Số lượng dây dẫn là một trong những thông tin đầu tiên cần xem khi chọn và đấu nối cảm biến. Con số này cho biết cảm biến cần cấp nguồn riêng hay lấy nguồn ngay trên đường tín hiệu, đầu ra thuộc dạng nào, và thiết bị nhận phải có kiểu ngõ vào ra sao. Trên thực tế, nhiều người dễ nhầm giữa bốn khái niệm khác nhau: số dây, kiểu đấu dây, nguồn cấp và tín hiệu đầu ra. Chỉ nhìn số dây rồi suy ra cách đấu rất dễ dẫn đến đấu sai, cảm biến không phản hồi hoặc hỏng ngõ vào của bộ điều khiển.

Bài viết này phân biệt cảm biến 2 dây, 3 dây và 4 dây về cấu tạo, nguyên lý, tín hiệu, cách nhận biết dây, sơ đồ đấu nối và ứng dụng, kèm hướng dẫn chọn loại phù hợp và các lỗi đấu nối thường gặp.

CẢM BIẾN 2 DÂY, 3 DÂY VÀ 4 DÂY LÀ GÌ?

Cách gọi này dựa vào số dây dẫn nối từ cảm biến ra ngoài. Điều cần lưu ý là hai nhóm thiết bị khác nhau cùng dùng cách gọi này.

Nhóm thứ nhất là cảm biến có mạch điện tử bên trong, cần được cấp nguồn để hoạt động và tạo ra tín hiệu ra như cảm biến tiệm cận, cảm biến quang, bộ chuyển đổi áp suất, bộ chuyển đổi nhiệt độ độ ẩm và cảm biến CO2.

Nhóm thứ hai là cảm biến thụ động, tự thay đổi điện trở theo đại lượng đo mà không cần nguồn riêng, ví dụ cảm biến nhiệt độ điện trở Pt100, Pt1000, Ni1000 hay NTC. Với nhóm này, số dây liên quan đến cách bù điện trở dây dẫn. 

Cảm biến 2 dây là gì?

Cảm biến 2 dây chỉ có hai dây, nguồn cấp và tín hiệu dùng chung một cặp dây. Ở dạng bộ phát vòng dòng, cảm biến được mắc nối tiếp trong mạch với nguồn cấp và thiết bị đo, và tự điều chỉnh dòng điện chạy qua nó theo giá trị đo. Chuẩn 4-20 mA là ví dụ điển hình: 4 mA ứng với đầu thang đo, 20 mA ứng với cuối thang đo. Ở dạng công tắc, cảm biến tiệm cận hoặc quang 2 dây mắc nối tiếp với tải, và dòng điện qua tải thay đổi khi cảm biến đóng ngắt.

Cảm biến 3 dây là gì?

Cảm biến 3 dây có một dây nguồn dương, một dây nguồn âm hoặc chung (0 V) và một dây tín hiệu. Đây là cấu hình phổ biến nhất trong tự động hóa, vì nguồn và tín hiệu tách riêng nên mạch đơn giản, dòng nuôi cảm biến không ảnh hưởng đến tín hiệu. Tín hiệu ra có thể là digital PNP hoặc NPN, hoặc analog như 0-10 V, 1-5 V và 4-20 mA.

Cảm biến 4 dây là gì?

Cảm biến 4 dây có hai dây nguồn và hai dây tín hiệu. Hai dây tín hiệu có thể là hai đầu ra độc lập, một đầu ra thường mở và một đầu ra thường đóng, hoặc một đầu ra digital kèm một đầu ra analog. Một số bộ phát 4-20 mA được cấp nguồn riêng cũng dùng 4 dây, trong đó hai dây cho nguồn và hai dây cho vòng dòng tín hiệu.

SO SÁNH CẢM BIẾN 2 DÂY, 3 DÂY VÀ 4 DÂY

Để dễ hình dung, ba loại này khác nhau chủ yếu ở bốn điểm sau:

Cảm biến 2 dây: 

• Nguồn và tín hiệu đi chung một cặp dây
• Thường gặp ở bộ phát 4-20 mA và công tắc tiệm cận nối tiếp tải
• Ưu điểm: tiết kiệm cáp, truyền xa tốt và ít bị ảnh hưởng bởi sụt áp trên dây ở dạng vòng dòng
• Hạn chế: dòng nuôi cảm biến luôn chạy qua tải, nên có dòng rò khi ngắt và sụt áp khi dẫn ở dạng công tắc.

