4-20 mA คืออะไร

สัญญาณ 4-20 mA ถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมที่พบเห็นได้ทั่วไปในระบบควบคุมอัตโนมัติ (Automation Control System) และระบบตรวจวัด (Instrumentation System) บทความนี้มุ่งเน้นอธิบายหลักการทำงาน ข้อดี ข้อจำกัด และการประยุกต์ใช้งานของสัญญาณ 4-20 mA เพื่อให้ผู้อ่านมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งและสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานด้านวิศวกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยปกติแล้ว สัญญาณเอาต์พุต 4-20 mA เป็นมาตรฐานในระบบอัตโนมัติและการควบคุมกระบวนการในอุตสาหกรรม เนื่องจากความเรียบง่าย ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณแอนะล็อกระยะไกล เครื่องมือวัดและการควบคุมทางอุตสาหกรรม สัญญาณแอนะล็อกนี้ใช้ในการส่งข้อมูลผ่านสายสองเส้น มักใช้จากเซ็นเซอร์ไปยังคอนโทรลเลอร์, PLC (Programmable Logic Controllers)

ตัวอย่างภาพประกอบ

หลักการทำงานของ 4-20 mA

พื้นฐานของวงจรกระแส:สัญญาณ 4-20 mA แสดงช่วงค่าต่อเนื่องที่สอดคล้องกับการวัดทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิ, ความดัน, หรืออัตราการไหล ระบบวงจรกระแสมักประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟ, เซ็นเซอร์หรือทรานสมิตเตอร์, และอุปกรณ์รับข้อมูลเช่น PLC หรือคอนโทรลเลอร์

ช่วงสัญญาณ: 4 mA แทนค่าต่ำสุดของมาตรการวัด ในขณะที่ 20 mA แทนค่าสูงสุด ช่วงนี้ช่วยให้สามารถตรวจจับค่าเป็นศูนย์และยังช่วยในการระบุข้อผิดพลาดของระบบ (เช่น ถ้ากระแสต่ำกว่า 4 mA แสดงว่ามีข้อผิดพลาดในวงจร)

การส่งสัญญาณ: สัญญาณกระแสจะถูกส่งผ่านวงจร นำข้อมูลการวัดไปยังเครื่องรับ การแปลความหมายของสัญญาณ เครื่องรับจะแปลความหมายของสัญญาณกระแสและแปลงกลับเป็นค่าที่อ่านได้เพื่อการตรวจสอบหรือควบคุม

ข้อแนะนำก่อนการใช้งาน

ความต้านทานในวงจร: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความต้านทานทั้งหมดในวงจร (รวมถึงสายไฟและความต้านทานของอุปกรณ์) ไม่เกินความสามารถของแหล่งจ่ายไฟ

ความแม่นยำ: เลือกทรานสมิตเตอร์และอุปกรณ์รับที่มีคุณภาพสูงเพื่อรักษาความสมบูรณ์และความแม่นยำของสัญญาณ

การสอบเทียบ: การสอบเทียบเซ็นเซอร์และทรานสมิตเตอร์เป็นประจำเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดมีความแม่นยำ

การใช้งานของ 4-20 mA

การควบคุมกระบวนการ: ใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานผลิตสำหรับการตรวจสอบและควบคุมกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ, ความดัน, การไหล และปริมาณทางกายภาพอื่น ๆ

การควบคุมกระบวนการ: สำคัญในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ, การบำบัดน้ำ, และการประมวลผลทางเคมีที่ต้องการการวัดและการควบคุมที่แม่นยำ ของควบคุมกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ, ความดัน, การไหล และปริมาณทางกายภาพอื่น ๆ และการตรวจสอบระยะไกล เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการส่งสัญญาณในระยะไกล เช่น เซ็นเซอร์ระยะไกลและระบบเทเลเมทรี

การเดินสายไฟสำหรับสัญญาณ 4-20mA มักจะใช้สายสามเส้น ซึ่งมีคำแนะนำทั่วไปดังนี้

สายสีดำ (Black): เป็นสายอาณาสัณฑ์ (Signal Wire) ซึ่งใช้ส่งสัญญาณ 4-20mA จากอุปกรณ์ต้นทางไปยังอุปกรณ์ปลายทาง

สายสีแดง (Red): เป็นสายกลาง (Power Supply Wire) ที่ใช้ให้พลังงานไฟฟ้าให้กับวงจรของอุปกรณ์ที่ต้องการส่งสัญญาณ

สายสีขาว (White): เป็นสายกลาง (Ground Wire) ที่ใช้เชื่อมต่อกับแผ่นดินหรือจุดอ้างอิงของระบบเพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีการรั่วไฟฟ้าเกิดขึ้น

การเชื่อมต่อทั้งสามสายนี้ควรทำตามคำแนะนำของผู้ผลิตอุปกรณ์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพและความเสถียรสูงสุด โดยสามารถใช้การต่อสายไฟแบบใช้ปลั๊กหรือการต่อสายด้วยปลั๊กเชื่อมต่อ (Terminal block) ก็ได้ตามสะดวกและความต้องการของแต่ละงานด้วย

ข้อดีของสัญญาณเอาต์พุต 4-20 mA

ความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูง: สัญญาณกระแสมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานและแรงดันน้อย ทำให้การอ่านค่านั้นแม่นยำ

การส่งสัญญาณระยะไกล: สัญญาณกระแสสามารถส่งได้ในระยะไกลโดยไม่สูญเสียความสมบูรณ์ต่อสัญญาณรบกวน วงจรกระแสมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนไฟฟ้ามากกว่าสัญญาณแรงดันไฟฟ้า ทำให้การส่งข้อมูลมีความแม่นยำและเชื่อถือได้ในระยะทางไกล

การติดตั้งและการเดินสายง่าย: ระบบ 4-20 mA ใช้สายเพียงสองเส้นในการส่งสัญญาณและพลังงานให้กับอุปกรณ์ ลดค่าใช้จ่ายในการติดตั้งและบำรุงรักษา ทำให้การติดตั้งและการบำรุงรักษาง่ายขึ้น

ความเข้ากันได้: ใช้ได้กับเซนเซอร์และอุปกรณ์หลากหลายชนิด ทำให้เป็นตัวเลือกที่หลากหลายสำหรับการใช้งานต่างๆ

ข้อเสียของสัญญาณเอาต์พุต 4-20 mA

ช่วงความถี่จำกัด: ระบบไม่เหมาะสมสำหรับการส่งสัญญาณความถี่สูง

การลดแรงดัน: ในระยะไกล อาจเกิดการลดแรงดัน ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อสัญญาณหากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม

การใช้พลังงานสูงกว่า: เมื่อเปรียบเทียบกับสัญญาณดิจิทัล ระบบ 4-20 mA อาจใช้พลังงานมากกว่า

ปัญหากับการกราวด์ลูป: การกราวด์ไม่ถูกต้องอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดและการรบกวนของสัญญาณ

บทสรุป

สัญญาณเอาต์พุต 4-20 mA ยังคงเป็นพื้นฐานในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม เนื่องจากความแข็งแรง ความเรียบง่าย และความน่าเชื่อถือ ถึงแม้จะมีข้อจำกัดบางประการ แต่ข้อดีของมันทำให้เป็นตัวเลือกที่นิยมสำหรับการส่งสัญญาณแอนะล็อกในหลายการใช้งาน ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยี สัญญาณ 4-20 mA ยังคงมีบทบาทสำคัญในการรับรองการส่งข้อมูลที่แม่นยำและน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม

ตัวอย่างภาพประกอบ