TÍN HIỆU 4-20 mA LÀ GÌ VÀ ĐƯỢC SỬ DỤNG NHƯ THẾ NÀO TRONG QUAN TRẮC?

Trong các hệ thống quan trắc tự động, dữ liệu từ cảm biến và thiết bị phân tích cần được truyền về bộ điều khiển hoặc hệ thống thu thập dữ liệu để xử lý, lưu trữ và giám sát. Bên cạnh các phương thức truyền thông số, tín hiệu 4-20 mA là một dạng tín hiệu analog được sử dụng phổ biến để truyền giá trị đo từ thiết bị hiện trường đến hệ thống tiếp nhận.

Với tín hiệu 4-20 mA, một khoảng dòng điện được quy đổi tương ứng với một khoảng giá trị đo đã được cấu hình. Chẳng hạn, thiết bị có thể thiết lập 4 mA tương ứng với giá trị thấp nhất và 20 mA tương ứng với giá trị cao nhất của dải đo. 

Việc hiểu cách tín hiệu 4-20 mA hoạt động giúp kỹ thuật viên dễ dàng hơn trong việc kiểm tra kết nối, xác định nguyên nhân khi dữ liệu hiển thị bất thường và đánh giá quá trình truyền tín hiệu trong trạm quan trắc nước thải tự động. 

1. Tín hiệu 4-20 mA là gì? 

4-20 mA là tín hiệu dòng điện analog được sử dụng để truyền một giá trị đo từ thiết bị này sang thiết bị khác. Trong cấu hình thông thường, dòng điện từ 4 mA đến 20 mA đại diện cho toàn bộ dải đo của một thông số. 

Ví dụ, một thiết bị đo có dải đo được cấu hình từ 0-100 mg/L: 

• 4 mA tương ứng với 0 mg/L. 

• 12 mA tương ứng với 50 mg/L. 

• 20 mA tương ứng với 100 mg/L. 

Như vậy, khi giá trị đo thay đổi, dòng điện đầu ra cũng thay đổi tương ứng trong khoảng 4-20 mA. 

Điểm quan trọng là 4 mA và 20 mA không mặc định tương ứng với một giá trị cụ thể của mọi thiết bị. Dải giá trị mà tín hiệu đại diện phụ thuộc vào cấu hình của thiết bị đo và hệ thống tiếp nhận. 

Công thức quy đổi tín hiệu 4-20 mA 

Khi biết dải đo và dòng điện đầu ra, có thể tính giá trị tương ứng theo công thức: 

Giá trị đo = Giá trị min + [(I − 4) / 16] × (Giá trị max − Giá trị min) 

Trong đó: 

• I: dòng điện đo được, tính bằng mA. 

• Giá trị min: giá trị thấp nhất của dải đo. 

• Giá trị max: giá trị cao nhất của dải đo. 

Ví dụ với dải 0-100 mg/L và dòng điện 12 mA: 0 + [(12 − 4) / 16] × 100 = 50 mg/L 

Hệ thống tiếp nhận vì vậy sẽ quy đổi tín hiệu 12 mA thành giá trị 50 mg/L nếu được cấu hình đúng theo dải đo này. 

Xem thêm: CÁC LOẠI TÍN HIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC

2. Tín hiệu 4-20 mA được sử dụng như thế nào trong quan trắc? 

Trong một hệ thống quan trắc tự động, thiết bị đo hoặc bộ phân tích có thể xuất tín hiệu 4-20 mA về PLC, RTU hoặc module đầu vào analog. 

Quá trình truyền dữ liệu có thể được hình dung đơn giản: 

Thiết bị đo → tín hiệu 4-20 mA → PLC/RTU → hệ thống thu thập dữ liệu → phần mềm giám sát 

Thiết bị hiện trường thực hiện phép đo và tạo ra tín hiệu dòng điện tương ứng với giá trị đo. PLC hoặc RTU nhận tín hiệu này, thực hiện quy đổi theo dải đo được cấu hình và đưa dữ liệu vào hệ thống quản lý. 

Trong trạm quan trắc nước thải tự động, phương thức này có thể được sử dụng để truyền tín hiệu từ các thiết bị đo về tủ điều khiển, tùy thuộc vào thiết kế và giao diện kết nối của từng thiết bị. 

Các thông số có thể sử dụng tín hiệu analog bao gồm những thông số mà thiết bị đo hỗ trợ đầu ra 4-20 mA, chẳng hạn như pH, nhiệt độ, TSS hoặc một số thông số khác. 