Cảm biến 3 dây: 

• Gồm nguồn dương, nguồn âm và một ngõ ra
• Thường gặp ở cảm biến tiệm cận PNP/NPN, bộ chuyển đổi 0-10 V và một số bộ phát 4-20 mA
• Ưu điểm là phổ biến, dễ đấu nối và dễ thay thế
• Hạn chế là hai nguồn dùng chung dây âm nên phải chú ý nhiễu và đất chung.

Cảm biến 4 dây 

• Tách riêng nguồn và hai kênh tín hiệu
• Thường gặp ở cảm biến có hai ngõ ra hoặc bộ phát có ngõ ra cách ly
• Ưu điểm: linh hoạt, có thể có đầu ra bổ sung hoặc cách ly
• Hạn chế: cần nhiều dây hơn và dễ nhầm lẫn khi đấu nối.

Về nguyên lý, ở cảm biến 2 dây, chính dòng điện chạy trong mạch vừa nuôi cảm biến vừa mang thông tin đo. Ở cảm biến 3 và 4 dây, phần cấp nguồn và phần mang tín hiệu được tách ra, nên đầu ra có thể đổi trạng thái hoặc đổi mức điện áp, dòng điện mà không phụ thuộc vào dòng nuôi.

CÁCH PHÂN BIỆT DÂY CỦA CẢM BIẾN 2, 3 VÀ 4 DÂY

Cách chắc chắn nhất là đọc tài liệu kỹ thuật (datasheet) hoặc nhãn trên thân cảm biến của đúng model đang dùng. Màu dây chỉ mang tính tham khảo ban đầu.

Nhận biết dây nguồn

Dây nguồn là cặp dây cung cấp năng lượng cho mạch điện tử bên trong cảm biến. Ba thông tin cần xác định là điện áp cấp, cực tính và màu dây.

Điện áp cấp 

Cảm biến công nghiệp thường dùng nguồn một chiều như 12 VDC hoặc 24 VDC, dải cho phép được ghi cụ thể trong datasheet, ví dụ một khoảng điện áp từ thấp đến cao. Trong HVAC, nhiều cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến CO2 và cảm biến chênh áp chấp nhận nguồn 24 VAC hoặc 24 VDC. Cấp sai dạng nguồn (xoay chiều/một chiều) hoặc vượt giới hạn có thể làm hỏng mạch.

Cực tính

Với nguồn một chiều, dây dương và dây âm không thể đảo. Nhiều cảm biến có mạch bảo vệ đảo cực, nhưng không phải thiết bị nào cũng có, nên không nên đấu thử khi chưa xác nhận. Với nguồn xoay chiều, cần xem nhà sản xuất có yêu cầu dây chung cố định hay không.

Màu dây theo datasheet

Với cảm biến tiệm cận và quang 3-4 dây, quy ước phổ biến là dây nâu cho nguồn dương, dây xanh dương cho nguồn âm, dây đen cho tín hiệu ra và dây trắng cho tín hiệu ra thứ hai. Trên đầu nối M12 4 chân, thứ tự chân thường được đánh số 1 đến 4 tương ứng với bốn màu này. Tuy nhiên, bộ phát áp suất, bộ chuyển đổi nhiệt độ độ ẩm hay cảm biến CO2 của các hãng khác nhau có thể dùng màu hoàn toàn khác. Vì vậy, màu dây chỉ nên dùng để tham khảo, nên xác nhận dựa vào tài liệu của đúng model.

Nhận biết dây tín hiệu

Dây tín hiệu là dây truyền thông tin đo từ cảm biến đến bộ điều khiển. Tùy loại đầu ra mà cách đấu và thiết bị nhận khác nhau.

Tín hiệu digital 

Đầu ra chỉ có hai trạng thái, bật hoặc tắt, thường dùng cho phát hiện vật thể, mức, công tắc áp suất hay công tắc chênh áp. Loại này hay đi kèm kiểu đầu ra transistor PNP hoặc NPN, hoặc tiếp điểm rơ le.

Tín hiệu analog

Đầu ra biến thiên liên tục theo đại lượng đo như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất hay nồng độ CO2. Hai dạng phổ biến là tín hiệu điện áp 0-10 V và tín hiệu dòng 4-20 mA. Tín hiệu dòng ít bị ảnh hưởng bởi sụt áp dây nên thường được chọn cho khoảng cách xa hoặc môi trường nhiễu. Tín hiệu điện áp đơn giản hơn khi đấu nối trong tủ hoặc quãng ngắn.

