สัญญาณ 4-20mA

สัญญาณ 4-20mA (อังกฤษ: 4-20mA Signal) คือสัญญาณกระแสไฟที่ถูกใช้เป็นมาตรฐานสำหรับส่งสัญญาณของเครื่องมือวัดในอุตสาหกรรมซึ่งเป็นที่นิยมและแพร่หลายในปัจจุบัน โดยสัญญาณ 4-20mA ได้ถือกำเนิดขึ้นในช่วงยุคปี ค.ศ. 1950 (พ.ศ. 2493)  หลังจากการประสบความสำเร็จอย่างมากของ มาตรฐานสัญญาณควบคุมนิวเมติก 3-15 psi  ต่อมาเมื่ออิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นของราคาถูกและน่าเชื่อถือเพียงพอ การเปลี่ยนผ่านได้เป็นไปอย่างค่อยเป็นค่อยไปจนมาถึงศตวรรตที่ 21 จนทำให้สัญญาณ 4-20mA เป็นที่นิยมสำหรับการส่งข้อมูลของเครื่องมือวัดในอุตสาหกรรม

หลักการทำงาน 4-20mA

การทำงานนั้นสัญญาณจะถูกส่งเป็นแบบ Linear ยกตัวอย่างเช่น เครื่องมือวัดที่มีช่วงการวัด 0-100 % ที่ 0 % เครื่องมือวัดจะส่งสัญญาณออกไป 4 mA และที่ 100 % เครื่องมือวัดจะส่งสัญญาณออกไป 20 mA ตามภาพตัวอย่าง

ทำไมต้อง 4-20mA

หลายคนคงสงสัยว่าทำไมต้องเป็น 4-20mA ทำไมไม่เป็น 0-20 mA สาเหตุที่ต้องเริ่มต้นจาก 4 mA ก็เพราะถ้าเราเริ่มจาก 0 mA จะทำให้เราไม่ทราบว่าตอนนี้เครื่องวัดเราเสียหายหรือว่าอยู่ในสถานะ 0% แต่ถ้าเราใช้ 4-20mA เราจะแยกแยะได้ทันทีว่าเครื่องมือวัดตัวนี้เสียหายหรืออยู่ในสถานะ 0% ถ้าวัดสัญญาณ Output ได้ 0 mA เท่ากับเสียหาย แต่ถ้าวัดสัญญาณ Output ได้ 4 mA เครื่องมือวัดยังใช้งานได้อยู่

ข้อดีของสัญญาณ 4-20mA

1. สามารถส่งสัญญาณได้ไกลถึง 1 km. (ขึ้นอยู่กับความต้านทานของสายไฟและโหลดของตัวรับสัญญาณ)
2. สัญญาณถูกรบกวนได้ยากมาก เนื่องจากเป็นสัญญาณกระแสไฟไม่ใช่แรงดันไฟ สัญญาณรบกวนจะเป็นสัญญาณแรงดันไฟซึ่งจะรบกวนเฉพาะแรงดันไฟ
3. ประหยัดงบประมาณในการเดินสาย เนื่องจากสัญญาณ 4-20mA สามารถรส่งทั้งสัญญาณและไฟเลี้ยงเครื่องมือวัดไปด้วยกันโดยใช้สายไฟเพียงแค่ 2 เส้น ซึ่งปกติจะต้องใช้สายไฟถึง 4 เส้น (ไฟเลี้ยง 2 เส้น และสัญญาณ 2 เส้น)

ข้อเสียของสัญญาณ 4-20mA

1. ใช้กับตัวรับสัญญาณได้เพียงแค่ตัวเดียว เนื่องจากข้อจำกัดในด้านโหลดของตัวรับเมื่อใช้ตัวรับหลายๆตัวจะทำให้สัญญาณ 4-20mA ลดลงจนมีผลต่อความแม่นยำของข้อมูล
2. ความยากในการใช้งานของผู้ใช้ระดับล่าง เนื่องจากสัญญาณชนิดนี้มีการต่อที่ไม่เหมือนสัญญาณแรงดันไฟซึ่งเป็นที่เคยชินของผู้ใช้ทั่วๆไป บางครั้งจึงอาจทำให้ผู้ใช้บางท่านรู้สึกว่าใช้ยากนั่นเอง

ลักษณะการเชื่อมต่อสัญญาณ 4-20mA

การเชื่อมต่อสัญญาณ 4-20 mA นั้นจะถูกแบ่งออกเป็น 3 ลักษณะใหญ่ๆดังนี้

การต่อสัญญาณ 4-20mA แบบ 2-wire

 การต่อลักษณะนี้ถูกออกแบบมาเพื่อลดต้นทุนของการเดินสายไฟโดยสามารถรส่งทั้งสัญญาณ Output และไฟเลี้ยงเครื่องมือวัดไปด้วยกันโดยใช้สายไฟเพียงแค่ 2 เส้น ซึ่งจะเป็นลักษณะการต่อที่ผู้ใช้ทั่วไปไม่เคยชิน ตัวอย่างการต่อแบบ 2-wire ตามภาพตัวอย่างด้านล่าง

การต่อสัญญาณ 4-20mA แบบ 3-wire

การต่อลักษณะนี้เป็นการต่อโดยใช้สาย Ground ร่วมกันระหว่างไฟเลี้ยงและสัญญาณ Output โดยจะใช้สายไฟในการต่อ 3 เส้น ตามภาพตัวอย่างด้านล่าง

การต่อสัญญาณ 4-20mA แบบ 4-wire

การต่อลักษณะนี้จะเป็นการต่อที่ผู้ใช้ทั่วไปคุ้นชินและง่ายที่สุด เพราะสัญญาณ Output และไฟเลี้ยงจะถูกแยกออกจากกันอย่างชัดเจน ตามภาพตัวอย่างด้านล่าง ถึงจะเป็นการต่อที่ง่ายก็จริงแต่ก็ทำให้เราต้องเพิ่มงบประมาณในการซื้อสายไฟมากขึ้นเพราะต้องใช้สายไฟถึง 4 เส้น แต่ถึงกระนั้นการต่อแบบนี้ก็ยังเป็นที่นิยมอยู่ในเมืองไทย เพราะจะเกิดความผิดพลาดในการเชื่อมต่อได้น้อยที่สุดนั่นเอง

ตัวอย่างเครื่องมือวัดที่ใช้สัญญาณ 4-20mA

ทางบริษัทเรามีเครื่องมือวัดที่สามารถส่งสัญญาณออกแบบ 4-20mA อยู่จำนวนมาก ยกตัวอย่างเช่น

1. เครื่องวัดอัตราการไหลของอากาศ
   • Mass flow meter
   • Turbine flow meter
   • Vortex flow meter
   • Coriolis flow meter
2. เครื่องวัดอัตราการไหลของเหลว
   • Ultrasonic flow meter
   • Magnetic flow meter
   • Oval gear flow meter
   • Coriolis flow meter
3. เครื่องวัดแก๊ส