4-20mAとは？使う理由と1-5Vとの違い・テスターでの測り方

4-20mAとは、測定範囲の0〜100%を直流4〜20mAの電流で伝える、計装のアナログ信号です。0%が4mA、100%が20mAで、その間は比例で表します。

センサーの値を受けるときも制御弁を比例的に動かすときも、多くは4-20mAを使い、現場では「ヨンニジュウで送ればいいですか？」という言い方が通じるほどの共通語です。

この記事では、次の4つの疑問にこの順で答え、あわせて、配線（2線式・4線式）と伝送距離の考え方も整理します。

• 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？

この記事の内容は、図解で詳しく解説した動画でも見られます。

以前の解説動画はこちらです。

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使われています。制御の入力としては1-5Vの電圧入力も一般的で、4-20mAと同じ目的で使われます。

以前の伝送電流信号には多くの種類があり、古い制御システムには10〜50mAの信号も残っています。現在は国際電気標準会議（IEC）がプロセス制御の直流アナログ信号の規格（IEC 60381-1）を定めており、直流4〜20mAが広く採用されています。

測定値が0のときは4mAを出力し、測定レンジの最大のときは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では、次のような割り当てになります。

• 0℃：4mA
• 100℃：12mA
• 200℃：20mA

電流・割合・電圧・測定値の対応を1枚にまとめると、次のようになります。

図1：通常の換算（0〜200℃の温度センサーの例）

16mAの幅を0〜100%に割り当てます。250Ωの抵抗に流すと1〜5Vになります。

電流

4mA

8mA

12mA

16mA

20mA

割合

0%

25%

50%

75%

100%

電圧

1V

2V

3V

4V

5V

温度

0℃

50℃

100℃

150℃

200℃

※電圧は250Ωの抵抗で変換したときの値です。

途中の値は、次の式で測定値に戻せます。

測定値が0でも4mAが流れるので、本当に0なのか、断線しているだけなのかを電流値で区別でき、0mA付近なら断線を疑います。

4mAを大きく下回る、または20mAを大きく超えるときは、機器の異常を疑い、どこからを異常とみなすかの目安は、次の「フェイルセーフ性」で紹介します。

制御盤やDCSの側から見ると、4-20mAを受けるのはAI（アナログ入力）、出すのはAO（アナログ出力）です。信号の種類と向きの呼び方は、DI/DO・AI/AO・PI/POの違いで整理しています。

4-20mAが多く利用される理由

4-20mAが多く使われるのは、次の3つの特徴があるからです。

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の電圧入力に簡単に変換できる（250Ωの抵抗を使う）

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、断線すると0mAになるので、電流値を測れば断線しているかどうかを検知できます。

「4」mAという数値は、「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なら、そこに1mA分の下駄をはかせて信号電流として使う、という考え方です（数値は説明用の例）。

この「消費電流」が効いてくるのが2線式の伝送器で、信号線2本から自分の電源も取るので、伝送器の回路は4mA未満で動くように作られています。0%のときも4mAが流れているから、伝送器は止まらずに動き続けられます。

4〜20mAの外側の電流は、「故障」を知らせる合図にも使われます。ドイツの計装ユーザー団体NAMURの推奨（NE43）では、次のように範囲を分けています。

図2：異常の判定に使う電流の範囲（NAMUR NE43の例）

3.8〜20.5mAを測定値として扱い、その外側を故障の合図にします。

0〜3.6mA故障（低）。0mA付近は断線を疑う

3.6〜3.8mAどちらとも決めない幅

3.8〜20.5mA測定値（4mA未満・20mA超は範囲外れの値）

20.5〜21mAどちらとも決めない幅

21mA以上故障（高）

※伝送器によって設定は違います。横河電機の圧力伝送器EJX430Sの例では、初期値の通常出力は3.6〜21.6mA、オプション（/C2）で3.8〜20.5mA、故障時の出力は22.4mAまたは3.2mAです。受信側の警報の設定は、伝送器の仕様に合わせます。