PNP, NPN và các chuẩn liên quan 

Với đầu ra transistor kỹ thuật số, PNP đóng vai trò nguồn dòng: khi kích hoạt, ngõ ra nối với nguồn dương và dòng đi ra tải. NPN đóng vai trò nhận dòng: khi kích hoạt, ngõ ra nối với 0 V và dòng đi từ tải về cảm biến. Ngoài ra còn có đầu ra rơ le (tiếp điểm khô) và đầu ra push-pull có thể hoạt động như cả hai. Việc chọn PNP hay NPN phụ thuộc vào kiểu ngõ vào của PLC hoặc bộ điều khiển.

SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY CẢM BIẾN 2 DÂY, 3 DÂY VÀ 4 DÂY

Trước khi đấu bất kỳ sơ đồ nào, cần ngắt nguồn và kiểm tra lại điện áp cấp. Các sơ đồ dưới đây mô tả nguyên lý chung, còn việc đấu cụ thể phải theo hướng dẫn của đúng model.

Sơ đồ đấu dây cảm biến 2 dây

Với bộ phát 4-20 mA vòng dòng, hai đầu dây được gọi là đầu dương (+) và đầu âm (−) của vòng dòng. Mạch được mắc nối tiếp theo thứ tự sau:

Nguồn 24 VDC (+) → đầu (+) của cảm biến → đầu (−) của cảm biến → ngõ vào analog của bộ điều khiển hoặc điện trở đo → về nguồn (−).

Nhiều module ngõ vào analog 4-20 mA của PLC có sẵn điện trở đo bên trong, thường quy đổi dòng thành điện áp để vi xử lý đọc. Một số module có thể cấp nguồn vòng dòng sẵn, một số khác yêu cầu nguồn ngoài.

Với công tắc tiệm cận hoặc quang 2 dây, cảm biến mắc nối tiếp với tải: nguồn (+) → cảm biến → tải → nguồn (−), tức không có dây nguồn riêng.

Khi đấu nối cảm biến 2 dây, cần lưu ý các điểm sau:

• Nguồn cấp phải đủ lớn để bù cho điện áp tối thiểu của cảm biến, sụt áp trên điện trở đo và trên dây.
• Công tắc 2 dây luôn có dòng rò nhỏ khi ở trạng thái tắt và sụt áp khi ở trạng thái dẫn. Với ngõ vào PLC có dòng đầu vào thấp, dòng rò này có thể làm ngõ vào hiểu nhầm là đang bật, và khi đó cần xem xét thêm điện trở phụ theo khuyến nghị của hãng.
• Công tắc 2 dây thường có yêu cầu về dòng tải tối thiểu để hoạt động ổn định.
• Với vòng dòng 4-20 mA, nên dùng cáp xoắn đôi có bọc chống nhiễu khi đi gần cáp động lực.

Ví dụ minh hoạ: 

Sơ đồ đấu dây cảm biến 3 dây

Cảm biến 3 dây có ba đầu: nguồn dương, nguồn âm và ngõ ra. Với đầu ra analog, dây tín hiệu nối vào ngõ vào analog của PLC hoặc bộ điều khiển, và dây âm của cảm biến thường được nối chung với điểm chung (0 V) của ngõ vào đó. Với cảm biến nhiệt độ độ ẩm hay cảm biến CO2 có đầu ra 0-10 V, cách đấu này rất quen thuộc trong bộ điều khiển HVAC loại DDC.

Với đầu ra digital:

• Cảm biến PNP: dây nâu nối nguồn (+), dây xanh nối 0 V, dây đen nối vào ngõ vào của PLC. Khi cảm biến kích hoạt, ngõ ra được kéo lên mức dương, vì thế thường phù hợp với module ngõ vào có điểm chung nối 0 V (kiểu nhận dòng vào).
• Cảm biến NPN: dây nâu nối nguồn (+), dây xanh nối 0 V, dây đen nối vào ngõ vào của PLC. Khi cảm biến kích hoạt, ngõ ra được kéo xuống 0 V, vì thế thường phù hợp với module ngõ vào có điểm chung nối nguồn dương (kiểu cấp dòng ra).

Kiểu ngõ vào của từng dòng PLC khác nhau, nên cần đọc hướng dẫn của module trước khi ghép.

