4〜20mAの信号が0mAではなく4mAから始まるのは、「信号の値がゼロ」と「信号が来ていない」を見分けるためです。0%を4mAにしておけば、断線や電源が切れて電流が止まったとき、受け取る側には0mAという、0%とは違う値が届きます。もう1つの理由は、4mAまでの電流で発信器自身の回路を動かせることです。電源と信号を2本の線で兼ねる2線式は、これで成り立っています。
ここでいう発信器は、現場で圧力や流量などを測り、4〜20mAを出す機器のことです。資料やメーカーによっては、伝送器や変換器とも呼ばれます。
0%を4mAにしてあるので、断線すれば0mAになり、異常だと分かる。この考え方を初めて聞いたとき、なるほどと思いました。保全で4〜20mAを扱っていたころ、指示値がおかしいときの切り分けは次の順でした。まず発信器の信号線の電流をクランプ式の電流計で測り、そこで異常がなければPLCやDCSの側で測っていました。
4mAを0%にするのは、信号ゼロと信号なしを分けるため
長谷川好伸氏は、4〜20mAの規格化にかかわった人です（当時、北辰電機で IEC SC65A/WG4 の国内グループ長）。長谷川氏は、エム・システム技研の『エムエスツデー』（2003年10月号）で、ライブゼロ（0%を0mAより上に置く方式）を採った理由として考えられることを4つ挙げています。
- 停電や断線で信号がなくなった状態と、信号の値がゼロの状態を区別できる
- 4mA以下の電流で増幅回路を動かせるので、2線式の発信器が作れる
- 当時の出力素子では、0mAを作るには正と負の2つの電源が要り、回路が複雑になった
- 当時の空気圧の統一信号（0.2〜1kgf/cm²）と、最小と最大の比が同じ5倍になり、電気と空気が混ざったシステムで信号をやり取りしやすかった
1つ目の理由について、同じ記事はこう書いています。
線の断線で信号がゼロになったのを、信号値が最小になったと誤解して操作すると大変なことになります。
0〜20mAなら、タンクが空で0%なのか、線が切れて0mAなのかを、受け取る側は電流だけでは見分けられません。4〜20mAなら、0%は4mAで、0mAは0%とは別の値になり、「信号が来ていない」と分かります。
2つ目の理由が、2線式の発信器です。エムジー（旧エム・システム技研）の計装豆知識によれば、2線式の発信器は、出力の4〜20mAの電流から自分のアンプを動かす電源を取ります。回路は、24V DCの電源、発信器、受け取る側の抵抗（受信機器の入力抵抗250Ωなど）を直列につないだ1つの輪です。信号が0%のときでも4mAが流れているので、その分で発信器が動けます。ただし、発信器が動くには、端子に一定以上の電圧がかかっている必要があります。
電源と信号を別の線で送る4線式もあります。私は保全で、2線式か4線式かをあまり意識したことはありません。測るときに効いてくるのは、どちらの方式でも、信号の電流が発信器から受け取る側まで1本の輪を回っていることです。
長谷川氏は、上限の20mAは技術的にこの値でなければならないものではなく、各社の値のほぼ中間で、当時の半導体素子で扱いやすかった値だと回想しています。
電流で送るのは、雑音と配線の抵抗に左右されにくいから
電流で送る理由は、受け取る側の抵抗の小ささにあります。長谷川氏の説明では、電流で送るときは、受け取る側の抵抗を発信器の内部の抵抗よりずっと小さくします。線に乗った雑音の電圧は、ほとんどが発信器の側にかかり、信号の電流は影響を受けません。
エムジーの計装豆知識（1993年10月号の再掲）は、これを数字で試算しています。電流で出す発信器の出力側の抵抗は通常1MΩ以上で、250Ωで受ける回路に10Vの雑音が乗っても、流れる電流は約0.01mAです。
その結果、ノイズは信号20mAの1／2,000以下で、まったく測定上問題にならないことがわかります。
配線の抵抗も、ある範囲までは値を変えません。発信器が自分の中の電圧降下を調整して、電流を入力に比例させているからです。輪の中を流れる電流は、どこで測っても同じです。ただし、輪の中の抵抗の合計には上限があります。エムジーの2線式の回では、電源24Vから発信器が動くのに要る13Vを引いた11Vを、最大の20mAで割った550Ωを、つないでよい抵抗の合計の例として挙げています。13Vは機種ごとに違う値で、仕様書で確かめるものです。
