4~20mA 전류 출력 센서의 이해

전류 루프 기본 원리

전류를 사용하여 트랜스듀서 데이터 전송하기

산업 등급 트랜스듀서는 일반적으로 전류 신호를 사용하여 데이터를 전송합니다. 이는 열전쌍 및 저항성 스트레인 게이지와 같이 전압 신호를 사용하는 대부분의 다른 트랜스듀서와는 대조적입니다. 많은 환경에서 전압 기반 트랜스듀서로 충분하지만, 전류 기반 트랜스듀서가 선호되는 경우도 있습니다.

 

예를 들어, 산업 환경에서 전압을 사용하여 신호를 전송할 때 특유의 단점은 도선 저항으로 인해 케이블이 길 때 전압 강하가 발생한다는 것입니다. 높은 입력 임피던스 디바이스를 사용하여 신호 손실을 방지할 수 있습니다. 그러나 이러한 디바이스는 근처의 모터, 컨베이어 벨트 및 무선 전송에서 발생하는 노이즈에 민감합니다.

 

키르히호프 전류 법칙(KCL)은 한 점으로 흐르는 전류의 합은 그 점에서 멀어지는 전류의 합과 같다고 말합니다. 이론적으로, 루프의 시작 부분에 존재하는 전류는 모두 그림 1과 같이 끝에 도달해야 합니다.

그림 1. 키르히호프 전류 법칙에 따르면 루프의 시작 부분에 존재하는 전류는 모두 끝에 도달해야 합니다.

 

이것이 전류 루프가 작동하는 기본 원리입니다. 단일 루프를 따라 임의의 위치에서 전류를 측정하면 동일한 결과가 나옵니다. 산업 어플리케이션은 전류 신호와 낮은 임피던스 데이터 수집 디바이스를 사용하여 노이즈 내성이 향상되고 전송 케이블을 더 길게 쓸 수 있는 길어지는 이점을 얻을 수 있습니다.

 

전류 루프 구성요소

 

전류 루프의 주요 구성요소는 그림 2와 같이 DC 전원 공급 장치, 트랜스듀서, 데이터 수집 디바이스 및 이들을 직렬로 연결하는 선으로 구성됩니다.

 

그림 2. 전류 루프 시스템

 

DC 전원 공급 장치는 시스템에 전원을 공급합니다. 트랜스듀서는 4-20mA에서 도선을 통과하는 전류의 흐름을 조절합니다. 여기서 4mA는 “라이브 제로”를 나타내고 20mA는 최대 신호를 나타냅니다.

0mA 신호는 루프의 끊어졌음을 나타냅니다. 이 데이터 수집 디바이스는 조절된 전류 흐름을 측정합니다.

 

전류를 측정하는 효과적이고 정확한 방법은 데이터 수집 디바이스 증폭기(그림 2)의 도선 사이에 정밀 분기 저항을 배치하여 전류 신호를 전압 측정값으로 변환하여 궁극적으로 트랜스듀서의 원래 측정값과 다시 연관시키는 것입니다.

 

전류 루프를 더 잘 이해하려면 이 백서에 설명된 변환기를 사용하는 예제 시스템의 설계를 살펴보십시오. 시스템 스펙은 다음과 같습니다.

• 트랜스듀서가 압력을 측정해야 합니다
• 트랜스듀서는 측정 디바이스에서 2000ft 떨어져 있습니다
• 전류 측정 데이터 수집 디바이스는 작업자에게 트랜스듀서 측정에 대한 피드백을 제공합니다

 

전류 루프 시스템 설계하기

트랜스듀서 선택하기

전류 루프 시스템을 설계하는 첫 번째 단계는 트랜스듀서를 선택하는 것입니다. 측정 유형(유량, 압력, 온도 등) 외 트랜스듀서를 선택할 때 중요한 고려 사항은 작동 전압입니다. 전압 소스는 전류 기반 트랜스듀서에 전원을 제공하여 도선을 통한 전류의 흐름을 조절할 수 있도록 합니다. 트랜스듀서 기능을 유지하려면 공급되는 전압이 필요한 최소 전압 이상이어야 합니다. 마찬가지로 지정된 최대값보다 더 많은 전압을 공급하면 트랜스듀서가 손상될 수 있습니다.

전류 루프 시스템의 예에서, 선택한 트랜스듀서는 압력을 측정하며 작동 전압은 12-30V입니다. 트랜스듀서를 선택한 상태에서, 트랜스듀서에 가해지는 압력을 정확하게 나타내려면 전류 신호를 올바르게 측정해야 합니다.

 

전류 측정 데이터 수집 디바이스 선택하기
전류 루프 시스템 구축의 중요한 측면은 접지 루프를 피하는 것입니다. 측정 데이터 수집 디바이스로 접지 루프를 방지하는 일반적인 방법은 절연입니다. 절연을 활용하면 그림 3과 같은 접지 루프를 피할 수 있습니다.

 

그림 3. 접지 루프

 

접지 루프는 회로에 연결된 두 터미널이 서로 다른 접지 전위를 가질 때 생깁니다. 이 차이로 인해 상호 연결에 전류가 흐르게 되어 오프셋 에러가 발생할 수 있습니다.

