Trong tự động hóa, IoT và đo lường công nghiệp, cảm biến đóng vai trò như "giác quan" giúp hệ thống thu thập dữ liệu từ thế giới thực. Nhưng không phải cảm biến nào cũng trả tín hiệu giống nhau: cảm biến analog cho tín hiệu liên tục, còn cảm biến digital cho tín hiệu số. Bài viết này giúp bạn hiểu sự khác biệt giữa hai loại, ứng dụng từng loại và chọn được loại phù hợp cho hệ thống của mình.

Cảm biến analog là gì?

Cảm biến analog là thiết bị đo và chuyển đổi một đại lượng vật lý hoặc hóa học như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng thành tín hiệu điện biến đổi liên tục theo thời gian thực, thường tỷ lệ tuyến tính với đại lượng đo. Về lý thuyết, tín hiệu này có thể nhận vô số giá trị trong một dải nhất định. 

Ví dụ, một cảm biến nhiệt độ analog có thể xuất điện áp từ 0V đến 5V tương ứng với dải đo từ 0°C đến 100°C. Khi nhiệt độ là 50°C, điện áp đầu ra sẽ ở mức khoảng 2,5V. 

Cảm biến analog hoạt động như thế nào?

Bên trong cảm biến, phần tử cảm biến phản ứng với đại lượng cần đo, chẳng hạn điện trở nhiệt, điện trở sẽ thay đổi theo nhiệt độ; hoặc cảm biến biến dạng, điện trở sẽ thay đổi khi chịu lực. Sự thay đổi này được chuyển thành điện áp hoặc dòng điện, rồi đi qua mạch khuếch đại, lọc nhiễu và tuyến tính hóa để đưa về chuẩn tín hiệu đầu ra.

Vì PLC và vi điều khiển xử lý dữ liệu số, tín hiệu analog phải qua bộ chuyển đổi ADC trước khi được đọc. Số bit của ADC quyết định độ mịn của phép đo: ADC 10 bit chia dải đo thành 1.024 mức, 12 bit chia thành 4.096 mức và 16 bit chia thành 65.536 mức.

Tín hiệu cảm biến analog phổ biến

Cảm biến analog 4-20mA

Cảm biến analog 4-20mA là chuẩn truyền dẫn dạng dòng điện, trong đó giá trị đo được biểu diễn bằng cường độ dòng chạy trong mạch. Mức 4mA tương ứng với giá trị thấp nhất của dải đo (0%) và mức 20mA tương ứng với giá trị cao nhất (100%). Đây là chuẩn công nghiệp phổ biến nhất trong đo lường và điều khiển quá trình. 

Về nguyên lý, bộ truyền tín hiệu (transmitter) và nguồn 24VDC VDC được nối tiếp với thiết bị nhận (PLC, DCS, bộ hiển thị) tạo thành một vòng dòng điện. Transmitter đóng vai trò như một nguồn dòng điều chỉnh được, tự thay đổi dòng trong vòng để phản ánh giá trị đo, còn điện áp nguồn có thể thay đổi trong giới hạn cho phép mà dòng vẫn không đổi. Tại đầu nhận, dòng điện chạy qua một điện trở đo và tạo ra điện áp 1-5V để ADC đọc. Giá trị đo được tính theo công thức tuyến tính. Ví dụ, một cảm biến áp suất dải 0-10 bar xuất ra 12mA thì áp suất thực tế là 5 bar.

Cảm biến analog 4-20mA có khả năng chống nhiễu tốt và không bị ảnh hưởng bởi sụt áp trên dây, nên truyền được quãng đường xa, có thể lên đến hàng trăm mét hoặc hơn tùy điện trở dây và điện áp nguồn. 

Cảm biến analog tín hiệu 4-20mA được ứng dụng rộng rãi trong các bộ truyền áp suất, mức, lưu lượng và nhiệt độ tại nhà máy nước, hóa chất, dầu khí, thực phẩm, nhiệt điện. Tín hiệu analog 4-20mA cũng dùng để điều khiển van tỷ lệ, bộ định vị van và các thiết bị chấp hành trong hệ thống DCS, SCADA.

Cảm biến analog 0-10V

Cảm biến analog tín hiệu 0-10V là chuẩn truyền dẫn dạng điện áp, trong đó giá trị đo được biểu diễn bằng mức điện áp một chiều từ 0V đến 10V. Mức 0V ứng với đầu dải đo và 10V ứng với cuối dải đo. Đây là chuẩn quen thuộc trong tự động hóa tòa nhà và các thiết bị điều khiển tốc độ.

Cảm biến analog 0-10V đấu nối đơn giản, dễ đo kiểm bằng đồng hồ vạn năng và chi phí thấp. Tuy nhiên, tín hiệu analog 0-10V dễ bị sụt áp và nhiễu điện từ khi đi dây dài, đồng thời không có khả năng phát hiện đứt dây như 4-20mA. Vì vậy 0-10V phù hợp nhất với khoảng cách ngắn và môi trường ít nhiễu.

