Tín hiệu 4-20mA là chuẩn truyền tín hiệu analog bằng dòng điện, được dùng phổ biến để đưa giá trị đo từ cảm biến và transmitter 4-20mA về bộ điều khiển như PLC hay DDC trong hệ thống HVAC và tự động hóa công nghiệp. Bài viết này Sensors Việt Nam sẽ giải thích nguyên lý của vòng dòng 4-20mA, các loại cảm biến 2 dây, 3 dây, 4 dây, và các ứng dụng thực tế trong hệ thống HVAC.  

Tín hiệu 4-20mA là gì?

Tín hiệu 4-20mA là chuẩn truyền tải thông tin analog bằng dòng điện, được dùng rộng rãi để đưa giá trị đo từ cảm biến hoặc transmitter về bộ điều khiển như PLC, BMS hay DDC. Thay vì dùng điện áp để biểu diễn giá trị đo, hệ thống dùng cường độ dòng điện chạy trong mạch. Dòng 4mA tương ứng với đầu thang đo, dòng 20mA tương ứng với cuối thang đo, và mọi giá trị ở giữa tỷ lệ tuyến tính với đại lượng được đo.

Lấy ví dụ một transmitter áp suất đo từ 0 đến 10 bar. Khi áp suất bằng 0 bar, thiết bị cho ra 4mA. Khi áp suất đạt 10 bar, thiết bị cho ra 20mA. Nếu đồng hồ đọc 5 bar, dòng trong mạch là 12mA, đúng điểm giữa của thang dòng điện. Công thức quy đổi đơn giản: giá trị đo = (I − 4) / 16 × thang đo, trong đó I tính bằng mA.

Trong hệ thống HVAC, chuẩn này xuất hiện ở khắp nơi: cảm biến nhiệt độ ống gió, transmitter áp suất chênh lệch của quạt, cảm biến áp suất đường ống nước lạnh, cảm biến CO2, độ ẩm, cho đến tín hiệu điều khiển van tỷ lệ và biến tần. 

Vì sao trong tín hiệu 4-20mA điểm zero lại là 4mA mà không phải 0mA?

Đây là câu hỏi mà hầu hết người mới làm quen với tự động hóa đều thắc mắc. Lý do nằm ở một khái niệm gọi là "live zero", tức điểm zero sống. Nếu giá trị nhỏ nhất của thang đo được gán cho 0mA, bộ điều khiển sẽ không thể phân biệt giữa hai tình huống hoàn toàn khác nhau: đại lượng đo thực sự bằng không, hoặc mạch tín hiệu đã bị hở, đứt dây, mất nguồn.

Khi điểm zero được đặt ở 4mA, mọi trạng thái bình thường của thiết bị đều có dòng tối thiểu 4mA chạy qua. Nếu bộ điều khiển đọc được dòng dưới khoảng 3,6mA hoặc bằng 0mA, đó là dấu hiệu rõ ràng của sự cố như đứt dây, lỏng đầu nối, hỏng transmitter hoặc mất nguồn vòng. Nhờ vậy hệ thống có thể báo lỗi ngay thay vì tiếp tục điều khiển dựa trên một giá trị sai. Các ngưỡng báo lỗi cụ thể (ví dụ 3,6mA hay 21mA) phụ thuộc vào khuyến nghị của nhà sản xuất thiết bị và cấu hình của hệ thống, nên cần kiểm tra tài liệu của từng loại transmitter.

Ngoài chức năng chẩn đoán, dòng 4mA còn có một lợi ích thực tế: với transmitter 2 dây, chính dòng điện này cung cấp năng lượng để mạch điện tử bên trong thiết bị hoạt động. Nếu dòng có thể về 0mA, thiết bị sẽ mất nguồn đúng lúc nó cần đo giá trị thấp nhất. Mức 4mA đảm bảo vi mạch luôn có đủ năng lượng tối thiểu để vận hành.

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

Nguyên lý tín hiệu 4-20mA

Một vòng dòng 4-20mA cơ bản gồm ba thành phần nối tiếp nhau: nguồn cấp (thường là 24VDC), transmitter hoặc cảm biến, và thiết bị nhận tín hiệu như card analog input của PLC. Transmitter đóng vai trò như một nguồn dòng được điều khiển. Nó không quan tâm điện trở của mạch là bao nhiêu, mà chủ động điều chỉnh để dòng chạy qua đúng bằng giá trị tương ứng với đại lượng đo.

Tại đầu nhận, dòng điện đi qua một điện trở đo, thường có giá trị 250 ohm trong nhiều thiết kế. Theo định luật Ohm, dòng 4mA qua điện trở 250 ohm tạo ra điện áp 1V, còn dòng 20mA tạo ra 5V. Bộ chuyển đổi ADC của thiết bị sẽ đọc điện áp này rồi quy đổi ngược thành giá trị vật lý. Nhiều module analog input hiện đại đã tích hợp sẵn điện trở này bên trong, người dùng chỉ cần chọn chế độ dòng khi cấu hình.

Trong một mạch nối tiếp, dòng điện tại mọi điểm đều bằng nhau. Dù dây dẫn dài hay có thêm điện trở tiếp xúc ở các đầu nối, dòng điện vẫn không đổi miễn là nguồn cấp đủ điện áp để bù cho tổng sụt áp trên toàn mạch. Điều này được gọi là khả năng chịu tải. Khi tính toán, cần cộng sụt áp trên transmitter, điện trở đo, điện trở dây dẫn và các thiết bị khác trong vòng, rồi đảm bảo nguồn 24VDC vẫn còn dư.

Vì sao tín hiệu 4-20mA vẫn là tiêu chuẩn công nghiệp?