4〜20mAの少し外までは測った値、その外は故障を知らせる値
4〜20mAの外側にも、意味を持たせた値があります。横河電機の圧力伝送器 EJX440A の一般仕様書（GS 01C25E02-01JA）では、出力信号範囲は3.6〜21.6mA（−2.5〜110%）です。0%より少し下、100%より少し上までは、測った値として出ます。
そのさらに外は、発信器が自分の故障を知らせる値（バーンアウト）です。同じ仕様書では、出力信号コードD・E・Jの場合、出荷時の設定で110%（21.6mA）以上を出し、LOW側に設定すれば−5%（3.2mA）以下を出します。
NAMUR NE43 に準拠した出力範囲も、付加仕様で選べます。
| 付加仕様 | 正常時の出力 | 異常時の出力 |
|---|---|---|
| C2 | 3.8〜20.5mA | Low側（−5%、3.2mA以下） |
| C3 | 3.8〜20.5mA | High側（110%、21.6mA以上） |
この設定の発信器は、正常なら3.8〜20.5mAの中に収まる値を出します。何mAを異常の値にしているかは機種と設定で違うので、手元の発信器の仕様書と設定を見ます。
受け取る側にも、断線を見分ける機能があります。オムロンのアナログ入出力ユニット CS1W-MAD44 は断線検知を持っていますが、使えるレンジが限られます。
断線検知は1～5V/4～20mAレンジ設定時のみ有効となります。
このユニットでは、断線を見分けられるのはライブゼロのレンジだけです。何mAを下回ったら断線と判定するかは、この仕様のページには書かれていません。
0mAになる原因は、断線だけとは限りません。2線式の輪は24V DCの電源から電流を流しているので、その電源が切れても電流は0mAになります。0mAが出たら、線と電源の両方を疑うことになります。
指示値がおかしいときは、発信器の側から測る
指示値がおかしいとき、私は次の順で切り分けていました。
- 発信器の信号線の電流を、クランプ式の電流計で測る
- そこで異常がなければ、PLC・DCSの側で測る
測った電流が何%に当たるかは、4mAから20mAまでの16mAを0〜100%に当てはめて読みます。
- 何% ＝（測った電流 − 4mA）÷ 16mA × 100
12mAなら50%、8mAなら25%です。発信器の側で測った値と、PLC・DCSの指示値を、同じ%にそろえてから見比べると、どこでずれたかが分かりやすくなります。
止めずに測るならクランプ式か抵抗の電圧。直列に入れると、いったん輪が切れる
4〜20mAを測る方法は、輪を切らずに測るか、切って測るかで分かれます。
クランプ式（ミリアンペア用）は、信号線をはさむだけで測れます。共立電気計器の KEW 2510 は、製品ページで「4-20ｍA DCループ電流を回路切断なしに測定可能」としています。分解能は0.01mAで、4mAを0%、20mAを100%とするパーセント表示もできます。はさめる線の太さは最大φ6mmです。Fluke の 771 も、輪を切らずに4〜20mAを測れるとしています。動力用のクランプメータとは別の、ミリアンペアの直流を測るための機種です。
テスタ（マルチメータ）を直列に入れる方法は、信号線の片側を外して、その間にテスタをつなぎます。外している間は輪が切れて0mAになるので、受け取る側には断線と同じ値が届きます。その信号を制御や警報に使っていれば、設備がそれに応じて動くことがあります。KEW 2510 の導入事例にも、配電盤のトランスデューサの出力線を、運用中に外すのはリスクが高いので停電作業のときに試験していた、という課題が載っています。つないだテスタの抵抗も輪の抵抗の合計に加わるので、合計が発信器の仕様の上限に収まっている必要があります。
受け取る側の抵抗の電圧を測る方法もあります。PLCなどが250Ωで受けていれば、その両端の電圧は1〜5Vになります。キーエンスの計測器ラボはこう書いています。
負荷抵抗が250Ωの場合は、4-20mAが1-5Vで計測できます。
