電機配線を扱う会社に入ってしまうと、配線・回路図そして、実際に装置を設置するということをしなければなりません。
しかし、まったく畑違いの会社から来た。あるいは新卒で入ったなどという人はチンプンカンプンでまったくわからないところからスタートでかなり精神にクるものです。八百屋なら野菜、魚屋なら魚と何となくわかるものと違って、まったく知識がないものですから仕方ありません。
しかし、身近な生活で使われている物を作る産業機械や表示器の数字はセンサからのアナログ出力で出た信号を表示させているものが多いのです。
そのアナログ信号って何？という方に超簡単に説明をしてみたいと思います。
本ブログが参考になれば幸いです。
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アナログ出力ってどんな信号？
ではまず、世の中の多くは何らかで数字で表されていますよね？生活に関わるものだけでも温度、湿度、一酸化炭素、二酸化炭素、照度、濁度などいろいろです。
はたしてこれらがどう計測されているのかはご存じですか？そう、検知するものが必要ですよね。それが総じて『センサ』と呼ばれるものです。
言葉の意味からお分かりかと思いますが、一般家庭で一番わかりやすいものは体温計でしょうか。先端の測定部を舌の下やワキの下にあてて少しすると自身の体温が計測できますよね。
そう、その先端部にあるのが『センサ』です。
世の中にはこれ以外にも多くのセンサが存在し、それぞれの特性によって温度や二酸化炭素などを感知して『何らかの信号』を出すことができるのです。
たとえば、熱を測るのに『熱電対』『測温抵抗体』というものが存在します。
熱電対は起電力と呼ばれる熱が上がると本当に微弱な電力を発する特性をもっています。その特性は一定の基準を持っており、下記のように発する電圧値を数字にあてこむことで温度を表示させているのです。
ちなみに熱電対が電圧値なら測温抵抗体は温度変化すると抵抗値が変化するという特性になります。そして熱電対と同様に数字にあてこんで温度表示をさせているのです。
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では、この話を踏まえてアナログ信号の話に戻りましょう。
アナログ信号とは一般的に下記のものが世界標準の規格として使われていることが多いです。
電流：4-20ｍA 0-20ｍA
電圧：0-1V 0-5V 1-5V 0-10V
お気づきでしょうか？『ｍA（ミリアンペア）』や『V（ボルト）』という表記があることを。一般的にこの二つの電流・電圧値が『アナログ出力』と呼ばれて使われているのです。
このアナログ出力というものは、二本のケーブルを使って高速で機器間のやりとりができるという方法です。ちなみに＋と－極が存在します。
国際標準規格ですので、表示をする方はこの規格にそった信号が入ると数字を表示できるようにしていることが多いのです。
しかし、あれあれ？さっきの熱電対や測温抵抗体から出るものは電圧といってもμVで小さすぎたり抵抗値なので、ｍAでもVでもありませんね。
実は、多くのセンサの基となるものがこの世界標準にそった信号を出しません。というか、単独で出せるものはまずないでしょう。
あ、ちなみに熱電対や測温抵抗体も国際標準規格ですのでおかしいものではありませんよ。なので、表示機器がこのセンサを取り入れて表示させる方法としては二種類あるのです。
【表示器そのものがセンサの入力機能を持っている】
例として熱電対、測温抵抗体としてあげましたが表示器側で対応するセンサの種類が合致すればどのような種類のものが入ってきても問題ありません。
内部のソフトで自動的に読み取り、補正が行われてセンサに合った適正な数字を表示させます。
【内部で変換してアナログ信号にしている】
表示器内部にセンサの入力を変換してアナログ（4-20ｍA等）にする機能をもたせ、表示させる。あるいは変換したものを外に出力として出すことができます。
一般的に出力までするこれを『信号変換器』という名称で扱っています。この信号変換器については下記、見出しの後で説明を入れています。