Xem thêm: MODBUS RTU VÀ RS-485: TỔNG QUAN VỀ KẾT NỐI VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC

3. Vì sao tín hiệu 4-20 mA được sử dụng trong hệ thống quan trắc? 

3.1. Truyền tín hiệu ổn định 

Tín hiệu dòng điện 4-20 mA có khả năng truyền tín hiệu qua đường dây với khoảng cách tương đối xa và ít bị ảnh hưởng bởi điện trở của dây dẫn hơn so với cách truyền tín hiệu điện áp tương tự. 

Đây là một trong những lý do tín hiệu dòng điện được sử dụng trong nhiều hệ thống đo lường và điều khiển, đặc biệt ở môi trường có thiết bị đặt cách xa tủ điều khiển. 

3.2. Dễ dàng quy đổi thành giá trị đo 

Với một dải đo đã được xác định, hệ thống tiếp nhận có thể quy đổi dòng điện thành giá trị của thông số cần theo dõi. 

Ví dụ: 

4 mA → giá trị thấp nhất 

12 mA → giá trị ở giữa dải 

20 mA → giá trị cao nhất 

Nhờ đó, tín hiệu từ thiết bị hiện trường có thể được đưa vào PLC hoặc RTU để tiếp tục xử lý và lưu trữ. 

3.3. Hỗ trợ nhận biết một số trạng thái bất thường 

Việc sử dụng mức 4 mA làm điểm đầu của khoảng tín hiệu giúp hệ thống có thể phân biệt giữa giá trị thấp nhất của dải đo và trạng thái dòng điện bằng 0 mA. 

Tuy nhiên, 0 mA không phải lúc nào cũng có một ý nghĩa duy nhất. Đây có thể liên quan đến mất nguồn, đứt mạch hoặc một trạng thái khác tùy vào thiết kế thiết bị và cách hệ thống được cấu hình. 

Do đó, khi kiểm tra tín hiệu, kỹ thuật viên cần đối chiếu với tài liệu kỹ thuật và cấu hình thực tế thay vì chỉ dựa vào một giá trị dòng điện. 

4. Kiểm tra tín hiệu 4-20 mA trong trạm quan trắc như thế nào? 

Khi giá trị hiển thị trên phần mềm không phù hợp với giá trị mà thiết bị đang đo, tín hiệu 4-20 mA là một trong những điểm cần kiểm tra. 

Kiểm tra tại thiết bị đo 

Trước tiên cần xác định thiết bị có đang hoạt động bình thường hay không. Nếu bản thân thiết bị đo có vấn đề, tín hiệu đầu ra có thể không phản ánh đúng giá trị cần truyền. 

Có thể kiểm tra: 

• Trạng thái hoạt động của thiết bị. 

• Giá trị đang hiển thị trực tiếp trên thiết bị. 

• Cảnh báo hoặc lỗi của thiết bị. 

• Cấu hình đầu ra analog. 

• Dải đo tương ứng với đầu ra 4-20 mA. 

Kiểm tra dòng điện đầu ra 

Có thể sử dụng thiết bị đo dòng điện phù hợp để kiểm tra tín hiệu thực tế trên mạch 4-20 mA. 

Ví dụ, nếu thiết bị đang hiển thị một giá trị đo tương ứng khoảng 12 mA nhưng hệ thống tiếp nhận lại hiển thị một giá trị hoàn toàn khác, cần tiếp tục kiểm tra đường truyền và cấu hình ở phía nhận. 

Kiểm tra dây dẫn và điểm đấu nối 

Các vấn đề tại dây dẫn hoặc điểm đấu nối cũng có thể ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu. 

Kỹ thuật viên nên kiểm tra: 

• Tình trạng dây tín hiệu. 

• Các đầu nối và terminal. 

• Cực tính của mạch. 

• Nguồn cấp cho vòng dòng điện. 

• Các điểm tiếp xúc hoặc dấu hiệu oxy hóa. 

• Tình trạng module analog input. 

Việc kiểm tra cần thực hiện theo sơ đồ đấu nối và hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị. 

5. Khi tín hiệu 4-20 mA và dữ liệu hiển thị không khớp 

Một lỗi thường gặp trong hệ thống là tín hiệu vẫn được truyền nhưng giá trị hiển thị không đúng với giá trị thực tế. 

Nguyên nhân không nhất thiết nằm ở cảm biến hoặc thiết bị phân tích. Một số khả năng có thể liên quan đến cấu hình quy đổi tại PLC/RTU hoặc phần mềm. 

