4-20mA 아날로그 전류 신호

현대 산업 계측 시스템에 사용되는 가장 널리 사용되는 신호 전송 형태는 4-2mA DC 표준입니다. 이것은 아날로그 신호 표준으로, 전류가 측정 또는 명령 신호를 비례적으로 표현하는 데 사용됨을 의미합니다. 일반적으로 4mA 전류 값은 스케일의 0%를 나타내고, 20mA 전류 값은 스케일의 100%를 나타내며, 4mA와 20mA 사이의 전류 값은 0%에서 100% 사이의 적절한 백분율을 나타냅니다.

 

다음 표에서는 0%에서 100% 사이의 각 25% 증분에 해당하는 현재 및 백분율 값을 보여 줍니다. 4-20 mA 계측기를 유지보수해야 하는 모든 계측기 기술자는 이러한 값이 매우 자주 참조되기 때문에 이러한 값을 메모리에 저장합니다.

 

전류값	스케일 %
4 mA	0 %
8 mA	25 %
12 mA	50 %
16 mA	75 %
20 mA	100 %

 

예를 들어, 50-250°C의 측정 범위에 대해 4-20mA 온도 트랜스미터를 교정하는 경우 다음과 같은 그래프에서 현재 온도 값과 측정된 온도 값을 연결할 수 있습니다.

 

 

 

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이는 3-15 PSI(제곱인치당 파운드) 공압 신호 표준과 다르지 않으며, 다양한 기압 신호가 일부 공정 변수를 비례적으로 나타냅니다. 3-15 PSI 및 4-20 mA 신호 표준은 범위가 0이 아닌 값으로 시작하기 때문에 라이브 제로라고 합니다. 이 "라이브" 제로는 0% 신호 값과 실패한 신호(예: 누출 튜브 또는 절단된 케이블)를 구별하는 간단한 방법을 제공합니다.

 

모든 아날로그 계측기에서 파악해야 할 중요한 개념은 아날로그 신호를 송수신하는 계측기가 원하는 변수를 적절하게 표현하기 위해 호환 가능한 범위를 가져야 한다는 것입니다.

 

 

예를 들어, 열전대, 온도 트랜스미터, 250옴 저항기(4-20mA 아날로그 신호를 1-5V 아날로그 신호로 변환) 및 온도 표시기 역할을 하는 특수 전압계로 구성된 온도 측정 시스템에 대해 알아보겠습니다. 

 

 

 

 

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이 시스템을 열전대의 팁에서 트랜스미터, 저항기, 그리고 최종적으로 전압계/표시기로 정보가 흐르는 경로로 본다면 각 장치의 아날로그 출력 범위가 다음 장치의 아날로그 입력 범위와 일치해야 하며, 그렇지 않으면 아날로그 신호의 실제 의미가 손실됩니다.

 

이 통신은 자동으로 이루어지지 않지만 시스템을 구축하는 기기 기술자가 설정해야 합니다. 이 경우 온도 트랜스미터의 범위를 적절하게 조정하고 표시기의 디스플레이 눈금에 적절한 레이블이 지정되었는지 확인하는 것은 기술자의 책임입니다. 열전대와 저항은 모두 조정할 수 없는 장치이며 입력/출력 특성은 물리 법칙에 의해 고정됩니다.

 

DC 전류 신호는 제어 밸브 또는 가변 속도 모터 드라이브(VSD)와 같은 최종 제어 요소의 위치를 명령하기 위해 제어 시스템에서도 사용됩니다. 이러한 경우 mA 값은 공정 측정을 직접 나타내는 것이 아니라 최종 제어 요소가 공정에 영향을 미치는 정도를 나타냅니다.

 

일반적으로 4mA는 닫힘(닫힘) 제어 밸브 또는 정지된 모터를 명령하는 반면, 20mA는 활짝 열린 밸브 또는 최대 속도로 작동하는 모터를 명령합니다. 최종 제어 요소에는 아날로그 신호와 원하는 제어 동작 간의 정확한 대응이 보장될 수 있도록 조정 가능한 범위가 장착되는 경우가 많습니다.

