Tín hiệu 4-20mA là gì? Ưu điểm, nguyên lý và lý do được dùng phổ biến

Tín hiệu 4-20mA là chuẩn tín hiệu analog phổ biến nhất trong công nghiệp tự động hóa hiện nay. Hầu hết cảm biến áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức… đều xuất tín hiệu theo chuẩn này trước khi đưa về PLC, DCS hoặc hệ thống thu thập dữ liệu.

Vậy tín hiệu 4-20mA là gì? Vì sao nó được ưa chuộng hơn 0-10V và 0-20mA? Bài viết này sẽ giải thích đầy đủ từ nguyên lý, ưu điểm đến các lưu ý quan trọng khi sử dụng.

Tín hiệu 4-20mA là gì?

Tín hiệu 4-20mA là chuẩn tín hiệu dòng điện analog, trong đó:

• 4mA tương ứng với giá trị đo thấp nhất (0% dải đo)
• 20mA tương ứng với giá trị đo cao nhất (100% dải đo)
• Giá trị nằm giữa được quy đổi tuyến tính

Ví dụ: Cảm biến áp suất dải 0–10 bar xuất 4-20mA sẽ có quan hệ:

• 0 bar → 4mA
• 5 bar → 12mA
• 10 bar → 20mA

Chuẩn tín hiệu 4-20mA được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đo lường và tự động hóa công nghiệp. Các thiết bị xử lý tín hiệu của SENECA cũng hỗ trợ các dạng tín hiệu analog như 0/4-20mA và 0-10V, cho thấy đây là những chuẩn tín hiệu phổ biến trong thiết bị đo lường và điều khiển công nghiệp.

Vì sao dùng 4mA thay vì 0mA? (Live Zero)

Đây là điểm khác biệt quan trọng nhất giữa tín hiệu 4-20mA và 0-20mA.

Khi tín hiệu bắt đầu từ 4mA thay vì 0mA, hệ thống có khả năng phân biệt được hai trạng thái:

• 4mA: Cảm biến đang hoạt động bình thường ở giá trị thấp nhất
• 0mA: Đường tín hiệu bị đứt, cảm biến mất nguồn hoặc hỏng

Nếu dùng tín hiệu 0-20mA, khi đọc được 0mA sẽ không biết đó là giá trị đo thật sự bằng 0 hay do đứt dây. Đây chính là lý do chuẩn 4-20mA được gọi là có Live Zero (điểm 0 sống).

Ưu điểm của tín hiệu 4-20mA so với 0-10V

Tiêu chí	Tín hiệu 4-20mA	Tín hiệu 0-10V
Chống nhiễu	Tốt hơn rõ rệt	Dễ bị nhiễu
Truyền xa	Hàng trăm mét đến hơn 1000m	Hạn chế, dễ sụt áp
Phát hiện đứt dây	Có (nhờ Live Zero)	Khó phân biệt
Số dây truyền tín hiệu	Thường dùng 2 dây	Thường cần 3 dây

Kết luận thực tế: Trong môi trường công nghiệp có biến tần, động cơ công suất lớn hoặc khoảng cách truyền xa, tín hiệu 4-20mA luôn là lựa chọn ổn định và đáng tin cậy hơn.

Active và Passive trong tín hiệu 4-20mA

Đây là khái niệm rất quan trọng khi đấu nối:

• Tín hiệu Active (nguồn dòng): Thiết bị phát tự tạo ra dòng 4-20mA, không cần nguồn ngoài cấp cho vòng dòng.
• Tín hiệu Passive (không nguồn): Cần có nguồn 24VDC bên ngoài cấp vào vòng dòng để tạo tín hiệu.

Nếu đấu nhầm Active với Passive hoặc cấp trùng nguồn, vòng dòng sẽ không hoạt động đúng hoặc gây hỏng thiết bị. Đây cũng là lý do nhiều hệ thống cần dùng bộ chuyển đổi hoặc bộ cách ly tín hiệu.

→ Tham khảo thêm: Cách nối dây tín hiệu 4-20mA Active và Passive

Khi nào cần dùng bộ chuyển đổi hoặc bộ cách ly 4-20mA?

Mặc dù tín hiệu 4-20mA có khả năng chống nhiễu và truyền xa tốt, trong thực tế vẫn có nhiều trường hợp cần sử dụng thiết bị trung gian:

• PLC hoặc thiết bị nhận chỉ hỗ trợ 0-10V, 0-5V: Dùng bộ chuyển đổi tín hiệu 4-20mA sang 0-10V, 0-5V.
• Cần cách ly chống nhiễu hoặc loại bỏ vòng lặp mass (Ground Loop): Dùng bộ cách ly tín hiệu 4-20mA.
• Cần chia một tín hiệu 4-20mA cho nhiều thiết bị: Dùng bộ chia tín hiệu 4-20mA.
• Cần chuyển đổi nhiều loại tín hiệu: Sử dụng bộ chuyển đổi đa năng có khả năng xử lý các tín hiệu như 4-20mA, 0-10V, 0-5V…

Ví dụ, SENECA Z110DI là bộ cách ly tín hiệu dành cho vòng dòng, hỗ trợ tín hiệu 0/4-20mA và có khả năng cách ly galvanic giữa các mạch. Thiết bị phù hợp cho các hệ thống cần cách ly tín hiệu, giảm ảnh hưởng của chênh lệch điện thế và bảo vệ thiết bị đo lường.

👉 Xem thêm: SENECA Z110DI – Bộ cách ly tín hiệu 4-20mA từ hãng Seneca

Việc lựa chọn bộ chuyển đổi hay bộ cách ly cần dựa trên tín hiệu đầu vào, đầu ra, nguồn cấp, kiểu Active/Passive và yêu cầu cách ly của hệ thống.

Câu hỏi thường gặp về tín hiệu 4-20mA

1. Tín hiệu 4-20mA có bị sụt áp trên đường dây dài không?
Có. Điện trở dây dẫn vẫn gây sụt áp trên vòng dòng, nhưng không làm thay đổi giá trị dòng nếu nguồn cấp và tải nằm trong giới hạn cho phép. Khi truyền xa, cần tính tổng điện trở của dây và tải để đảm bảo thiết bị phát vẫn đủ điện áp duy trì dòng 4-20mA.

2. Có thể dùng chung dây mass với nguồn động lực không?
Không nên. Nên đi riêng và sử dụng cáp chống nhiễu (shielded cable).

3. Tại sao nhiều cảm biến 2 dây lại dùng 4-20mA?
Vì vừa truyền tín hiệu vừa cấp nguồn cho cảm biến trên cùng 2 dây, giúp tiết kiệm và đơn giản hóa lắp đặt.

Chịu trách nhiệm nội dung:
Lê Quân Đạt – Kỹ sư Tự động hoá
Phone: 0886.0884.96
Email: dat.le@huphaco.vn
Website: chuyendoitinhieu.vn