Trong một hệ thống HVAC hiện đại, cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất hay nồng độ CO2, sau đó gửi kết quả về bộ điều khiển để quyết định tốc độ quạt, độ mở van hoặc công suất máy nén. Phần lớn việc "nói chuyện" này diễn ra qua tín hiệu analog, tức là tín hiệu thay đổi liên tục theo giá trị đo thay vì chỉ có hai trạng thái bật hoặc tắt. Hai chuẩn analog phổ biến nhất là tín hiệu 0-10V và tín hiệu 4-20mA.

Hiểu đúng hai chuẩn này giúp bạn chọn đúng cảm biến, đấu nối đúng bộ điều khiển và tránh những lỗi tốn thời gian khi chạy thử hệ thống.

TÍN HIỆU 0-10V LÀ GÌ?

Tín hiệu 0-10V là tín hiệu analog theo điện áp. Giá trị đo hoặc giá trị điều khiển được thể hiện bằng mức điện áp DC nằm trong khoảng từ 0V đến 10V. Ví dụ, một cảm biến nhiệt độ 0-10V được cài đặt dải đo 0 đến 50°C sẽ xuất ra 0V khi nhiệt độ là 0°C, 5V khi là 25°C và 10V khi là 50°C. Mối quan hệ này tuyến tính, nên bộ điều khiển chỉ cần đọc điện áp rồi quy đổi ngược lại thành giá trị vật lý.

Đặc trưng của chuẩn này là mạch đo có trở kháng đầu vào cao, nên dòng điện chạy trong mạch tín hiệu rất nhỏ. Nhờ vậy, mạch đơn giản, chi phí thấp và dễ kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng ở chế độ đo điện áp DC.

Trong thực tế, tín hiệu 0-10V xuất hiện theo hai hướng. Hướng thứ nhất là đầu ra của cảm biến 0-10V gửi về bộ điều khiển. Hướng thứ hai là đầu ra của bộ điều khiển 0-10V gửi đến thiết bị chấp hành như biến tần, van điều khiển có servo hoặc động cơ EC, để ra lệnh về tốc độ hay vị trí

TÍN HIỆU 4-20MA LÀ GÌ?

Tín hiệu 4-20mA là tín hiệu analog theo dòng điện. Thay vì dùng mức điện áp, giá trị đo được biểu diễn bằng cường độ dòng điện chạy trong mạch, từ 4mA đến 20mA. Cùng ví dụ nhiệt độ 0 đến 50°C, cảm biến 4-20mA sẽ xuất 4mA ở 0°C, 12mA ở 25°C và 20mA ở 50°C.

Nhiều người thắc mắc vì sao mức thấp nhất là 4mA chứ không phải 0mA. Đây là thiết kế có chủ đích, thường được gọi là "live zero". Khi tín hiệu về 0mA, bộ điều khiển hiểu ngay rằng mạch đã bị đứt dây hoặc cảm biến mất nguồn, chứ không phải giá trị đo bằng không. Với tín hiệu 0-10V, mức 0V có thể là giá trị thật nhưng cũng có thể là dây đứt, nên khó phân biệt hơn.

Dòng điện trong một mạch kín có cùng cường độ tại mọi điểm, do đó điện trở dây không làm sai lệch giá trị truyền đi. Đây là lý do cảm biến 4-20mA được ưa chuộng ở những nơi dây dài, môi trường nhiều nhiễu. Nhiều cảm biến loại này còn chạy theo kiểu hai dây, tức là dùng chung đôi dây cho cả cấp nguồn và truyền tín hiệu, giúp tiết kiệm cáp. Ở đầu nhận, bộ điều khiển 4-20mA thường dùng một điện trở shunt (điện trở đo dòng, ví dụ 250 ohm) để chuyển dòng thành điện áp 1 đến 5V rồi mới đọc.

TÍN HIỆU 0-10 V VÀ 4-20 MA KHÁC NHAU THẾ NÀO?

Khác biệt thấy rõ nhất là đại lượng mang thông tin: 0-10V dùng điện áp, còn 4-20mA dùng dòng điện. Từ đó kéo theo hàng loạt khác biệt trong thực tế:

Khả năng chống nhiễu

Mạch dòng điện có trở kháng thấp, nên nhiễu cảm ứng khó làm thay đổi giá trị dòng. Mạch điện áp có trở kháng cao nên dễ bị nhiễu lẫn vào, nhất là khi cáp tín hiệu đi song song với cáp động lực hoặc cáp biến tần. Vì vậy, bộ điều khiển 4-20mA thường ổn định hơn trong nhà máy hay công trình có nhiều thiết bị công suất lớn.

