Trong tự động hóa công nghiệp, cảm biến phải truyền dữ liệu từ hiện trường về PLC, DCS hoặc hệ thống điều khiển. Có nhiều chuẩn tín hiệu khác nhau như 0-10V, 0-5V, 4-20mA... Vậy tại sao 4-20mA lại trở thành một trong những chuẩn được sử dụng phổ biến? Cùng Sensors Việt Nam tìm hiểu chi tiết trong bài viết này!

Tín hiệu 4-20mA là gì?

Tín hiệu 4-20mA là một chuẩn tín hiệu analog dạng dòng điện. Thay vì dùng mức điện áp để biểu diễn giá trị đo, thiết bị điều chỉnh cường độ dòng điện chạy trong mạch, từ 4 mA đến 20 mA. Giá trị 4 mA ứng với đầu thang đo (0%), còn 20 mA ứng với cuối thang đo (100%).

Mạch điện khép kín gồm nguồn cấp, cảm biến hoặc transmitter (bộ truyền tín hiệu, thiết bị biến đại lượng vật lý thành tín hiệu điện chuẩn), dây dẫn và đầu vào analog của bộ điều khiển. Người ta gọi đây là vòng dòng điện 4-20mA. Dòng điện chạy qua mọi điểm của vòng đều bằng nhau, nên bộ điều khiển chỉ cần đo dòng này là biết được giá trị đo ngoài hiện trường.

Vì sao không dùng 0-20mA mà lại dùng 4-20mA?

Chuẩn 0-20mA vẫn tồn tại, nhưng 4-20mA được ưu tiên hơn nhiều vì khái niệm "live zero", tức điểm không có dòng điện thực.

Nếu thang đo bắt đầu từ 0 mA, bộ điều khiển sẽ không thể phân biệt hai tình huống: giá trị đo thực sự bằng không, hay dây đã đứt và không còn dòng nào chạy. Khi đầu thang là 4 mA, mọi giá trị đo hợp lệ đều tạo ra dòng lớn hơn 0. Nếu PLC đọc thấy dòng gần 0 mA, gần như chắc chắn mạch đang có sự cố.

Bên cạnh đó, phần lớn transmitter hai dây lấy luôn điện năng hoạt động từ chính vòng dòng điện. Mức 4 mA là lượng dòng tối thiểu luôn hiện diện để nuôi mạch điện tử bên trong, kể cả khi giá trị đo ở đáy thang. Nếu cho phép dòng về 0 mA, thiết bị sẽ mất nguồn.

Tại sao cảm biến công nghiệp sử dụng tín hiệu 4-20mA?

Truyền tín hiệu ổn định trên khoảng cách xa

Dây dẫn nào cũng có điện trở. Với tín hiệu điện áp, điện trở dây và tải đầu vào tạo thành bộ chia áp, nên điện áp tại bộ điều khiển có thể lệch so với điện áp ở đầu cảm biến. Đường dây càng dài, sai số càng khó kiểm soát.

Tín hiệu dòng điện không gặp vấn đề này theo cách tương tự. Transmitter hoạt động như một nguồn dòng, điều chỉnh để dòng trong mạch đúng bằng giá trị cần truyền, bất kể điện trở dây thay đổi trong giới hạn cho phép. Giới hạn ở đây là điện áp nguồn của vòng phải đủ lớn để bù tổng sụt áp trên dây, trên đầu vào của bộ điều khiển và điện áp tối thiểu mà transmitter cần. Khi tính toán, kỹ sư cần kiểm tra điều kiện này, đặc biệt với tuyến cáp dài hoặc nhiều thiết bị mắc nối tiếp trong cùng một vòng.

Khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp

Nhiễu điện từ từ biến tần, động cơ công suất lớn, contactor hay cáp động lực thường cảm ứng lên dây tín hiệu dưới dạng điện áp. Đầu vào điện áp có trở kháng cao nên rất "nhạy" với kiểu nhiễu này. Đầu vào dòng điện lại có trở kháng thấp, nên nhiễu cảm ứng khó tạo ra dòng đáng kể trong mạch. Kết hợp cáp xoắn đôi có bọc chống nhiễu, tín hiệu 4-20mA giữ được độ ổn định mà cảm biến 0-10V khó đạt tới ở cùng điều kiện lắp đặt.