 

따라서 대부분의 산업 제어 시스템은 적어도 두 개의 서로 다른 4-20mA 신호를 사용합니다: 하나는 프로세스 변수(PV)를 나타내고 다른 하나는 최종 제어 요소(MV)에 대한 명령 신호를 나타냅니다.

 

 

 

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이 두 신호 사이의 관계는 전적으로 컨트롤러의 응답에 따라 달라집니다. PV 및 MV 전류 신호는 완전히 다른 변수를 나타내기 때문에 서로 같지 않습니다. 사실, 컨트롤러가 역작용하는 경우 두 전류 신호가 반비례하는 것은 전적으로 정상입니다: PV 신호가 역작동 컨트롤러로 이동하면서 증가함에 따라 출력 신호는 감소합니다. 작업자가 컨트롤러를 "수동" 모드로 전환하면 출력 신호는 PV 신호와 자동 관계가 전혀 없으며 대신 작업자의 변덕에 의해 완전히 결정됩니다.

 

4 - 20 mA 전류 신호는 0 - 100% 스케일의 일부 신호를 나타냅니다. 일반적으로 이 척도는 다음 그래프에서 볼 수 있듯이 선형입니다.

 

 

 

선형 함수이기 때문에 표준 기울기-절편 선형 방정식을 사용하여 신호 백분율을 현재 값과 관련시킬 수 있습니다.

 

𝑦=𝑚𝑥+𝑏

𝑦 = 계측기에서 출력

𝑥 = 계측기에 입력

𝑚 = 경사

𝑏 = 𝑦-인터셉트 포인트(즉, 기기 범위의 라이브 제로)

 

𝑚과 𝑏를 적합한 값을 결정하면 선형 방정식을 사용하여 y와 x에 대한 값을 예측할 수 있습니다. 이는 프로세스 트랜스미터의 4-20mA 신호 출력, 4-20mA 제어 밸브의 예상 스템 위치 또는 4-20mA 신호와 일부 물리적 변수 간의 기타 대응을 예측하는 데 매우 유용합니다.

 

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이 방정식을 실용적인 목적으로 사용하기 전에 기울기(𝑚) 및 절편(𝑏) 방정식을 적용하려는 기기에 적합한 값입니다. 다음으로 이를 수행하는 방법에 대한 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.

 

표시된 선형 함수의 경우 기울기 값(𝑚) 라인의 상승을 런으로 나눕니다. 실행 시 상승을 계산하는 데 사용할 수 있는 두 가지 편리한 점 집합은 4 및 20mA(상승의 경우)와 0 및 100%(실행의 경우)입니다.

 

 

 

 

 

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y절편(𝑏) 계산하기 위해 𝑏 의 알려진 𝑥, 𝑦 좌표 쌍에서 푸는 것입니다. 

 

 

이제 백분율 값을 mA 값으로 변환하는 공식입니다 

 

 

 

이제 이 공식을 사용하여 주어진 신호 백분율을 나타내는 mA 수를 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 34.7%의 백분율을 해당 4-20mA 전류로 변환하는 예시입니다. 

 

 

따라서 34.7%는 4-20mA 신호 범위에서 9.552mA에 해당합니다.

선형 함수에 대한 기울기-절편 공식은 다음 예와 같이 모든 선형 기기에 적용할 수 있습니다.

 

 

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밸브에 대한 컨트롤러 출력 계산 예시

 

 

 

전자 루프 컨트롤러는 8.55mA의 신호를 직접 반응하는 제어 밸브(4mA가 닫히고 20mA가 활짝 열림)로 출력합니다. 이 MV 신호 레벨에서 제어 밸브는 얼마나 열려 있어야 하는지 계산해 보겠습니다. 

 

밸브위치(𝑥)의 백분율을 구하려면 8.55mA의 신호 전류(𝑦), 이전에 계산한 선형 방정식을 사용하여 mA 단위의 전류를 예측할 수 있습니다.

 

 

밸브는 8.55mA의 적용된 MV 신호에서 28.4% 열립니다.