Hiểu tín hiệu đầu ra của cảm biến
Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao có vô số tín hiệu đầu ra cảm biến có thể được cấu hình trên thiết bị đo áp suất, nhiệt độ, độ ẩm hoặc khí được sử dụng trong các ứng dụng Process hoặc HVAC? Hầu hết các đầu ra này ban đầu được thiết lập để cho phép các nhà sản xuất cảm biến điều chỉnh tốt hơn với các đầu vào được cung cấp bởi các nhà sản xuất bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (DDC), được sử dụng để điều khiển các quy trình cho cả tự động hóa quá trình và điều khiển HVAC.
Để tập trung vào hai trong số các tín hiệu đầu ra được sử dụng phổ biến nhất và tập trung vào những ưu điểm và / hoặc nhược điểm mà các tín hiệu đầu ra này mang lại. Hai trong số các tín hiệu đầu ra được sử dụng phổ biến nhất bao gồm Current Analog output, thường là 4-20mA và Voltage Output, thường là 0-10V.
Đầu ra điện áp tương tự 0-10V là một trong những tín hiệu đầu ra phổ biến nhất được sử dụng trên thiết bị Process Instruments và HVAC; do số lượng bộ điều khiển công nghiệp sẽ chấp nhận đầu vào tín hiệu này. Người lắp đặt và kỹ thuật viên thường xuyên nhận xét về tính dễ xác minh của tín hiệu. Người ta có thể chỉ cần kết nối một máy đo vôn nối tiếp, để đọc điện áp và tương quan số đọc đó với phạm vi trên cảm biến. Khi làm việc với dòng điện tương tự 4-20mA, việc đọc tín hiệu đầu ra tương ứng có thể phức tạp hơn. Thông thường, một điện trở chính xác cần được sử dụng kết hợp với cảm biến để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu điện áp ( Định luật Ohm) cho phép đo trên đồng hồ vôn. Cảm biến tích hợp tín hiệu 0-10V cũng dễ bị nhiễu điện hơn từ các thiết bị như động cơ hoặc rơ le dẫn đến tín hiệu đầu ra không chính xác trong đó đầu ra dòng điện tương tự 4-20mA tăng khả năng miễn nhiễm.
Tùy thuộc vào vị trí của cảm biến và bộ điều khiển, khi sử dụng đầu ra điện áp tương tự, người ta có thể thấy điện áp giảm trong tín hiệu đầu ra do điện trở trong dây tăng lên từ một đường cáp dài. Trong đầu ra dòng điện tương tự, cường độ dòng điện trong loop không bị ảnh hưởng bởi sụt áp trong hệ thống dây dẫn bởi vì đầu ra dòng điện ở cực âm của vòng lặp phải quay trở lại cực dương của nguồn cung cấp.
Cuối cùng, khi sử dụng đầu ra dòng điện tương tự 4-20mA, bạn có khả năng phát hiện xem bạn có bị đứt dây hay không vì tín hiệu của bạn bây giờ sẽ chuyển sang 0mA. Có các đầu ra điện áp tương tự bổ sung giúp giải quyết vấn đề này, chẳng hạn như 1-5V hoặc 2-10V.
Các nguyên tắc cơ bản của Analog current loop 4-20 mA
Trong thế giới của điều khiển quá trình, có vô số loại đầu vào của quá trình khác nhau. Cặp nhiệt điện và RTD cung cấp khả năng đọc nhiệt độ trực tiếp trong khi các tín hiệu kỹ thuật số như Modbus ® cung cấp khả năng kiểm soát chính xác các biến Process và hiển thị. Tín hiệu tương tự, trong đó thông tin về Process được truyền qua các lượng điện áp hoặc dòng điện khác nhau, là loại đầu vào chủ yếu trong các ngành công nghiệp yêu cầu về điều khiển quá trình ngày nay. Trong tất cả các tín hiệu tương tự có thể được sử dụng để truyền thông tin quá trình, cho đến nay, Current loop 4-20 mA là tiêu chuẩn thống trị.
Vì tiêu chuẩn Current loop 4-20 mA đã trở thành chủ yếu trong ngành công nghiệp điều khiển quá trình, nhiều người không hiểu các nguyên tắc cơ bản của việc thiết lập và sử dụng nó. Không biết những điều cơ bản có thể khiến bạn mất tiền khi cần đưa ra quyết định về việc hiển thị và kiểm soát quy trình. Nắm bắt được lịch sử, hoạt động, ưu và nhược điểm của vòng lặp 4-20 mA sẽ giúp bạn hiểu tại sao nó là tiêu chuẩn thống trị trong ngành và cho phép bạn đưa ra quyết định sáng suốt về việc kiểm soát quy trình của mình.
