自動制御

【自動制御】制御機器に4-20mAを使うのはなぜ?1-5Vとの違いは?

更新日:

センサーから信号をもらう時や制御機器を比例的に動かす時は、ほとんどアナログ信号の4-20mAを用います。現場では「ヨンニジュウで送ればいいですか?」という言葉がよく使われて、電気分野では一般常識となっています。

しかし、電気分野に詳しくない方にとっては何が何だかわからないという事もあるかと思います。

この記事では

  • 「4-20mAって何の話?」
  • 「なぜ電流4-20mAの信号を使うの?」
  • 「電圧1-5Vとの違いや変換方法は?」
  • 「4-20mAが流れているかを測定する方法は?」

という疑問を持つ方に向けて「4-20mA」について詳しく解説していきたいと思います。

こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。

1. 4-20mAとは?

4-20mAはアナログ信号の1種でセンサーの出力や制御信号として幅広く利用されています。制御入力としては1-5Vの電圧入力も一般的で4-20mAと同様の目的で利用されています。

以前の伝送電流信号は多くの種類がありましたが、国際電気標準会議において直流で4から20mAが広く採用されるようになりました。

測定値が0の時は4mAを出力し、測定レンジ最大の時は20mAを出力します。

例えば、0-200℃の測定範囲を持つ温度センサーを利用する場合は、次のような割り当てになります。

  • 0℃:4mA
  • 100℃:12mA
  • 200℃:20mA

測定値が0の時でも4mAが出力されるので、本当に測定値が0なのか、断線しているだけなのかを電流値で判断することができます。

【温度センサー】測温抵抗体、2線式と3線式の使い分けは?

配管の中のユーティリティや、タンクの中の製品温度を知りたいとき、温度計が用いられます。 その中でも温 ...

続きを見る

2. 4-20mAが多く利用される理由

4-20mAが多く利用されるのは次の3つの特徴があるからです。

4-20mAのメリット

  1. 断線すると0mAになるため異常が分かる。(フェイルセーフ性)
  2. 長距離の伝送でも減衰しにくい。
  3. 1-5Vの電圧入力に変換することが簡単。(250Ω抵抗を利用)

それぞれについて詳しく見ていきましょう。

2-1. フェイルセーフ性

電流信号は測定値が0の場合でも4mAを出力します。断線した場合は0mAになるので、電流値を測定すれば断線しているのかどうかを検知することができます。

「4」mAという数値にしている理由は「計装機器の消費電流+α」の値で、以前は特に決まっていなかったようです。

例えば、計装機器の消費電流が3mAの場合は、そこに1mA分の下駄をはかせて信号電流として使用します。

2-2. 長距離の伝送でも減衰しにくい

電流は水の流量と同じで距離が長くなっても減衰することがありません。

100L/minの水を流しているのに配管が長くなると出てくる量が減るってことはありませんよね?

電圧信号を長距離で輸送した場合、回路中の抵抗により減衰していきます。一方、4-20mAの場合は数百mという長距離の輸送でも減衰することがありません。

長距離での輸送が必要な場合は、必ず電流信号が用いられています。

2-3. 1-5Vの電圧入力に変換することが出来る

長距離の輸送では4-20mAが利用されますが、複数の機器を測定する場合は1-5Vの電圧入力が利用されます。

4-20mAは抵抗250Ωをつけると1-5Vに簡単に変換することができます。4-20mAと1-5Vを組み合わせることで誤差や断線リスクの少ない方法をとる場合が多いです。

オームの法則

$$V=RI$$

V:電圧 (V)R:抵抗(Ω) I:電流(A)

【圧力センサー】4-20mA信号を1-5Vで入力する方法

工場の保全の仕事をしていると、ある場所に圧力センサーを設置して1ヵ月のトレンドグラフを作りたい何てこ ...

続きを見る

3. 4-20mAのデメリット

では、4-20mAにはデメリットはないのでしょうか?