なお、基本となる4-20ｍAでご説明をさせていただいていますが、他の信号も信号の内容が違うだけで基本は全て同じとなります。
どうやってアナログ信号を表示させるの？メリット・デメリットは？
では、仮に4-20ｍAでアナログ信号が入ってきました。適正な表示をさせなさい。
こういわれてわかりますか？
「ええっ？表示器の方で勝手に表示させてくれるんじゃないの？」
と思ったあなた。残念ながら人類は信号が入っただけですべてを理解してくれるそんな万能機器をまだ開発はしておりません。
そもそも、4-20ｍAといわれてもなんの入力でしょうか？温度ですか？湿度ですか？一酸化炭素ですか？二酸化炭素ですか？
わかりませんよね。人間と同じで、表示器側もそれを知らなければ表示のしようがないのです。
「じゃあ、知らせればわかるの？」
といわれても、これまた残念ながら情報が足りていません。
たとえば温度でしたら、マイナス域からプラス域……センサの特性によりますが、2，000℃以上を測ることもできます。
湿度でしたら0-100％以上はありません。一酸化炭素や二酸化炭素でしたらppmという値を使い、センサによって計測できるのはピンキリです。
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ということで、計測できるセンサによって0-200℃かもしれないし、0-1000℃かもしれない。0-100％かもしれないし、400-5000ppmかもしれない。
数字はバラバラで、機械は同じ4-20ｍAでもどれに該当させればいいのかわかりません。
ここで勘違いしている人はいないと思いますが、念の為確認です。「4-20ｍA」はただの記号ではなく、下限値を4ｍAで上限値を20ｍAという、この間の16ｍA（20-4）の数字は変動します。
ちなみにこの幅のことを『スパン』といい、このスパンに数字を当てこむことで表示器に表示させるのがアナログ信号と表示器の仕組みなのです。
といきなりごちゃっといわれてもわかる人と、わからない人がいるかと思います。では、下記をご覧ください。
4-20ｍAを0-100％の数字に見立て、合わせこみました。4ｍAを0％とし、20ｍAを100％とします。
すると4と20の真ん中の12ｍAなら50％の数字。8ｍAなら25％。16ｍAなら75％の数字と単純計算でなりますよね。では、下記をご覧ください。
だんだん分かってきたでしょうか？そう、アナログ信号の下限値と上限値の数字を決めてあてこんでやることで、それに対応した数字が表示器としてでるのです。
この数字のあてこみのことを『スケーリング』といいます。
そして、直線グラフを想像してみてください。一番下を0％（4ｍA）で上を100％（20ｍA）にしたとき、途中の数字もグラフ上にあるはずです。ですので、この0-100％の数字の変動値を上限・下限を決めてその割合で換算した数字を出すのがアナログ信号の表示器の役割ということです。
0-100％で換算できるものであれば、全てこのアナログ信号で表すことができます。たとえば、水門のように完全に閉じ切った状態を0％。開ききった状態を100％として扱うことも可能です。
半分だけ開けたければ50％とこのように仕組みがわかると便利に使うことができるんです。
ではここで、そんなアナログ信号のメリットとデメリットをあげてみましょう。
【アナログ信号のメリット】
先にお伝えした通り、アナログ信号は二本のケーブルを使って高速で機器間のやりとりができるという方法ですので遅れがほとんどありません。
精度は出力した機器によりますが、基本的には高いといっていいでしょう。そして、なによりノイズに強いという特徴があります。
配線している場所の近くに電源があったり、例えばたまたま電波が強いようなところですと、意外とこれが数字を乱れさせる要因になるのですが、アナログ信号はその影響がほとんどありません。
信号に変えることで遠くても精度を保ちながら運用できますので、メリットとしては高いものです。
【アナログ信号のデメリット】
デメリットはあまりありませんが、あえていうのでしたら表示器側に対応するアナログ信号入力がなければ使えません。4-20ｍAはあるけど、0-20ｍAはある等。