Ví dụ, thiết bị được cấu hình: 4-20 mA ↔ 0-100 mg/L 

nhưng hệ thống tiếp nhận lại được cài đặt: 4-20 mA ↔ 0-200 mg/L 

Khi đó, cùng một dòng điện đầu vào nhưng hệ thống sẽ tính ra giá trị khác nhau. 

Vì vậy, khi xử lý dữ liệu bất thường, cần kiểm tra đồng thời: 

Giá trị trên thiết bị → tín hiệu đầu ra → đường truyền → module nhận tín hiệu → cấu hình scaling → giá trị hiển thị trên phần mềm. 

Cách kiểm tra theo chuỗi này giúp khoanh vùng nguyên nhân thay vì chỉ tập trung vào thiết bị đo. 

6. 4-20 mA và tín hiệu truyền thông số khác nhau như thế nào? 

4-20 mA là tín hiệu analog, trong khi các giao thức như Modbus RTU hoặc Ethernet/Modbus TCP là những phương thức truyền dữ liệu số. 

Với 4-20 mA, giá trị đo được biểu diễn thông qua mức dòng điện trong một khoảng xác định. Hệ thống tiếp nhận cần biết dải đo để quy đổi dòng điện thành giá trị. 

Trong khi đó, truyền thông số có thể truyền nhiều thông tin hơn tùy giao thức và thiết bị, chẳng hạn giá trị đo, trạng thái thiết bị hoặc các thông tin chẩn đoán. 

Việc lựa chọn phương thức kết nối phụ thuộc vào thiết bị đo, bộ điều khiển, kiến trúc trạm và yêu cầu của hệ thống. Không phải thiết bị nào cũng có cùng giao diện hoặc hỗ trợ tất cả các phương thức truyền tín hiệu. 

7. Vai trò của 4-20 mA trong trạm quan trắc nước thải tự động 

Trong trạm quan trắc nước thải tự động, tín hiệu 4-20 mA có thể đóng vai trò là cầu nối giữa thiết bị đo tại hiện trường và hệ thống điều khiển, thu thập dữ liệu. Một hệ thống có thể bao gồm nhiều thiết bị đo và bộ phân tích. Mỗi thiết bị có thể cung cấp tín hiệu đầu ra tương ứng để đưa về tủ điều khiển. 

Từ đây, dữ liệu được xử lý và truyền đến hệ thống giám sát theo kiến trúc của trạm. 

Vì vậy, việc hiểu tín hiệu 4-20 mA không chỉ giúp kỹ thuật viên đấu nối thiết bị mà còn hỗ trợ kiểm tra và xử lý sự cố dữ liệu. Khi giá trị trên phần mềm thay đổi bất thường, việc xác định tín hiệu tại từng điểm trong chuỗi truyền dữ liệu có thể giúp phân biệt vấn đề nằm ở thiết bị đo, đường truyền hay hệ thống tiếp nhận. 

Kết luận 

Tín hiệu 4-20 mA là một phương thức truyền tín hiệu analog phổ biến trong các hệ thống đo lường, trong đó dòng điện từ 4 đến 20 mA được quy đổi thành một dải giá trị đo đã được cấu hình. Trong quan trắc, tín hiệu này có thể được sử dụng để truyền dữ liệu từ thiết bị hiện trường về PLC, RTU hoặc hệ thống thu thập dữ liệu. 

Đối với trạm quan trắc nước thải tự động, kiểm tra đúng tín hiệu 4-20 mA và cấu hình quy đổi giúp kỹ thuật viên xác định chính xác hơn nguyên nhân khi dữ liệu giữa thiết bị và hệ thống hiển thị không khớp. 

Aquaco cung cấp giải pháp tư vấn, thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống quan trắc tự động, lựa chọn cấu hình thiết bị và phương thức kết nối phù hợp với yêu cầu thực tế của từng trạm. 

Thông tin liên hệ:

CÔNG TY CỔ PHẦN THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ AQUA 

• Văn phòng đại diện:  23 Đường Số 4, Cư Xá Chu Văn An, Phường Bình Thạnh, TP.HCM.  

• Văn phòng giao dịch: Số 2 đường 5, Khu phố 67, Phường Hiệp Bình, TP HCM.

• Văn phòng Hà Nội: 18-D4 Thanh Xuân Bắc, Phường Thanh Xuân, Hà Nội

• Hotline:  0909 246 726   

• Tel: 028 6276 4726   

• Email: info@aquaco.vn