, 현장에서 아날로그 증폭기의 동작 전압을 어떻게 공급할 것인가도 문제입니다. 위와 같은 문제들을 해결하고 관련된 노이즈의 영향을 피하기 위해, 우리는 전류를 이용하여 신호를 전송합니다. 왜냐하면 전류는 노이즈에 민감하지 않기 때문입니다.4~20mA 전류 루프에서는 4mA가 0 신호를 나타내고, 20mA가 신호의 최대 스케일을 나타냅니다. 4mA보다 낮고 20mA보다 높은 신호는 다양한 고장에 대한 경보용으로 사용됩니다. 二、4~20mA.DC(1~5V.DC) 신호 방식의 장점은? 현장 계측기는 2선식을 구현할 수 있으며, 소위 2선식이란 전원과 부하가 직렬로 연결되어 공통점이 하나 존재하고, 현장 트랜스미터와 제어실 계측기 간의 신호 전달 및 전력 공급에는 단 두 개의 전선만 사용된다는 것을 의미합니다.신호의 시작 전류가 4mA.DC이기 때문에, 이는 트랜스미터에 정적 작동 전류를 공급해 줍니다. 또한 계측기의 전기적 제로점도 4mA.DC이므로, 기계적 제로점과 일치하지 않습니다. 이러한 ‘동적 제로점’은 정전이나 회선 단선과 같은 고장을 식별하는 데 유용합니다.게다가 2선식은 세이프가드를 사용하기에도 용이하여 안전한 방폭에 도움이 됩니다. 제어실 계기는 전압 병렬 신호 전송 방식을 사용하며, 동일한 제어 시스템에 속한 계기들 사이에는 공통 단자가 있어 계기의 검출, 조절, 컴퓨터, 경보 장치의 연동이 용이하고 배선도 편리합니다. 현장 계측기와 제어실의 계측기 사이의 통신 신호로 4~20mA.DC를 사용하는 이유는, 현장과 제어실의 거리가 멀어 연결된 전선의 저항이 크기 때문입니다. 만약 전압 신호를 사용한다면, 전선의 저항과 수신 계측기의 입력 저항으로 인해 분압이 발생하여 큰 오차가 생길 수 있습니다. 반면, 일정한 전류를 이용한 신호를 사용하면, 전송 회로에 분기가 없는 한 회로 내의 전류는 전선의 길이에 따라 변하지 않으므로 정확한 전송이 가능합니다. 제어실의 계측기들 간의 통신 신호로 1~5V.DC가 사용되는 이유는, 여러 대의 계측기가 동일한 신호를 쉽게 수신할 수 있도록 하고, 배선을 용이하게 하며 다양한 복잡한 제어 시스템을 구성하는 데 유리하기 때문입니다.전류원을 연락 신호로 사용할 경우, 여러 계측기가 동일한 신호를 받을 때 그 입력 저항들은 반드시 직렬로 연결되어야 합니다. 이로 인해 최대 부하 저항이 전송 계측기의 부하 용량을 초과하게 되며, 또한 각 수신 계측기의 신호 음극 전위가 서로 다르기 때문에 간섭이 발생합니다. 게다가 단일한 중앙 공급 방식도 적용할 수 없습니다. 전압원 신호를 이용한 통신 방식을 사용할 경우, 현장 계측기와의 통신에 필요한 전류 신호는 반드시 전압 신호로 변환되어야 합니다. 가장 간단한 방법은 전류 전송 회로에 250Ω의 표준 저항을 직렬로 연결하여 4~20mA.DC 신호를 1~5V.DC 신호로 변환하는 것입니다. 일반적으로 이 작업은 배전 장치가 담당합니다. 삼、왜 전송기는 4~20mA.DC 신호를 전송 신호로 선택하는가? 1. 우선 현장 적용의 안전성을 고려해야 합니다. 안전성은 방폭 기능이 있는 안전한 스파크형 계측기를 사용하는 데 중점을 두며, 계측기의 에너지를 통제한다는 전제 하에 계측기가 정상적으로 작동하기 위해 필요한 정적 및 동적 전력 소비를 최소화합니다.4~20mA.DC 표준 신호를 출력하는 변환기의 전원 전압은 보통 24V.DC가 사용됩니다. 직류 전압을 사용하는 주된 이유는, 대용량의 커패시터나 인덕터가 필요 없으며, 변환기와 제어실의 계측기를 연결하는 선로의 분배 커패시턴스와 인덕턴스만 고려하면 된다는 점입니다. 예를 들어, 2mm2 규격의 선로의 경우 분배 커패시턴스는 약 0.05μ/km입니다；단선의 인덕턴스는 약 0.4mH/km입니다；**수소가 폭발하는 임계값보다 낮으므로, 이는 분명히 폭발 방지에 매우 유리합니다. 2. 신호 전송에는 전압원보다 전류원이 더 적합합니다. 현장과 제어실 사이의 거리가 멀고, 연결된 전선의 저항이 크다면, 전압원을 사용하여 신호를 장거리로 전송할 경우 전선의 저항과 수신 장치의 입력 저항으로 인해 큰 오차가 발생합니다. 반면, 전류원을 사용하면 전송 회로에 분기가 없는 한 회로 내의 전류는 전선의 길이에 따라 변하지 않으므로, 전송의 정확도를 보장할 수 있습니다. 3. 