4-20mAには次のようなデメリットがあります。

4-20mAのデメリット

  1. 測定するときは配線を外さないといけない。
  2. ノイズの影響を受けると数値に表れる。
  3. ループが断線するとすべての機器が使用できなくなる。

それぞれについて詳しく見ていきましょう。

3-1. 電圧より測定しにくい

電圧を測定する場合は、端子台の両端にテスターを当てればいいだけですが、電流を測定する場合はそれぞれの端子を外して直列回路を作らなければいけません。

導通確認をするときなど、電圧に比べると電流のほうが測定しにくいという欠点があります。

クランプメーターを利用すれば、電線を挟むだけで測定することができますが、やはり電圧のほうが測定は容易です。

3-2. ノイズの影響で測定値が変わる

アナログ信号特有の問題ですが、他の電線によってノイズの影響を受けてしまうと、ダイレクトに測定値の誤差につながってしまいます。

例えば、温度が一定になるように制御を行っていても、ノイズが発生すれば測定値がずれ、実際の温度制御に影響が出てしまいます。

高い制度の制御にアナログ信号を利用する場合はシールドケーブルなどを利用して、ノイズの影響を最小限に抑えなければいけません。

シールドケーブルって何?というかたは「【電気機器】シールドケーブルの種類と正しい接地方法について」を参照してください。

3-3. 断線するとすべての機器が使用できなくなる

4-20mAの同一信号を複数の機器に渡らせる場合は直列回路にしなければいけません。

そのため、もし一か所が断線するとすべての機器に電流が伝わらなくなります。

電圧入力の場合は並列設置が可能なので、1か所が断線した場合でも他の機器は問題なく動きます。

1つの信号線で複数の機器に入力する場合は電圧入力にしたほうが断線による機器停止リスクを下げることができます。

4. 4-20mAの使い方

4-20mAは様々なところで利用されます。

一例として次のような使い方があります。

  • 温度・圧力センサーの測定値
  • 流量計の測定値
  • 制御弁の動作
  • モーターのインバーター制御

こちらも詳しく見ていきましょう。

4-1. 温度・圧力・レベルセンサーの測定値

温度、圧力、レベルセンサーもすべて4-20mAで出力することができます。

それぞれの測定レンジに合わせて4-20mAを出力するので、電流値を測定すれば調節計などの表示器がなくても測定値が分かります。

調節計などを通して、4-20mAの信号をやり取りすることで温度制御、圧力制御、レベル制御などが可能になります。

【圧力センサー】4-20mA信号を1-5Vで入力する方法

工場の保全の仕事をしていると、ある場所に圧力センサーを設置して1ヵ月のトレンドグラフを作りたい何てこ ...

続きを見る

4-2. 流量計の測定値

型式にもよりますが、流量計の測定値も4-20mAで出力できることが多いです。

流量計の測定範囲で4mA-20mAに割り当てます。

流量計と制御弁を組み合わせれば、常に一定の流量になるように流量制御を行うこともできます。

2020/6/8

【流量計】蒸気流量計の使い方、補正はなぜ必要?

流量計の種類や測定原理によっては、他のデータによる補正が必要なケースがあります。 今回は蒸気流量計の補正の必要有無について、解説します。 こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。 チャンネル登録はこちら 目次蒸気流量計の補正とは?補正機能がないとどうなる?まとめ 蒸気流量計の補正とは? 蒸気の計測を行う流量計にはいくつかの原理があります。 差圧式、渦式、電磁式などがメジャーな型式と言えます。ここの原理については過去の記事でまとめていますので、ぜひご覧ください。 どの ...

ReadMore

2020/2/3

【流量計】静電容量式流量計ってどんな原理?電磁流量計との違いは?

今回は流量計の中でも、静電容量式というタイプの仕組みと用途について解説します。 目次静電容量式流量計とは?静電容量式流量計のメリットは?静電容量式流量計のデメリットは?まとめ 静電容量式流量計とは? 静電容量式流量計を検索してみると「電磁流量計」のサイトがよく出てきました。 実は静電容量式流量計は、電磁流量計の1種です。何が違うのかというと静電容量式は、計測部の電極が配管の外にあるため液体と電極が直接触れない非接触型という点です。詳しくご説明します。 まず、静電容量とは何を指す言葉なのでしょうか。これは電 ...

ReadMore

2020/3/6

【流量計】質量流量計?コリオリ流量計について解説!

流量計解説シリーズをいくつか続けてきましたが、今回はコリオリ流量計です。 業界によってはあまり見かけることはないかもしれませんが、面白い仕組みをしていますのでコリオリ流量計について解説していきたいと思います。 目次コリオリ流量計とは?コリオリの力とは?コリオリ流量計のメリットコリオリ流量計のデメリットまとめ コリオリ流量計とは? 構造としては、流体が二股で平行に並んだ細いU字配管(フローチューブ)を通り、再び1本の配管に戻るという形状をしています。(1本の構造のものもあります) 2つのU字管内を流体が流れ ...