Khoảng cách truyền

Với tín hiệu 0-10V, điện trở dây gây sụt áp nên khoảng cách nên giữ ngắn, thường trong phạm vi một tủ điện hoặc một phòng kỹ thuật. Trong khi tín hiệu 4-20 mA có thể truyền xa hơn nhiều mà không mất độ chính xác đáng kể.

Khả năng phát hiện sự cố 

Nhờ điểm không sống ở 4mA, tín hiệu 4-20mA cho phép bộ điều khiển nhận biết đứt dây hoặc hỏng cảm biến. Tín hiệu 0-10V không có cơ chế này sẵn, nên nếu cần giám sát lỗi phải thêm cấu hình bổ sung.

Đấu nối và kiểm tra

Tín hiệu 0-10V có đấu nối đơn giản, đo bằng vôn kế là xong. Tín hiệu 4-20mA cần đo dòng, tức phải mắc nối tiếp đồng hồ vào mạch hoặc dùng kẹp đo dòng mA chuyên dụng, nên khâu kiểm tra phức tạp hơn một chút.

Một mạch, nhiều thiết bị 

Có thể đấu song song nhiều đầu vào 0-10V vào cùng một nguồn tín hiệu (không vượt khả năng cấp của đầu ra). Với 4-20mA, các thiết bị nhận được mắc nối tiếp trong vòng dòng, nên tổng điện trở tăng theo số thiết bị.

Lưu ý quan trọng khi đấu nối: nhiều cảm biến và bộ điều khiển hỗ trợ cả hai chuẩn qua jumper hoặc cấu hình phần mềm. Nếu cài sai chế độ, giá trị đọc sẽ sai hoàn toàn dù đấu dây đúng. Luôn đối chiếu loại tín hiệu của đầu ra cảm biến với loại tín hiệu của đầu vào bộ điều khiển trước khi cấp điện.

→ Xem thêm: Cảm biến nhiệt độ gắn phòng 4-20mA

KHI NÀO NÊN CHỌN TÍN HIỆU 0-10V

Tín hiệu 0-10V phù hợp khi khoảng cách giữa cảm biến và bộ điều khiển ngắn, môi trường điện tương đối sạch và ngân sách cần được cân nhắc. Đây là lựa chọn hợp lý cho các hệ thống HVAC thương mại như tòa nhà văn phòng, trung tâm thương mại hay trường học, nơi thiết bị thường nằm trong cùng một khu vực kỹ thuật.

Ngoài ra, nếu đội thi công cần cấu hình và kiểm tra nhanh tại hiện trường chỉ bằng đồng hồ vạn năng, tín hiệu 0-10V sẽ thuận tiện hơn. Với các dự án cải tạo, lắp mới quy mô nhỏ, tín hiệu này giúp rút ngắn thời gian triển khai.

Cần tránh tín hiệu 0-10V khi đường cáp rất dài hoặc phải đi gần nguồn nhiễu mạnh, và khi yêu cầu giám sát sự cố đứt dây là bắt buộc nhưng hệ thống không có phương án thay thế.

KHI NÀO NÊN CHỌN TÍN HIỆU 4-20MA

Tín hiệu 4-20mA là lựa chọn phù hợp ở một số trường hợp điển hình như đường cáp dài, thiết bị đặt ở các khu vực khác nhau của công trình, hoặc cáp tín hiệu buộc phải đi gần biến tần, động cơ công suất lớn và tủ điện động lực.

Hệ thống cần giám sát an toàn hoặc cảnh báo cũng nên dùng cảm biến 4-20mA. Khi dòng rơi xuống dưới 4mA, bộ điều khiển 4-20mA có thể kích hoạt cảnh báo lỗi cảm biến hoặc đưa thiết bị về chế độ an toàn đã lập trình, thay vì tiếp tục vận hành dựa trên một giá trị sai.

Môi trường công nghiệp, phòng sạch, nhà máy dược phẩm, trung tâm dữ liệu quy mô lớn hay hệ thống lạnh công nghiệp thường dùng chuẩn này vì cần độ ổn định lâu dài. Chuẩn 4-20mA cũng là ngôn ngữ chung của ngành đo lường và tự động hóa, nên dễ tích hợp với PLC và hệ thống BMS từ nhiều hãng khác nhau.

ỨNG DỤNG TÍN HIỆU 0-10V VÀ 4-20MA

Ứng dụng tín hiệu 0-10V

Trong HVAC, tín hiệu 0-10V thường gặp nhất ở khâu điều khiển thiết bị chấp hành. Bộ điều khiển 0-10V gửi lệnh đến biến tần để điều chỉnh tốc độ quạt cấp gió, quạt hồi hoặc bơm nước lạnh, qua đó tiết kiệm điện so với chạy tốc độ cố định. Với động cơ EC, tín hiệu này quyết định trực tiếp tốc độ quay.

