電流信号とパルス信号の違い｜4–20mA・積算量の計算と配線の確認

電流信号とパルス信号の違いは、値の伝え方にあります。4–20mAは電流の大きさで測定値や操作量を伝え、パルスは信号の回数や発生間隔で量を伝えます。

温度を監視したいのか、流した水の合計を知りたいのかで、必要な情報が変わります。さらに実際の接続では、測定レンジ、パルスの重み、端子の電気仕様まで合わせる必要があります。

この記事では、0～100℃の温度信号と流量計の積算パルスを例に、換算の計算から配線・試運転での確認まで整理します。まず伝えたい量を決めると、仕様書で見る場所が明確になります。

電流信号（4-20mA）とは

4–20mAの電流信号は、下限を4mA、上限を20mAとして連続した値を伝えるアナログ信号です。温度・圧力・流量・液位の測定値のほか、制御弁の開度指令などにも使います。

信号の種類と入出力の向きは別の分類です。発信器から出る電流はAO、受け取るPLC側ではAIと呼び、同じ一本の信号でも立場が変わります。用語はDI・DO・AI・AO・PI・POの違いで確認できます。

図1：同じ流量計でも、伝える情報を選べる

連続値は電流入力へ、積算用の回数はパルス入力へ送ります。

温度レンジと電流値を対応させる

0～100℃を測る例では、発信器を0℃で4mA、100℃で20mAとなるように設定します。受信側も同じレンジに合わせると、途中の温度を電流値から直線的に読み取れます。

発信器の設定が0～200℃なのに受信側だけ0～100℃にすると、100℃の実温度が50℃と表示されます。受信器の表示範囲を変えても、発信器から出る電流の対応までは変わりません。

センサー自体の使用範囲、発信器の出力レンジ、受信側の工業量変換を一組で照合します。温度の入力方式や制御出力との関係は、調節計のPV・SV・MVと入出力の選び方につながります。

図2：4mAを引いてから、16mAの幅で換算する

0～100℃のレンジ。12mAは下限と上限のちょうど中間です。

電流から温度を求める式と、12mAの計算例

T ＝ T_L ＋ I − 416 × (T_H − T_L)

T ＝ 0 ＋ 12 − 416 × (100 − 0)

T ＝ 50℃

T：温度［℃］、I：電流の数値［mA］、T_L：レンジ下限［℃］、T_H：レンジ上限［℃］。線形の4–20mA出力を対象とします。

4mAは測定レンジの下限を表し、物理量のゼロを表すとは限りません。マイナス20～80℃のレンジなら4mAはマイナス20℃を表します。実際の単位と上下限を、電流値と一緒に記録します。

4mAを下限にする意味と、断線診断の限界

測定範囲の下限でも4mAが流れるため、正常な下限値と電流がほぼ流れない状態を区別しやすくなります。このように下限にゼロ以外の信号を持たせる考え方を、ライブゼロと呼びます。

断線や電源喪失を受信側で検出した後の、警報・制御出力・停止条件まで設計します。ライブゼロは異常の検出を助ける仕組みで、設備を安全な状態へ移す動作は別に決める必要があります。

故障時に上側へ振り切る発信器もあれば、下側へ出す発信器もあります。故障電流と受信側の検出しきい値は、その機器の仕様書で組み合わせを確認します。正常な測定範囲外との区別も必要です。

電流信号が長距離の計装で使われる理由や配線の考え方は、4–20mA信号の仕組みで詳しく説明しています。電圧入力との違いは、4–20mAと1–5Vの関係も参考になります。

2線式発信器では信号線が給電も担うため、電源電圧と負荷の条件が重要です。受信抵抗や配線抵抗による電圧降下が大きいと、上限付近の電流を維持できなくなることがあります。

パルス信号とは

パルスは、短時間だけ信号レベルが変化し、元のレベルへ戻る信号です。一回だけの信号も、繰り返し発生する信号もあります。流量計では、一回のパルスに体積を対応させ、数えることで積算量を求めます。

電力量計の積算電力量やエンコーダの移動量にも、回数に意味を持たせる信号が使われます。本記事の流量例では立ち上がり一回を一パルスとして数え、立ち下がりまで二重に数えないものとします。

パルスの重みで積算量が決まる

一パルスの重みが100Lなら、100L流れるごとに一回のパルスが出ます。37回数えたときの積算量は3700Lです。同じ37回でも、重みが1Lなら37Lなので、回数だけでは量が決まりません。

仕様書では「パルス単位」「パルス定数」「重み」などの名称が使われます。単位がL/pulseなのかpulse/Lなのかを先に読み、掛け算と割り算を取り違えないようにします。