ReadMore

2020/1/31

【流量計】容積式流量計って何?どんな仕組みか詳しく解説してみた

流量計について調べたときに、歯車が2つ回る構造のものを見たことがありませんか? 今回はいくつかある流量計の型式の中の一つ、容積式流量計について詳しく解説します。 目次容積式流量計とは?容積式流量計のメリット容積式流量計のデメリットまとめ 容積式流量計とは? 容積式流量計には、流量検出部に楕円状の歯車が2つ設置されています。 図で言うと、左から右に流体が流れることで歯車が回り、歯車上部分と下部分を流体が交互に流れていきます。 なぜ容積式と呼ぶかですが、升(ます)がよく例えに用いられます。水やお米を図るイメー ...

ReadMore

2020/1/19

【流量計】差圧式流量計って何?どんな仕組みか詳しく解説してみた

再び流量計の型式・原理解説シリーズです。 今回は現場で一番見かける?と言っても過言ではないほど普及している、差圧式流量計について詳しく解説したいと思います。 なぜよく使われるのか、どんな利点があるのか、皆さんの理解の助けになると嬉しいです。 目次差圧式流量計とは?差圧式流量計のメリットは?差圧式流量計のデメリットは?まとめ 差圧式流量計とは? 差圧式流量計はその名の通り、流体の圧力差を利用した測定原理をしており、オリフィス式やダイヤフラム式などとも呼ばれます。 配管内部を流れる気体や液体などの流体をイメー ...

ReadMore

4-3. 制御弁の動作

エア駆動式の制御弁は4-20mAの電流を送ることでコイルが動き、エアの圧力を調整します。入力される電流値によってエアの圧力を微調整する機器をポジショナーといいます。

参照:「【自動制御】制御弁のポジショナーって何?原理は?

制御弁などは設定値に対して測定値がどれぐらい離れているか(偏差)によって開度を調整する比例的な動きをするので4-20mAの信号が有効です。

2020/3/16

【制御弁】Cv値の選定方法は?基準をまとめてみた

現場で制御弁の選定を行うとき、必ず出てくるCv値。詳しい原理はよく分からなくても、仕事で使っていると慣れてくるものだと思います。ですが、Cv値の選び方はいつも迷ってしまう方が多いのではないでしょうか? 今回はCv値の選定基準と、選定間違いをしてしまった際に生じる問題をまとめました。 目次Cv値とはCv値の選定方法流量・圧力差を確認するバルブCv値を選定するCv値の選定を間違えた場合選定したCv値が小さすぎた場合選定したCv値が大きすぎた場合まとめ Cv値とは バルブは配管サイズによって内径が当然変化します ...

ReadMore

2020/4/16

【制御弁】イコールパーセント特性とリニア特性の使い分けは?

制御弁には、バルブの固有特性としてイコールパーセント特性とリニア特性、クイックオープン特性があります。 一般的には、イコールパーセント特性が使用されることが多いですが、流量特性のグラフを見るとリニアの方が分かりやすくていいように見えます。では、なぜイコールパーセント特性が使用されるのでしょうか? 今回は、イコールパーセント特性とリニア特性の違いや使い分けについて解説したいと思います。 チャンネル登録はこちら 目次イコールパーセント特性とリニア特性とは?イコールパーセント特性が利用される理由イコールパーセン ...

ReadMore

2020/5/13

【制御弁】ポジショナーって何?原理は?

空気動式の制御弁を選ぶときには、必ずポジショナーのタイプも選ばなければいけません。 しかし、制御弁についてあまり詳しくないうちは、ポジショナーが何のために必要なのか分からず何を選べばいいのかわからないという方も多いと思います。ネットで調べてみてもポジショナーがなぜ必要なのかを説明する分かりやすいサイトがなかったので、ここで簡単に解説してみたいと思います。 チャンネル登録はこちら 目次1. ポジショナーとは?2. 電空ポジショナーと空空ポジショナーの使い分け3. まとめ 1. ポジショナーとは? ポジショナ ...

ReadMore

2020/4/18

【制御弁】制御弁が動く仕組みとは?

生産ラインの自動化には欠かすことの出来ない制御弁。今も多くの工場で、温度や圧力を一定にするために動いています。 工場の自動化が進む昨今では、手動でバルブを切り替えていたものに制御弁を導入して自動化するという事も多いのではないでしょうか? 今回は、制御弁がどのようにして動くのか。制御弁の仕組みについて解説してみたいと思います。 チャンネル登録はこちら 目次1. 制御弁とは?2. 空動式の制御弁が動く仕組み3. 電動式の制御弁が動く仕組み4. まとめ 1. 制御弁とは? 制御弁は空気や電気の力でバルブの弁開度 ...