下記でこちらについては説明しますが変換器を入れるという方法もあります。ただし、お金が余計にかかってしまうことになるでしょう。
他、上記説明したセンサ側からの信号スパンがないと使えない。あるいは、スケーリングを間違えるとおかしな数字が出てしまうということでしょうか。
変換器ってなんなの？
では最後に、何度かお話を出させていただいた変換器について簡単に説明を入れようと思います。
アナログ信号と変換器は関係が深いので、簡単に頭に入れておくといいでしょう。では、先ほどの下記の図を思い出してください。
熱電対センサの入力が入れられないので、表示器内部でアナログ入力（4-20ｍA）に変換していますよね。
しかし、表示器側でこの機能を持っていないことがあります。
これでは、せっかく温度を表示させたいのに温度表示ができません。
となると考えるのは、センサは熱電対か測温抵抗体が一般的なので信号にはならないので表示器を買いなおすしかない。でもそれも勿体ないし、すでに設置してしまっている。そんなことがあるでしょう。
そんな時に利用するのが『変換器』です。変換器は入ってきた入力をアナログ信号に変えるという特性のある文字通り信号を変換する装置のことです。
ですので、上記の図のＡに『熱電対』を。Bに『4-20ｍA』となるようにすればいいのですね。
こうすることで、表示器に取り込むことができました。つまり、変換器を入れることでどのようなものでも信号に変えられ、数字としてしまうことができるのです。
ちなみに、変換器を使用するメリットとして、先にお伝えした信号に変換することによるノイズの軽減。受け手側の信号に合わせた物に変換できる機能。そして、絶縁されていることによる事故回避になります。
事故回避ということがどういうことか、と簡単に説明すると下記をご覧ください。
入力信号①を出力信号①に変更する際に、実は変換器内部では絶縁（繋がっていない）されているのです。超簡単にいうと、ビビッと電気でやり取りをしているだけですので、線とか物理的な接触がないんです。
これがなぜ事故回避に繋がるかというと、例えばうっかり間違えて100Vしか耐えられないものに200Vをかけてしまうとしましょう。当然壊れますよね。
そして、電気ですから物を伝って繋がっている関係のない物まで同時に壊してしまうおそれがあるんです。
そんな時に『繋がっていない』ものがあったら？
そう、確かにそこは壊れるでしょうが、その先は無事で損害を免れることができ、事故も最小限になるでしょう。
なので、事故防止にこの『変換器』を入れることがあるんです。
そして、その絶縁の仕組みを『アイソレーション』といい、わざわざその為に4-20ｍAを同じ信号の4-20ｍAにして出す変換器があります。こういった事故防止などで使われるものですが、そういったものを『アイソレータ』と一般的には呼ばれているんです。
なお、この変換器ですが多くの製造業者が販売していますが、基本的には変換器の専門メーカーである『エムシステム技研』さんの変換器を購入するのがいいでしょう。
ないものがない、といわれるほどの機種が存在し、トラブルにも即応で対応してくれる優良メーカーです。
このように、アナログ信号と変換器は多くのところで関係が深い信号となります。
電機関連の業界にいると「信号変換器」というものを使う機会があるのではないかと思います。しかしこれ、まだ入社したてとかでよくわかっていない人にはなぜ信号変換器が必要なのかわかりませんよね？「アイソレータって意味あるの？」とか「[…]
まとめ
まとめということで、アナログ信号についてまとめさせていただきました。
便利なアナログ信号ですが、なんのために使うの？とかどうやって使うの？とか最初はやはりわからないと思います。そういう人の助力になればと思います。
ちなみに電流の4-20ｍAや0-20ｍAはオームの法則で抵抗を250Ω入れると1-5Vや0-5Vになりますので、わざわざ変換器を買わなくてもいいことがあります。
なれていけば応用もきくところがでてきますので、まずは0-100％の数字のあてこみと信号の種類を覚えていけばいつの間にかわかっているものですので焦る必要はないかと思います。
もし分かり辛ければ申し訳ありませんが、参考になるのであれば幸いです。