図3：回数は積算量、回数と時間は流量を表す

パルスの高さではなく、数えた回数を量に対応させます。

体積単位で重みを設定する場合の積算量

V ＝ N × w

V ＝ 37 × 100

V ＝ 3700L ＝ 3.7m³

V：積算体積［L］、N：計数したパルス数［pulse］、w：一パルスの重み［L/pulse］。初期値をゼロとした例です。

受信側には、小数点位置と乗率から一パルス当たりの表示量を決める機種があります。流量計のパルス単位に合わせて設定したうえで、既知の回数を入力し、実際の表示量まで照合します。

積算量と瞬時流量の区別は、瞬時流量と積算流量の違いを押さえると整理できます。容積を繰り返し数える測定方式は、容積式流量計の仕組みとも関連します。

パルスの間隔から瞬時流量も求められる

一定時間に何回のパルスが来たかを調べると、単位時間当たりの量を求められます。1L/pulseで毎秒10回なら毎秒10L、分単位では600L/minです。

一方、100L/pulseで毎分600Lなら、一分間に6回、平均10秒に一回しか信号が出ません。一秒ごとに回数を集計するとゼロが続くため、流量表示が段階的になりやすくなります。

集計時間を延ばすと一回分のばらつきは小さくなりますが、流量変化への追従は遅くなります。低流量の応答を重視する場合は、重みを細かくするか、パルス周期を測る受信方式も検討します。

パルスが細かすぎると、今度は最大流量時に受信できる周波数を超えます。最小流量の見え方だけで決めず、最大流量・最小パルス幅・受信器の計数能力をセットで照合することが大切です。

接点・オープンコレクタ・電圧パルスを合わせる

「パルス出力あり」という表記だけでは、配線できるかは判断できません。機械接点、オープンコレクタ、電圧出力などの方式があり、受信側がどの信号を受けるかで必要な電源や接続が変わります。

図4：同じ一回のパルスでも、端子の働きは異なる

上は接点を閉じる方式、下は送信側が電圧を出す方式の概念図です。

無電圧接点は、それ自体が信号用の電圧を供給するものではありません。受信側などに用意した検出回路を開閉します。接点の意味と電源の持たせ方は、無電圧接点と有電圧接点の違いを参照してください。

オープンコレクタでは、出力トランジスタがONのときに電流を流す経路を作ります。単純に電圧を出す端子と考えて接続すると、信号が出ないことがあります。入力回路のシンク・ソースとの対応も照合します。

接点のチャタリングは、一回の動作を複数回として数える原因になります。入力フィルタは有効ですが、長く設定しすぎると正常な短いパルスまで取りこぼします。接点用と高速パルス用で設定を分ける理由です。

ノイズによる余分な計数が疑われる場合は、配線経路と接地条件も調べます。シールド線の役割や制御盤のノイズ対策を踏まえ、信号源から受信端子までを追います。

使い分けと試運転で確認すること

出力信号は測定原理に加え、流量計が備える出力機能と用途から選びます。同じ流量計でも、瞬時値を4–20mA、積算用をパルスで出せる機種があります。欲しい情報と制御装置の入力仕様を先に決めます。

電流ループは電流値と表示値を分けて確認する

表示がずれる場合は、実温度などの基準、発信器の電流、受信器の表示を順に比較します。電流が正しいのに表示だけ違うなら、入力種別やスケーリングの不一致を疑えます。

直流mAに対応したクランプメーターなら、適切な一本の導体を挟んで信号電流を確認できます。一般の交流用クランプメーターでは測れないため、微小直流電流の測定範囲と分解能を確認します。

電流レンジのテスターは原則として回路へ直列に入れます。電圧測定のつもりで端子間へ並列に当てると、短絡や計器破損の原因になります。端子・レンジの使い分けはテスターによる電流測定の基本で確認できます。

信号を切り離す試験は、制御弁や運転設備への影響を確認してから実施します。盤の給電とセンサー給電が別系統の場合もあるため、試験範囲と復旧条件を決め、通電状態を判断できる担当者が扱います。

図5：現場の計器から、端子、表示設定へ順に照合する

電流・回数の実測と、受信器の換算後の値を分けて記録します。

パルスは最高周波数と最小幅まで計算する

最大流量60L/min、重み0.1L/pulseを例にすると、毎秒1Lなので毎秒10回のパルスが出ます。周期は100msです。受信器は10Hzを数えられるだけでなく、実際のON・OFF時間を識別できる必要があります。

たとえばON幅20msで周期100msなら、OFF時間は80msです。受信器の最小ON時間が30msなら、このパルスを正しく数える条件を満たしません。最大周波数の数値だけを見ると、こうした不一致を見落とします。

