Cảm biến 4-20mA 2 dây là loại thiết bị đo với nguồn cấp và tín hiệu đo đều đi trên cùng một cặp dây. Bài viết này giải thích nguyên lý, lý do tín hiệu 4-20mA được dùng rộng rãi trong đo lường và điều khiển công nghiệp, các sơ đồ đấu dây phổ biến, những lỗi hay gặp và cách kiểm tra tín hiệu ngoài hiện trường.

Cảm biến 4-20mA 2 dây là gì?

Cảm biến 4-20mA 2 dây (còn gọi là transmitter 2 dây hay loop-powered transmitter, tức bộ phát tín hiệu được cấp nguồn ngay từ mạch vòng dòng điện) là thiết bị biến đại lượng vật lý như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức chất lỏng thành dòng điện nằm trong khoảng 4mA đến 20mA.

Điểm đặc trưng nằm ở chữ "2 dây". Thiết bị không có đường cấp nguồn riêng. Nó lấy năng lượng từ chính vòng dòng điện, rồi tự điều chỉnh lượng dòng chạy qua mình để biểu diễn giá trị đo. Bộ điều khiển hoặc module đầu vào phía bên kia chỉ cần đo dòng điện đó là biết giá trị thực.

Quan hệ giữa dòng điện và giá trị đo là tuyến tính. Với một cảm biến áp suất dải 0 đến 10 bar, 4mA ứng với 0 bar, 20mA ứng với 10 bar, và 12mA ứng với 5 bar. Công thức tổng quát để đổi từ dòng điện sang giá trị đo như sau:

Giá trị đo = (I - 4) / 16 × (Dải đo cao - Dải đo thấp) + Dải đo thấp

Trong đó I là dòng điện đo được, tính bằng mA.

Vì sao tín hiệu 4-20mA phổ biến trong công nghiệp?

Có vài lý do khiến chuẩn 4-20mA được sử dụng phổ biến và trở thành tiêu chuẩn trong công nghiệp. 

Tín hiệu 4-20mA có khả năng chống suy hao đường truyền

Trong một mạch nối tiếp, dòng điện ở mọi điểm đều như nhau. Dù dây dài và có điện trở, dòng điện bộ phát đặt ra vẫn là dòng điện bộ thu nhận được, miễn là nguồn đủ điện áp. Tín hiệu điện áp thì không có được lợi thế này, vì điện áp sụt dần dọc theo dây.

Tín hiệu 4-20mA có khả năng chống nhiễu tốt hơn 

Mạch dòng điện có trở kháng thấp nên ít bị nhiễu điện từ xâm nhập hơn so với mạch điện áp trở kháng cao.

Tín hiệu 4-20mA có cơ chế "live zero"

Mức thấp nhất của tín hiệu là 4mA chứ không phải 0mA. Nhờ vậy, khi bộ điều khiển thấy dòng bằng 0, nó hiểu ngay là đứt dây, mất nguồn hoặc hỏng cảm biến, thay vì nhầm với giá trị đo bằng không. Nhiều hệ thống còn quy ước dòng dưới khoảng 3,6mA hoặc trên khoảng 21mA là báo lỗi thiết bị.

Dễ tích hợp với bộ điều khiển trung tâm

Một cặp dây vừa cấp nguồn vừa truyền tín hiệu, giảm chi phí cáp và nhân công thi công. Bên cạnh đó, gần như mọi PLC, DCS, bộ ghi dữ liệu và bộ điều khiển PID đều có sẵn ngõ vào 4-20mA, nên việc tích hợp rất dễ.

Nguyên lý hoạt động của mạch vòng 4-20mA 2 dây

Một mạch vòng 2 dây có ba thành phần mắc nối tiếp: nguồn 24VDC, cảm biến (transmitter) và bộ thu tín hiệu. Bộ thu có thể là module Analog Input của PLC, đồng hồ hiển thị hoặc bộ điều khiển nhiệt độ/áp suất.

Bên trong cảm biến, mạch điện tử đóng vai trò như một nguồn dòng điều khiển được. Nó lấy tối thiểu khoảng 4mA để tự duy trì hoạt động, phần dòng còn lại tăng dần theo giá trị đo cho đến 20mA ở cuối thang. Bộ thu đặt một điện trở đo trong mạch, thường là 250Ω, để đổi dòng thành điện áp. Với 250Ω, dải 4-20mA cho ra điện áp từ 1V đến 5V, đủ để ngõ vào analog đọc được.