Một chút lịch sử
Trước sự ra đời của vi mạch điện tử, điều khiển quá trình là một nỗ lực hoàn toàn về cơ học. Các nhà máy đã sử dụng tín hiệu điều khiển khí nén trong đó bộ điều khiển được cấp nguồn bởi các áp suất khác nhau của khí nén. Cuối cùng, nén không khí từ 3-15 psi đã trở thành tiêu chuẩn vì một số lý do:
- Rất tốn kém để thiết kế hệ thống phát hiện tín hiệu áp suất dưới 3 psi
- Tín hiệu dưới 3 psi sẽ không thể nhận ra
- Dễ dàng hơn để phân biệt tín hiệu trực tiếp (3 psi) với sự cố trong hệ thống (0 psi)
Vào những năm 1950, khi các hệ thống điện tử trở nên ít tốn kém hơn, đầu vào dòng điện (current Input) trở thành tín hiệu điều khiển quá trình được ưa chuộng và hiệu quả hơn. Dải 4-20 mA sau đó đã trở thành tiêu chuẩn vì những lý do tương tự như 3-15 psi đã làm.
Current loop 4-20 mA hoạt động như thế nào?
Để hiểu vòng lặp dòng điện một chiều (DC) 4-20 mA là gì và nó hoạt động như thế nào, chúng ta sẽ cần biết một chút toán học. Đừng lo lắng; chúng tôi sẽ không đi sâu vào bất kỳ công thức kỹ thuật điện nâng cao nào. Trên thực tế, công thức chúng ta cần tương đối đơn giản: V = I x R. Đây là Định luật Ôm. Điều này đang nói là điện áp (V) bằng dòng điện (I) nhân với điện trở (R) (“I” là viết tắt của Intensité de Courant, tiếng Pháp có nghĩa là Cường độ hiện tại). Đây là phương trình cơ bản trong kỹ thuật điện.
Hình 1. Mạch DC đơn giản
Xét mạch điện một chiều đơn giản ở trên, gồm một nguồn điện và ba tải. Một vòng lặp dòng điện yêu cầu điện áp để điều khiển dòng điện. Điều này được cung cấp bởi nguồn cung cấp, với điện áp của nguồn được dán nhãn là Vtot. Sau đó dòng điện chạy qua vòng lặp, đi qua mỗi tải. Điện áp rơi ở mỗi tải có thể được tính toán từ Định luật Ohm. Điện áp V1 giảm trên R1 là:
Mọi phần tử trong vòng lặp đều cung cấp điện áp hoặc bị giảm điện áp. Tuy nhiên, dòng điện, “I” giống nhau ở mọi nơi trong vòng lặp. Đây là nguyên tắc quan trọng của vòng lặp 4-20 mA. Dòng điện là như nhau ở tất cả các nơi trong suốt vòng lặp. Có thể khó hiểu tại sao dòng điện không đổi, vì vậy hãy xem xét hệ thống nước của nhà bạn để so sánh. Có một áp lực nhất định trong các đường ống nước đẩy nước về phía ngôi nhà của bạn.
Điện áp, theo 1 cách tương tự, hoạt động như một áp suất, đẩy dòng điện qua mạch. Khi một vòi bên trong nhà của bạn được bật, sẽ có một dòng nước tiếp theo. Dòng chảy của nước tương tự như dòng chảy của các electron, hay dòng điện. Khả năng của áp lực để đẩy nước qua các đường ống bị hạn chế bởi các khúc cua và các hạn chế trong đường ống. Những hạn chế này giới hạn lượng dòng chảy trong ống, tương tự như cách một điện trở hạn chế dòng điện. Dòng chảy qua đường ống, và tương tự như vậy dòng điện qua dây dẫn, không đổi trong toàn bộ hệ thống, mặc dù áp suất và điện áp, sẽ giảm ở các điểm khác nhau. Đây là lý do tại sao việc sử dụng dòng điện như một phương tiện truyền tải thông tin quá trình lại đáng tin cậy như vậy.
Các thành phần của vòng lặp dòng điện 4-20 mA
Bây giờ bạn đã hiểu về cách thức và lý do tại sao dòng điện được sử dụng, bạn có thể bắt đầu hiểu chính xác vòng lặp dùng để làm gì.
1. Cảm biến (Sensor)
Đầu tiên, cần phải có một số loại cảm biến đo lường một biến quá trình. Một cảm biến thường đo nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng, mức hoặc áp suất. Công nghệ dùng cho cảm biến sẽ thay đổi đáng kể tùy thuộc vào đại lượng cần đo chính xác là gì.
2. Bộ phát tín hiệu (Transmitter)
Thứ hai, bất kỳ cảm biến nào đang theo dõi, cần phải có một cách để chuyển đổi phép đo của nó thành tín hiệu dòng điện, trong khoảng từ 4 đến 20 miliampe. Đây là nơi Transmitter sẽ phát huy tác dụng. Ví dụ, nếu một bộ cảm biến đang đo chiều cao của một bể chứa dài 10m, Transmitter sẽ chuyển đổi 0 m khi bể đang trống thành 4mA và truyền. Ngược lại, Transmitter sẽ chuyển 10m khi bể đầy thành 20mA và sau đó sẽ truyền tín hiệu 20 miliamp. Nếu bình đầy một nửa, máy phát sẽ phát tín hiệu ở điểm nửa chừng, hoặc 12 miliampe.
3. Nguồn điện (Power source)
Để tín hiệu được tạo ra, cần phải có một nguồn điện, giống như trong hệ thống nước tương tự, cần có một nguồn áp lực nước. Hãy nhớ rằng nguồn điện phải xuất ra dòng điện một chiều (nghĩa là dòng điện chỉ chạy theo một chiều).
