Tín Hiệu 4-20mA Truyền Đi Được Bao Xa?

Tín hiệu 4-20mA truyền đi được bao xa ?

Đây là câu hỏi mà tôi và rất nhiều người luôn đặt nghi vấn và cũng không dám chắc về câu trả lời của mình.

Hôm nay, tôi xin chia sẻ những kiến thức mà tôi đã tích luỹ được trong thời gian làm việc của mình cũng như học hỏi từ các anh em trên diễn đàn của Việt Nam và nước ngoài.

Tôi biết rằng rất nhiều anh em làm trong ngành kỹ thuật chưa biết tín hiệu 4-20mA truyền đi được bao xa. Và làm cách nào để chọn dây dẫn phù hợp để truyền đi xa theo mong muốn.

Ở bài viết trước tôi đã có bài viết chia sẻ tại sao dùng tín hiệu 4-20mA để truyền tín hiệu. Trong bài viết này tôi sẽ nói về “tín hiệu 4-20mA truyền đi được bao xa” và cách tính dùng dây dẫn bao nhiêu để truyền tín hiệu 4-20mA đi xa theo mong muốn của mình.

Trong trường hợp tín hiệu 4-20mA đo tại cảm biến thì đủ dòng 4-20mA nhưng khi truyền về tới PLC thì lại không có dòng, tôi cũng sẽ đưa ra giải pháp cho mọi người.

Trả lời câu hỏi tín hiệu 4-20mA truyền đi được bao xa cần xem xét điều gì ?

Tôi sẽ lấy một ví dụ trên một diễn đàn điện tử Việt Nam với nội dung nguyên mẫu như sau:

“Ai giải thích dùm mình hiện tượng này dc ko, mình cấp nguồn dòng 20mA vào điện trở 2kΩ thì dòng đo đc trong mạch là 6mA tương tự như vậy cấp 20mA vào 1,5kΩ thì đo đc 8mA, cấp vào 1kΩ thì đo đc 12mA, vào 500Ω thì đo đc 20mA, và cấp vào <500Ω thì cũng đo đc 20mA.
Mình cứ nghĩ là nguồn dòng cấp vào mạch bao nhiêu thì đo đc bấy nhiêu chứ (mình ko chuyên về điện tử lắm), các pro giải thích giúp mình với”

Trong mô tả của bạn này thì khi mắc một điện trở:

• Nhỏ hơn hoặc bằng 500Ω thì ra 20mA
• 1KΩ thì ra 12mA
• 1.5KΩ thì ra 8mA
• 2KΩ thì ra 6mA

Tương tự nếu chúng ta dùng tải có trở kháng như trên thì cũng sẽ găp trường hợp này. Tức là giá trị đo được hoặc giá trị đọc được của bộ điều khiển hay PLC chỉ giới hạn một giá trị nào đó mà không phải là 20mA tại mức cao nhất phát ra. Tôi ví dụ PLC chỉ nhận được Max 12mA mà không thể tăng tuyến tính lên 20mA.

Sau bao nhiêu năm học Cao Đẳng rồi Đại Học mà không có cách giải đáp, tôi phải dùng tới kiến thức lớp 9 của mình để giải quyết bài toán này. Đầu tiên chúng ta phân tích nguồn dòng và điện trở của trường hợp này. Với công thức U= I.R 

Trong đó:

U : điện áp

I : dòng điện

R : điện trở

Ở đây có một điểm chung là: Điện trở và nguồn dòng tỉ lệ nghịch với nhau. Chúng ta cùng làm một bài toán đơn giản này.

U= 0.5KΩ x 20mA = 1KΩ x 12mA = 1.5KΩ x 8mA = 2KΩ x 6mA = 12V

Điều này chứng tỏ rằng nguồn áp của trường hợp này là 12V hoặc có thể lớn hơn một tí. Nhưng “tín hiệu nguồn dòng 4-20mA không bị ảnh hưởng bởi nguồn áp cấp vào“.  Tôi chắc chắn rằng điều này là đúng vì khi bạn lấy tín hiệu từ một cảm biến đo bất kỳ có tín hiệu ngõ ra là 4-20mA thì chúng ta chỉ cần cấp nguồn áp 24Vdc hoặc có thể cao hơn hoặc thấp hơn trong yêu cầu của nhà sản xuất thì dù rằng chúng ta có tăng hoặc giảm một tí nguồn áp thì tín hiệu vẫn luôn luôn là 4-20mA.