Sơ đồ đấu dây cảm biến 4-20mA 2 dây

Quy tắc chung rất đơn giản: dòng điện đi ra từ cực dương nguồn, đi qua cảm biến, qua bộ thu rồi về cực âm nguồn. Mọi thiết bị đều nằm nối tiếp trên một vòng kín.

Sơ đồ đấu cảm biến 4-20mA 2 dây với nguồn 24VDC và PLC

Bước 1: Cực dương của nguồn 24VDC nối vào chân dương (+) của cảm biến.

Bước 2: Chân âm (-) của cảm biến, tức dây tín hiệu ra, nối vào ngõ vào dương (AI+) của PLC.

Bước 3: Ngõ vào âm (AI-) của PLC nối về cực âm của nguồn 24VDC.

Bước 4: Phần chắn shield của cáp tín hiệu nối đất tại một đầu duy nhất (thường là đầu tủ điện PLC), đầu còn lại tại cảm biến để hở.

→ Xem thêm: Cảm biến 2 dây, 3 dây và 4 dây khác nhau thế nào?

Cách đấu cảm biến 4-20mA 2 dây với đồng hồ hiển thị

Đồng hồ hiển thị 4-20mA (loại gắn tủ hoặc gắn mặt bàn) thường được mắc nối tiếp trong mạch vòng, giống như một thiết bị tải.

Có hai trường hợp: 

• TH1: Với đồng hồ tự cấp nguồn riêng, bạn chỉ cần nối nó nối tiếp vào đường tín hiệu của mạch vòng, tương tự như chân AI của PLC ở trên. 
• TH2: Với đồng hồ loại loop-powered, thiết bị lấy năng lượng từ chính mạch vòng nên sẽ gây sụt áp, thường vài volt tùy model. Sụt áp này phải được cộng vào ngân sách điện áp của mạch.

Nếu muốn hiển thị cục bộ mà vẫn đưa tín hiệu về PLC, bạn có thể mắc đồng hồ nối tiếp với cảm biến trong cùng một vòng, miễn là điện áp nguồn đủ cho cả hai và tổng điện trở không vượt giới hạn.

Các lỗi thường gặp khi đấu cảm biến 4-20mA 2 dây

Đấu ngược cực

Cảm biến 2 dây là thiết bị có phân cực. Cấp ngược chiều dòng điện thì bên trong cảm biến thường không dẫn, nên mạch vòng đọc 0mA và PLC báo đứt dây. Nhiều cảm biến đời mới có điốt bảo vệ chống ngược cực, nhưng cũng có loại không có hoặc chịu ngược cực kém, dễ hỏng mạch điện tử nếu cấp nguồn sai nhiều lần. Dấu hiệu nhận biết quen thuộc là đồng hồ đo cho dòng bằng 0 dù nguồn vẫn đủ 24V.

Đấu nhầm AI Active và Passive

Nếu nối cảm biến 2 dây vào ngõ vào thụ động mà quên cấp nguồn ngoài, mạch vòng không có năng lượng và dòng bằng 0. Ngược lại, nếu bạn vừa cấp nguồn 24V ngoài vừa nối vào chân đã có loop power từ module, hai nguồn sẽ đối đầu nhau, có thể làm tín hiệu sai hoặc hỏng ngõ vào. 

Mạch vòng bị hở

Một đầu nối lỏng, đứt ngầm trong cáp hay cầu đấu oxy hóa đều làm mạch vòng hở. Nhờ có live zero, bộ điều khiển phát hiện được lỗi vì dòng rơi xuống dưới 4mA. Dòng chập chờn giữa 0mA và giá trị thật là dấu hiệu của tiếp xúc kém. Hãy kiểm tra các điểm đấu nối từng đoạn từ cảm biến, hộp nối đến tủ điều khiển.

Tổng điện trở tải quá lớn

Mỗi mạch vòng có một giới hạn tải. Điện áp nguồn trừ điện áp tối thiểu cảm biến cần sẽ cho phần điện áp còn lại để các điện trở trong mạch tiêu thụ ở dòng 20mA. 

