Tín hiệu analog 4-20mA truyền đi xa bao nhiêu?

Trong ngành công nghiệp kỹ thuật, một trong những câu hỏi được nhiều người thắc mắc và hỏi nhiều nhất. Đó là: Tín hiệu analog 4-20mA truyền đi xa bao nhiêu? (Tin hieu analog 4-20mA truyen di xa bao nhieu?)Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu xem tín hiệu 4-20mA có thể truyền đi được bao xa? 

Tuy nhiên, trước khi trả lời được câu hỏi trên, chúng ta cần biết tín hiệu analog là gì?

1. Định nghĩa tín hiệu analog.

Tín hiệu analog là một phương pháp truyền dữ liệu tín hiệu tương tự trong dòng điện hai dây. Đây là phương pháp được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp. Bởi phương pháp truyền dữ liệu này cung cấp phương thức giao tiếp đáng tin cậy giữa các thiết bị trong ngành công nghiệp.

2. Trong ngành công nghiệp đang sử dụng tín hiệu analog nào?

Hiện nay, trong các ngành công nghiệp thường sử dụng các tín hiệu như: analog 4-20mA, 0-20mA, hay tín hiệu điện áp 0-10V, 0-5V. Tuy nhiên, nếu xét về phương diện tín hiệu nào được sử dụng nhiều nhất, hầu như hơn 80%, đó là tín hiệu analog 4-20mA.

Tín hiệu 4-20mA dùng để biểu thị giá trị đo của một thiết bị điều khiển, đo mức hoặc giám sát. Giá trị min của tín hiệu này là 4mA, và giá trị kết thúc là 20mA. Điều này có nghĩa, dù là một thiết bị nào thì tất cả tín hiệu đều đưa về tín hiệu chuẩn là 4-20mA.

Ví dụ: Chúng ta có một cảm biến đo nhiệt độ có dãy đo 0-100 độ C.  Hoặc một cảm biến đo mức áp suất có dãy đo 0-100bar. Sau khi các thiết bị này qua bộ chuyển đổi tín hiệu thì sẽ đều đưa tín hiệu về 4-20mA.

3. Tại sao người ta sử dụng tín hiệu analog 4-20mA nhiều nhất?

Đối với tín hiệu 0-20mA: Trong trường hợp các thiết bị xảy ra hư hỏng hay bị ngắn mạch thì tín hiệu sẽ đều đưa về là 0 mA. Trong trường hợp này chúng ta sẽ rất khó để phân biệt được là thiết bị đang bị hư hỏng hay vẫn hoạt động bình thường. Chỉ là thiết bị đang có giá trị là 0 mA mà thôi. Điều này sẽ gây ra hậu quả khôn lường trong việc điều khiển các thiết bị tự động hóa.

Đối với tín hiệu điện áp 0-10V, 0-5V: Những tín hiệu này khi đi qua các thiết bị như: dây động lực, sóng hài, motor hay biến tần thì rất dễ bị nhiễu tín hiệu. Ngoài ra, trong trường hợp khoảng cách của tín hiệu analog và tủ điều khiển trung tâm xa nhau. Đối với dòng 0-10V, 0-5V thì rất dễ xảy ra tình trạng bị sụt áp tín hiệu.

Tín hiệu 4-20mA có nguồn cấp dòng hay tiêu thụ dòng có tổng trở rất lớn. Do vậy, tín hiệu này sẽ ít bị ảnh hưởng do điện trở của dây dẫn. Trừ trường hợp tổng trở của dây dẫn lớn vượt qua ngưỡng cho phép. Ngoài ra, tín hiệu 4-20mA có thể truyền đi khoảng cách xa hơn do tính toàn vẹn của nó.

Có một điều đặc biệt của analog 4-20mA nữa là cho phép phát hiện ra lỗi hay dây bị đứt nhờ giá trị tối thiểu 4mA thay vì là 0mA. Hay nói cách khác, khi dây dẫn bị đứt thì dòng điện vòng lặp sẽ giảm xuống 0. Trong khi đó chúng ta thường lấy 2mA làm giá trị để cảnh báo ngắt kết nối.

4. Cách tính khoảng cách truyền của tín hiệu 4-20mA đi được bao xa.

Thông qua bốn đại lượng sau giúp chúng ta có thể tính toán được khoảng cách truyền của tín hiệu 4-20mA:

• Điện áp kích thích.
• Điện áp tối thiểu được cho phép.
• Kích thước của điện trở lấy điện áp để thu dòng điện.
• Kích thước điện trở của dây.

Lưu ý: Use-I.(RL+2r) ≥Umin. Nghĩa là phải đảm bảo rằng khi đầy tải thì Uo ≥ Umin (dòng I=20mA).

Với công thức: R = ρ.L/S

Trong đó: R: điện trở, ρ (rô): điện trở suất của một dây dẫn dài 1m và có tiết diện là 1m2, L: chiều dài của dây dẫn, S: tiết diện dây dẫn.