Cảm biến siêu âm với ngõ ra 4-20mA

Tôi lấy ví dụ cảm biến siêu âm cần có nguồn cấp là 18 … 36Vdc là có thể truyền tín hiệu ngõ ra 4-20mA về. Chỉ cần chúng ta đảm bảo nguồn cấp vào là trong giới hạn của nhà sản xuất là tín hiệu ngõ ra luôn luôn là 4-20mA.

Điều này chứng tỏ rằng nguồn áp không ảnh hưởng tới tín hiệu ngõ ra nguồn dòng 4-20mA. Tuy nhiên tôi nhận ra rằng điều này không phải là chính xác 100%. Sở dĩ tôi nói như vậy chính là vì giới hạn nhà sản xuất đưa ra không phải chỉ  là nguồn để nuôi được cảm biến này mà còn là một giới hạn cho trở kháng hay còn gọi là nội trở với nguyên mẫu tiếng anh là “resistance of current output load”.

Note: Tôi không chắc mình dịch đúng từ này vì tôi không biết diễn tả thế nào cho đúng.

Cảm biến đo áp suất ngõ ra 4-20mA Hart của hãng Georgin – Pháp

Tại sao tôi lại chọn cảm biến áp suất 4-20mA Hart để trả lời cho câu hỏi tín hiệu 4-20mA truyền đi được bao xa?

Sở dĩ tôi chọn cảm biến áp suất này vì nó có ngõ ra 4-20mA Hart và có nguồn cấp rất rộng từ 10.6 … 45Vdc. Theo như ở trên tôi nói vói các bạn thì chúng ta chỉ cần cấp vào nguồn áp từ 10.6 … 45Vdc thì cảm biến luôn luôn Output ngõ ra 4-20mA mà không hề bị ảnh hưởng bởi nguồn áp cấp vào.

Chúng ta lưu ý tại các điểm 16.1V, 24V và 45V thì tương ứng với trở kháng là 250Ω, 600Ω và 1533Ω với công thức tính như trên. Nếu như trở kháng lớn hơn giá trị của nhà sản xuất đưa ra tương ứng với nguồn áp thì tín hiệu ngõ ra sẽ không đủ max 20mA.

Tôi ví dụ: nếu nguồn 24Vdc thì trở kháng max là 600Ω, trở kháng này bao gồm tải và dây dẫn. Thông thường các thiết bị có trở kháng khá nhỏ từ 90 … 800Ω tuỳ theo thiết kế của nhà sản xuất.

Sẵn đây tôi nói luôn phần calibration bằng HHC (hand held communication) dùng để cài đặt các cảm biến có chuẩn là 4-20mA Hart.

Cài đặt cảm biến 4-20mA Hart bằng HHC

Các cảm biến để giao tiếp với bộ cài đặt chuẩn Hart thì cần phải có một điện trở khoảng 250Ω hoặc hơn một tí. Trong trường hợp này chúng ta có dãy điện trở là 250Ω … 1533Ω. Giá trị điện trở có chức năng như một địa chỉ hay còn gọi là tải để giao tiếp với HHC. Tôi sẽ nói chi tiết về điều này trong một bài khác.

Trở kháng này là gì trên thực tế?

Trở kháng này là tổng trở của tải và điện trở của dây dẫn. Tức là tổng trở của tải và dây dẫn phải nhỏ hơn giá trị trở kháng của nhà sản xuất đưa ra tương ứng với nguồn cấp của cảm biến có tín hiệu 4-20mA. Lý do tôi nói có điện trở dây dẫn ở đây là vì khoảng cách càng xa thì chúng ta có tổng trở của dây dẫn càng lớn.

Tính khoảng cách cho dây dẫn truyền 4-20mA như thế nào cho đúng?

Đầu tiên chúng ta lại quay về một kiến thức lớp 9 một lần nữa. Với công thức như sau:

Với :

R = Điện trở

l : Chiều dài dây dẫn

S : Tiết diện dây dẫn

p (rô): Điện trở suất của vật liệu dây dẫn hay còn gọi là điện trở của một dây dẫn dài 1m có tiết diện là 1m²

Tôi lấy hai kim loại thường dùng nhất trong thực tế là Đồng và Nhôm. Đồng có điện trở suất là 1.72 x 10^-8 còn Nhôm có điện trở suất là 2.82 x 10^-8

Điện trở suất là đại lượng đại diện cho khả năng cảng trở dòng điện của vật liệu đó. Chất nào có điện trở suất nhỏ thì khả năng dẫn điện càng cao, còn chất nào có điện trở suất lớn thì có tính cản trở dòng điện lớn. Tóm lại, chất nào có điện trở nhỏ thì dẫn điện tốt và ít hao hụt dòng điện truyền qua.