데이터 수집 디바이스를 절연하는 것은 그림 4와 같이 데이터 수집 디바이스의 증폭기 접지에서 신호 소스 접지를 전기적으로 분리하는 수단입니다. 전류는 절연 장벽을 가로질러 흐를 수 없기 때문에 증폭기 접지 참조가 신호 소스 접지와 같은 전위를 가질 수 있습니다. 따라서 의도치 않게 접지 루프가 만들어질 일이 없습니다.

 

그림 4. 절연이 있는 공통 모드 및 정상 모드 전압

 

또한 절연은 큰 공통 모드 전압이 데이터 수집 디바이스를 손상시키는 것을 방지합니다. 공통 모드 전압은 계측 증폭기의 양극 및 음극 입력 모두에 인가되는 전압입니다.

 

예를 들어, 그림 4의 데이터 수집 디바이스의 + 및 – 핀은 모두 +14V의 공통 모드 전압 위에 있습니다. 대부분의 데이터 수집 디바이스의 최대 입력 범위는 ±10V입니다. 데이터 수집 디바이스에 절연이 없고 공통 모드 전압이 최대 입력 범위를 벗어나면 디바이스가 손상될 수 있습니다.

그림 4의 정상 모드 전압은 +14 VDC 오프셋에서 +2V에 불과하지만 결과 작동 전압은 +16V입니다(정상 모드 전압은 + 핀과 – 핀 사이의 전압 차이며, 작동 전압은 정상 및 공통 모드 전압을 더한 것). 이는 작동 전압이 더 작은 데이터 수집 디바이스에는 위험한 전압 레벨일 것입니다.

절연을 사용하면 증폭기 접지 참조가 어스 접지와 전기적으로 분리됩니다. 그림 4에서와 같이 증폭기 접지 참조는 +14V와 일치하도록 레벨 시프트될 수 있습니다. 증폭기 접지 참조를 +14V로 올리면 데이터 수집 증폭기에서 +16에서 +2V로 이동되는 효과를 얻습니다.

 

전류 측정 데이터 수집 디바이스가 절연 및 보호된 상태에서 적절한 전원 공급 장치를 선택하는 것은 기본적인 전류 루프 시스템을 완성하는 마지막 단계입니다.

 

전원 공급 장치 선택하기
요구 사항에 가장 적합한 전원 공급 장치를 찾는 것은 간단합니다. 전류 루프에서 전원 공급 장치는 시스템의 모든 전압 강하를 합친 것 이상의 전압을 방출해야 합니다. 

이 예제의 데이터 수집 디바이스는 정밀 분기 저항을 사용하여 전류를 측정합니다. 이 저항 양단의 전압 강하를 계산해야 합니다. 일반적인 분기 저항은 249Ω입니다. 4-20mA 전류 루프를 사용했을 때를 기본적인 계산을 통해 알아보면 다음과 같습니다.

 

 

이 249Ω 분기 저항을 사용하면 전류를 1-5V 범위로 맵핑할 수 있으므로 데이터 수집 증폭기의 전압 판독값을 압력 트랜스듀서의 신호와 연관시킬 수 있습니다.

위의 압력 트랜스듀서는 12V의 최소 작동 전압과 최대 30V의 작동 전압을 요구합니다.

정밀 분기 저항의 전압 강하를 트랜스듀서에 추가하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

 

이는 17V 전원 공급 장치면 충분한다는 것을 나타냅니다. 그러나 전류 루프 도선의 내부 저항이 전원 공급 장치에 부하를 더합니다.

트랜스듀서가 측정 기기에서 멀리 떨어져 있는 분야에서는 도선 저항을 루프 전력 계산에 포함시켜야 합니다. 구리 도선의 DC 저항은 길이와 직경(게이지)에 정비례합니다.

예제 시스템의 압력 트랜스듀서를 사용하면서 전력 요구 사항에 2000ft의 거리를 고려해야 합니다. 24 게이지 구리 단선의 경우 내부 저항은 2.62Ω/100ft입니다. 이 저항 계산은 다음과 같습니다.

2000ft 떨어진 곳에서는 도선을 따라서 1.05V의 전압 강하가 발생합니다. 루프를 완성하려면, 두 개의 와이어가 필요하므로, 길이는 두 배인 4000ft가 됩니다.

합하면, 압력 트랜스듀서가 데이터 수집 디바이스에서 2000ft 떨어져 있을 때 배선으로 인해 약 2.1V가 손실됩니다. 모든 전압 강하를 더하면 다음과 같은 결과가 나타납니다.

17V 전원 공급 장치를 사용하여 이전 구성을 구동한 경우, 압력 트랜스듀서 전압은 자연적인 도선 저항과 분기 저항 요구 사항으로 인해 트랜스듀서 최소 작동 레벨 미만이 됩니다.

일반적인 24V 전원 공급 장치를 선택하면 압력 트랜스듀서 시스템의 전원 요구 사항을 충족합니다.  이 전압은 원하면 압력 트랜스듀서를 더 멀리 배치할 수도 있는 수준입니다.