5. Ví dụ cụ thể về cách tính khoảng cách truyền của tín hiệu 4-20mA.

Ví dụ: Chúng ta có cảm biến với dây dẫn đồng có điện trở suất là 1.72 x 10ˆ-8. Và có độ dài 300m, tiết diện dây dẫn là 1mm, truyền tín hiệu 4-20mA. Vậy tổng trở của dây dẫn là bao nhiêu?

R = ρ.L/S = 300 x 1.72 x 10ˆ-8 / { 3.14 x ( 0.5 x 10ˆ-3 ) ˆ2 } = 6,6 Ohm

(Trong đó pi = 3.14)

Qua ví dụ trên chúng ta thấy được, với dây dẫn có độ dài 300m, tiết diện 1mm thì điện trở là 6,6 Ohm. (Nằm trong giới hạn trở kháng của cảm biến). Như vậy, cảm biến có thể truyền tín hiệu 4-20mA được 300m.

Thông qua công thức trên, chúng ta thấy được độ dài của dây dẫn sẽ tỉ lệ thuận với điện trở của dây dẫn. Còn tiết diện dây dẫn thì tỷ lệ nghịch với điện trở. Điều này có nghĩa là dây có tiết diện càng lớn thì có điện trở càng nhỏ. Như vậy, chỉ cần xác định được độ dài và tiết diện của cảm biến là chúng ta có thể biết tín hiệu 4-20mA truyền đi bao xa cũng được. Với điều kiện tổng trở phải nhỏ hơn trở kháng mà nhà sản xuất quy định. Trong thực tế, tín hiệu 4-20mA có thể truyền tối đa được 1000m.

6. Tín hiệu 4-20mA có bị nhiễu không? Và cách khắc phục như thế nào?

6.1 Tín hiệu 4-20mA có bị nhiễu không?

Mặc dù tín hiệu 4-20mA có thể truyền đi xa, có thể đến 1000m, ít suy giảm tín hiệu. Và tín hiệu này cũng ít bị ảnh hưởng bởi dây điện trở của các thiết bị khác. Tuy nhiên, trong trường hợp các biến tần, sóng hài, motor…có công suất quá lớn thì tín hiệu 4-20mA vẫn sẽ bị nhiễu. Khi các thiết bị có tín hiệu bị nhiễu sẽ cho ra kết quả đo không chính xác. Thậm chí chúng ta không thể đọc được kết quả trong suốt quá trình đo và giám sát.

6.2 Cách khắc phục khi tín hiệu 4-20mA bị nhiễu.

Trong trường hợp bị nhiễu nhẹ, chúng ta có thể dùng lập trình PLC để chỉnh lại dòng analog. Một phương pháp khác là làm mạch lọc nhiễu tín hiệu. Tuy nhiên phương pháp này sẽ mất rất nhiều thời gian, và đòi hỏi người làm mạch phải có đủ các kiến thức về điện tử.

Có một phương pháp tối ưu hơn trong trường hợp tín hiệu bị nhiễu quá nặng, đó là sử dụng bộ cách ly chống nhiễu đa năng.

Đây là bộ cách ly chống nhiễu được sản xuất tại Ba Lan, có giá thành cạnh tranh và hoạt động rất ổn định. Thiết bị này có thể đọc được nhiều loại tín hiệu khác nhau: mA, mV, điện trở Ohm, nhiệt độ…

Để tìm hiểu kỹ hơn về bộ cách ly chống nhiễu đa năng này, quý khách hàng có thể tham khảo bài viết Cách xử lý nhiễu tín hiệu analog 4-20mA.

7. Giải pháp để truyền tín hiệu 4-20mA đi xa hơn.

Tín hiệu 4-20mA có thể truyền đi xa tối đa 1000m. Tuy nhiên, trong trường hợp cần đường truyền tín hiệu xa hơn thì phải làm sao? Bởi khi đi quá xa thì tín hiệu có thể bị nhiễu, khiến cho kết quả truyền về có thể bị sai lệch. Trong trường hợp này, chúng ta có thể sử dụng bộ converter chuyển 4-20mA sang modbus RTU.

Modbus RTU có khả năng truyền đi xa lên đến 1200m mà không lo bị nhiễu tín hiệu. Và có độ chính xác rất cao, có thể lên đến 99,9%.

Vậy modbus RTU là gì? 
Modbus RTU là một giao thức mở hoạt động ở tầng Application. Giao thức này cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị và được kết nối thông qua bus hoặc network. Modbus RTU dùng đường truyền vật lý RS-232 hoặc RS485 và mô hình Master-Slave.

Do modbus RTU có tính chất ổn định, đơn giản, và dễ dùng nên giao thức này được dùng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Cụ thể như các ngành công nghiệp, tự động hóa, điện lực, BMS (Building Management Systems)…

Một bản tin của modbus RTU gồm có: 1 byte địa chỉ, 1 byte mã hàm, n byte dữ liệu, 2 byte CRC.