[Fundamental] สัญญาณมาตรฐาน 4–20 mA

Photo by Pim Chu on Unsplash

สัญญาณมาตรฐาน 4–20 mA

สัญญาณกระแสไฟที่ถูกใช้เป็นมาตรฐานสำหรับส่งสัญญาณของเครื่องมือวัดในอุตสาหกรรมซึ่งเป็นที่นิยมและแพร่หลายในปัจจุบัน โดยสัญญาณ 4–20mA ได้ถือกำเนิดขึ้นในช่วงยุคปี ค.ศ.1950 (พ.ศ. 2493) หลังจากการประสบความสำเร็จอย่างมากของมาตรฐานสัญญาณควบคุมนิวเมติก 3–15 psi ต่อมาเมื่ออิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นของราคาถูกและน่าเชื่อถือเพียงพอ การเปลี่ยนผ่านได้เป็นไปอย่างค่อยเป็นค่อยไปจนมาถึงศตวรรษที่ 21 จนทำให้สัญญาณ 4–20mA เป็นที่นิยมสำหรับการส่งข้อมูลของเครื่องมือวัดในอุตสาหกรรม

4–20 mA Graph

หลักการทำงาน 4–20mA

การทำงานนั้นสัญญาณจะถูกส่งเป็นแบบ Linear ยกตัวอย่างเช่น เครื่องมือวัดที่มีช่วงการวัด 0–100% ที่ 0 % เครื่องมือวัดจะส่งสัญญาณออกไป 4mA และที่ 100% เครื่องมือวัดจะส่งสัญญาณออกไป 20mA ตามกราฟด้านบน

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. สัญญาณลูปสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ระยะไกลได้โดยใช้พลังงานจากคอนโทรลเลอร์ทำให้ไม่จำเป็นต้องเดินสายไฟ ผู้ผลิตเครื่องมือวัดจำนวนมากผลิตเซ็นเซอร์ 4–20 mA ซึ่งเป็น “ ขับเคลื่อนลูป ”
2. ความแม่นยำของสัญญาณไม่ได้รับผลกระทบจากแรงดันตกในสายไฟที่เชื่อมต่อถึงกัน
3. ประหยัดงบประมาณในการเดินสาย เนื่องจากสัญญาณ 4–20mA สามารถรส่งทั้งสัญญาณและไฟเลี้ยงเครื่องมือวัดไปด้วยกันโดยใช้สายไฟเพียงแค่ 2 เส้น ซึ่งปกติจะต้องใช้สายไฟถึง 4 เส้น (ไฟเลี้ยง 2 เส้น และสัญญาณ 2 เส้น)
4. Loop powered“I ถึง P” (กระแสถึงความดัน) คอนเวอร์เตอร์สามารถแปลงสัญญาณ 4–20 mA เป็นเอาท์พุทนิวเมติก 3–15 psi สำหรับวาล์วควบคุม

Showing the evolution of analogue control loop signalling from the pneumatic era to the electronic era.

ลักษณะการเชื่อมต่อสัญญาณ 4–20 mA

1. การเชื่อมต่อสัญญาณ 4–20mA แบบ 2 Wire

การต่อลักษณะนี้ถูกออกแบบมาเพื่อลดต้นทุนของการเดินสายไฟโดยสามารถรส่งทั้งสัญญาณ Output และไฟเลี้ยงเครื่องมือวัดไปด้วยกันโดยใช้สายไฟเพียงแค่ 2 เส้น ซึ่งจะเป็นลักษณะการต่อที่ผู้ใช้ทั่วไปไม่เคยชิน ตัวอย่างการต่อแบบ 2-wire ตามภาพตัวอย่างด้านล่าง

2. การเชื่อมต่อสัญญาณ 4–20mA แบบ 3 Wire

การต่อลักษณะนี้เป็นการต่อโดยใช้สาย Ground ร่วมกันระหว่างไฟเลี้ยงและสัญญาณ Output โดยจะใช้สายไฟในการต่อ 3 เส้น ตามภาพตัวอย่างด้านล่าง

3. การเชื่อมต่อสัญญาณ 4–20mA แบบ 4 Wire

การต่อลักษณะนี้จะเป็นการต่อที่ผู้ใช้ทั่วไปคุ้นชินและง่ายที่สุด เพราะสัญญาณ Output และไฟเลี้ยงจะถูกแยกออกจากกันอย่างชัดเจน ตามภาพตัวอย่างด้านล่าง ถึงจะเป็นการต่อที่ง่ายก็จริงแต่ก็ทำให้เราต้องเพิ่มงบประมาณในการซื้อสายไฟมากขึ้นเพราะต้องใช้สายไฟถึง 4 เส้น แต่ถึงกระนั้นการต่อแบบนี้ก็ยังเป็นที่นิยมอยู่ในเมืองไทย เพราะจะเกิดความผิดพลาดในการเชื่อมต่อได้น้อยที่สุดนั่นเอง

Pressure คืออะไร?