Ví dụ minh họa: nguồn 24V, cảm biến cần tối thiểu 12V, điện trở tải tối đa sẽ xấp xỉ (24 - 12) / 0,02 = 600Ω. Trong 600Ω này đã bao gồm trở đo 250Ω, điện trở dây dẫn, sụt áp đồng hồ hiển thị và các bộ cách ly xen giữa.

Khi tải vượt giới hạn, tín hiệu thường bị "cắt đỉnh" ở dải trên: dòng không lên được tới 20mA dù giá trị đo vẫn tăng. Nếu dòng chỉ lên tối đa 17 đến 18mA, đây là một tín hiệu đáng kiểm tra đầu tiên.

Tín hiệu bị nhiễu hoặc dao động

Dòng dao động quanh giá trị thực thường đến từ nhiễu điện từ, đặc biệt khi cáp tín hiệu đi cùng máng với dây động lực hoặc gần biến tần. Nguyên nhân khác gồm vòng lặp đất, chắn nhiễu nối đất sai cách, hoặc bản thân quá trình đo có dao động thật như xung áp suất của bơm piston. Cần phân biệt hai trường hợp này trước khi can thiệp phần cứng.

→ Xem thêm: Cách kiểm tra tín hiệu 4-20ma bằng đồng hồ vạn năng

Lưu ý khi đấu dây cảm biến 4-20mA trong thực tế

Về cáp

Nên dùng cáp xoắn đôi có bọc chống nhiễu cho các tuyến dài hoặc đi gần nguồn nhiễu. Lớp chắn thường chỉ nối đất ở một đầu, thường là phía tủ điều khiển, để tránh tạo vòng lặp đất. Cần đi riêng máng cáp tín hiệu, tách khỏi cáp động lực và cáp ra biến tần, và nếu bắt buộc giao nhau thì cho giao vuông góc.

Về nguồn điện

Dùng nguồn 24VDC ổn áp, chất lượng tốt và tính trước dư địa điện áp cho trường hợp đồng hồ hiển thị, bộ cách ly hay module HART chèn thêm sau này. Với hệ thống có nhiều mạch vòng chung một nguồn, nên dùng bộ cách ly tín hiệu để tránh nhiễu chéo giữa các kênh và bảo vệ ngõ vào PLC.

Về lắp đặt

Siết chặt đầu cốt, dùng đầu cos pin cho dây mềm và gắn nhãn rõ ràng ở cả hai đầu. Hộp nối ngoài trời cần đạt cấp bảo vệ IP phù hợp và dùng ốc siết cáp đúng cỡ, vì hơi ẩm xâm nhập là nguyên nhân gây sai số và chập chờn khá phổ biến. Với các vị trí dễ bị sét lan truyền hoặc quá áp, thiết bị chống sét lan truyền cho đường tín hiệu là khoản đầu tư hợp lý.

Về cấu hình

Kiểm tra dải đo đã cài trong cảm biến (4mA ứng với giá trị nào, 20mA ứng với giá trị nào) khớp với khai báo phạm vi trong bộ điều khiển. Sai lệch ở khâu này khiến số đọc sai dù tín hiệu và đấu dây hoàn toàn đúng. Sau khi đấu xong, nên ghi lại giá trị dòng ở ít nhất hai điểm đo để làm mốc cho các lần bảo trì sau.

MUA CẢM BIẾN 4-20MA CHÍNH HÃNG TẠI SENSORS VIỆT NAM 

Nếu bạn có thắc mắc liên quan đến cảm biến 4-20mA, tín hiệu 4-20mA, sơ đồ đấu dây cảm biến 4-20mA 2 dây hay cách đấu tín hiệu 4-20mA… thì hãy liên hệ ngay cho Sensors Việt Nam để được hỗ trợ giải đáp nhanh chóng, tận tình nhất.

Bên cạnh đó, Sensors Việt Nam cũng là đơn vị phân phối chính hãng các dòng cảm biến 4-20mA 2 dây với chính sách giá tốt, đầy đủ CO/CQ, bảo hành chính hãng, giao hàng nhanh chóng trên toàn quốc và dịch vụ tư vấn - hỗ trợ kỹ thuật hoàn toàn miễn phí. Hãy gọi hotline 0911 660 660 hoặc truy cập website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/ để nhận tư vấn, báo giá chi tiết và đặt hàng với ưu đãi hấp dẫn ngay hôm nay nhé!