신호의 최대 전류를 20mA로 설정한 이유는, 안전성, 실용성, 전력 소비량, 비용 등을 고려한 결과입니다.안전 스파크 계측기는 저전압, 저전류만을 사용해야 하며, 4~20mA의 전류와 24V DC도 가연성 수소에 있어서는 안전합니다. 24V DC의 경우 수소가 폭발하는 데 필요한 전류는 200mA로, 이는 20mA보다 훨씬 높은 값입니다. 또한, 생산 현장에서의 계측기들 간의 연결 거리나 부하 등의 요소들도 함께 고려해야 합니다；또한 전력 소비와 비용 문제, 전자 부품에 대한 요구사항, 전력 공급 용량에 대한 요구사항 등의 요인들이 있습니다. 4. 신호 시작점 전류를 4mA로 선택한 이유는, 출력이 4~20mA인 변환기들은 대부분 2선식 방식을 사용하기 때문입니다. 2선식이란 전원과 부하가 직렬로 연결되어 공통점이 하나 있으며, 현장의 변환기와 제어실의 계측기 간의 신호 전송 및 전력 공급은 단 두 개의 전선만으로 이루어집니다.왜 시작 신호가 0mA가 아닌가요?이는 두 가지 이유에 기반합니다. 첫째, 트랜스미터 회로에는 정적 작동 전류가 없으면 동작할 수 없으며, 신호의 시작 전류는 4mA.DC로 기계적 제로점과 일치하지 않습니다. 이러한 ‘동적 제로점’은 정전이나 회선 단선과 같은 고장을 파악하는 데 유리합니다. 넷, 4~20mA 센서의 유래는? 전류 신호를 사용하는 이유는 간섭을 받기 어렵고, 전류원의 내저항이 무한대이므로 회로에 직렬로 연결된 전선의 저항이 정밀도에 영향을 주지 않으며, 일반 트위스트 페어 케이블을 통해 수백 미터까지 전송할 수 있기 때문입니다. 전류 신호를 사용하는 이유는 간섭을 받기 어렵기 때문입니다. 산업 현장의 노이즈 전압의 크기는 수V에 달할 수 있지만, 노이즈의 세기는 매우 약하기 때문에 노이즈 전류는 보통 nA 수준에 불과합니다. 따라서 4-20mA 전송 시 발생하는 오차도 매우 작습니다；전류원의 내저항은 무한대에 가까워지며, 회로에 직렬로 연결된 전선의 저항은 정밀도에 영향을 주지 않으므로 일반적인 차동 케이블을 통해 수백 미터까지 전송할 수 있다；전류원의 높은 내저항과 정전류 출력 덕분에, 수신단에서는 250옴짜리 저항을 지면에 연결하기만 하면 0–5V의 전압을 얻을 수 있습니다. 낮은 입력 임피던스를 가진 수신기의 장점은, nA 수준의 입력 전류 노이즈가 매우 약한 전압 노이즈만을 유발한다는 것입니다. 상한값을 20mA로 정한 것은 방폭 요구사항 때문입니다. 20mA의 전류가 차단될 때 발생하는 스파크의 에너지는 가스를 점화시키기에 충분하지 않습니다.하한값을 0mA로 설정하지 않은 이유는 회선이 끊어진 것을 감지할 수 있도록 하기 위함입니다. 정상적으로 작동할 때는 4mA 이하가 되지 않으며, 전송선에 문제가 생겨 회로가 끊어지면 루프 전류는 0이 됩니다.일반적으로 2mA를 단선 알람 값으로 사용합니다.전류형 변환기는 물리량을 4~20mA의 전류로 변환하여 출력하므로, 반드시 외부 전원이 필요합니다.가장 전형적인 경우는 트랜스미터에 전원선 2개와 전류 출력선 2개가 필요하여 총 4개의 선을 연결해야 하며, 이를 4선식 트랜스미터라고 합니다.물론, 전류 출력은 전원과 같은 선을 공유하여 VCC나 GND를 공용으로 사용할 수 있어, 선 하나를 절약할 수 있습니다. 이를 3선식 트랜스미터라고 합니다.사실 여러분도 아시다시피, 4-20mA 전류 자체가 트랜스미터에 전력을 공급할 수 있습니다.트랜스미터는 회로에서 특수한 부하에 해당하며, 그 특별한 점은 트랜스미터의 소비 전류가 센서의 출력에 따라 4~20mA 사이에서 변화한다는 것입니다.디스플레이 계기는 회로에 직렬로 연결하기만 하면 됩니다.이러한 변환기는 외부에 선 2개만 연결하면 되므로, 2선식 변환기라고 불립니다.산업용 전류 루프의 기준 하한값은 4mA이므로, 측정 범위 내에서는 트랜스미터에 최소 4mA의 전력이 공급됩니다. 따라서 4-20mA 신호 출력은 일반적으로 간섭을 받기 어렵고 안전하며 신뢰성이 높아, 산업 분야에서는 주로 2선식 4-20mA 전원 출력 신호가 사용됩니다.하지만 센서의 신호를 더 효과적으로 처리하기 위해, 현재는 3.33MV/V와 같은 다른 형태의 출력 신호도 사용되고 있습니다；2MV/V；0-5V; 0-10V 등.