Hai bài toán khác nhau trong cùng một vòng tín hiệu
Vòng 4–20 mA vừa mang thông tin đo, vừa có thể cấp năng lượng cho transmitter hai dây. Vì vậy cần kiểm tra cả phép quy đổi tín hiệu và khả năng duy trì dòng điện trong mạch. Một bảng scaling đúng không bảo đảm vòng có đủ điện áp; ngược lại một vòng đủ nguồn vẫn có thể hiển thị sai nếu dải đo trong hệ điều khiển khác dải đã cấu hình ở thiết bị.
Bài này xét một transmitter áp suất với đầu ra tuyến tính, mắc nối tiếp cùng bộ nhận và cáp. Các số điện áp, điện trở và dải đo trong ví dụ đều giả định. Không áp dụng trực tiếp cho một thiết bị cụ thể hoặc dùng làm căn cứ đánh giá một mạch an toàn nội tại. Mục tiêu là xây dựng phép kiểm tra có thể theo dõi được bằng đơn vị và cân bằng điện áp.
Ý nghĩa của 4 mA và 20 mA
NI mô tả vòng dòng gồm nguồn DC, transmitter, thiết bị nhận và dây nối, trong đó 4 mA đại diện đầu dưới của dải đo, 20 mA đại diện đầu trên. [1] Đầu dưới không nhất thiết là áp suất bằng không. Một thiết bị có thể được đặt dải −1 đến 9 bar; khi đó 4 mA tương ứng −1 bar và 20 mA tương ứng 9 bar.
Với tín hiệu tuyến tính, đặt LRV là giá trị dưới và URV là giá trị trên, cùng đơn vị kỹ thuật. Công thức là:
PV = LRV + [(I − 4)/16](URV − LRV)
I trong biểu thức này tính bằng mA; PV là giá trị đo. Dạng ngược là I = 4 + 16(PV−LRV)/(URV−LRV). Không dùng I tính bằng A trong một biểu thức vẫn giữ các số 4 và 16 theo mA. Nếu toàn bộ tính bằng A, hai hằng số tương ứng phải là 0,004 và 0,016.
Ví dụ scaling cho dải 0 đến 16 bar
Chọn LRV = 0 bar, URV = 16 bar. Dòng đo giả định I = 13,6 mA. Tỷ phần dải bằng (13,6−4)/16 = 0,60, nên PV = 9,6 bar. Tại 12 mA, tỷ phần là 0,50 và giá trị phải là 8 bar. Tại 4 mA phải về 0 bar; tại 20 mA phải về 16 bar. Ba điểm ấy tạo phép kiểm tra nhanh cho cấu hình tuyến tính.
Nếu hệ điều khiển vô tình được đặt 0–20 bar trong khi transmitter vẫn là 0–16 bar, cùng 13,6 mA sẽ hiển thị 12 bar. Sai lệch 2,4 bar không do độ chính xác cảm biến mà do hai đầu hiểu khác một tín hiệu. Thay transmitter sẽ không sửa được lỗi cấu hình này nếu dải nhận vẫn giữ nguyên.
Giả sử đầu vào dùng điện trở 250 Ω để biến dòng thành điện áp. Theo U = IR, 4 mA tạo 1 V; 20 mA tạo 5 V; 13,6 mA tạo 3,4 V. Analog Devices mô tả cách điện trở lấy mẫu chuyển tín hiệu vòng dòng thành điện áp cho ADC. [2] Khi đo điện áp trên shunt, phải xác nhận điện trở thực và cấu hình đầu vào; không suy ra dòng bằng một giá trị điện trở chỉ được đoán từ thói quen.
Ngân sách điện áp ở đầu trên của dòng
Đặt nguồn danh nghĩa V_s = 24 V, điện áp tối thiểu cần tại transmitter V_tx,min = 12 V. Giả định một phần tử nối tiếp khác cần 4 V, điện trở đầu vào 250 Ω và tổng điện trở hai chiều dây dẫn 100 Ω. Dòng lớn nhất dùng kiểm tra là 22 mA theo giả thiết ví dụ, nhằm minh họa việc điểm cần kiểm tra có thể cao hơn 20 mA danh nghĩa nếu cấu hình thiết bị cho phép.
V_margin = V_s − V_tx,min − V_fixed − I_max(R_in + R_wire)
Với I_max = 0,022 A, sụt áp trên tổng 350 Ω là 7,7 V. Điện áp dự trữ còn 24 − 12 − 4 − 7,7 = 0,3 V. Ở 20 mA, dự trữ là 1,0 V. Một phép kiểm tra chỉ tại 4 mA sẽ bỏ qua điểm khó nhất về sụt áp trong mô hình điện trở này.