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ことはありませんよね。

電圧信号を長い距離で送ると、配線の抵抗で電圧が下がり、受ける側の値がずれます。一方、4-20mAは1本のループに同じ電流が流れるので、数百mの配線でも値が落ちないため、長い距離を送る必要がある場合は、電流信号が使われます。

では、どこまで届くのかというと、決め手は距離そのものではなく、ループ全体の抵抗が伝送器の許容負荷に収まるかです。2線式の圧力伝送器を例に計算すると、次のようになります。

図3：4-20mAが届く距離の計算例

電源電圧から許容負荷を出し、受信側の抵抗を引いた残りが配線に使えます。
条件：横河電機EJX430S（表示コードE・N、一般形）／電源24V／受信250Ω×1台／CVV 1.25mm²（導体抵抗は20℃の最大値）

①伝送器が許す負荷抵抗（横河電機EJX430Sの式、電源24Vのとき）

R ＝ E − 10.50.023 ＝ 24 − 10.50.023 ≒ 587Ω

②受信側の250Ωを引いた、配線に使える抵抗（往復）

587 − 250 ＝ 337Ω

③制御用ケーブルCVV 1.25mm²（導体抵抗16.8Ω/km）の往復で割る

337 ÷（16.8 × 2）≒ 約10km（抵抗だけの計算値）

E：電源電圧［V］　R：ケーブルを含む外部負荷抵抗［Ω］

※抵抗の計算だけで出した上限で、一般的な到達距離ではありません。実際の距離は、ノイズの多い経路、電源電圧の変動、受信器の台数、ループに入るほかの機器、HART通信の有無（通信には最低電圧の条件がある）で短くなります。導体抵抗は温度が上がると増えます。

この条件なら、抵抗の計算上は約10kmになりますが、図の条件での計算値で、機器・電源・ケーブルが変われば答えも変わります。現場で距離を延ばすときは、電源電圧・受信側の抵抗・ケーブルの太さの3つを仕様書で照らし合わせます。

1-5Vの電圧入力に変換することが出来る

長い距離の伝送では4-20mAが使われますが、盤の中で複数の機器に同じ信号を配るときは1-5Vの電圧入力が使われます。

4-20mAは、250Ωの抵抗をつけるだけで1-5Vに変換できます。現場から盤までは4-20mAで送り、盤の中では1-5Vで配るように組み合わせて、誤差や断線のリスクを減らす方法がよくとられます。

PLCのアナログ入力ユニットも、この仕組みで電流を読んでおり、三菱電機のR60AD4の例では、電流入力の入力抵抗が250Ωです。

2線式の伝送器を受けるときは、ディストリビュータ（2線式伝送器変換器）を使うのが一般的です。伝送器に24Vの電源を送り、戻ってきた4-20mAを250Ωで受けて、1-5Vなどの信号に変えて出します。2つの使い分けを整理すると、次のとおりです。

図4：4-20mAと1-5Vの使い分け

現場から盤までは電流、盤の中で配るときは電圧、が基本の組み合わせです。

4-20mA（電流）

1-5V（電圧）

伝える量

ループに流れる電流

抵抗の両端の電圧

得意な距離

現場〜盤の長い配線

盤の中など短い配線

複数の機器で受ける

直列につなぐ（1か所の断線で全部止まる）

並列につなぐ（1台外れても他は動く）

断線の分かり方

0mAになる

0Vになる（1Vより下で分かる）

主な場面

伝送器の出力、制御弁・インバータへの指令

調節計・記録計・PLCへの盤内の配り

※1-5Vも0%を1Vにしているので、0Vとの区別で断線が分かります。

4-20mAを1-5Vで入力する具体的な配線は、圧力センサーの4-20mA信号を1-5Vで入力する方法で紹介しています。

4-20mAのデメリット

では、4-20mAにデメリットはないのでしょうか。主なものは次の3つです。

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

電圧より測定しにくい

電圧を測るなら端子台の両端にテスターを当てるだけですが、電流を測る場合は、端子を外してテスターを直列に入れなければいけません。

導通確認などでも、電圧に比べると電流のほうが測りにくいという欠点があります。クランプメーターを使えば電線を挟むだけで測れますが、それでも電圧のほうが測定は簡単です。線を外さずに済む方法は、後の「4-20mAの測定方法」で紹介します。

