2線式レベル伝送器：ループ電圧とHARTの電圧予算

設置前に2線式レベル伝送器のループ電圧予算を作れば、机上では動くのに長いケーブルの末端では停止する、という典型的な現場不具合を防げます。2線式レベル伝送器は信号を伝える4–20 mAループからすべての電力を得るため、機器で使える電圧は、電源電圧からケーブル、安全バリア、受信負荷の電圧降下を差し引いた残りです。24 V電源なら「常に十分」と考えることが、机上では動くレベルループが現場で動かない主な原因です。

2線式ループが実際に給電するもの

2線式レベル伝送器のループ電圧予算は、機器が電流ループ内の可変抵抗として働くことを出発点とします。制御システムは通常24 V DCの一定ループ電圧を供給し、伝送器はレベルを表すため自身の電流を4 mAから20 mAの間で調整します。同じ2本の導体で給電と信号伝送を行うため、経路内の抵抗は1 Ωごとに、電流を調整し続けるために必要な電圧を消費します。機器には最低動作電圧があり、多くは約11 Vです。それを下回ると出力が範囲外になるか、通信が止まります。

ループはHARTの信号要件も満たす必要があります。HARTはアナログ電流に小振幅のデジタル信号を重畳し、読み取れる電圧振幅を生じさせるため、通常230–250 Ωの最低負荷抵抗を必要とします。入力インピーダンスの低い受信部や多重化入力カードでは、HARTを動作させるために、コントローラー側に外付け250 Ω抵抗が必要な場合があります。

ループ電圧予算を作成する

2線式レベル伝送器のループ電圧予算は単純な引き算です。電源電圧は、伝送器の最低電圧、20 mAでのケーブル電圧降下、バリアの電圧降下、負荷の電圧降下の合計を上回る必要があります。表は一般的な24 V DCの例です。すべての項目は説明用の工学上の参考値であり、使用前に発注機器の銘板とバリアの認証書で確認する必要があります。

これらは計算例の仮定値であり、METRAVONの現場データではありません。結果を適用する前に、納入資料から伝送器の最低電圧、バリアの電圧降下、受信部のインピーダンスを確認してください。

起動時の突入電流と定常電流を分ける

2線式レベル伝送器のループ電圧予算は20 mAの定常状態だけで作られがちですが、最初に電源を入れ、マイクロプロセッサーが安定するまで、伝送器により大きい突入電流が流れる場合があります。20 mAですでにケーブルが電圧限界に近ければ、起動時に最低電圧を下回り、レベル信号を再投入するまで解消しないリセットの繰り返しに陥ることがあります。定常的に調整された20 mAだけでなく、突入分の余裕を確保する必要があります。

確実な方法は、機器の起動仕様に記載された最大電流でケーブルを選定し、その後20 mAの条件を再確認することです。突入電流が公表されていない場合は、最後の1 Vまでケーブル長に使わず、少なくとも2 Vを未配分の余裕として残してください。この余裕一つで、「瞬停後には動くが、その後停止する」という現場の問題の多くを防げます。

電圧予算からケーブル長を求める計算例

2線式レベル伝送器のループ電圧予算では、残った電圧を直接、最大ケーブル長へ換算できます。残り6 Vのうち起動時の突入用に2 Vを確保するため、20 mAでケーブルに許される電圧降下は4 Vです。この値から配線長を直接求められます。例は仮定値による計算方法であり、METRAVONの実測結果ではありません。

説明用計算、仮定した現場条件：

• 固定電圧降下後の残り電圧：6 V

• 確保する起動用の余裕：2 V

• ケーブルに使用可能な電圧：4 V

• ループ電流：20 mA = 0.020 A

• 許容ケーブル抵抗：4 V / 0.020 A = 200 Ω

• ケーブル：銅1.5 mm²、導体1本当たり ≈ 12.1 Ω/km

• ループは導体2本を使用：≈ 24.2 Ω/km

最大配線長 = 200 Ω / 24.2 Ω/km ≈ 8.3 km

結果：これらの仮定値では、1.5 mm²の2本の導体を約8 km配線しても、突入用の余裕を残して20 mAを維持できます。6 Vすべてをケーブルに使うと300 Ω、12.4 kmとなりますが、起動用の余裕が残りません。この値を使用可能な配線長として提示してはいけません。

適用限界：この長さに達するよりかなり前に、電圧以外が制約となります。HARTではループ全体の静電容量をおよそ0.2 µF未満とする必要があり、1.5 mm²ケーブルは約2 kmでその値に達するため、実用上のHART限界は電圧だけから求めた値の約4分の1です。太いケーブル（2.5 mm²、ループ抵抗 ≈ 14.5 Ω/km）は電圧上の上限を伸ばしても、静電容量の上限は変えません。一方、1.0 mm²の2本の導体（ループ抵抗 ≈ 36 Ω/km）では電圧限界が約5.5 kmへ短くなります。両方の限界で選定し、ケーブル長の限界を提示する前に、仮定した抵抗と電圧を確認済みの現場値に置き換えてください。