NI và Analog Devices đều giải thích rằng nguồn phải đáp ứng tổng các sụt áp để vòng duy trì dòng yêu cầu. [1][2] Kết quả dự trữ dương 0,3 V chỉ cho thấy bộ số danh nghĩa khép kín, không chứng minh đủ dự trữ cho mọi dung sai, nhiệt độ hoặc biến thiên nguồn. Cần dùng giá trị biên đúng từ tài liệu thiết bị, không chọn một biên tự đặt rồi gọi đó là yêu cầu chung.
Độ nhạy với nguồn và chiều dài dây
Nếu nguồn giả định giảm 10%, từ 24 xuống 21,6 V, giữ các điều kiện khác, điện áp dự trữ ở 22 mA thành −2,1 V. Mô hình cho thấy không đủ điện áp để duy trì đầy đủ các yêu cầu đang đặt ra. Không nên mô tả hiện tượng này như tín hiệu “tự bù mọi điện trở dây”: truyền dòng có ưu điểm, nhưng vẫn có giới hạn điện áp khả dụng.
Từ công thức, tổng điện trở tối đa theo bộ số danh nghĩa là (24−12−4)/0,022 = 363,636 Ω. Trừ 250 Ω đầu vào, phần dành cho dây còn 113,636 Ω. Với giả định dây hiện có 100 Ω, khoảng dư về điện trở chỉ là 13,636 Ω. Đây là kết quả của ví dụ, không phải giới hạn chiều dài cáp dùng chung cho mọi vòng 4–20 mA.
Nếu điện trở dây tăng thêm 20 Ω, sụt áp ở 22 mA tăng 0,44 V, lớn hơn phần dự trữ 0,3 V. Phép so sánh này chỉ cần đại số đơn giản nhưng giúp nhận diện dữ liệu cần làm rõ: điện áp tối thiểu thực của nguồn, dòng báo lỗi thực, điện trở cáp theo nhiệt độ và sụt áp các phần tử nối tiếp.
Độ phân giải không thay cho độ chính xác
Giả sử sai lệch dòng của một chuỗi đo được đánh giá là 0,04 mA theo một kịch bản. Với dải 0–16 bar, tác động scaling tương ứng 0,04 bar; với dải 0–40 bar, cùng sai lệch dòng tương ứng 0,10 bar. Dải kỹ thuật càng rộng thì một sai lệch dòng tuyệt đối tạo sai lệch giá trị đo càng lớn. Đây là quan hệ quy đổi, chưa phải ngân sách độ không đảm bảo hoàn chỉnh.
Nếu ADC có nhiều bit, bước lượng tử có thể rất nhỏ, nhưng offset, sai số gain, nhiệt độ và điện trở shunt vẫn tồn tại. Hiển thị thêm chữ số sau dấu phẩy không tự làm phép đo tốt hơn. Để đánh giá toàn vòng, cần phân biệt sai số cảm biến, transmitter, chuyển đổi dòng–áp, ADC và scaling; cũng cần biết các thông số đang được công bố theo phần trăm số đọc hay phần trăm dải.
Giá trị ngoài dải và trạng thái thiết bị
Fluke giải thích lợi ích của live zero: 0 mA có thể được phân biệt với đầu dưới hợp lệ ở 4 mA. [3] Nhưng không nên diễn giải mọi dòng thấp hơn 4 mA bằng một quy tắc báo lỗi tự đặt. Các giá trị underrange, overrange và báo lỗi phụ thuộc cấu hình, giao thức và tài liệu thiết bị. Hệ điều khiển cần giữ thông tin chất lượng tín hiệu phù hợp.
Nếu phần mềm ép mọi dòng dưới 4 mA thành giá trị 0 bar mà không lưu trạng thái, người vận hành có thể mất khả năng phân biệt một áp suất thấp hợp lệ với một vấn đề vòng đo. Việc xử lý ngoài dải phải theo yêu cầu chức năng đã xác định. Bài tính này không quy định điểm trip hoặc ngưỡng báo động; nó giúp kiểm tra rằng một tín hiệu được hiểu đúng và mạch có đủ điều kiện điện để truyền tín hiệu ấy.