ノイズの影響で測定値が変わる

アナログ信号に特有の問題で、他の電線からノイズの影響を受けると、そのまま測定値の誤差につながります。例えば温度が一定になるように制御していても、ノイズで測定値がずれれば、実際の温度制御に影響が出ます。

精度の高い制御にアナログ信号を使う場合は、シールドケーブルなどでノイズの影響を最小限に抑えます。種類と接地の方法はシールドケーブルの種類と正しい接地方法を参照してください。

ノイズが入り込む経路と、設計段階での対策の考え方は、電子機器のノイズ対策の基本でも整理しています。

断線するとすべての機器が使用できなくなる

4-20mAの同じ信号を複数の機器に渡す場合は、直列回路にしなければいけません。そのため、1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。

直列にすると受信器の抵抗も足し算になり、250Ωの受信器を2台つなぐと500Ωで、図3の例（許容587Ω）なら入りますが、配線に残る余裕は87Ωに減ります。

電圧入力の場合は並列につなげるので、1か所が断線しても他の機器は問題なく動きます。1つの信号を複数の機器に入れるなら、電圧入力にしたほうが断線による停止のリスクを下げられます。

信号を分けたい場合は、アイソレータ（信号絶縁器）で4-20mAを複数の出力に分ける方法もあります。仕組みはアイソレータ（信号絶縁器）の役割と仕組みで解説しています。

4-20mAの使い方

4-20mAはいろいろな場面で使われます。代表的な使い方は次の4つです。

• 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

温度・圧力・レベルセンサーの測定値

温度・圧力・レベルセンサーは、どれも4-20mAで出力できます。それぞれの測定レンジに合わせて出力するので、電流値を測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れば、温度制御・圧力制御・レベル制御ができます。

温度センサーは、熱電対や測温抵抗体の信号を変換器で4-20mAに直して送るのが一般的です。センサーの選び方は熱電対と測温抵抗体の違い、配線の違いは測温抵抗体の2線式と3線式の使い分けで解説しています。

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く、流量計の測定範囲を4〜20mA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もできます。

制御弁の動作

空気で動く制御弁は、4-20mAの電流を受けて弁を動かすエアの圧力を調整します。入力された電流値に合わせてエアの圧力を微調整する機器をポジショナーといい、原理は制御弁のポジショナーとは何かの記事が詳しいです。

制御弁は、設定値と測定値の差（偏差）に応じて開度を調整する比例的な動きをするので、4-20mAの信号が向いています。偏差から出力を決める計算は、PID制御の仕組みとゲイン調整で図解しています。

モーターのインバーター制御

ポンプなどのモーターは、負荷に応じて回転数を変えるインバーター制御がよく使われます。この場合も、回転数の指令には4-20mAが使われることが一般的です。

負荷に相当する信号から必要な回転数を計算し、4-20mAの信号にのせて出力します。三菱電機の汎用インバータも、アナログの速度指令にDC0〜5V・DC0〜10Vとあわせて4〜20mAを受けられます。

インバーター制御そのもののメリット・デメリットは、インバータ制御とは何かで整理しています。このように、4-20mAは連続した値で比例的に制御する場面で使われます。