オムロンの CS1W-MAD44 も、電流入力の外部入力インピーダンスを250Ω（定格）としています。電圧で測る場合は輪を切らずにすみますが、受ける抵抗が何Ωかを、受け取る側の仕様で先に確かめておく必要があります。
盤の中の端子で測るときは、同じ盤に100Vなどの電源の端子も並んでいます。どこまで触ってよいかは、職場の決まりと計装の担当者に確かめてください。
まとめ
- 4〜20mAの0%が4mAなのは、信号の値がゼロの状態と、停電や断線で信号がない状態を区別するため。4mAまでの電流で発信器の回路を動かせるので、電源と信号を2本で兼ねる2線式も作れる（『エムエスツデー』2003年10月号、規格化の当事者の説明）
- 電流で送ると、受け取る側の抵抗が小さいので雑音の影響を受けにくい。配線の抵抗も、輪の抵抗の合計の上限までは値を変えない
- 4〜20mAの外には故障を知らせる値がある。横河電機のEJX440Aでは、NE43準拠の設定で正常時3.8〜20.5mA、異常時は3.2mA以下か21.6mA以上
- 0mAは断線のほか、2線式の輪の電源が切れたときにも出る
- 指示値がおかしいときは、発信器の信号線の電流を先に測り、異常がなければPLC・DCSの側で測る。値は%にそろえて見比べる
- 止めずに測るならミリアンペア用のクランプ式。テスタを直列に入れると、外している間は輪が切れる。250Ωで受けていれば、両端の1〜5Vでも測れる
参考にした資料
閲覧日は、いずれも2026年11月3日です。
- エム・システム技研（現 エムジー）『エムエスツデー』2003年10月号「4～20mA物語 第2回 4～20mAの直流電流信号がなぜ世界標準になったのか？（2）」（https://www.mgco.jp/mstoday1/MSTback/data/2003/10/4_20mA_T.htm）
- 同 2003年11月号「4～20mA物語 第3回」（https://www.mgco.jp/mstoday1/MSTback/data/2003/11/4_20mA_T.htm）（長谷川氏の肩書）
- 同 2004年1月号「4～20mA物語 第5回」（https://www.mgco.jp/mstoday1/MSTback/data/2004/01/4_20mA_T.htm）
- エムジー 計装豆知識「4～20mA DC 電流信号」（『エムエスツデー』1993年10月号）（https://www.mgco.jp/magazine/plan/mame/b_electric/9310/）
- エムジー 計装豆知識「電源配線が要らない2線式伝送器」（『エムエスツデー』1996年10月号）（https://www.mgco.jp/magazine/plan/mame/b_signal_con/9610/）
- 横河電機 一般仕様書 GS 01C25E02-01JA「EJX440A 圧力伝送器」（2024.12.27-00版、p.2・p.5）（https://web-material3.yokogawa.com/GS01C25E02-01JA.pdf）
- オムロン「CS1W-MAD44 アナログ入出力ユニット 定格/性能」（https://www.fa.omron.co.jp/products/family/1670/specification/）
- 共立電気計器「KEW 2510 DCミリアンペアクランプロガー」（https://www.kew-ltd.co.jp/products/detail/01006/）
- Fluke「Fluke 771 ミリアンペア・プロセス・クランプ・メーター」（https://www.fluke.com/ja-jp/product/calibration-tools/ma-loop-calibrators/fluke-771）
- キーエンス 計測器ラボ「複数接続時の計測方法」（https://www.keyence.co.jp/ss/products/recorder/lab/4-20ma/measurement_p.jsp）
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