Trong hệ thống VAV (lưu lượng gió biến thiên), tín hiệu 0-10V điều khiển độ mở damper theo nhu cầu của từng khu vực. Van điều khiển nước lạnh hoặc nước nóng có servo 0-10V cũng điều tiết lưu lượng theo cách tương tự, giúp giữ nhiệt độ phòng ổn định.

Về phía cảm biến, các loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trong phòng thường có đầu ra 0-10V để gửi về bộ điều khiển. Cảm biến CO2 0-10V được dùng trong điều khiển thông gió theo nhu cầu, tăng lượng gió tươi khi nồng độ CO2 tăng do nhiều người trong phòng. Cảm biến chênh áp suất 0-10V cũng phổ biến để theo dõi độ bẩn của bộ lọc hoặc áp suất phòng.

Ngoài HVAC, tín hiệu 0-10V còn dùng để điều chỉnh độ sáng đèn LED trong chiếu sáng thương mại.

Ứng dụng tín hiệu 4-20mA

Cảm biến 4-20mA được dùng rộng rãi khi cần đo chính xác và ổn định trên khoảng cách xa. Trong hệ thống nước lạnh, cảm biến áp suất 4-20mA giám sát áp suất đường ống và cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển 4-20mA để điều khiển bơm biến tần giữ áp suất không đổi. Cảm biến nhiệt độ 4-20mA lắp trên đường nước cấp và nước hồi cũng thường gặp, vì các điểm đo này nằm xa phòng máy điều khiển.

Trong hệ thống lạnh công nghiệp và kho lạnh, đầu dò nhiệt độ, áp suất 4-20mA gửi dữ liệu về PLC để điều khiển máy nén, van tiết lưu điện tử và các bước xả đá. Ở nhà máy, phòng sạch hay phòng thí nghiệm, cảm biến độ ẩm, chênh áp 4-20mA đảm bảo duy trì điều kiện môi trường nghiêm ngặt, đồng thời cảnh báo ngay khi có sự cố mạch đo.

Tín hiệu 4-20mA cũng được dùng làm tín hiệu ra từ bộ điều khiển đến một số loại van, bộ định vị van (positioner) và thiết bị chấp hành khác trong các hệ thống công nghiệp và nhà máy nhiệt.

→ Không có chuẩn nào "tốt hơn". Hãy chọn theo khoảng cách đi dây, mức độ nhiễu, yêu cầu giám sát sự cố và loại đầu vào mà thiết bị của bạn hỗ trợ. 

→ Xem thêm: Cảm biến nhiệt độ ống nước 4-20mA

Giải pháp transmitter công nghiệp tín hiệu analog từ Sensors Việt Nam

Sensors Việt Nam cung cấp các giải pháp transmitter công nghiệp tín hiệu analog cho những nhu cầu đo lường phổ biến như áp suất, áp suất chênh lệch, nhiệt độ, độ ẩm, CO2 và lưu lượng. Các thiết bị được tư vấn theo từng ứng dụng cụ thể, từ giám sát áp suất đường ống nước lạnh, kiểm soát chênh áp phòng sạch, đến đo nhiệt độ ống gió hay đo mức trong bồn chứa. 

Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ và độ ẩm phòng EE10-M1A3D1

• Model: EE10-M1A3D1
• Tính năng: Đo nhiệt độ và độ ẩm
• Dải đo nhiệt độ: 0 - 50 độ C
• Dải đo độ ẩm: 0-100%RH
• Ngõ ra: 0-10V
• Có màn hình hiển thị
• Xuất xứ: Áo
• Bảo hành: 12 tháng 1 đổi 1
• CO/CQ: Đầy đủ. 

Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm phòng HTS201-M1A6D1

• Dải đo nhiệt độ: 0 đến 50 °C
• Dải đo độ ẩm: 0-100 %RH (không ngưng tụ)
• Độ chính xác độ ẩm: ±(2 + 0.003 × mv) %RH (mv = giá trị đo)
• Độ chính xác nhiệt độ: ±0.38 °C
• Ngõ ra: 2 × 4-20mA (RH và T độc lập), tải <500 Ω
• Có màn hình hiển thị LCD tích hợp
• Nguồn cấp: 10-35 VDC (thường 24 VDC)
• Bảo vệ cảm biến: Lớp phủ E+E chống bụi, hóa chất, ăn mòn
• Chứng chỉ: CE, FCC, hiệu chuẩn traceable DIN EN ISO/IEC 17025
• Xuất xứ: E+E Elektronik - Áo

Để được tư vấn kỹ hơn về tín hiệu 0-10V hoặc đặt hàng cảm biến ngõ ra analog, bạn hãy liên hệ trực tiếp đến Sensors Việt Nam qua hotline 0911 660 660 hoặc truy cập website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/ nhé!