HART負荷とマルチドロップの制約

2線式レベル伝送器のループ電圧予算では、アナログ回路の電圧降下だけでなくHART負荷の余裕も必要です。HART通信は目立たない形で停止するため、独立した項目にしてください。総ループ抵抗が約230 Ωを下回ると、伝送器のHARTモデムが信号を重畳できず、4–20 mA値は正常でも、ハンドヘルド機器や資産管理システムは機器なしと報告します。一般的な対策は受信部の250 Ω抵抗ですが、これは20 mAで5 Vを消費し、上の予算ですでに計上した項目そのものです。

複数の伝送器が同じ2本の導体を共用するマルチドロップHARTでは、条件がさらに変わります。アドレスを持つ各機器の電圧が最低電圧を上回る必要があり、ケーブル全体がセグメント上の全機器に対応します。電源から最も遠い機器でケーブル電圧予算を計画し、その後、最も近い機器が自身の最大ループ電圧を超えないことを確認してください。最大値は通常30 Vまたは36 Vで、銘板から読み取る必要があります。

ループ電圧予算が成立しない場合

2線式レベル伝送器のループ電圧予算は、指定した構成では機器を使うべきでない場合を示します。必要配線長が許容長を超えても、余裕を得るために機器の最大値を超えて電源電圧を上げたり、安全バリアを外したりしてはいけません。どちらも別の条件を破るためです。適切な対応は、導体断面積を増やす、電源を近くへ移す、最低動作電圧が低い伝送器を選ぶことです。

2線式伝送器にも、公表された電力予算内で現場表示器を使用できるものがあります。加熱、スイッチングなどの補助機能には、発注した機器の資料に記載された電力と出力能力が必要で、線数だけから可否を判断することはできません。必要機能がその能力を超える場合は、別電源方式や3線式・4線式の構成を検討してください。

よくある質問

Q1. 24 V電源なのに伝送器に24 Vがかからないのはなぜですか？

2線式レベル伝送器のループ電圧予算から、電源電圧と伝送器端子電圧が異なる理由が分かります。ケーブル、本質安全バリア、受信負荷でそれぞれ電圧が下がり、伝送器自身も電流調整に最低電圧を必要とするためです。長い配線ではケーブルだけで20 mA時に数Vを消費するため、機器に電源電圧がそのままかかると考える前に、予算を作成してください。

Q2. 250 Ω抵抗は実際に何をしますか？

HARTデジタル信号をループ上の電圧として発生させます。少なくとも約230 Ωがなければ、HARTモデムは通信信号を重畳できません。20 mAでは5 Vの電圧降下も生じるため、電圧予算に含める必要があります。含めなければHARTは動作しても、ループの余裕が失われる場合があります。

Q3. 長いケーブルを使うため、電源を36 Vへ上げられますか？

バリアや危険区域での構成を含め、すべての部品が提案する電源条件に適合する場合に限ります。ループ電流が一定なら、電源電圧を上げても受動抵抗のI × Rによる電圧降下は変わりません。負荷の電圧降下そのものが増えると考えず、端子電圧、部品定格、バリアの制限を再計算してください。

Q4. 瞬停後に伝送器がリセットするのはなぜですか？

20 mAですでにケーブルが限界に近いと、起動時の突入電流で伝送器の最低電圧を下回ることがあります。定常電流だけでなく突入分の余裕を確保しないと、条件が改善するまでリセットを繰り返します。

Q5. RS485 Modbusは4–20 mAより電源設計が簡単ですか？

簡単なのではなく、方式が異なります。2線式4–20 mAはループから機器へ給電します。一方、RS485 Modbusレベル伝送器は通常、現場に別電源が必要ですが、アナログ負荷の電圧降下を避けられます。コントローラー入力と現場の電源配置が対応できる方式で選んでください。

Q6. 2線式をやめて別の配線方式を選ぶべきなのはいつですか？

必要配線長が確認済みのループ電圧予算を超える、または必要な補助機能が機器の公表電力能力を超える場合は、構成を再評価してください。現場表示器があるだけで2線式を除外する必要はありません。必要な保護をすべて維持しながら、適切なケーブル、電源位置、別電源機器を検討してください。

まとめ

2線式レベル伝送器のループ電圧予算から使用可能なケーブル長が決まります。24 V DC電源から機器の最低電圧11 V、HART負荷5 V、バリア2 Vを差し引くと6 Vが残ります。このうち起動用に2 Vを確保し、ケーブルには4 Vを割り当てます。1.5 mm²の仮定値では20 mAで約8 kmですが、HARTの静電容量による制約は約2 kmで生じます。納入機器の銘板値を確認し、予算が成立しなければケーブルを選び直すか、配線方式を変更してください。