Ví dụ minh hoạ:

Sơ đồ đấu dây cảm biến 4 dây

Cảm biến 4 dây có hai dây nguồn và hai dây tín hiệu, nên cần xác định chức năng của từng dây trước khi nối.

• Dây nguồn dương và nguồn âm: cấp năng lượng cho cảm biến, tương tự cảm biến 3 dây.
• Hai dây tín hiệu: tùy model, đây có thể là hai đầu ra bổ sung nhau (một thường mở, một thường đóng), hai đầu ra độc lập (ví dụ một ngưỡng cảnh báo và một ngưỡng báo động), hoặc một đầu ra digital cùng một đầu ra analog.

Các trường hợp đấu nối phổ biến gồm:

• Dùng cả hai ngõ ra, mỗi ngõ nối vào một ngõ vào riêng của PLC, ví dụ để phân biệt hai trạng thái.
• Chỉ dùng một ngõ ra, bỏ trống ngõ còn lại, và cách điện đầu dây thừa để tránh chạm.
• Với bộ phát 4-20 mA cấp nguồn riêng, nối hai dây nguồn vào nguồn cấp và hai dây vòng dòng vào ngõ vào analog, thường có cách ly giữa nguồn và tín hiệu.

Ví dụ minh hoạ: 

Cảm biến 2 dây, 3 dây và 4 dây được ứng dụng ở đâu?

Máy móc công nghiệp 

Cảm biến tiệm cận và cảm biến quang 3 dây PNP/NPN dùng để phát hiện vị trí, đếm sản phẩm và xác định hành trình. Cảm biến tiệm cận 2 dây thường thấy ở những vị trí cần giảm số lõi cáp hoặc thay thế công tắc cơ.

Dây chuyền tự động hóa và PLC

Đây là nơi cảm biến 3 dây digital và 4 dây hai ngõ ra được dùng nhiều nhất. Nhiều module ngõ vào của PLC hỗ trợ trực tiếp kiểu PNP hoặc NPN, nên cần chọn cảm biến theo kiểu ngõ vào có sẵn.

Hệ thống đo lường

Bộ phát áp suất, bộ phát nhiệt độ và bộ phát mức dùng tín hiệu 4-20 mA 2 dây phù hợp cho khoảng cách xa, vì tín hiệu dòng ít bị ảnh hưởng bởi sụt áp dây. Cảm biến nhiệt độ điện trở 3 dây hoặc 4 dây phù hợp với phép đo nhiệt độ cần chính xác.

Hệ thống điều khiển HVAC và tòa nhà

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến CO2, cảm biến áp suất và cảm biến chênh áp thường dùng đầu ra 0-10 V hoặc 4-20 mA, kết nối với bộ điều khiển DDC hoặc PLC. 

Cảm biến chênh áp được dùng để theo dõi độ bẩn của bộ lọc, lưu lượng gió qua ống gió hoặc chênh áp phòng. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm trong ống gió và cảm biến CO2 trong phòng phục vụ điều khiển lưu lượng gió tươi theo nhu cầu thực tế.

Giám sát và IoT

Khi cảm biến cần kết nối với bộ ghi dữ liệu hoặc cổng thu thập, tín hiệu 4-20 mA và 0-10 V vẫn là lựa chọn phổ biến vì dễ ghép nối với bộ chuyển đổi tín hiệu. Cần chọn bộ thu thập có ngõ vào analog tương thích với dạng tín hiệu và có nguồn vòng dòng nếu dùng cảm biến 2 dây.

MUA CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP CHÍNH HÃNG - GIÁ TỐT TẠI SENSORS VIỆT NAM

Nếu bạn đang có nhu cầu mua cảm biến công nghiệp với chất lượng cao, giá tốt, chính sách bảo hành dài hạn, giao hàng nhanh chóng toàn quốc, đầy đủ CO/CQ và có dịch vụ hỗ trợ tận tình miễn phí thì đừng ngần ngại mà hãy tham khảo các sản phẩm tại Sensors Việt Nam.

Nếu bạn có bất cứ thắc mắc nào về cảm biến 2 dây, cảm biến 3 dây, cảm biến 4 dây hoặc có nhu cầu đặt hàng cảm biến công nghiệp thì hãy nhấc máy gọi ngay 0911 660 660 hoặc truy cập website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/ để được hỗ trợ nhanh chóng nhất!