この20ms・30msは、仕様の照合方法を示す仮定値です。一定のパルス幅を保つ出力では、流量が増えるほどOFF時間が短くなります。デューティ比を一定にする出力では、ON・OFFの両方が短くなります。

一回も数えない場合は、電源・極性・入力方式を先に確認します。いつも二倍になるなら両エッジ計数や重み、流量が高いときだけ少なくなるなら周波数・パルス幅・入力フィルタを順に調べます。

受信カウンタの値だけをリセットすると、流量計本体の積算表示との基準が変わります。累積使用量と一回の投入量を分け、リセット条件、停電時の保持、桁あふれ時の扱いを試運転記録に残します。

電源が切れた受信器は、その間に出たパルスを数えられないことがあります。供給側と受信側の通電範囲は、制御盤の電源回路も含めて確認します。積算保持機能だけで停電中の欠測がなくなるわけではありません。

相互変換では、欲しい情報が残るかを確認する

4–20mAをレンジに従って流量へ換算し、その流量を時間積分すると積算量を求められます。変換器で積算用のパルスを作る方法もあります。電流値をそのまま積分すると、4mAの下限分まで加算してしまいます。

たとえば0～60L/minの線形出力で12mAなら、換算した流量は30L/minです。その値が10分続いた場合の積算量は、次のように求めます。計算に使う時間の単位を、流量の分母に合わせます。

実際に流量が変わる場合は、各測定時点の流量と、その値を代表させる時間から量を足し上げます。測定の間隔が粗いと、短い流量変動を捉えにくくなります。アナログ入力の誤差やゼロ点ずれも積算量へ影響します。

パルスから流量を作る場合は、集計時間や周期測定による遅れが生じます。いったん取りこぼしたパルスは、あとから電流信号へ変換しても復元できません。変換器の入出力レンジだけでなく、時間応答も仕様化します。

制御に使う速い流量と、日報に残す積算量では必要な性質が異なります。信号リストに用途を添え、配線・入力ユニット・換算設定をまとめて管理すると、制御盤の設計手順の中で照合しやすくなります。

まとめ

4–20mAは電流の大きさ、パルスは回数や間隔に情報を持たせます。温度レンジの上下限をそろえることと、パルスの重みをそろえることは、どちらも送信側と受信側の対応を決める作業です。

接続では電源・極性・入力方式、計数では周波数とON・OFF時間を確認します。試運転では現場の量、信号の値、換算後の表示を分けて記録すれば、ずれの原因を段階的に絞り込めます。

よくある質問

4–20mAの0％は何mAですか？

設定した測定レンジの0％は4mAです。0℃を意味するかどうかはレンジ次第で、マイナス20～80℃なら4mAはマイナス20℃です。0mAは正常レンジの下限とは別に扱います。

パルス信号では瞬時流量を表示できませんか？

一定時間の計数値やパルス周期から流量を計算すれば、瞬時流量として表示できます。ただし低流量でパルス間隔が長いと更新が遅くなり、集計時間を短くすると表示の刻みが大きくなる点に注意します。

電流信号とパルス信号は同じ端子につなげますか？

通常は対応する入力機能が異なります。アナログ電流入力とパルス計数入力を区別し、兼用入力でも設定と端子割付を確認します。パルス側は接点・電圧・オープンコレクタなどの仕様も合わせます。

パルスが来なければ断線と判断できますか？

無流量のため信号が来ていない可能性があり、それだけでは断線と区別できません。計器の診断出力、運転状態との照合、通信による状態確認など、必要な監視を別に設計します。

パルスの重みは細かいほどよいですか？

細かくすると少ない量の変化を数えやすくなりますが、最大流量で周波数が高くなります。出力側と入力側の上限、パルス幅、必要な応答時間を照合し、使う流量範囲に合う重みを選びます。

出典・参考資料

• 流体工業：流量計の出力信号・4–20mA（電流値への換算と2線式接続）
• エムジー：ホットライン日記2009年3月（アナログ信号から積算用パルスへの変換）

• オムロン：CS/CJシリーズ絶縁形アナログ入出力ユニット 操作マニュアル W368（CS1W-PPS01）（入力方式・周波数と瞬時値演算）
• 横河電機：電磁流量計高機能変換器AXFA11G 一般仕様書（電流出力・パルス出力と端子仕様）
• オムロン：H7CC-A 電子カウンタの定格・性能（計数速度と最小パルス幅）
• Fluke：4–20mAループ信号の測定方法（mAクランプ測定・直列測定と事前の運転確認）
• Fluke：4–20mA電流ループの基礎（ライブゼロと負荷抵抗）
• キーエンス：2線式センサの4–20mA出力の計測方法（給電兼用と許容負荷）
• 東フロコーポレーション：流量計のパルス出力とは（重みとオープンコレクタ）