Có nhiều điện áp phổ biến được sử dụng với Current loop 4-20 mA (9, 12, 24, v.v.) tùy thuộc vào thiết lập cụ thể. Khi quyết định sử dụng điện áp của nguồn điện nào cho thiết lập cụ thể của bạn, hãy đảm bảo xem xét điện áp nguồn phải lớn hơn ít nhất 10% so với tổng điện áp rơi của các bộ phận kèm theo (máy phát, máy thu và thậm chí cả dây dẫn). Việc sử dụng nguồn điện không phù hợp có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị.
4. Vòng lặp (Loop)
Ngoài nguồn cung cấp VDC đầy đủ, cũng cần phải có một vòng lặp, liên quan đến dây thực tế kết nối cảm biến với thiết bị nhận tín hiệu 4-20 mA và sau đó quay trở lại máy phát. Tín hiệu hiện tại trên vòng lặp được điều chỉnh bởi máy phát theo phép đo của cảm biến. Thành phần này thường bị bỏ qua trong thiết lập vòng lặp dòng điện vì dây là bản chất của bất kỳ hệ thống điện tử hiện đại nào, nhưng cần được xem xét khi khám phá các nguyên tắc cơ bản. Mặc dù bản thân dây dẫn là nguồn điện trở gây ra sụt áp trên hệ thống, nhưng điều này thường không đáng lo ngại, vì điện áp rơi của một đoạn dây là rất nhỏ. Tuy nhiên, trong khoảng cách xa (lớn hơn 300m), nó có thể tăng thêm một lượng đáng kể, tùy thuộc vào độ dày (khổ) của dây.
5. Bộ thu (Receiver)
Cuối cùng, tại một nơi nào đó trong vòng lặp sẽ có một thiết bị có thể nhận và hiển thị tín hiệu dòng điện. Tín hiệu dòng điện này phải được chuyển thành các đơn vị mà người vận hành có thể dễ dàng hiểu được, chẳng hạn như độ cao (m, ft, etc) của chất lỏng trong bể chứa hoặc độ C của chất lỏng. Thiết bị này cũng cần hiển thị thông tin nhận được (cho mục đích giám sát) hoặc tự động thực hiện 1 chức năng với thông tin đó. Màn hình kỹ thuật số, bộ điều khiển, bộ truyền động và van là những thiết bị phổ biến để kết hợp vào vòng lặp.
Các thành phần này là tất cả những gì cần thiết để hoàn thành vòng lặp dòng điện 4-20 mA. Cảm biến đo một biến quá trình, bộ phát tín hiệu chuyển phép đo đó thành tín hiệu dòng điện, tín hiệu đi qua một vòng dây đến bộ thu và bộ thu hiển thị hoặc thực hiện một tác vụ với tín hiệu nhận được
Ưu và nhược điểm của 4-20 mA Loops
Một phần của thách thức khi làm việc trong một ngành đòi hỏi kiểm soát quy trình là xác định xem ưu điểm có nhiều hơn nhược điểm hay không. Đưa ra quyết định đúng đắn có thể tiết kiệm cả thời gian và tiền bạc.
Ưu điểm
- Vòng lặp dòng điện 4-20 mA là tiêu chuẩn phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.
- Đây là tùy chọn đơn giản nhất để kết nối và cấu hình.
- Sử dụng ít dây và kết nối hơn các tín hiệu khác, giúp giảm đáng kể chi phí ban đầu.
- Tốt hơn khi di chuyển quãng đường dài, vì dòng điện không bị suy giảm qua các kết nối dài như điện áp.
- Ít nhạy cảm hơn với nhiễu điện xung quanh .
- Vì 4 mA bằng với đầu ra 0%, nên việc phát hiện lỗi trong hệ thống cực kỳ đơn giản.
Nhược điểm
- Các vòng lặp hiện tại chỉ có thể truyền một tín hiệu quy trình cụ thể.
- Nhiều vòng lặp phải được tạo trong các tình huống có nhiều biến cần truyền. Chạy quá nhiều dây có thể dẫn đến sự cố với các vòng nối đất nếu các vòng độc lập không được cách ly đúng cách.
- Các yêu cầu cách ly này trở nên phức tạp hơn theo cấp số nhân khi số lượng vòng lặp tăng lên.
Tổng quan về vòng lặp dòng điện 4-20 mA
Vòng lặp dòng 4-20 mA là tín hiệu điều khiển quá trình phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Đây là một phương pháp lý tưởng để truyền thông tin quá trình vì dòng điện không thay đổi khi nó đi từ máy phát đến máy thu. Current loop cũng đơn giản hơn nhiều và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, điện áp giảm và số lượng các biến quá trình (Process Variable) cần được theo dõi có thể ảnh hưởng đến chi phí và độ phức tạp của vòng lặp. Khi biết những nguyên tắc cơ bản này, bạn sẽ có thể đưa ra quyết định sáng suốt hơn về việc kiểm soát Process quy trình trong nhà máy.