ReadMore

2020/4/16

【制御弁】正動作と逆動作の違い、使い分けは?

制御弁を選定する際には、正動作か逆動作かを決めなければいけません。では、正動作と逆動作は一体何が違うのでしょうか? 今回の記事では正動作と逆動作の違いとその使い分けについて書いてみたいと思います。 チャンネル登録はこちら 目次1. 正動作と逆動作の違いとは?2. 正動作と逆動作の使い分け3. まとめ 1. 正動作と逆動作の違いとは? 正動作と逆動作の違いは次のようになります。 PID制御の場合 正動作・・・調節計からの出力が増加すると閉弁の方向に動く 逆動作・・・調節計からの出力が増加すると開弁の方向に動 ...

ReadMore

4-4. モーターのインバーター制御

ポンプなどのモーター機器は、負荷に応じて回転数を制御するインバーター制御がよく用いられます。

この場合も、ポンプの回転数を制御する信号には4-20mAが用いられることが一般的です。

負荷量に相当する信号を取得して、ポンプの必要な回転数を計算し、4-20mAの信号にのせて出力します。

【自動制御】インバータ制御って何?メリットデメリットは?

製造業の世界では、「インバータ制御で省エネ」なんて言葉をよく聞くのではないでしょうか。ところが電気分 ...

続きを見る

 

このように、4-20mAは連続した値で比例的に制御する場合に利用されます

5. 4-20mAの測定方法

現場で4-20mAが出ているのかどうかを確認する方法は次の2つです。

5-1. テスター

最も一般的な方法は、テスターを利用する方法です。

テスターを使う場合は、端子台から線を外してテスターと負荷が直列になるように接続します。

電圧と同じように並列で測定しようとしても、電流は流れてこないので注意が必要です。

【制御盤】テスターの抵抗測定で接点を確認する方法

電気機器が正しく動いているかどうかを確認する際に、接点が入っているのか入っていないのかを簡易に測定し ...

続きを見る

5-2. クランプメーター

2つ目はクランプメーターを利用する方法です。

クランプメーターは電流から発生している磁界をとらえて電流換算することができる機器です。

クランプメーターを用いれば、わざわざ結線を外さなくていいのでとても便利です。

磁界をとらえるという特性から、プラスとマイナスを両方挟むと打ち消しあって0Aを表示することになるので注意が必要です。

必ずプラスかマイナスの1本を挟むようにしましょう。

6. 4-20mAの出力方法

4-20mAを出力して機器の動作確認を行いたい場合は電流発生器が必要です。

電流発生器は4-20mAの信号を選択して一定電流を発生させてくれます。

電流発生器を使えば、4mAで測定値が0を示すのか、20mAで最大値を示すのかを確認することができます。

また、任意の4-20mA信号を送ることで制御弁の動きやポンプの回転数などを見て、結線が間違っていないかなども確認することができます。

7. まとめ

記事の内容をまとめると次のようになります。

  • 4-20mAはアナログ信号の一種で制御信号として幅広く利用される。
  • フェイルセーフ性、長距離輸送可能、電圧変換が簡単などのメリットがある。
  • 測定しにくい、ノイズの影響を受ける、断線すると複数の機器が止まるというデメリットがある。
  • 各種センサー、流量計、制御弁、インバーター制御などに利用される。
  • テスターやクランプメーターで測定することが出来る。
  • 電流発生器で出力させることが出来る。

いかがだったでしょうか?

4-20mA信号を利用するのは、自動制御の世界では常識ですが、初心者にとってはわかりにくい項目の1つです。

基本が理解できるといろいろと応用が利くので、是非4-20mAについて理解を深めてみてください。

2020/7/3

【自動制御】見ればわかる!リレーシーケンスの動きをアニメーションで分かりやすく解説

自動制御の一連の流れを理解するにはシーケンス図を読み解く必要があります。 今回は、その中でも比較的よく使われるリレーシーケンスの流れをアニメーションで解説したいと思います。シーケンス図の見方は何となくわかったけど、感覚的につかみづらいという方は、アニメーションを見ることで理解が一気に進むと思います。 シーケンス図の記号の読み方やシーケンス図とは何かという点については他のサイトで詳しく解説されているのでそちらを参照してください。 チャンネル登録はこちら 目次a接点、b接点AND回路OR回路NOT回路NAND ...

ReadMore

2020/5/17

【自動制御】インバータ制御って何?メリットデメリットは?