Pressure หรือ ความดันเป็นปริมาณชนิดหนึ่งในทางฟิสิกส์ หมายถึงแรงที่กระทำตั้งฉากต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ มีหน่วยเป็น Pa (ปาสคาล), N·m-2 (นิวตันต่อตารางเมตร), kg·m-1·s-2(กิโลกรัมต่อเมตรต่อวินาทีกำลังสอง) หน่วยเหล่านี้จะอยู่ในระบบ SI Unit แต่ยังมีหน่วยที่นิยมใช้กันคือ mmHg (มิลลิเมตรปรอท) ซึ่งหน่วยนี้เป็นหน่วยในรูปความสูงของปรอท ไม่ได้เป็นหน่วยที่อยู่ในระบบ SI Unit และยังมีอีกหนึ่งหน่วยที่ควรรู้จักนั้นคือ Psi (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ซึ่งเป็นหน่วยอังกฤษ

เราสามารถแปลงหน่วยจาก mmHg เป็น Pa ได้โดย

760 mmHg = 1.01325 × 105 Pa

1 × 103 Pa มีค่าเท่ากับ 1 kPa;

1.01325 × 105 Pa = 1.01325 × 102 kPa = 1 atm (atmosphere)

ตารางเปรียบเทียบหน่วยวัดความดัน

ความดันเป็นปริมาณสเกลาร์ซึ่งเป็นปริมาณที่มีแต่ขนาดไม่มีทิศทาง จากความหมายของความดันที่ว่า “แรงที่กระทำตั้งฉากต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่” สามารถนำมาเขียนสูตรในการหาแรงดันได้ ดังนี้

ความดัน Pressure มีกี่แบบ

รูปแบบของความดันจะแตกต่างกันไปตามจุดอ้างอิง (Reference) ที่มีค่าเป็นศูนย์ ในทางปฏิบัติจะมีด้วยกัน 4 รูปแบบ ได้แก่

ความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure)

คำจำกัดความของความดันสัมบูรณ์คือความดันที่ไม่มีเรื่องภายในพื้นที่หรือสูญญากาศที่สมบูรณ์แบบ การวัดจะถูกใช้โดยความดันสัมบูรณ์ใช้ศูนย์สัมบูรณ์นี้เป็นจุดอ้างอิง ตัวอย่างที่ดีที่สุดของความดันอ้างอิงแบบสัมบูรณ์คือการวัดความดันบรรยากาศ เพื่อผลิตเซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์ผู้ผลิตจะผนึกสุญญากาศสูงไว้ด้านหลังไดอะแฟรมตรวจจับ ดังนั้นหากคุณเปิดการเชื่อมต่อแรงดันในกระบวนการของเครื่องส่งสัญญาณความดันสัมบูรณ์กับอากาศมันจะอ่านค่าความดันบรรยากาศที่เกิดขึ้นจริง

แล้วคุณจะรู้ได้อย่างไรว่าเมื่อใดที่ต้องวัดความดันสัมบูรณ์หรือเมื่อใดที่จะวัดความดันมาตรวัด

สิ่งนี้ไม่ได้ตรงไปตรงมาเสมอ แต่โดยทั่วไปถ้าคุณต้องการวัดหรือควบคุมแรงดันที่ได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศเช่นระดับของของเหลวในถังเปิดเช่น คุณจะเลือกความดันเกจที่ระบายอากาศตามที่คุณสนใจในการอ่านค่าความดันลบด้วยองค์ประกอบความดันบรรยากาศ

หากคุณต้องการวัดแรงกดดันที่ไม่ได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศเช่น การทดสอบการรั่วของภาชนะบรรจุที่ไม่มีความยืดหยุ่นปิดผนึกอย่างสมบูรณ์คุณจะต้องใช้เซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์ หากใช้เซ็นเซอร์ความดันแบบเกจแทนการวัดความดันของภาชนะและความดันบรรยากาศเปลี่ยนไปการอ่านค่าของเซ็นเซอร์จะเปลี่ยนแม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าความดันในภาชนะจะยังคงเหมือนเดิม

ความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure) คือการวัดความดันเทียบกับภาวะสุญญากาศ สัญลักษณ์ที่ใช้คือ “a” หรือ “abs” ซึ่งจะเขียนสัญลักษณ์นั้นไว้ต่อท้ายชื่อหน่วย เช่น barabs, Psia เป็นต้น ความดันสัมบูรณ์มีค่า เท่ากับ 101.325 kpa ที่ความดันบรรยากาศ (1 atm) ค่าความดันสัมบูรณ์จะใช้สำหรับในการคำนวณทาง Thermodynamic เป็นส่วนใหญ่ เช่นการหา Boiler Efficiency เป็นต้น

ความดันเกจ (Gauge Pressure)

การอ้างอิงแรงดันที่พบมากที่สุดคือแรงดันเกจซึ่งมีความหมายโดย ‘g’ หลังจากหน่วยความดันเช่น 30 psig มาตรวัดความดันวัดจากความสัมพันธ์กับความดันบรรยากาศโดยรอบ การเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศเนื่องจากสภาพอากาศหรือระดับความสูงมีอิทธิพลโดยตรงต่อการส่งออกของเซ็นเซอร์ความดันเกจ มาตรวัดความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศจะเรียกว่าแรงดันบวก หากความดันที่วัดได้ต่ำกว่าความดันบรรยากาศจะเรียกว่าแรงดันลบหรือมาตรวัดสูญญากาศ

