4–20mA Scaling 계산법｜4mA·12mA·20mA를 실제 측정값으로 환산

산업용 압력센서나 온도 트랜스미터, 유량계의 사양을 보면 Output: 4–20mA라는 표시를 자주 볼 수 있습니다.

하지만 PLC나 계측기에서 12mA가 측정됐다고 해서 12가 실제 압력이나 온도를 의미하는 것은 아닙니다.

4–20mA 신호를 실제 물리량으로 사용하려면 센서의 LRV와 URV를 이용해 Scaling해야 합니다.

가장 기본적인 관계는

4mA = 측정범위의 0%

12mA = 측정범위의 50%

20mA = 측정범위의 100%

입니다.

4–20mA Scaling의 기본 원리

4–20mA의 전체 신호폭은

20 – 4 = 16mA

입니다.

따라서 현재 전류가 전체 범위에서 몇 %에 해당하는지는 다음 식으로 계산할 수 있습니다.

비율 = (현재 전류 – 4mA) ÷ 16mA

여기에 센서의 실제 측정범위를 적용하면 됩니다.

가장 기본적인 Scaling 공식은 다음과 같습니다.

실제값 = LRV + {(I – 4) ÷ 16} × (URV – LRV)

여기서

I = 현재 측정전류(mA)
LRV = Lower Range Value, 측정범위 하한
URV = Upper Range Value, 측정범위 상한

입니다.

이 식 하나만 알아두면 대부분의 4–20mA 센서 값을 계산할 수 있습니다.

0~10bar 압력센서를 계산해보자

압력센서 사양이 다음과 같다고 가정하겠습니다.

Range: 0~10bar

Output: 4~20mA

이 경우

4mA = 0bar

20mA = 10bar

입니다.

12mA가 들어온다면?

공식에 넣으면

(12 – 4) ÷ 16 = 0.5

즉 전체 범위의 50%입니다.

따라서

0 + 0.5 × 10 = 5bar

가 됩니다.

즉

12mA = 5bar

입니다.

4mA·8mA·12mA·16mA·20mA 값은?

0~10bar 센서라면 다음과 같이 환산됩니다.

전류	범위 비율	실제 압력
4mA	0%	0bar
8mA	25%	2.5bar
12mA	50%	5bar
16mA	75%	7.5bar
20mA	100%	10bar

4mA에서 시작하기 때문에 단순히

20mA 중 12mA니까 60%

라고 계산하면 안 됩니다.

유효 신호구간은 4~20mA의 16mA Span이라는 점이 중요합니다.

0~200℃ 온도센서에서 10mA라면?

이번에는 다음과 같은 온도 트랜스미터를 사용한다고 가정하겠습니다.

Range: 0~200℃

Output: 4~20mA

현재 측정전류는

10mA

입니다.

먼저 범위 비율을 계산하면

(10 – 4) ÷ 16

= 6 ÷ 16

= 0.375

즉 37.5%입니다.

온도로 환산하면

0 + 0.375 × 200

= 75℃

입니다.

따라서

10mA = 75℃

로 해석할 수 있습니다.

측정범위가 0부터 시작하지 않아도 계산할 수 있다

4–20mA 센서가 항상 0부터 시작하는 것은 아닙니다.

예를 들어 온도 트랜스미터가

-50~150℃

로 설정되어 있다고 가정해보겠습니다.

전체 측정 Span은

150 – (-50) = 200℃

입니다.

12mA는 신호범위의 50%이므로

-50 + 0.5 × 200

= 50℃

가 됩니다.

따라서 이 센서에서는

4mA = -50℃

12mA = 50℃

20mA = 150℃

입니다.

이 때문에 4–20mA 값을 환산하려면 반드시 LRV와 URV를 알아야 합니다.

-1~5bar 센서에서 16mA라면?

이번에는 범위가 더 특이한 경우를 계산해보겠습니다.

Range: -1~5bar

Output: 4~20mA

먼저 압력 Span은

5 – (-1) = 6bar

입니다.

16mA의 비율은

(16 – 4) ÷ 16

= 12 ÷ 16

= 0.75

입니다.

따라서 실제 압력은

-1 + (0.75 × 6)

= -1 + 4.5

= 3.5bar

입니다.

즉

16mA = 3.5bar

가 됩니다.

단순히 75% × 5bar로 계산하면 틀리게 됩니다. 하한값 -1bar를 반드시 포함해야 합니다.

실제 측정값을 mA로 다시 계산할 수도 있다

반대로 실제 압력이나 온도를 알고 있을 때 몇 mA가 출력되어야 하는지도 계산할 수 있습니다.

공식은

I = 4 + {(실제값 – LRV) ÷ (URV – LRV)} × 16

입니다.

예를 들어

0~100bar 압력센서에서 실제 압력이 25bar

라고 가정하겠습니다.

범위의 25%이므로

I = 4 + (25 ÷ 100 × 16)

= 4 + 4

= 8mA

입니다.

따라서 정상적인 조건이라면 25bar에서 약 8mA가 출력되어야 합니다.