製造業の世界では、「インバータ制御で省エネ」なんて言葉をよく聞くのではないでしょうか。ところが電気分野が専門の方以外は、省エネどころか「インバータって何?」と思われる方も多いと思います。 今回は実際の導入検討も考慮してインバーターとは何か?について解説したいと思います。 動画でも解説しているので、動画のほうがいいという方はこちらもどうぞ。 チャンネル登録はこちら 目次インバータとはインバータ制御のメリット・デメリットインバータのメリットインバータのデメリットまとめ インバータとは インバータとは、元の交流 ...

ReadMore

2020/5/14

【自動弁】電動弁カタログの電流値ってどういう意味?

現場で使う電動弁のカタログを見て、「50VA」などの記載を見たことはありませんか? ポンプならともかく、電動弁に電流が流れるって少し不思議な感じがしますよね。 今回は電動弁の仕組みと、電流値について解説したいと思います。 目次電動弁とは電動弁の電流値まとめ 電動弁とは 電動弁は電動のモーターが回ることにより、開閉を調整するバルブのことを言います。 多くの場合、全開か全閉の2パターンのみを想定していますが、バルブ形状によっては中間開度の調整ができ、制御弁のような役割を持たせたものもあります。 電気で駆動する ...

ReadMore

2020/5/6

【自動制御】HART通信って何?メリットデメリットを詳しく解説してみた

制御機器などを現場で扱っていると「ハート通信」という言葉に出会うことがないでしょうか。 センサーと制御システムをつなげるネットワークの一つなのですが、扱わないと馴染みがない言葉です。今回はHART通信のメリットについて説明します。 こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。 チャンネル登録はこちら 目次HART通信はフィールドバスのひとつHART通信とはHART通信のメリットHART通信のデメリットまとめ HART通信はフィールドバスのひとつ 産業分野において現場と制 ...

ReadMore

2020/5/14

【自動弁】空動弁に電磁弁が必要な理由、電動弁との使い分けは?

空動弁を電気信号で開閉させるためには、圧縮エアと電磁弁が必要です。 空動弁を選定する際には電磁弁を付けるかどうかがオプションになっている場合がありますが、そもそもなぜ空動弁を動かすのに電磁弁が必要なのでしょうか? 今回は、空動弁の作動に電磁弁が必要な理由について解説してみたいと思います。 目次空動弁とは空動弁に電磁弁が必要な理由空動弁を選ぶ理由まとめ 空動弁とは 空動弁はエア式自動弁とも呼ばれ、圧縮空気の圧力で弁を開閉するバルブです。 自動弁の中では電気の力でモーターを用いて開閉を行う電動弁が一般的ですが ...

ReadMore

↓ 関連書籍

お勧め専門誌

   

   

SNSアカウント

エネ管.com

更新情報が届いたりチャット機能が利用出来ます。
是非、登録をお願いします!

Youtubeチャンネル登録

Twitterでフォロー

LINEで登録



おすすめ通信講座

エネルギー管理士熱分野講座

・効率よく短期間で確実に合格したい
・スマホを使ってすき間時間に勉強したい
・独学だけでは分かりにくい

そんな方にお勧めの通信講座です。

現場技術の資格を取るなら!おすすめ通信講座

最短で資格を取得するためには、いかに効率よく学習するかが重要です。現場技術系の資格取得をサポートするおすすめの通信講座を紹介します。

シンプルで分かりやすいテキスト『SAT』

現場技術系専門の通信講座です。イラストを多用したシンプルで分かりやすいテキストと動画がセットになっています。

価格もお手頃で、特に熱力学などを学んだことのない初学者におすすめの通信講座です。

エネルギー管理士以外にも電験や衛生管理者など25の資格の通信講座を展開しています。

現場系通信講座の老舗『JTEX』

40年の実績がある現場系通信講座の老舗です。動画はなく、レポート提出形式の通信講座になります。価格もお手頃でテキストが分かりやすいと評判です。

  • この記事を書いた人
  • 最新記事

エコおじい

プラント系エンジニアです。2017年から工業技術に関する情報をまとめて発信しています。最近、Youtubeも始めました。応援していただけるという方は更新情報などを発信するので、Twitterのフォローお願いします。

おすすめ記事

1

あなたエネルギー管理士の資格を最短で取得したい。でも、熱力学や流体工学を学んだことがないので、独学だ ...

2

これからエネルギー管理士試験を受けるあなたのために、最短時間でエネルギー管理士に合格する方法を紹介し ...

-自動制御

Copyright© エネ管.com , 2020 All Rights Reserved Powered by AFFINGER5.