เซ็นเซอร์ความดันเกจมักจะมีพอร์ตแรงดันเพียงพอร์ตเดียว ความกดอากาศโดยรอบจะถูกส่งผ่านรูระบายหรือท่อระบายไปทางด้านหลังขององค์ประกอบตรวจจับ เครื่องส่งสัญญาณแรงดันเกจวัดลมช่วยให้แรงดันอากาศภายนอกสัมผัสกับด้านลบของไดอะแฟรมตรวจจับแรงดันเพื่อให้สามารถวัดได้เสมอโดยอ้างอิงกับความดันบรรยากาศโดยรอบ ดังนั้นเซ็นเซอร์ความดันเกจที่มีช่องระบายอากาศจะอ่านค่าความดันเป็นศูนย์เมื่อการเชื่อมต่อแรงดันในกระบวนการนั้นถูกเปิดไว้กับอากาศในบรรยากาศ

การอ้างอิงมาตรวัดที่ปิดสนิทนั้นคล้ายกันมากยกเว้นความดันบรรยากาศจะถูกปิดผนึกที่ด้านลบของไดอะแฟรม โดยปกติจะใช้กับงานแรงดันสูงเช่นการวัดแรงดันไฮดรอลิกซึ่งการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศจะมีผลเพียงเล็กน้อยต่อความแม่นยำของเซ็นเซอร์ คำจำกัดความของความดันเกจที่ปิดผนึกคือความดันที่วัดได้ผ่านอุปกรณ์ปิดผนึกที่ตั้งค่าเป็นศูนย์ ชุดนี้เป็นสิ่งที่ความดันภายในของอุปกรณ์เป็นก่อนที่จะปิดผนึกซึ่งผู้ผลิตเครื่องวัดความดันปิดผนึกตัดสินใจ

ความดันเกจ (Gauge Pressure) คือ ความดันที่วัดเทียบกับความดันของบรรยากาศ ถ้าต่ำกว่าความดันบรรยากาศจะเรียกว่า ความดันเกจลบ (Negative Gauge Pressure หรือ Vacuum) และถ้าสูงกว่าความดันบรรยากาศ จะเรียกว่า ความดันเกจบวก (Positive Gauge Pressure)

โดยส่วนใหญ่ในงานอุตสาหกรรมจะบอกเป็นความดันเกจแทบทั้งสิ้น โดย Gauge Pressure จะมีค่าเป็น 0 ที่ความดันบรรยากาศ สัญลักษณ์ที่ใช้คือ “g” หรือ “G” ซึ่งจะเขียนสัญลักษณ์นั้นไว้ต่อท้ายชื่อหน่วย เช่น barg, Psig เป็นต้น

ความดันดิฟเฟอเรนเชียล (Differential Pressure)

ความดันดิฟเฟอเรนเชียล (Differential Pressure) เป็นการบอกค่าความแตกต่างของความดันระหว่างจุด 2 จุดความดันดิฟเฟอเรนเชียลจะมีค่าเป็นศูนย์ที่ความดันทั้ง 2 จุดที่วัดมีค่าเท่ากัน ค่าความดันแตกต่างจะมีตัวย่อต่อท้ายว่า “d “หรือ “D” เช่น Psid เป็นต้น บางครั้งอาจเรียกว่า delta P (ΔP)

สุญญากาศ (Vacuum)

สุญญากาศ (Vacuum) ความดันจากความดันศูนย์สัมบูรณ์ไปจนถึงความดันบรรยากาศ เป็นค่าที่ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ สัญลักษณ์ที่ใช้คือ Pvac เช่น mmHgvac

ภาพแสดงจุดอ้างอิงของความดันในแต่ละรูปแบบ

Deadband คืออะไร

Deadband หรือ Dead Zone คือ ความแตกต่างระหว่างจุด set point และจุดที่สวิตช์ถูกกระตุ้น หรือเป็นบริเวณที่มีขนาดของสัญญาณทางด้านอินพุตแต่ไม่มีค่าสัญญาณทางด้านเอาต์พุตเกิดขึ้น จนเกิดเป็นบริเวณที่ไร้การตอบสนอง

การคำนวณหา Deadband คุณต้องตรวจสอบการเพิ่มขึ้นและการลดลงของความดันที่จุด set point โดยขั้นตอนแรกให้ใช้โอห์มมิเตอร์หรือดิจิตอลมัลติมิเตอร์ ตรวจสอบดูว่าการตั้งค่าหน้าสัมผัสของสวิตช์ความดันมันถูกต้องหรือไม่ สำหรับ Normally Closed (NC) หรือ Normally Open (NO) จากนั้นเชื่อมต่อเทอร์มินัลเข้าไปที่วงจร NO และอ่านค่าที่แสดงเพื่อตรวจสอบว่าเป็น Normally Open (NO) เพิ่มค่าที่จุด set point จนกว่าหน้าสัมผัสจะตีกลับ และมิเตอร์แสดงการเพิ่มขึ้นของความดันที่จุด set point

จากนั้นเริ่มต้นที่จุดตั้งค่าสูงสุด ลดการตั้งค่าจาก NC เป็น NO มิเตอร์จะแสดงการลดลงของความดันที่จุด set point การหักล้างการเพิ่มขึ้นของความดันที่จุด set point จากการลดลงของความดันที่จุด set point จะทำให้เกิด Deadband

3 อย่างที่วิศวกรใช้ Pressure แบบผิดๆ

วิศวกรหลายคนอาจจะเคยใช้ เครื่อง pressure (อุปกรณ์วัดแรงดัน) กันมาบ้างแล้ว แต่รู้ไหมว่ามากกว่า 50% ที่วิศวกรยังทำผิดอยู่ วันนี้เราจะมาทำความรู้จัก และวิธีที่วิศวกรชอบทำผิดกัน