Đọc tới đây mọi người gần như hoang mang vì có rất nhiều định nghĩa và công thức như thời còn đi học nên tôi sẽ lấy một ví dụ cho mọi người dễ hình dung.

Yêu cầu: Tính tổng trở của dây dẫn có độ dài 400m, có tiết diện dây dẫn là 1mm truyền tín hiệu 4-20mA.

Theo công thức trên thì:

R = p x l/S = 400 x 1.72 x 10^-8 / { π x (0.5 x 10^-3)² } = 8,7Ω ; π = 3.14

Như vậy với tiết diện dây dẫn là Đồng  1mm và độ dài 400m thì có điện trở là 8,7Ω. Giá trị 8,7Ω nằm trong giới hạn trở kháng của cảm biến. Chính vì thế cảm biến có thể truyền đi 400m mà không có một vấn đề gì xảy ra. Tuy nhiên chúng ta cần lưu ý tổng trở của tải nữa.

Chúng ta lưu ý rằng tiết diện của dây dẫn tỉ lệ nghịch với điện trở dây dẫn. Điều này có nghĩa là cùng một loại dây dẫn thì dây có tiết diện càng lớn thì điện trở càng nhỏ. Ngược lại độ dài của dây dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của dây dẫn.

Tín hiệu 4-20mA truyền đi được bao xa?

Như vậy chúng ta chỉ cần tính toán tiết diện và độ dài cho phù hợp với trở kháng của cảm biến đang sử dụng là có thể chắc chắn rằng tín hiệu 4-20mA truyền đi bao xa cũng được, miễn sao có tổng trở nhỏ hơn trở kháng của nhà sản xuất quy định đối với cảm biến đó. 

Trên thực tế chúng ta thường chỉ truyền tín hiệu 4-20mA khoảng 1000m trở xuống nên không lo ngại về vấn đề suy giảm tín hiệu mà chỉ lo giải quyết vấn đề tín hiệu bị nhiễu.

Các vấn đề với truyền tín hiệu 4-20mA đi xa

Tôi đã từng gặp một trường hợp là cảm biến lắp cách PLC khoảng hơn 600m – 800m (tôi ko nhớ chính xác). Khi đó, buổi sáng cảm biến đưa tín hiệu về đúng 4-20mA, buổi trưa không có tín hiệu, còn buổi chiều lại có tín hiệu tốt 4-20mA. Trong buổi trưa chúng tôi đo dòng tại PLC thì không thấy tín hiệu nhưng đo tại cảm biến thì vẫn có tín hiêụ bình thường.

Vấn đề chính là nhiệt độ làm tăng giá trị điện trở của dây dẫn, giá trị này lớn hơn trở kháng của cảm biến chính vì thế mà buổi trưa PLC không nhận được tín hiệu. Giải pháp đặt ra là thay dây tín hiệu để đảm bảo đường truyền nhưng lại rất tốn kém. Chính vì thế chúng tôi buộc phải dùng phương pháp khác là dùng bộ khuếch đại tín hiệu 4-20mA hay còn gọi là repeater 4-20mA hay Isolator 4-20mA.

Chúng ta lưu ý rằng nên dùng bộ 4-20mA có thể đọc được 4-20mA active và passive để có thể lựa chọn được cách truyền tín hiệu phù hợp. Đối với tín hiệu 4-20mA chúng ta nên truyền đi dạng 4-20mA w wire passive. Việc chọn bộ khuếch đại 4-20mA còn tuỳ thuộc vào ngõ vào của cảm biến và của PLC chính vì thế chúng ta nên chọn loại đa năng có thể nhận được cả 4-20mA passive và active.

Mọi người lưu ý nên chọn loại dây dẫn có cable bọc nhiễu tín hiệu để hạn chế nhiễu do sóng hài, từ trường của motor – biến tần, nhất là bộ đàm. Cách tốt nhất để triệt tiêu nhiễu là dùng thêm bộ cách ly tín hiệu 4-20mA để chống nhiễu.

Bài viết mang tính chất chia sẻ kinh nghiệm thực tế cho mọi người. Tôi mong rằng bài viết này hữu ích cho các bạn.

Tất nhiên bài viết sẽ có nhiều sai sót hoặc chưa chính xác, tôi rất mong mọi người góp ý thêm để hoàn thiện bài viết hơn cũng như cung cấp một kiến thức chính xác nhất cho những anh em làm trong ngành kỹ thuật.

Chúc mọi người thành công!