ทำไมต้องใช้สัญญาณ 4-20 mA ในอุตสาหกรรม? | ข้อดีและหลักการทำงาน
1. บทนำ
ในระบบควบคุมและเครื่องมือวัดในอุตสาหกรรม สัญญาณ 4-20 mA ถือเป็นมาตรฐานสากลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการส่งค่าข้อมูลจากเครื่องมือวัดไปยังระบบควบคุม เช่น PLC (Programmable Logic Controller) หรือ DCS (Distributed Control System)
🔍 ทำไมต้องใช้ 4-20 mA แทนที่จะเป็น 0-20 mA หรือ 1-5 V?
✅ ตรวจจับข้อผิดพลาดของเครื่องมือวัดได้ง่าย
✅ ลดปัญหาสัญญาณรบกวนในโรงงานอุตสาหกรรม
✅ ส่งสัญญาณได้ไกลโดยไม่เกิดแรงดันตกคร่อม (Voltage Drop)
ในบทความนี้ เราจะมาอธิบาย หลักการทำงานของสัญญาณ 4-20 mA และ ข้อดีของการใช้สัญญาณนี้ในอุตสาหกรรม
2. หลักการทำงานของสัญญาณ 4-20 mA
เครื่องมือวัดในอุตสาหกรรม เช่น
📌 Temperature Transmitter (เครื่องวัดอุณหภูมิ)
📌 Pressure Transmitter (เครื่องวัดความดัน)
📌 Flow Transmitter (เครื่องวัดอัตราการไหล)
📌 Level Transmitter (เครื่องวัดระดับของไหล)
ต้องใช้ Transmitter ในการแปลงค่าที่วัดได้ให้เป็นสัญญาณมาตรฐาน 4-20 mA เพื่อส่งไปยังระบบควบคุม เช่น PLC หรือ DCS
2.1 การรับสัญญาณ 4-20 mA ในระบบควบคุม
- Transmitter ส่งสัญญาณ 4-20 mA ไปยัง PLC/DCS
- Analog Input Module ของ PLC หรือ DCS แปลงสัญญาณกระแสเป็นแรงดันไฟฟ้า
- ค่าที่วัดได้จะถูกคำนวณเป็นตัวเลขดิจิทัลโดย CPU ของ Controller
2.2 ตัวอย่างการแปลงสัญญาณ
ค่ากระแส 4-20 mA จะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าโดยใช้ตัวต้านทาน 250 โอห์ม ตามกฎของโอห์ม (V = IR)
| กระแส (mA) | แรงดันที่แปลงได้ (V) |
|---|---|
| 4 mA | 1 V |
| 20 mA | 5 V |
🔹 จากนั้น CPU จะนำค่าแรงดันไฟฟ้านี้ไปคำนวณเป็นค่าที่วัดได้จริง
3. ทำไมต้องใช้ 4-20 mA แทนที่จะเริ่มที่ 0 mA?
3.1 ตรวจจับข้อผิดพลาดของเครื่องมือวัดได้ง่ายขึ้น
✅ หากเครื่องมือวัดหรือสายสัญญาณขาด สัญญาณจะเป็น 0 mA
✅ ระบบสามารถแยกแยะได้ว่าสัญญาณ ต่ำกว่า 4 mA หมายถึงความผิดปกติ
3.2 ใช้พลังงานเลี้ยงอุปกรณ์ 2-Wire Transmitter
✅ อุปกรณ์ Transmitter แบบ 2-Wire ต้องใช้พลังงานเลี้ยงขั้นต่ำ 3.5 mA
✅ หากใช้ 0-20 mA อุปกรณ์จะไม่สามารถทำงานได้
3.3 ความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน
✅ กระแสสูงสุดที่ใช้คือ 20 mA ซึ่ง ไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์
✅ ปลอดภัยกว่าแรงดันไฟฟ้าสูงๆ ที่อาจเกิดไฟฟ้าช็อต
3.4 ป้องกันแรงดันตกคร่อม (Voltage Drop)
✅ ระบบที่ใช้แรงดันไฟฟ้า เช่น 1-5 V เมื่อส่งสัญญาณไกล จะเกิดแรงดันตกคร่อม
✅ สัญญาณ 4-20 mA ไม่มีปัญหาแรงดันตกคร่อม เพราะกระแสยังคงที่
3.5 ทนต่อสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
✅ สัญญาณกระแส 4-20 mA ทนทานต่อสัญญาณรบกวนมากกว่าสัญญาณแรงดันไฟฟ้า
4. วิธีคำนวณสเกลของสัญญาณ 4-20 mA
4.1 การแปลงสัญญาณ 4-20 mA เป็นเปอร์เซ็นต์การวัด
| กระแส (mA) | เปอร์เซ็นต์ของค่าย่านวัด (%) |
|---|---|
| 4 mA | 0% |
| 8 mA | 25% |
| 12 mA | 50% |
| 16 mA | 75% |
| 20 mA | 100% |
4.2 สูตรคำนวณค่าที่วัดได้จากสัญญาณ 4-20 mA
สูตร:
📌 ตัวแปรที่ใช้ในสูตร
- MV (Measured Value) = ค่ากระแสที่วัดได้ (mA)
- LRV (Low Range Value) = ค่าต่ำสุดของช่วงการวัด (4 mA)
- Span = 20 mA - 4 mA = 16 mA
ตัวอย่างการคำนวณ:
หากวัดได้ 14.98 mA ต้องการทราบว่าเป็นกี่เปอร์เซ็นต์ของช่วงการวัด
🔹 หมายความว่า ค่านี้อยู่ที่ประมาณ 68.6% ของช่วงการวัดทั้งหมด
5. สรุปข้อดีของสัญญาณ 4-20 mA
✅ ช่วยให้ตรวจสอบข้อผิดพลาดของเครื่องมือวัดได้ง่าย
✅ ใช้พลังงานเลี้ยงอุปกรณ์ 2-Wire Transmitter ได้
✅ ปลอดภัยสำหรับผู้ปฏิบัติงาน (กระแสไม่สูงเกินไป)
✅ ไม่มีปัญหาแรงดันตกคร่อมเมื่อต้องส่งสัญญาณระยะไกล
✅ ทนต่อสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ได้ดี
💡 ด้วยข้อดีเหล่านี้ ทำให้ 4-20 mA เป็นมาตรฐานที่ใช้ในอุตสาหกรรมมาจนถึงปัจจุบัน