ก่อนอื่นเรามารู้จักกันก่อนว่า อุปกรณ์วัดแรงดัน (Pressure) คือ อุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดและควบคุมแรงดัน โดยอุปกรณ์สามารถที่จะระบุค่าแรงดันออกมาในหน่วยต่างๆ ได้ ขึ้นอยู่กับรุ่นและการสั่งซื้อ โดยปกติเราจะต้องเลือกด้วยว่าต้องการใช้งานแบบใด ดังนี้

เพรสเชอร์เกจ (pressure gauge) หรือเกจวัดแรงดัน นิยมใช้สำหรับวัดค่าความดันทั่ว ๆ ไป อ่านค่าความดันได้ที่หน้าปัด ส่วนใหญ่เป็นแบบอนาล็อกหรือแบบเข็ม แบ่งเป็น

• pressure gauge (ใช้วัดได้เฉพาะย่านวัดแรงดันปกติ)
• vacuum gauge (ใช้วัดได้เฉพาะย่านวัดสุญญากาศ)
• compound gauge (ใช้วัดได้ทั้งย่านวัดแรงดันปกติและย่านวัดสุญญากาศ)

เพรชเชอร์สวิตซ์ (pressureswitch) หรือสวิตซ์ความดัน และเพรสเชอร์ทรานมิสเตอร์ (pressure transmitter) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดแรงดันและสามารถแปลงค่าความดันเป็นสัญญาณทางไฟฟ้ามาตรฐานได้ นิยมใช้ในระบบที่ต้องมีการควบคุมความดัน มักมีการทำงานแบบดิจิตอล ON-OFF

1) Gauge vs. Absolute P

ก่อนอื่นต้องรู้ว่าความดันที่เห็นที่ Pressure gauge จะเป็น gauge P แต่ถ้าเป็นสุญญากาศ ก็จะต้องใช้ vacuum gauge ซึ่งโชว์ค่าเป็น gauge P ที่ติดลบ!!

Abs P = Gauge P + 1 ATM

คุณควรฝึกนิสัยเขียนหน่วย pressure ให้ชัด เช่นไม่ควรเขียนแค่ 1 bar แต่ควรเขียนให้ชัดว่าเป็น 1 bara หรือ 1 barg แต่ถ้าเป็น pressure drop หน่วยคือแค่ bar เฉยๆ ไม่ต้องไปใส่ a หรือ g ข้างหลัง ผมเห็นวิศวกรทำผิดมานักต่อนักแล้ว!!

2) Absolute P

ถ้า Centrifugal compressor ทำ Pressure ratio = 2 หมายความว่าถ้าขาเข้า suction P = 0.5 barg ขาออก discharge P ควรเป็นเท่าไร?

วิศวกรส่วนใหญ่จะตอบว่า 1 barg ซึ่งไม่ถูกต้อง / ความจริงคุณต้องคิดเป็น bara หมายความว่า 0.5 barg = 1.5 bara ดังนั้น discharge P = 1.5 bara x 2 = 3 bara (2 barg) คือคำตอบที่ถูกต้อง!!

เวลาคำนวณ gas law และ critical (choked) flow pressure ratio (สัดส่วนความดันขาออกต่อขาเข้า P2/P1 ที่ทำให้ก๊าซเริ่มเป็นความเร็วเสียง) ก็ต้องใช้ abs P เช่นกัน จำไว้!!

3) Gauge P

เวลาคำนวณ Hydrotest pressure คุณต้องใช้เป็น gauge P เพราะASME code กำหนดมาตรฐานการคำนวณมาแบบนั้น ASME code นิยาม Pressure vessel ว่าคือ vessel ที่ต้องกักเก็บ pressure ตั้งแต่ 1 barg ขึ้นไป จึงไม่มีปัญหาค่าต่ำหรือติดลบแถว vacuum หรือ low P!! เช่น Design P = 10 barg, Test Pressure = 1.3 x 10 barg = 13 barg.

เวลาคำนวณ safety valve overpressure (ส่วนต่างความดันที่เพิ่มขึ้นเหนือ set P เวลาที่ relieve pressure) ที่ก็ต้องใช้ gage P เช่นถ้า set P = 10 barg, allowable overpressure 10% = 10 barg x 10% = 1 barg หมายความว่า safety valve จะเริ่มเปิดที่ set P = 10 barg แต่จะมี Relieving pressure = set P + overpressure = 10 + 1 (10%) = 11 barg

แต่ตอนที่คำนวณ orifice area ที่จะใช้ Relieving pressure (P1) ในการคำนวณ ต้องใช้เป็น abs P คือ Relieving pressure = 11 barg + 1.013 bar (1 ATM) = 12.013 bara เมื่อรู้ถึงการใช้งานแล้ววิศวกรไม่ควรดันทุรังใช้แบบผิดๆ กันต่อไป ควรมาปรับใช้ให้ถูกต้อง เพื่อความแม่นยำในการใช้งาน

Pressure Switch สวิตช์ความดัน

Pressure Switch คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมระบบเมื่อความดันเกิดความเปลี่ยนแปลงสูงกว่าหรือต่ำกว่าระดับความดันเกณฑ์ที่ตั้งไว้ นิยมใช้มากในระบบควบคุมความดันของหม้อไอน้ำ ปั๊มลม ไฮดรอลิค เป็นต้น ถือว่าเป็นอุปกรณ์ความปลอดภัยชนิดหนึ่ง นอกเหนือไปจากวาวล์ระบายความดัน

เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจสอบความดันในระบบและส่งเอาต์พุตออกมาเมื่อถึงค่าความดันที่ตั้งไว้ (set point) สวิตช์ความดันจะทำงานโดยการใช้ความดันระบบกับไดอะแกรมหรือลูกสูบ เพื่อสร้างแรงเปรียบเทียบกับพิกัดสปริงอัดช่วงก่อนหน้า

สวิตช์ความดันใช้สำหรับตรวจจับการมีอยู่ของความดันของเหลว Pressure Switch ส่วนใหญ่จะใช้ไดอะเฟรมหรือส่วนเซ็นเซอร์ การเคลื่อนที่ของเซ็นเซอร์จะใช้เปิดหน้าสัมผัสสวิตช์ 1 อันหรือมากกว่า เพื่อใช้ระบุสัญญาณเตือนหรือเริ่มต้นการดำเนินการควบคุม สวิตช์ความดันจะมีการออกแบบส่วนการตรวจจับหรือเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกัน แบบที่พบบ่อยที่สุดก็คือ แบบไดอะแฟรมและลูกสูบลม

หลังจากรู้แล้วว่า Pressure Switch หรือสวิตช์ความดัน มีไว้สำหรับทำอะไร ใช้ในงานใดบ้าง ทำให้เราเข้าใจอย่างคร่าวๆ ถึงสวิตช์แบบนี้ แต่ถ้าต้องการรายละเอียดมากกว่านี้ ต้องไปอ่านในบทความบทต่อไปที่จะอธิบายถึงหลักการทำงานของ Pressure Switch ที่จะทำให้คุณเข้าใจว่าความดันมีความเกี่ยวข้องกับหน้าสัมผัสหรือคอนแทคอย่างไร จึงทำให้สวิตช์ชนิดนี้ทำงานได้

หลักการทำงานของ Pressure Switch

ตามการออกแบบนี้จะมีสวิตช์ไฟฟ้าแยกกัน 2 สวิตช์ แต่ละอันจะทำงานโดยผลักคันโยกที่ทนต่อลูกสูบ ซึ่งตำแหน่งนี้จะถูกควบคุมด้วยแรงไฮดรอลิกและแรงสปริง ความดันที่สวิตช์ทำงานนั้นถูกเลือกโดยการหมุนปรับสกรู เพื่อเพิ่มหรือลดแรงสปริง

สวิตช์จะทำงานด้วยสปริง (when the unit is assembled) ดังนั้นคอนแทค NO จะถูกปิดและในทางกลับกัน เมื่อความดันที่ตั้งไว้ผลักดัน(แตะ)ถึงลูกสูบจะบีบอัดสปริงและปล่อยให้คันกดเลื่อนลงเป็นผลให้สวิตช์เลื่อนไปกลับสู่สภาวะปกติ โดยการใช้งาน 2 สวิตช์ร่วมกับรีเลย์ไฟฟ้า ความดันของระบบอาจจะคงอยู่ในช่วงสูงและต่ำที่หลากหลาย

คอนแทคที่อยู่ใน Pressure switch อาจจะเป็น NO หรือ NC ถ้าความดันอยู่ต่ำกว่าจุด setpoint โดยคอนแทคในสวิตซ์แบบ NO (Normally Open) จะยังเปิดอยู่จนกว่าความดันจะเพิ่มสูงขึ้นกว่าจุด setpoint จากนั้นส่วนที่ทำการตรวจจับจะทำให้คอนแทคเปลี่ยนไปที่ตำแหน่งปิด คอนแทคจะเปิดอีกครั้งเมื่อความดันลดต่ำลงกว่าจุด setpoint

คอนแทคในสวิตซ์แบบ NC (Normally Close) จะยังปิดอยู่จนกว่าความดันจะเพิ่มสูงขึ้นกว่าจุด setpoint จากนั้นคอนแทคจะเปลี่ยนไปเปิดและยังคงเปิดอยู่จนกว่าความดันจะลดลงต่ำกว่าจุด setpoint ดังนั้น Pressure switches ส่วนมากจะมีคอนแทค 2 คอนแทค มี 1 NO และที่เหลือเป็น NC ดังนั้นสวิตซ์จะทำงานได้ ไม่ว่าจะใช้คอนแทคแบบใดในการติดตั้งแบบพิเศษ

ประเภทของ Pressure Switch สวิตช์ความดัน

สวิตช์ความดันประกอบด้วยส่วนประกอบการตรวจจับและสวิตช์ไฟฟ้า สวิตช์จะเปิดและปิดหน้าสัมผัสที่ความดันเฉพาะที่เรียกว่าจุดที่ตั้งไว้ (set point) จุดที่ตั้งอาจถูกแก้ไขหรือปรับได้ การเลือกสวิตช์ความดันที่มีจุดสวิตช์ในช่วงความดันใช้งานที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำและอายุการใช้งานที่ยาวนาน คุณสมบัติและความสามารถที่แม่นยำนั้นขึ้นอยู่กับประเภทของสวิตช์ความดัน

Pressure Switch จะแบ่งออกเป็น 2 ชนิดหลักๆ ได้แก่ แบบ Electromechanical และแบบ Solid state