Dù công nghệ truyền thông số đã phát triển mạnh, 4-20mA vẫn giữ vị trí vững chắc vì một số lý do thực tế.

Khả năng chống nhiễu là ưu điểm đầu tiên. Nhiễu điện từ từ biến tần, động cơ hay cáp động lực thường cảm ứng lên đường dây dưới dạng điện áp. Vì mạch dòng có trở kháng thấp và dòng điện được giữ ổn định bởi transmitter, ảnh hưởng của nhiễu lên giá trị đo nhỏ hơn đáng kể so với tín hiệu 0-10V. Điều này đặc biệt quan trọng trong các phòng máy, nhà máy và tòa nhà có nhiều thiết bị công suất lớn.

Khoảng cách truyền xa là ưu điểm thứ hai. Tín hiệu điện áp bị suy giảm theo chiều dài dây do sụt áp, còn tín hiệu dòng gần như không bị ảnh hưởng. Nhờ đó có thể kéo cáp tín hiệu hàng trăm mét mà vẫn giữ được độ chính xác, miễn là nguồn cấp đủ để bù sụt áp.

Khả năng tự chẩn đoán nhờ điểm zero sống giúp phát hiện lỗi đường dây rất sớm. Thêm vào đó, chuẩn này đơn giản, chi phí thấp, tương thích với hầu hết thiết bị trên thị trường và kỹ thuật viên chỉ cần một đồng hồ vạn năng có chế độ đo mA để kiểm tra. Cuối cùng, giao thức HART còn cho phép chồng tín hiệu số lên chính đường dây 4-20mA, giúp cấu hình và đọc dữ liệu chẩn đoán từ xa mà không cần thay đổi hạ tầng cáp.

Các loại tín hiệu 4-20mA phổ biến trong công nghiệp

Về mặt ứng dụng, có thể chia thiết bị 4-20mA thành hai nhóm dựa trên chiều truyền tín hiệu. Nhóm đầu tiên là tín hiệu đầu vào (input), đi từ cảm biến về bộ điều khiển, ví dụ transmitter nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức. Nhóm thứ hai là tín hiệu đầu ra (output), đi từ bộ điều khiển ra thiết bị chấp hành như van điều khiển, bộ định vị van (positioner) hay biến tần.

Xét theo cách cấp nguồn, có bốn dạng thường gặp. Loại 2 dây (loop powered) lấy nguồn ngay từ vòng dòng, chỉ cần hai dây vừa cấp nguồn vừa truyền tín hiệu. Loại 3 dây có thêm một dây riêng cho nguồn cấp, thường dùng chung dây âm với tín hiệu. Loại 4 dây có hai dây nguồn và hai dây tín hiệu tách biệt hoàn toàn, thích hợp cho thiết bị tiêu thụ điện lớn hơn hoặc cần cách ly. Ngoài ra còn có tín hiệu có HART, là tín hiệu 4-20mA kết hợp truyền thông số.

Trong thực tế, sự khác biệt giữa thiết bị passive và active quyết định cách đấu nối. Thiết bị passive không tự tạo nguồn cho vòng dòng mà cần nguồn bên ngoài, còn thiết bị active tự cung cấp nguồn cho vòng.

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

Ứng dụng tín hiệu 4-20mA

Trong HVAC, tín hiệu 4-20mA xuất hiện ở hầu hết các điểm đo và điều khiển quan trọng. Cảm biến áp suất tĩnh trong ống gió gửi tín hiệu 4-20mA về bộ điều khiển để biến tần điều chỉnh tốc độ quạt theo nhu cầu thực tế. Transmitter áp suất chênh lệch theo dõi độ bẩn của lọc gió, hoặc kiểm soát chênh áp giữa các phòng sạch. Cảm biến nhiệt độ nước lạnh và cảm biến áp suất đường ống cung cấp dữ liệu để chiller và bơm vận hành đúng tải. Cảm biến CO2 dạng 4-20mA giúp điều chỉnh lượng gió tươi theo mật độ người, còn cảm biến độ ẩm 4-20mA phục vụ các phòng yêu cầu kiểm soát khắt khe như phòng sạch, kho dược hay phòng server.

Ở chiều điều khiển, bộ điều khiển xuất tín hiệu 4-20mA để mở van nước lạnh theo tỷ lệ, định vị damper gió hoặc gửi lệnh tốc độ cho biến tần bơm và quạt. Với các hệ thống lớn, cùng một bộ điều khiển tín hiệu 4-20mA có thể vừa nhận dữ liệu từ nhiều cảm biến, vừa xuất lệnh cho nhiều thiết bị chấp hành, tạo thành các vòng điều khiển PID khép kín.

Ngoài HVAC, tín hiệu 4-20mA còn là lựa chọn quen thuộc trong xử lý nước, dầu khí, hóa chất, thực phẩm và năng lượng. Ở những môi trường này, các cảm biến tín hiệu 4-20mA được ưu tiên nhờ độ tin cậy cao, khả năng truyền xa và dễ kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng.

Giải pháp transmitter công nghiệp tín hiệu 4-20mA từ Sensors Việt Nam

Sensors Việt Nam cung cấp các giải pháp transmitter công nghiệp tín hiệu 4-20mA 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 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

- Bảo hành chính hãng 12 tháng

- Xuất xứ: E+E Elektronik - Áo

- Phụ kiện kèm theo: ốc vít gắn tường

Để được tư vấn kỹ hơn về tín hiệu 4-20mA (tín hiệu analog 4-20mA, tín hiệu dòng điện 4-20mA) hoặc đặt hàng cảm biến ngõ ra 4-20mA, 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!