Cảm biến analog tín hiệu 0-10V thường gặp trong hệ thống HVAC như điều khiển van gió, van nước, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, CO2, điều khiển tốc độ biến tần, điều chỉnh độ sáng đèn LED và các thiết bị điều khiển trong tủ điện.

Ngoài hai chuẩn trên, các tín hiệu analog khác gồm điện áp 1-5V, dòng điện 0-20 mA, tín hiệu millivolt và tín hiệu điện trở.

Cảm biến digital là gì?

Cảm biến digital là loại cảm biến xuất tín hiệu ở dạng số thay vì tín hiệu liên tục. Trong thực tế, cảm biến digital được chia thành hai dạng:

• Cảm biến digital ON/OFF: chỉ tồn tại hai mức điện áp cao và thấp, tương ứng trạng thái 0 và 1. Đây là dạng phổ biến nhất trong tự động hóa máy.
• Cảm biến digital truyền dữ liệu mã hóa: dữ liệu được đóng thành các gói tin theo giao thức truyền thông công nghiệp như Modbus RTU RS485 (còn gọi là cảm biến Modbus RTU RS485).

Cảm biến digital hoạt động như thế nào?

Khác với analog, cảm biến digital được tích hợp sẵn bộ vi xử lý nội bộ để số hóa giá trị đo ngay tại cảm biến. Quy trình gồm ba bước:

1. Cảm nhận đại lượng đo: phần tử cảm biến ghi nhận giá trị vật lý tương tự như cảm biến analog.
2. Số hóa tại chỗ: bộ chuyển đổi và vi xử lý bên trong chuyển tín hiệu thành dữ liệu số, đồng thời có thể hiệu chỉnh hoặc kèm thêm thông tin thiết bị.
3. Gửi dữ liệu: dữ liệu được truyền đến PLC, vi điều khiển hoặc SCADA qua chuẩn giao tiếp số mà không cần thêm thiết bị xử lý trung gian.

Ưu điểm lớn nhất của cảm biến digital là khả năng truyền xa và chống nhiễu vượt trội, khó bị làm sai lệch kết quả đo như tín hiệu analog. Ngoài ra, Modbus RS485 chỉ cần một tuyến cáp duy nhất để kết nối và quản lý hàng chục cảm biến, giúp tiết kiệm chi phí đi dây đáng kể so với việc kéo riêng từng dây tín hiệu analog cho mỗi thiết bị.

Cảm biến digital giao thức Modbus

Trong công nghiệp, Modbus là giao thức phổ biến nhất cho cảm biến digital. Modbus hoạt động theo mô hình một thiết bị “chủ” hỏi và nhiều thiết bị “tớ” trả lời. Dữ liệu đo như nhiệt độ, độ ẩm, điện năng được lưu trong các thanh ghi mà thiết bị chủ đọc theo địa chỉ. Dạng thường gặp nhất với cảm biến là Modbus RTU chạy trên đường truyền RS-485. Đường truyền vi sai này chống nhiễu tốt và đi được đến khoảng 1.200 m, chỉ cần một cặp dây xoắn cho cả chục thiết bị. Modbus có mặt ở đồng hồ đo điện, cảm biến môi trường, biến tần, inverter năng lượng mặt trời và các hệ thống BMS, SCADA.

Cảm biến analog và digital khác nhau như thế nào? 

Bản chất tín hiệu

Cảm biến analog cho tín hiệu liên tục, còn cảm biến digital cho các mức logic hoặc chuỗi bit đã mã hóa.

Cách xử lý

Cảm biến analog cần bộ điều khiển có ngõ vào analog hoặc ADC. Cảm biến digital đã số hóa sẵn nên bộ điều khiển đọc trực tiếp.

Khả năng chống nhiễu

Tín hiệu điện áp analog dễ bị nhiễu và sụt áp khi đi dây dài, nhưng tín hiệu dòng 4-20mA lại chống nhiễu rất tốt. Tín hiệu digital có ngưỡng logic rõ ràng và có thể kèm kiểm tra lỗi, nên thường ổn định hơn. Tuy nhiên, các giao tiếp tầm ngắn như I2C hay SPI chỉ nên dùng với dây ngắn.

Độ chính xác

Với cảm biến analog, độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu và ADC của bộ điều khiển. Cảm biến digital được hiệu chuẩn sẵn nên ổn định hơn, nhưng độ phân giải bị giới hạn bởi ADC bên trong nó.

Đấu nối và mở rộng

Mỗi cảm biến analog thường chiếm một kênh ngõ vào riêng. Cảm biến digital dùng bus có thể ghép nhiều thiết bị trên cùng một đường truyền.

Cấu hình và chẩn đoán

Cảm biến analog chỉ cung cấp một giá trị đo. Cảm biến digital còn cho phép cài đặt thông số, đọc trạng thái và báo lỗi từ xa.

Chi phí

Cảm biến analog thường rẻ và đơn giản, nhưng có thể phát sinh thêm chi phí ADC, bộ chuyển đổi và chống nhiễu. Cảm biến digital có thể đắt hơn nhưng tiết kiệm công thiết kế mạch và hiệu chuẩn.