4-20mAの測定方法

現場で4-20mAが出ているかを確かめる方法は、テスターとクランプメーターの2つが基本です。テスターには、線を外さずに受信側の電圧から読む使い方もあります。

図5：4-20mAの3つの測り方

線を外せるか、受信抵抗があるか、道具は何があるかで選びます。

テスターを直列に入れる

受信抵抗の電圧を測る

mA用クランプで挟む

線を外すか

外す（ループを一度切る）

外さない

外さない

読み方

mAレンジでそのまま読む

電圧÷250Ω（3.0Vなら12mA）

mAでそのまま読む

道具

テスター（電流レンジ付き）

テスター（電圧レンジ）

プロセス用のmAクランプ

注意点

外す前に運転側に知らせ、制御を手動にする。端子をmA用に差し替える

250Ωの受信器があるループだけで使える

＋か−の1本だけ挟む。使う前にゼロ合わせ

※読み方の例は受信抵抗250Ωの場合です。抵抗値は受信器の仕様書で確かめます。

テスター

最も一般的な方法は、テスターを使う方法で、端子台から線を外し、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当てても電流はテスターに流れてこないので注意が必要で、手順は次のとおりです。

1. 運転側（計器室など）に知らせ、その信号で動いている制御を手動に切り替える（外した瞬間に0mAになり、警報や制御が動くため）
2. テスターをDCのmAレンジにし、テストリードを電流用の端子に差し替える
3. 端子台から片側の線を外し、外した線と端子の間にテスターを入れる
4. 値を読んだら線を戻し、テスターのリードも電圧用の端子に戻す

受信側に250Ωの抵抗がある回路なら、その両端の電圧をテスターで測れば、線を外さずに電流が分かります。オームの法則から、3.0Vなら12mA、1.0Vなら4mAです。

この読み方は受信抵抗が250Ωのときだけ使え、抵抗値が違う受信器なら、測った電圧をその抵抗値で割ります。防爆エリアにある計器は、作業の許可と持ち込める測定器を事前に確かめてから測ります。

直列に入れても0mAのままなら、まずテスターのレンジとリードの差し込み口を確かめ、2線式なら、盤側のループ電源が入っているかも見ます。

電流レンジの使い方とつなぎ方の詳細はテスターで電流を測る方法、抵抗レンジでの接点確認はテスターの抵抗測定で接点を確認する方法で解説しています。

クランプメーター

2つ目はクランプメーターを使う方法で、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に換算する機器です。

クランプメーターを使えば、わざわざ結線を外さなくてよいので便利です。磁界をとらえる仕組みなので、プラスとマイナスを両方挟むと打ち消し合って0Aを表示するため、必ずプラスかマイナスの1本だけを挟みましょう。

4-20mAを読むには、mAを細かく読めるプロセス用のクランプを使います。Fluke 771の例では、0〜20.99mAを0.01mA単位で表示し、太さ4.5mmまでの線を挟めます。

使う前にはゼロ合わせをするのは、数mAの小さな電流なので、周りの電線の磁界の影響も受けやすいためです。

4-20mAの出力方法

4-20mAを出力して機器の動作確認をしたい場合は、電流発生器が必要です。電流発生器は、4-20mAの範囲で選んだ一定の電流を流してくれます。

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できます。任意の4-20mA信号を送って制御弁の動きやポンプの回転数などを見れば、結線が間違っていないかも確認できます。

現場では、測定と発生を1台でこなすループキャリブレーターがよく使われます。Fluke 715の例では、0〜24mAの電流の発生と、24Vのループ電源を出しながらの電流測定ができます。発生のさせ方は2通りあります。

• ソース：電流発生器が自分で電流を流す。受信器（PLC・調節計）や制御弁を単体で確かめるときに使う
• シミュレート：盤の電源が入ったループの中で、2線式伝送器の代わりに電流を絞る。伝送器を外して配線と受信側をまとめて確かめるときに使う