Nguồn tham khảo
[1] 4-20 mA Current Loop Fundamentals, System Design, and Setup — NI. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] AN-1312: Applying the ADE7912/ADE7913 to 4 mA to 20 mA DC Measurements — Analog Devices. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] What Is a 4-20 mA Current Loop? — Fluke. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
Vòng 4–20 mA vừa mang thông tin đo, vừa có thể cấp năng lượng cho transmitter hai dây. Vì vậy cần kiểm tra cả phép quy đổi tín hiệu và khả năng duy trì dòng điện trong mạch. Một bảng scaling đúng không bảo đảm vòng có đủ điện áp; ngược lại một vòng đủ nguồn vẫn có thể hiển thị sai nếu dải đo trong hệ điều khiển khác dải đã cấu hình ở thiết bị.
Bài này xét một transmitter áp suất với đầu ra tuyến tính, mắc nối tiếp cùng bộ nhận và cáp. Các số điện áp, điện trở và dải đo trong ví dụ đều giả định. Không áp dụng trực tiếp cho một thiết bị cụ thể hoặc dùng làm căn cứ đánh giá một mạch an toàn nội tại. Mục tiêu là xây dựng phép kiểm tra có thể theo dõi được bằng đơn vị và cân bằng điện áp.
Ý nghĩa của 4 mA và 20 mA
NI mô tả vòng dòng gồm nguồn DC, transmitter, thiết bị nhận và dây nối, trong đó 4 mA đại diện đầu dưới của dải đo, 20 mA đại diện đầu trên. [1] Đầu dưới không nhất thiết là áp suất bằng không. Một thiết bị có thể được đặt dải −1 đến 9 bar; khi đó 4 mA tương ứng −1 bar và 20 mA tương ứng 9 bar.
Với tín hiệu tuyến tính, đặt LRV là giá trị dưới và URV là giá trị trên, cùng đơn vị kỹ thuật. Công thức là:
PV = LRV + [(I − 4)/16](URV − LRV)
I trong biểu thức này tính bằng mA; PV là giá trị đo. Dạng ngược là I = 4 + 16(PV−LRV)/(URV−LRV). Không dùng I tính bằng A trong một biểu thức vẫn giữ các số 4 và 16 theo mA. Nếu toàn bộ tính bằng A, hai hằng số tương ứng phải là 0,004 và 0,016.
Ví dụ scaling cho dải 0 đến 16 bar
Chọn LRV = 0 bar, URV = 16 bar. Dòng đo giả định I = 13,6 mA. Tỷ phần dải bằng (13,6−4)/16 = 0,60, nên PV = 9,6 bar. Tại 12 mA, tỷ phần là 0,50 và giá trị phải là 8 bar. Tại 4 mA phải về 0 bar; tại 20 mA phải về 16 bar. Ba điểm ấy tạo phép kiểm tra nhanh cho cấu hình tuyến tính.
Nếu hệ điều khiển vô tình được đặt 0–20 bar trong khi transmitter vẫn là 0–16 bar, cùng 13,6 mA sẽ hiển thị 12 bar. Sai lệch 2,4 bar không do độ chính xác cảm biến mà do hai đầu hiểu khác một tín hiệu. Thay transmitter sẽ không sửa được lỗi cấu hình này nếu dải nhận vẫn giữ nguyên.
Giả sử đầu vào dùng điện trở 250 Ω để biến dòng thành điện áp. Theo U = IR, 4 mA tạo 1 V; 20 mA tạo 5 V; 13,6 mA tạo 3,4 V. Analog Devices mô tả cách điện trở lấy mẫu chuyển tín hiệu vòng dòng thành điện áp cho ADC. [2] Khi đo điện áp trên shunt, phải xác nhận điện trở thực và cấu hình đầu vào; không suy ra dòng bằng một giá trị điện trở chỉ được đoán từ thói quen.
Ngân sách điện áp ở đầu trên của dòng
Đặt nguồn danh nghĩa V_s = 24 V, điện áp tối thiểu cần tại transmitter V_tx,min = 12 V. Giả định một phần tử nối tiếp khác cần 4 V, điện trở đầu vào 250 Ω và tổng điện trở hai chiều dây dẫn 100 Ω. Dòng lớn nhất dùng kiểm tra là 22 mA theo giả thiết ví dụ, nhằm minh họa việc điểm cần kiểm tra có thể cao hơn 20 mA danh nghĩa nếu cấu hình thiết bị cho phép.
V_margin = V_s − V_tx,min − V_fixed − I_max(R_in + R_wire)
Với I_max = 0,022 A, sụt áp trên tổng 350 Ω là 7,7 V. Điện áp dự trữ còn 24 − 12 − 4 − 7,7 = 0,3 V. Ở 20 mA, dự trữ là 1,0 V. Một phép kiểm tra chỉ tại 4 mA sẽ bỏ qua điểm khó nhất về sụt áp trong mô hình điện trở này.