트랜스듀서, 데이터 수집 디바이스, 케이블 길이 및 전원 공급 장치가 적절하게 선택되면 간단한 압력 트랜스듀서 루프 시스템이 완성됩니다. 더 큰 어플리케이션의 경우, 추가 측정을 시스템에 통합할 수도 있습니다.

 

트랜스듀서 및 계측기 추가하기
더 큰 어플리케이션의 경우, 그림 5와 같이 전원 공급 장치에 병렬로 더 많은 트랜스듀서와 계측기를 추가할 수 있습니다.

그림 5. 트랜스듀서 추가하기

 

추가 전류 루프를 병렬로 추가하기 때문에 전원 공급 장치의 전압을 변경할 필요가 없습니다. 필요한 전류를 공급할 수 있는지 확인하기만 하면 됩니다. 각 트랜스듀서와 전원 공급 장치의 작동 전압이 적절하기만 하면 다양한 종류의 트랜스듀서를 조합하여 사용할 수 있습니다.

이전 예의 경우에서는, 새 트랜스듀서의 최대 작동 전압이 전원 공급 장치의 24V보다 낮지 않은 한 새 트랜스듀서를 병렬로 추가할 수 있습니다.

때때로, 동일한 신호를 측정하는 데 여러 개의 전류 측정 데이터 수집 디바이스가 필요할 수 있습니다. 같은 트랜스듀서에 다른 데이터 수집 디바이스를 추가하려면 새 계측기를 특정 루프에서 직렬로 연결해야 합니다.

이 예에서는 그림 6과 같이 기존 데이터 수집 디바이스에 간단한 디지털 전류 루프 미터를 추가합니다.

 

그림 6. 트랜스듀서에 다른 계측기 추가하기

 

전류 측정 데이터 수집 디바이스를 트랜스듀서와 직렬로 추가할 때마다, 루프의 전력 요구사항이 여전히 스펙 내에 있도록 총 전압 요구 사항을 다시 계산해야 합니다. 이 예에서 새 전류계는 105Ω 정밀 저항을 사용합니다.

105Ω 분기 저항을 고려했을 때, 전류계는 최대 2.1V를 필요로 하므로 시스템의 총 전압 요구 사항은 다음과 같습니다.

전류계를 추가해도 총 전압 요구 사항이 약 21.2V에 불과하므로 이전에 권장된 24V 전원 공급 장치로도 어플리케이션에 충분합니다.

간단한 계산과 추가 하드웨어로 전류 루프 시스템이 다룰 수 있는 영역을 빠르게 확장할 수 있습니다. 또한 최신 표준 및 변환기 종류를 사용하여 기존 전류 루프 인프라의 측정 기능을 확장할 수도 있습니다.

 

 

전류 루프: 기본을 넘어

디지털 신호 기술의 발전으로 전류 루프의 적용 분야가 확장되었고 이미 견고한 저비용 시스템에 더 많은 기능이 제공되었습니다.

Rosemount사에서 개발한 HART(Highway Addressable Remote Transducer)는 기존 전류 루프 시스템과 동시에 실행할 수 있는 디지털 신호 프로토콜입니다. HART 지원 트랜스듀서는 디지털 신호를 사용하여 전용 명령에 대한 응답을 허용하여 특정 작업을 수행하거나 4-20mA 전류 신호를 초과하는 상태에서 답할 수 있도록 합니다.

산업 자동화 및 제어 어플리케이션은 이 기술을 사용하여 지능형 필드 계측기와 호스트 시스템 간의 통신을 통해 상황을 능동적으로 모니터링하고 대응할 수 있습니다.

 

자기식 유량계와 같은 특수 어플리케이션의 경우, 3선(3형) 및 4선(4형) 변환기도 제공됩니다.

3형 트랜스듀서는 두 개의 트랜스듀서를 하나로 묶어서 제공합니다.

이 트랜스듀서들은 이 백서에 설명된 2선 트랜스듀서와 동일한 방식으로 설계 및 설치됩니다.

4형 트랜스듀서는 전력 및 전류 측정에 별도의 연결을 제공합니다. 4선 트랜스듀서는 측정 시스템에서 전력을 분리하기 때문에 측정 데이터 수집 디바이스에서 절연을 고려할 필요가 없습니다.

그러나 4선 트랜스듀서의 단점은 전원 공급에 배선 거리 만큼의 별도 도선이 한 쌍이 더 필요하다는 것입니다. 이로 인해 많은 어플리케이션에서 트랜스듀서 근처에 전원을 배치합니다.

 

 

NI의 전류 측정 제품

전류 루프는 긴 케이블 길이가 필요하거나 트랜스듀서와 데이터 수집 디바이스 사이에 많은 양의 전자기 간섭이 존재하는 산업 환경에 이상적입니다. 공장 현장을 자동화하든 현장 측정을 수행하든, 어플리케이션 요구에 맞는 다양한 플랫폼 기반의 여러 NI 절연 전류 측정 디바이스를 찾을 수 있습니다.