Ứng dụng cảm biến analog

Cảm biến analog (cảm biến 4-20mA, cảm biến 0-10V) được ưu tiên ở những ứng dụng yêu cầu theo dõi liên tục và tức thời, chẳng hạn:

• Cảm biến nhiệt độ trong lò nung công nghiệp
• Cảm biến đo mức nước trong bồn chứa
• Cảm biến áp suất trên đường ống dẫn khí
• Cảm biến lực trong máy nén và cân điện tử

Trong hệ thống HVAC, tủ điều khiển AHU - FCU cũng được thiết kế để nhận tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Từ đó, tủ điều tiết chính xác góc mở van gió theo tỷ lệ phần trăm, thay vì chỉ đóng hoàn toàn hoặc mở hoàn toàn.

Ứng dụng cảm biến digital

Cảm biến digital, nổi bật là cảm biến Modbus RTU RS485, là lựa chọn lý tưởng cho những ứng dụng cần xác định trạng thái rõ ràng hoặc truyền dữ liệu qua khoảng cách xa với nhiều điểm đo. Một số ứng dụng điển hình gồm:

• Cảm biến tiệm cận phát hiện vật thể trên băng chuyền
• Trạm đo môi trường gửi dữ liệu về trung tâm giám sát qua Modbus
• Cảm biến quang báo đầy bồn, bể, kho chứa
• Hệ thống cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong các cao ốc văn phòng

Trong nhiều nhà máy hiện đại và công trình dân dụng quy mô lớn, cảm biến digital tích hợp giao thức RS485 được ưu tiên để giảm số lượng module input trên PLC, đồng thời đơn giản hóa công tác lập trình, giám sát và điều khiển.

Khi nào nên sử dụng cảm biến Analog?

Cảm biến analog phù hợp với ứng dụng cần theo dõi liên tục và điều khiển linh hoạt ở nhiều mức, không chỉ đơn giản là đóng hoàn toàn hoặc mở hoàn toàn. Cụ thể:

• Điều khiển biến tần theo tần số 0-50Hz
• Điều khiển góc mở van gió linh hoạt theo tỷ lệ phần trăm
• Giám sát áp suất đường ống dẫn khí theo thời gian thực

Khi chọn mua cảm biến analog, người dùng cần lưu ý một số điểm sau. Trước hết là phân biệt loại 2 dây và loại 4 dây. Loại 2 dây thường được cấp nguồn ngay trên vòng dòng tín hiệu, còn loại 4 dây cần nguồn cấp riêng, nên yêu cầu cấp nguồn và cách đấu nối thực tế tại công trình của hai loại không giống nhau. Việc xác định sai loại có thể khiến thiết bị không hoạt động hoặc tín hiệu đo sai lệch.

Điểm thứ hai là chuẩn tín hiệu. Nếu cần truyền tín hiệu đi xa, nên chọn cảm biến analog 4-20mA để chống nhiễu tốt hơn so với 0-10V, vì tín hiệu điện áp dễ sụt áp trên đường truyền dài. Bên cạnh đó, người dùng cũng cần kiểm tra bộ điều khiển hoặc module đầu vào có hỗ trợ đúng chuẩn tín hiệu của cảm biến hay không, để tránh phải bổ sung thiết bị chuyển đổi.

Khi nào nên sử dụng cảm biến Digital?

Cảm biến digital phù hợp cho hệ thống lớn có nhiều điểm đo, cần giám sát và điều khiển tập trung. Loại cảm biến này cũng phù hợp với môi trường công nghiệp nặng có nhiều động cơ và biến tần gây nhiễu điện từ, nơi yêu cầu khả năng chống nhiễu tốt.

Khi chọn mua cảm biến digital, người dùng cần lưu ý:

• Kiểm tra giao thức truyền thông: thiết bị cần hỗ trợ chuẩn giao tiếp phù hợp với hệ thống, phổ biến nhất là Modbus RTU RS485.
• Xác nhận địa chỉ slave và tốc độ baud: hai thông số này phải tương thích với hệ thống điều khiển.

Với cả hai loại, nên ưu tiên sản phẩm từ đơn vị uy tín, có chứng nhận xuất xứ đầy đủ, chứng chỉ hiệu chuẩn rõ ràng và bảo hành chính hãng. Dải đo, độ nhạy và độ chính xác cũng cần phù hợp với yêu cầu ứng dụng.

MUA CẢM BIẾN CHẤT LƯỢNG TẠI SENSORS VIỆT NAM

Sensors Việt Nam là đơn vị phân phối chính hãng các dòng cảm biến đến từ các thương hiệu uy tín toàn cầu (Calex, Produal, Prosense, PIL, Ecosense, Inelta, E+E Electronik…). Chúng tôi có đủ các dòng cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến áp suất, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm biến chênh áp, công tắc chênh áp… cho đến các thiết bị đo lường và điều khiển chuyên dụng.

Mọi thông tin tư vấn và nhu cầu đặt hàng cảm biến, quý khách vui lòng liên hệ hotline 0911 660 660 hoặc truy cập website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/.