Dễ phát hiện đứt dây và lỗi tín hiệu

Nhờ điểm 4 mA ở đầu thang, dòng điện nằm dưới mức này là dấu hiệu bất thường. Nhiều hệ thống áp dụng khuyến nghị NAMUR NE43, theo đó các giá trị dòng rất thấp hoặc rất cao nằm ngoài vùng đo bình thường được dùng để báo lỗi cảm biến hoặc lỗi mạch. Nhờ đó, chương trình PLC có thể cảnh báo, chuyển sang chế độ an toàn hoặc giữ giá trị cuối thay vì đưa ra số liệu sai. Đứt dây, hở mạch, mất nguồn đều biểu hiện rõ ràng qua dòng điện.

Có thể truyền nguồn và tín hiệu trên cùng đường dây

Đây là điểm cộng lớn của cảm biến 4-20mA loại hai dây. Chỉ cần một cặp dây là vừa cấp nguồn cho transmitter, vừa truyền tín hiệu về. Tiết kiệm cáp, giảm công đi dây và giảm số điểm có thể hỏng. Với các công trình có hàng trăm điểm đo, sự khác biệt về chi phí vật tư và nhân công là đáng kể.

Tương thích với nhiều thiết bị điều khiển công nghiệp

Hầu hết module analog input của PLC, DCS, bộ ghi dữ liệu, đồng hồ hiển thị và bộ điều khiển PID đều hỗ trợ tín hiệu 4-20mA. Ngược lại, nhiều thiết bị chấp hành như van điều khiển, bộ định vị van hay biến tần cũng nhận lệnh theo bộ điều khiển 4-20mA. Ngoài ra, giao thức HART cho phép chồng tín hiệu số lên đúng vòng dòng điện này để đọc thêm thông tin chẩn đoán hoặc cấu hình thiết bị từ xa, mà vẫn giữ nguyên tín hiệu analog cho điều khiển.

→ Xem thêm: Cảm biến áp suất tín hiệu 4-20mA 

Tín hiệu 4-20mA hoạt động như thế nào?

Một vòng dòng điện cơ bản gồm nguồn DC (phổ biến nhất là 24 VDC), transmitter, và đầu vào analog của PLC. Dòng đi từ cực dương của nguồn, qua transmitter, qua đầu vào analog rồi về cực âm. Transmitter đo đại lượng vật lý, tính ra dòng tương ứng và giữ dòng đó trong mạch.

Bên phía bộ điều khiển, dòng điện chạy qua một điện trở shunt có giá trị chính xác. Module đo điện áp rơi trên điện trở này rồi quy ngược về dòng, sau đó về giá trị kỹ thuật. Với điện trở 250 ohm, dòng 4 mA tạo ra 1 V và 20 mA tạo ra 5 V, vì vậy nhiều module hoạt động theo kiểu chuyển đổi 1-5V nội bộ.

Về cách đấu nối, người ta thường gặp ba kiểu. 

• Loại hai dây lấy nguồn từ vòng dòng điện. 
• Loại ba dây có thêm dây nguồn riêng nhưng dùng chung dây âm.
• Loại bốn dây có nguồn cấp độc lập và ngõ ra dòng tách biệt. 

Tín hiệu 4-20mA khác gì so với tín hiệu 0-10V?

Cả hai đều là tín hiệu analog và đều rất phổ biến, nhưng cách hoạt động khác nhau.

Cảm biến 0-10V và bộ điều khiển 0-10V dùng điện áp để biểu diễn giá trị. Ưu điểm là đấu nối đơn giản, dễ kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng, chi phí thiết bị thường thấp, một ngõ ra có thể cấp tín hiệu cho nhiều đầu vào song song. Nhược điểm là nhạy với nhiễu, chịu ảnh hưởng của sụt áp trên dây dài, và không có cơ chế tự nhiên để phân biệt giá trị bằng không với mất tín hiệu. Thiết bị 0-10V cũng thường cần thêm dây cấp nguồn riêng.

Với tín hiệu 4-20mA, đổi lại là chi phí thiết bị thường cao hơn một chút và phải chú ý đến việc tính điện áp nguồn của vòng, nhưng độ tin cậy trong môi trường nhiễu và trên khoảng cách xa vượt trội hơn. 

Trong thực tế, hai chuẩn thường cùng tồn tại trong một công trình. Hệ thống BMS trong tòa nhà, nơi cáp ngắn và môi trường tương đối sạch, có thể dùng 0-10V cho nhiều điểm điều khiển. Còn những điểm đo quan trọng, tuyến cáp dài hoặc đi gần nguồn nhiễu thì nên chuyển sang 4-20mA. Nhiều module analog còn cho phép chọn chế độ dòng hoặc áp ngay bằng cầu nối hoặc phần mềm, nên cần kiểm tra đúng cấu hình trước khi cấp điện.