Electromechanical Pressure Switch

Pressure Switch แบบ Electromechanical ที่พบส่วนมากจะประกอบด้วยส่วนของการตรวจจับและสวิตช์ไฟฟ้าแบบ snap-action สามารถใช้ส่วนตรวจจับได้หลายประเภท แต่มีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน คือ สิ่งนี้เคลื่อนที่เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันในระบบ โดยการเคลื่อนที่ของมันส่งผลโดยตรงต่อการเปิดและการปิดของหน้าสัมผัสของสวิทซ์แบบ snap-action

สวิตช์ความดันแบบระบบเครื่องกลไฟฟ้าใช้เซ็นเซอร์หลายประเภท คุณสมบัติของเซ็นเซอร์กำหนดเขตความแม่นยำและอายุการใช้งานของสวิตช์ มีหลายประเภทดังนี้

Differential pressure switches

จากรูปจะเห็นว่ามีความดัน 2 พอร์ต พอร์ตหนึ่งสำหรับความดันต่ำและอีกพอร์ตสำหรับความดันสูง ทั้งความดันต่ำและความดันสูงจะไหลเข้าไปหาส่วนเซ็นเซอร์เหมือนกัน กรณีสวิตช์แบบไดอะแฟรม เนื่องจากมีพื้นผิวที่เท่ากันในแต่ละด้าน สวิตช์จะอยู่ในภาวะสมดุลเมื่อความดันเท่ากัน เมื่อความดันในด้านความดันสูงเพิ่มขึ้นหรือความดันในด้านต่ำลดลง ส่วนสูบลมจะเลื่อนขึ้น และความดัน differential ที่ตั้งไว้ล่วงหน้าจะเปิดใช้งานสวิตช์ snap

Diaphragm Switches

สวิทช์ไดอะแฟรมใช้ไดอะแฟรมโลหะที่มีรอยเชื่อมเพื่อเปิดใช้งานสวิทช์ จะมีพอร์ตความดันอยู่ 1 พอร์ตในตำแหน่งด้านล่าง เมื่อมีการอัดความดันเข้าไปจนทำให้ไปดันแทบสวิตช์ให้เกิดการทำงาน

Bourdon tube Switches

สวิตช์หลอด Bourdon ใช้หลอด bourdon แบบปิดผนึกสำหรับการสั่งงานสวิตช์ ภายในหลอดจะถูกความดันตัดขวางจึงต้องเปลี่ยนเป็นรูปทรงกลม เมื่อความดันถูดอัดเข้าไป ส่วนปลายหลอดจะเคลื่อนที่ไปดันสวิตช์ให้ทำงาน

Diaphragm piston Switches

สวิทช์ลูกสูบไดอะแฟรมติดตั้งไดอะแฟรมยางซึ่งทำหน้าที่เกี่ยวกับลูกสูบ ลูกสูบจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ มีสปริงที่จะผลักให้สวิตช์ทำงาน

Piston Switches

สวิตช์ลูกสูบใช้ลูกสูบเพื่อเปิดใช้งานสวิตช์โดยตรง ความดันจะถูกอัดเข้าไปดันส่วนลูกสูบ จนไปดันสปริงภายในให้สวิตช์ทำงาน

Solid state Pressure Switch

Pressure Switch แบบ Solid State อาจมีจุดสวิตช์อย่างน้อยหนึ่งจุด สวิตช์นี้ไม่เพียงแต่เปิดและปิดวงจรสวิตช์ความดันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงจอแสดงผลดิจิตอล และให้เอาต์พุตแบบอนาล็อกและดิจิตอล รุ่นที่มีในปัจจุบันส่วนใหญ่สามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างสมบูรณ์และสามารถเชื่อมต่อกับ PLC หรือคอมพิวเตอร์ได้

สวิตช์ความดันแบบโซลิด สเตด มีพิกัดแรงดันการทำงานและการตอบสนองความถี่ที่หลายหลาก มีความทนทานต่อการกระแทกและการสั่นสะเทือน มีความแม่นยำถึง ± 0.25% เมื่อเปรียบเทียบกับ Pressure Switch แบบ Electromechanical แล้ว Pressure Switch แบบ Solid State มีอายุการใช้งานนานกว่ามาก

สิ่งที่ต้องพิจารณาในการเลือก Pressure Switch

หากจะเลือก Pressure Switch สวิตช์ความดัน ไปใช้งานนั้นคุณต้องมีค่าที่ต้องดูในการเลือกแต่ละครั้ง ดังต่อไปนี้

ชนิดของสวิตช์

เรารู้แล้วว่า Pressure Switch นั้นแบ่งเป็น 2 ประเภทคือ แบบ Electromechanical และแบบ Solid state ถ้าต้องใช้กับงานที่ต้องมีการกระแทกหรือสั่นสะเทือนบ่อยควรเลือกสวิตช์ความดันแบบโซลิด สเตต เพราะสวิตช์แบบนี้จะทนทาน มีอายุการใช้งานยาวนาน

ส่วนถ้าเลือกสวิตช์ความดันแบบ Electromechanical สวิตช์แบบนี้จะมีหลายแบบมาก ไม่ว่าจะเป็นแบบ Diaphragm Switches, Bourdon tube Switches, Diaphragm piston Switches และ Piston Switches โดยแต่ละแบบจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างทั้งแรงดันใช้งานและค่าความแม่นยำ รวมถึงวัสดุที่ใช้