NI và Analog Devices đều giải thích rằng nguồn phải đáp ứng tổng các sụt áp để vòng duy trì dòng yêu cầu. [1][2] Kết quả dự trữ dương 0,3 V chỉ cho thấy bộ số danh nghĩa khép kín, không chứng minh đủ dự trữ cho mọi dung sai, nhiệt độ hoặc biến thiên nguồn. Cần dùng giá trị biên đúng từ tài liệu thiết bị, không chọn một biên tự đặt rồi gọi đó là yêu cầu chung.
Độ nhạy với nguồn và chiều dài dây
Nếu nguồn giả định giảm 10%, từ 24 xuống 21,6 V, giữ các điều kiện khác, điện áp dự trữ ở 22 mA thành −2,1 V. Mô hình cho thấy không đủ điện áp để duy trì đầy đủ các yêu cầu đang đặt ra. Không nên mô tả hiện tượng này như tín hiệu “tự bù mọi điện trở dây”: truyền dòng có ưu điểm, nhưng vẫn có giới hạn điện áp khả dụng.
Từ công thức, tổng điện trở tối đa theo bộ số danh nghĩa là (24−12−4)/0,022 = 363,636 Ω. Trừ 250 Ω đầu vào, phần dành cho dây còn 113,636 Ω. Với giả định dây hiện có 100 Ω, khoảng dư về điện trở chỉ là 13,636 Ω. Đây là kết quả của ví dụ, không phải giới hạn chiều dài cáp dùng chung cho mọi vòng 4–20 mA.
Nếu điện trở dây tăng thêm 20 Ω, sụt áp ở 22 mA tăng 0,44 V, lớn hơn phần dự trữ 0,3 V. Phép so sánh này chỉ cần đại số đơn giản nhưng giúp nhận diện dữ liệu cần làm rõ: điện áp tối thiểu thực của nguồn, dòng báo lỗi thực, điện trở cáp theo nhiệt độ và sụt áp các phần tử nối tiếp.
Độ phân giải không thay cho độ chính xác
Giả sử sai lệch dòng của một chuỗi đo được đánh giá là 0,04 mA theo một kịch bản. Với dải 0–16 bar, tác động scaling tương ứng 0,04 bar; với dải 0–40 bar, cùng sai lệch dòng tương ứng 0,10 bar. Dải kỹ thuật càng rộng thì một sai lệch dòng tuyệt đối tạo sai lệch giá trị đo càng lớn. Đây là quan hệ quy đổi, chưa phải ngân sách độ không đảm bảo hoàn chỉnh.
Nếu ADC có nhiều bit, bước lượng tử có thể rất nhỏ, nhưng offset, sai số gain, nhiệt độ và điện trở shunt vẫn tồn tại. Hiển thị thêm chữ số sau dấu phẩy không tự làm phép đo tốt hơn. Để đánh giá toàn vòng, cần phân biệt sai số cảm biến, transmitter, chuyển đổi dòng–áp, ADC và scaling; cũng cần biết các thông số đang được công bố theo phần trăm số đọc hay phần trăm dải.
Giá trị ngoài dải và trạng thái thiết bị
Fluke giải thích lợi ích của live zero: 0 mA có thể được phân biệt với đầu dưới hợp lệ ở 4 mA. [3] Nhưng không nên diễn giải mọi dòng thấp hơn 4 mA bằng một quy tắc báo lỗi tự đặt. Các giá trị underrange, overrange và báo lỗi phụ thuộc cấu hình, giao thức và tài liệu thiết bị. Hệ điều khiển cần giữ thông tin chất lượng tín hiệu phù hợp.
Nếu phần mềm ép mọi dòng dưới 4 mA thành giá trị 0 bar mà không lưu trạng thái, người vận hành có thể mất khả năng phân biệt một áp suất thấp hợp lệ với một vấn đề vòng đo. Việc xử lý ngoài dải phải theo yêu cầu chức năng đã xác định. Bài tính này không quy định điểm trip hoặc ngưỡng báo động; nó giúp kiểm tra rằng một tín hiệu được hiểu đúng và mạch có đủ điều kiện điện để truyền tín hiệu ấy.
Nguồn tham khảo
[1] 4-20 mA Current Loop Fundamentals, System Design, and Setup — NI. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] AN-1312: Applying the ADE7912/ADE7913 to 4 mA to 20 mA DC Measurements — Analog Devices. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] What Is a 4-20 mA Current Loop? — Fluke. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