Ứng dụng của tín hiệu 4-20mA trong công nghiệp

Đo áp suất tín hiệu 4-20mA

Cảm biến áp suất 4-20mA dùng cho đường ống hơi, khí nén, thủy lực, hệ thống bơm. Dạng transmitter áp suất chênh lệch còn được dùng để đo lưu lượng gián tiếp hoặc theo dõi độ tắc của bộ lọc.

Đo nhiệt độ tín hiệu 4-20mA

Đầu đo nhiệt độ như RTD (Pt100) hay cặp nhiệt điện thường đi kèm bộ chuyển đổi (temperature transmitter) để đổi tín hiệu nhỏ, dễ nhiễu thành 4-20mA trước khi truyền về tủ điều khiển. Việc chuyển đổi ngay tại hiện trường giúp tránh kéo dài dây đo mili-volt qua quãng đường xa.

Đo mức chất lỏng tín hiệu 4-20mA

Cảm biến mức kiểu thủy tĩnh, siêu âm hay radar thường xuất tín hiệu 4-20mA để giám sát bồn chứa nước, hóa chất, nhiên liệu. Dải đo được cài sao cho 4 mA ứng với bồn cạn và 20 mA ứng với bồn đầy.

Đo lưu lượng tín hiệu 4-20mA

Lưu lượng kế điện từ, vortex, Coriolis và nhiều loại khác cung cấp ngõ ra dòng tỷ lệ với lưu lượng tức thời, kèm ngõ xung cho tổng lưu lượng khi cần.

Giám sát các thông số trong hệ thống HVAC

Đây là mảng mà nhiều người chỉ nghĩ đến 0-10V, nhưng tín hiệu 4-20mA cũng xuất hiện dày đặc, nhất là trong chiller plant, trạm bơm và nhà máy có hệ thống xử lý không khí quy mô lớn. Một số ví dụ điển hình: 

• Cảm biến áp suất trong ống gió
• Cảm biến chênh áp qua lọc hoặc quạt
• Cảm biến nhiệt độ nước lạnh cấp và hồi
• Cảm biến lưu lượng nước qua dàn lạnh
• Cảm biến nồng độ CO2 trong phòng sạch
• Cảm biến độ ẩm trong phòng thí nghiệm. 

Phía điều khiển, bộ điều khiển 4-20mA cấp lệnh cho van hai ngã, van ba ngã, damper actuator hoặc tham chiếu tốc độ cho biến tần quạt và bơm. Trong những công trình có hệ thống PLC hoặc DCS ở trung tâm, dùng chuẩn dòng giúp tránh được nhiều lỗi vặt về nhiễu do biến tần gây ra.

→ Xem thêm: Cảm biến đo mức tín hiệu 4-20mA

Khi nào nên chọn cảm biến 4-20mA?

Cảm biến 4-20mA được ưu tiên sử dụng khi khoảng cách từ hiện trường đến tủ điều khiển dài, khi tuyến cáp đi gần biến tần, động cơ lớn hoặc cáp động lực, và khi điểm đo ảnh hưởng đến an toàn hoặc chất lượng quy trình nên cần chẩn đoán lỗi rõ ràng. Hệ thống đã dùng PLC hoặc DCS với module analog dòng, hoặc cần giảm số dây bằng transmitter hai dây, cũng là trường hợp phù hợp.

Ngược lại, nếu thiết bị được đặt gần bộ điều khiển, cáp ngắn, môi trường điện từ sạch và ngân sách hạn chế, cảm biến 0-10V là lựa chọn hợp lý và dễ triển khai hơn, đặc biệt trong các ứng dụng tòa nhà thông thường.

Điều quan trọng là chọn theo điều kiện thực tế. Trước khi chốt thiết bị, nên kiểm tra tín hiệu ngõ ra của cảm biến, loại đầu vào của bộ điều khiển, nguồn cấp của vòng, tổng tải và cách đi dây. Một vòng 4-20mA được thiết kế đúng sẽ chạy ổn định nhiều năm, và đó chính là lý do tín hiệu 4-20mA vẫn giữ vị trí nền tảng trong đo lường và điều khiển công nghiệp.

MUA CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP 4-20MA CHÍNH HÃNG - GIÁ TỐT TẠI SENSORS VIỆT NAM

Nếu bạn đang có nhu cầu mua cảm biến công nghiệp 4-20mA nói riêng và cảm biến 4-20mA nói chung 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 tín hiệu 4-20mA, cảm biến công nghiệp 4-20mA hoặc có nhu cầu đặt hàng cảm biến 4-20mA 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!