Pressure Nominal หรือ PN

PN คือ ค่าความดันใช้งานของท่อ มีหน่วยเป็นบาร์ (bar) โดยมีให้เลือกหลายค่า เช่น 80 bar, 150 bar, 300 bar หรือ 600 bar

Adjustable Range

Adjustable Range คือ ช่วงค่าความดันที่สามารถปรับค่าได้ของ Pressure Switch แต่ละรุ่น มีหน่วยเป็นบาร์ (bar) โดยมีให้เลือกหลายค่า เช่น 0.2–2 bar, 0.5–8 bar หรือ 1–16 bar

Materials Body

ประเภทวัสดุของตัวสวิตช์ความดันจะมีหลากแบบให้เลือกตามความเหมาะสม ทั้ง Brass ทองเหลือง, Steel เหล็ก หรือ Stainless steel สแตนเลส

Pressure Switch แบบทองเหลือง

Pressure Switch แบบเหล็ก

Connection เกลียวเชื่อมต่อ

ส่วนเกลียวที่ใช้เชื่อมต่อจะมีหลายขนาดให้เลือก ทั้งแบบ R1/8″ และ R1/4″ หรือ G1/8″A

Tolerance ค่าพิกัดเผื่อ

เป็นค่าที่มีความแตกต่างกันระหว่างค่าต่ำสุดและค่าสูงสุด สำหรับป้องกันความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น โดยค่าที่วัดได้ควรอยู่ระหว่างค่านี้ บวกหรือลบไม่เกินค่านี้ เช่น +/-0.2 แสดงว่า ค่าที่วัด เมื่อบวกหรือลบแล้วควรไม่เกิน 0.2

Metering Substances วัตถุที่วัด

เราต้องรู้ว่าสวิตช์ความดันจะไปติดตั้งกับวัสดุแบบใด อยู่ในสภาพแวดล้อมแบบไหน เช่น ติดตั้งในน้ำ ติดตั้งในน้ำมัน และติดตั้งกับก๊าซ ดังนั้นการเลือกวัสดุจึงต้องเลือกให้เหมาะสมว่าจะใช้ทองเหลือง เหล็ก หรือสแตนเลส แนะนำว่าหากติดตั้งในน้ำไม่ควรเลือกใช้สวิตช์ที่วัสดุเป็นเหล็ก เพราะอาจทำให้เกิดสนิม

การตั้งค่าสวิตช์ความดัน Pressure Switch

การตั้งค่านี้เป็นการเทียบค่าที่แม่นยำของสวิตช์ความดัน เป็นขั้นตอนสำคัญในการรับรองคุณภาพกระบวนการและการใช้งานอุปกรณ์อย่างปลอดภัย การตั้งค่านี้คล้ายกับการเทียบมาตรวัดความดัน แต่ตรงนี้แรงดันไฟฟ้าหรือความต่อเนื่องของชุดหน้าสัมผัสสวิตช์จำเป็นต้องอ่านด้วยดิจิตัล มัลติมิเตอร์หรือเครื่องเทียบ

จุดประสงค์ของการเทียบครั้งนี้ คือ ตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดในจุด set point และ deadband ของสวิตช์ความดัน การเทียบนี้สามารถช่วยประหยัดเวลา ช่วยลดขั้นตอน และลดจำนวนอุปกรณ์ที่คุณต้องนำไปใช้ในงานได้

Setpoint คืออะไร

คือ ความดันที่สวิตช์ความดันต้องใช้ในการทำงาน สวิตช์ความดันอาจถูกตั้งค่าให้ทำงานกับแรงดันที่เพิ่มขึ้นหรือแรงดันที่ตกลง สวิตช์ส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานที่จุด setpoint ความดันเกจ บางการใช้งานนั้นจำเป็นต้องตั้งค่าความดันสัมบูรณ์ ซึ่งสัมพันธ์กับความดันที่เป็นศูนย์สัมบรูณ์และจำเป็นต้องมีสวิตช์ความดันสัมบรูณ์ โดยทั่วไปควรเลือกช่วงของสวิตช์ให้จุด setpoint อยู่ระหว่าง 25% ถึง 75% ของช่วงนี้

Deadband คืออะไร

คือ การตั้งค่าที่กำหนดจำนวนการเปลี่ยนแปลงความดันที่จำเป็นในการรีเซ็ตสวิตช์ให้เป็นสถานะปกติหลังจากที่มีการทริป ความแตกต่างของ deadband หรือการรีเซ็ต หรือการสวิตช์นั้นคือความแตกต่างระหว่างความดันที่เพิ่มขึ้นและลดลงขณะที่สวิตช์ความดันทำงาน สำหรับค่าเอาต์พุทคงที่ของสวิตช์โดยทั่วไปจะมีค่าประมาณ 1–3% ของช่วงสวิตช์ สำหรับเอาต์พุทสวิตช์ที่ปรับค่าได้ อาจจะถูกปรับจากประมาณ 5–12% ของช่วงสวิตช์

ขั้นตอนการตั้งค่า

ขั้นตอนที่ 1

เชื่อมต่อ Pressure Switch เข้ากับเครื่องปรับความดันและเกจวัด

ขั้นตอนที่ 2

เมื่อใช้มัลติมิเตอร์ให้ตั้งค่าเป็นแบบต่อเนื่อง เพื่อตรวจสอบและยืนยันว่าหน้าสัมผัสสวิตช์เป็นไปตามที่ระบุไว้ ทั้งแบบ NO (Normally open) และ NC (Normally close).