이 계산은 현장에서 센서 출력이나 PLC Scaling 설정을 확인할 때 특히 유용합니다.

4–20mA를 1~5V로 바꾸는 방법

PLC나 ADC가 전류입력을 직접 지원하지 않을 경우 저항을 사용해 전압으로 변환할 수 있습니다.

대표적으로 250Ω 저항을 사용하면

V = I × R

관계에 따라

4mA에서는

0.004A × 250Ω = 1V

20mA에서는

0.020A × 250Ω = 5V

가 됩니다.

따라서

4–20mA → 1–5V

로 변환할 수 있습니다.

대표값은 다음과 같습니다.

전류	250Ω에서의 전압
4mA	1V
8mA	2V
12mA	3V
16mA	4V
20mA	5V

그래서 산업용 계측회로에서 250Ω 저항을 자주 볼 수 있습니다.

왜 0–20mA가 아니라 4–20mA를 사용할까?

4–20mA에서는 측정범위의 최소값도 4mA라는 전류가 흐릅니다.

이를 흔히 Live Zero 개념으로 이해합니다.

예를 들어 정상적인 센서의 최소 측정값에서는 4mA가 흐르지만 배선이 완전히 끊어진 경우에는 전류가 0mA 가까이 떨어질 수 있습니다.

따라서

0mA와 정상적인 0% 측정값을 구분할 수 있다는 장점

이 있습니다.

또 2선식 Loop Powered Transmitter에서는 이 전류를 이용해 센서 자체에 필요한 전원을 공급할 수도 있습니다.

3.8mA나 21mA가 나오면 무조건 고장일까?

반드시 그렇게 단정할 수는 없습니다.

일부 산업용 트랜스미터는 정상 측정범위를 약간 벗어난 상태나 장비 이상을 표현하기 위해 4mA 아래 또는 20mA 위의 전류영역을 사용하기도 합니다.

따라서

3.8mA
3.6mA
21mA
22mA

같은 값이 측정됐을 때는 해당 트랜스미터의

Output Limit

Alarm Current

Failure Mode

설정을 확인해야 합니다.

센서마다 진단전류 처리방식이 다를 수 있기 때문입니다.

PLC Scaling에서 가장 많이 하는 실수

첫 번째는

4mA를 4%로 계산하는 것입니다.

4mA는 일반적인 4–20mA Scaling에서 **0%**입니다.

두 번째는

전체 범위를 20mA로 나누는 것입니다.

실제 유효 Span은

20 – 4 = 16mA

입니다.

세 번째는

측정범위가 0부터 시작한다고 가정하는 것입니다.

-50~150℃나 -1~5bar처럼 LRV가 0이 아닌 센서는 반드시 하한값을 공식에 포함해야 합니다.

실제 데이터시트는 이렇게 읽어보자

다음과 같은 압력 트랜스미터가 있다고 가정하겠습니다.

Range: 0~250kPa

Output: 4~20mA

PLC에서 현재

14.4mA

가 측정됐습니다.

먼저 신호 비율은

(14.4 – 4) ÷ 16

= 10.4 ÷ 16

= 0.65

입니다.

따라서 실제 압력은

250 × 0.65

= 162.5kPa

입니다.

즉 PLC 화면에 표시되어야 할 실제 공정값은 약

162.5kPa

입니다.

이처럼 4–20mA Scaling은 복잡한 센서 이론보다 두 끝점과 직선방정식을 정확히 이해하는 것이 핵심입니다.

정리

4–20mA 신호를 실제 압력이나 온도로 변환할 때 가장 중요한 공식은 다음과 같습니다.

실제값 = LRV + {(I – 4) ÷ 16} × (URV – LRV)

핵심은

4mA = 0%

12mA = 50%

20mA = 100%

입니다.

센서 값을 확인할 때는

LRV 확인 → URV 확인 → 현재 mA 확인 → 4mA 제거 → 16mA Span으로 나누기 → 실제 측정범위로 환산

순서로 계산하면 대부분의 4–20mA Scaling 문제를 해결할 수 있습니다.

참고자료

• NI – How Can I Scale My 4-20mA Sensor Data?: 4mA를 범위의 0%, 20mA를 100%로 두고 직선방정식을 이용해 센서 값을 실제 단위로 환산하는 방법을 설명합니다. 0~200psi 예제에서는 (4mA, 0psi)와 (20mA, 200psi) 두 점으로 Scaling 식을 계산합니다. NI Knowledge Base
• Analog Devices – 4–20mA Current Control Loop Transmitter: 일반적인 4–20mA 트랜스미터에서 4mA가 보정범위의 0점, 20mA가 Full Scale을 나타내며 250Ω 저항을 사용할 경우 4mA=1V, 20mA=5V로 변환되는 원리를 설명합니다. Analog Devices
• Analog Devices – AN-1312: 산업용 4–20mA Current Loop의 기본 구조와 장거리 전송 및 전기적 노이즈 환경에서 사용하는 이유, 루프 내 전압강하와 전원조건을 설명합니다. Analog Devices