4-20mAの配線方法（2線式と4線式）

4-20mAの配線は、伝送器の電源をどこから取るかで2線式と4線式に分かれます。違いは次の図のとおりです。

図6：2線式と4線式の配線

2線式は信号線が電源を兼ね、4線式は電源線が別にあります。

2線式（ループ給電）

盤側：ディストリビュータ24Vを伝送器へ送り、戻りの電流を250Ωで受ける

信号線2本（電源と信号を兼ねる）

現場：2線式伝送器圧力・差圧・温度の伝送器など。回路は4mA未満で動く

4線式（電源別）

盤側：アナログ入力（250Ω）電流を受けるだけ

信号線2本＋電源線2本

現場：4線式の機器AC100Vなどで動く流量計・分析計など。自分で4-20mAを出す

※3線式（電源の−と信号の−を共通にする方式）もあります。どの方式かは機器の仕様書の結線図で確かめます。

2線式で0%でも4mAが流れているのは、「フェイルセーフ性」で触れたとおり、伝送器がこの電流で自分の回路を動かしているからです。

2線式の配線で間違えやすいのは、盤側の電源を入れ忘れる・二重に入れることで、2線式の伝送器を、電源を出さないアナログ入力にそのままつないでも電流は流れません。

反対に、4線式の機器に盤側から24Vを送ると、電源がぶつかって正しい値が出ません。信号リストに「2線式（盤側から電源）」「4線式（機器側で電源）」を書いておくと防げます。

配線にはシールド付きのツイストペアケーブルを使い、シールドは片側で接地するのが基本です。現場から盤までは、JB（中継端子箱）で多芯ケーブルにまとめて引き込むこともあります。

4-20mAのよくある質問

1-5Vを4-20mAに変換できますか？

できますが、抵抗だけでは変換できないため、電圧から電流をつくる変換器（信号変換器・アイソレータなど）を使います。4-20mA→1-5Vは250Ωの抵抗で済むのに対し、逆向きは電流を押し出す電源と回路が要るためです。

0-20mAと4-20mAの違いは何ですか？

0-20mAは0%を0mAで表すので、測定値が0なのか断線なのかを電流値で区別できません。PLCのアナログ入力ユニットには0-20mAのレンジもありますが、計装では断線が分かる4-20mAが主流です。

4-20mAとHART通信は何が違いますか？

HART通信は、4-20mAのアナログ信号の上にデジタル信号を重ねて、伝送器の設定や診断の情報をやり取りする方式です。同じ2本の線で、アナログの測定値とデジタルの情報を両方送れます。

詳しくはHART通信のメリット・デメリットで解説しています。

電流入力と電圧入力はどちらを選べばよいですか？

現場から盤まで長い距離を送るなら電流（4-20mA）、盤の中で複数の機器に配るなら電圧（1-5V）が基本です。判断のポイントは電流入力と電圧入力の使い分けでまとめています。

まとめ

4-20mA信号を使うのは自動制御の世界では常識ですが、初心者にとっては分かりにくい項目の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、ぜひ4-20mAについて理解を深めてみてください。

出典

出典・参考資料（9件）を開く出典・参考資料を閉じる

• プロセス制御の直流アナログ信号の規格：IEC 60381-1:1982 Analogue signals for process control systems — Part 1: Direct current signals
• 2線式伝送器の消費電流（4mA未満）：Texas Instruments リファレンスデザイン TIDUAO7（2-Wire 4-20mA Transmitter）
• NAMUR NE43の信号レベル：Beckhoff Information System「Grundlagen NAMUR」、NAMUR「NE 43 has been revised」
• 伝送器の出力範囲・電源電圧と負荷抵抗の式：横河電機 EJX430S 一般仕様書 GS 01C33E10-01EN
• 制御用ケーブルCVVの導体抵抗：JMACS CVV（制御用ビニル絶縁ビニルシースケーブル）仕様書
• アナログ入力ユニットの入力抵抗（R60AD4、250Ω）：Mitsubishi Electric Automation「iQ-R Series Selection Guide: Analog Input Modules」
• ディストリビュータの仕様（24V供給・250Ω・1-5V出力）：エム・ティ・ティ MS3207 2線式伝送器変換器
• インバータの速度指令：三菱電機 汎用インバータ カタログ
• 4-20mAの測り方：Fluke「How to measure a 4-20 mA loop signal」、Fluke 771、Fluke 715