Cảm biến áp suất 4-20mA là gì? Nguyên lý, cách đấu dây 2 dây, 3 dây
Mở catalogue cảm biến áp suất, gần như dòng nào cũng có mục "Output: 4–20mA (2 wire)" hoặc "4–20mA (2, 3 wire)". Với người mới, đây là cụm dễ gây bối rối: dòng 4-20mA nghĩa là gì, 2 dây và 3 dây khác nhau ra sao, và vì sao không dùng tín hiệu điện áp đơn giản hơn. Bài viết giải thích từ nguyên lý đến cách đấu dây thực tế, lấy các dòng của Sensys làm ví dụ.
4-20mA là gì
Đây là chuẩn tín hiệu analog công nghiệp, trong đó giá trị đo được biểu diễn bằng cường độ dòng điện. Với cảm biến áp suất, 4mA tương ứng với đầu thang đo (thường là 0 áp suất) và 20mA tương ứng với cuối thang đo. Mọi giá trị ở giữa được quy đổi tuyến tính.
Công thức quy đổi rất đơn giản:
Áp suất = (I − 4) / 16 × Dải đo
Ví dụ cảm biến dải 0–10MPa cho ra 12mA thì áp suất là (12 − 4) / 16 × 10 = 5MPa. Ra 8mA thì là 2,5MPa. Ra 20mA thì đúng 10MPa.
Vì sao là 4mA chứ không phải 0mA
Đây là điểm thiết kế thông minh gọi là "live zero" (điểm không sống). Khi cảm biến đo áp suất bằng 0, dòng vẫn là 4mA. Nhờ vậy nếu bộ điều khiển đọc thấy dòng bằng 0mA thì chắc chắn có sự cố: đứt dây, mất nguồn hay hỏng cảm biến chứ không phải áp suất bằng không. Với tín hiệu điện áp 0–10V, bạn không phân biệt được hai trường hợp này. Ngoài ra, chính dòng 4mA này còn dùng để nuôi mạch bên trong của cảm biến hai dây, nội dung ở phần sau.
Ưu điểm so với tín hiệu điện áp
Tín hiệu dòng điện có ba lợi thế trong môi trường công nghiệp. Thứ nhất, dòng điện trong mạch nối tiếp là như nhau ở mọi điểm nên điện trở dây dẫn không làm sai giá trị, trong khi tín hiệu điện áp bị sụt áp khi dây dài. Thứ hai, chống nhiễu tốt hơn vì mạch trở kháng thấp khó bị nhiễu điện từ từ biến tần, motor xâm nhập. Thứ ba, phát hiện đứt dây như đã nói ở trên. Vì vậy các dòng cảm biến Sensys phổ biến như PMS, PMH, PHP và SIG đều có bản 4-20mA, bên cạnh tùy chọn 0–5V, 1–5V, 0–10V dành cho trường hợp dây ngắn.
Cảm biến áp suất Sensys M5256 tín hiệu 4-20mA
Cảm biến 2 dây
Trong cảm biến hai dây chỉ có hai dây nối ra ngoài và chúng vừa cấp nguồn vừa truyền tín hiệu. Dây dương nối lên nguồn, dây âm đi qua tải (ngõ vào PLC hoặc điện trở đo) rồi về cực âm nguồn tạo thành một vòng dòng điện. Cảm biến tự điều tiết dòng chảy qua nó, từ 4 đến 20mA, tùy theo áp suất.
Đấu nối này gọn, tiết kiệm cáp và rất phổ biến. Nguồn cấp theo catalogue Sensys thường là 11–28VDC. Trong thực tế bạn thường dùng nguồn 24VDC.
Cảm biến 3 dây
Với cảm biến ba dây, thêm một dây riêng cho tín hiệu ra. Hai dây còn lại là nguồn dương và nguồn âm (chung). Loại này có chức năng tương tự nhưng dòng tiêu thụ của mạch cảm biến không bị trộn lẫn với tín hiệu, cho phép dùng với những bản có màn hình hoặc mạch phức tạp hơn. Catalogue Sensys ghi "4-20mA (2, 3 wire)" nghĩa là dòng đó có cả hai kiểu cấu hình, bạn cần nói rõ khi đặt hàng.
Tính điện trở tải tối đa
Đây là phần nhiều người bỏ qua dẫn đến tín hiệu bị cắt ở giá trị cao. Với cảm biến hai dây, nguồn phải đủ điện áp cho cả cảm biến và tải. Cảm biến cần điện áp tối thiểu (theo catalogue là 11V), phần còn lại rơi trên tải ở dòng tối đa 20mA:
R tải tối đa = (Nguồn − 11V) / 0,02A
Ví dụ nguồn 24V: (24 − 11) / 0,02 = 650Ω. Nghĩa là tổng điện trở dây dẫn cộng điện trở ngõ vào bộ đọc phải nhỏ hơn 650Ω. Ngõ vào PLC thường chỉ 250Ω, nên vẫn còn dư 400Ω cho dây dẫn, rất thoải mái. Nhưng nếu nguồn chỉ 15V thì (15 − 11) / 0,02 = 200Ω, ngõ vào 250Ω đã vượt, tín hiệu sẽ méo khi áp suất cao. Đây là lỗi thường gặp khi lắp cảm biến vào hệ thống nguồn thấp.
Cách đấu dây thực tế
Với cảm biến hai dây kết nối PLC: nối dây dương cảm biến vào cực +24V, dây âm cảm biến vào ngõ vào dòng của module analog, cực âm chung của module nối với 0V nguồn. Kiểm tra lại sơ đồ của module vì có loại module tự cấp nguồn cho loop, có loại cần cấp riêng.
Khi cần đọc bằng bộ hiển thị, bạn có thể dùng đồng hồ hiển thị Sensys dòng SC, có ngõ vào 4-20mA, và một số model còn cấp nguồn 24VDC (3-28VDC) cho cảm biến. Điều này giúp bạn không cần thêm nguồn phụ.
Dùng cáp có bọc chống nhiễu, nối đất lớp bọc ở một đầu, và đi cáp tách khỏi dây động lực. Ở cảm biến có đầu nối DIN hoặc cáp sẵn, chú ý số chân đúng theo sơ đồ trên nhãn.
Những lỗi thường gặp
Tín hiệu đọc thấp hơn 4mA: thường là đứt dây hoặc mất nguồn, hoặc sai cực.
Luôn báo 20mA hoặc cao hơn: có thể quá áp, hỏng cảm biến, hoặc chọn dải đo quá nhỏ so với áp làm việc. Xem thêm bài cách chọn cảm biến áp suất.
Tín hiệu dao động: nhiễu do biến tần, hoặc áp suất thực sự dao động (bơm, van). Cần lọc, nối đất đúng, hoặc bố trí giảm chấn.
Số đọc lệch một tỉ lệ cố định: sai điện trở đổi dòng sang áp, hoặc cấu hình thang đo trên PLC không khớp dải đo cảm biến. Một phần lệch còn đến từ sai số cảm biến, cách tính có ở bài sai số %FS.
Áp dụng với cảm biến nhiệt độ
Nguyên lý 4-20mA giống hệt với cảm biến nhiệt độ. Ví dụ bộ chuyển đổi TA100 của Sensys nhận tín hiệu PT100 và ra 4-20mA hai dây với thang −50 đến 500°C, tức 4mA là −50°C và 20mA là 500°C. Xem thêm ở bài cảm biến nhiệt độ Sensys.
Chọn loại tín hiệu nào
Nếu dây dài hơn vài chục mét, nhiều nhiễu, hoặc cần an toàn khi đứt dây, chọn 4-20mA. Nếu dây ngắn, nội bộ trong một tủ máy và bộ điều khiển chỉ nhận điện áp, có thể chọn 0–5V hoặc 1–5V để tiết kiệm. Tổng quan các dòng có 4-20mA nằm trong bài cảm biến áp suất Sensys.
Gửi cho Công Ty TNHH Thiết Bị HT Việt Nam tín hiệu ngõ vào PLC hoặc bộ hiển thị bạn đang dùng, chúng tôi sẽ xác nhận cảm biến phù hợp. Yêu cầu báo giá tại báo giá cảm biến Sensys.
Liên hệ Mr Hoàng - 0919 914 138 để được hỗ trợ 24/7