ขั้นตอนที่ 3

เชื่อมต่อโอห์มมิเตอร์หรือดิจิตัล มัลติมิเตอร์ เข้าไประหว่างหน้าสัมผัส NO และขั้ว C ของสวิตช์ มิเตอร์ควรอ่านค่าได้ว่า “เปิดวงจร” ปรับตัวควบคุมความดันเพื่อเพิ่มแรงดันไปที่จุด set point ของ Pressure Switch จนกว่าหน้าสัมผัสจะเปลี่ยนแปลง มอเตอร์จะอ่านค่าได้ว่า “Short circuit หรือลัดวงจร” จากนั้นจดบันทึกค่าความดันที่อ่านได้ ค่าความดันนี้ก็คือจุด set point ของสวิตช์สำหรับแรงดัน “ที่เพิ่มขึ้น”

ขั้นตอนที่ 4

เพิ่มความดันไปยังสวิตช์ให้ถึงพิกัดสูงสุด แล้วค่อยๆ ลดความดันลงจนกว่าสวิตช์จะเปลี่ยนจาก NO เป็น NC อีกครั้ง จากนั้นจดบันทึกค่าความดันที่อ่านได้ ความดันนี้คือ การตั้งค่าสวิตช์ความดัน “ตก” ถ้าพบข้อผิดพลาดให้ปรับจุด set point โดยการปรับสกรูแล้วทำซ้ำจนกว่าจะได้ค่าที่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 5

จากค่าที่อ่านได้ มีค่าความดันที่แตกต่างกันระหว่างการตั้งค่าความดันที่เพิ่มขึ้นและการตั้งค่าความดันตก สิ่งนี้เรียกว่า “Deadband”ของสวิตช์ Deadband นี้ คำนวณแล้วจะได้เท่ากับหรือน้อยกว่า Deadband ของผู้ผลิตสินค้า แต่โดยส่วนมาก Deadband จะยึดตามค่าที่ผู้ผลิตระบุไว้ ไม่ควรใช้เกินค่าที่ผู้ผลิตระบุไว้

ติดตั้งกับปั๊มลม

นำ Pressure Switch ไปใช้กับปั๊มลม เมื่อเปิดสวิทช์การทำงานของเครื่อง ถ้าอากาศยังมีความดันต่ำกว่าที่กำหนด Pressure Switch ก็จะต่อวงจรไฟฟ้าผ่านไปยังมอเตอร์ ทำให้มอเตอร์หมุนและไปขับให้ปั๊มอัดอากาศทำงานตามไปด้วย และเมื่ออากาศภายในถังบรรุอากาศมีความดันสูงตามพิกัดที่กำหนด Pressure Switch ก็จะตัดวงจรไฟฟ้าทำให้มอเตอร์หยุดทำงานและปั๊มอัดอากาศก็จะหยุดทำงานด้วย แต่เมื่ออากาศภายในถังบรรจุอากาศถูกนำไปใช้งาน และความดันในถังบรรจุอากาศต่ำลงจนถึงตำแหน่งที่กำหนดไว้

Pressure Switch จะต่อวงจรให้มอเตอร์และปั๊มอากาศทำงานต่อไป การทำงานของปั๊มอัดอากาศจะทำงานสลับกันไปเช่นนี้ตลอดเวลาโดยอัตโนมัติ ดังนั้นถ้าต้องการให้เครื่องอัดอากาศหยุดทำงานจะต้องปิดสวิทช์ควบคุมการทำงาน

กล่าวคือ Pressure Switch มีประโยชน์ในการใช้ควบคุมความดันไม่ให้สูงเกินไปจนถึงขีดอันตราย นอกจากนั้นยังช่วยประหยัดพลังงานด้วย เช่น เชื้อเพลิงที่ใช้ในการเผาไอน้ำ พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในการขับมอเตอร์ปั๊มน้ำ

How a 4–20mA Transmitter Works ?

เซ็นเซอร์เป็นอุปกรณ์อินพุตที่ให้เอาต์พุตที่สามารถใช้งานได้เพื่อตอบสนองต่อการวัดอินพุต เซ็นเซอร์มักเรียกว่าองค์ประกอบการตรวจจับเซ็นเซอร์หลักหรือเครื่องตรวจจับหลัก การวัดเป็นพารามิเตอร์ทางกายภาพที่จะวัด

อินพุททรานสดิวเซอร์สร้างเอาท์พุททางไฟฟ้าที่เป็นตัวแทนของตัววัดอินพุต เอาต์พุตมีเงื่อนไขและพร้อมใช้งานโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รับเช่น PLC หรือ DCS

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รับสัญญาณสามารถเป็นตัวบ่งชี้, คอนโทรลเลอร์, คอมพิวเตอร์, PLC, DCS เป็นต้นคำว่า “เครื่องส่งสัญญาณ” ที่ใช้กันทั่วไปกับเครื่องมือควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรมนั้นมีความแคบมากกว่าเซ็นเซอร์หรือตัวแปลงสัญญาณ:

4–20mA Transmitter

ตัวส่งสัญญาณเป็นตัวแปลงสัญญาณที่ตอบสนองต่อตัวแปรที่วัดได้โดยใช้องค์ประกอบการตรวจจับและแปลงเป็นสัญญาณการส่งสัญญาณที่ได้มาตรฐาน (เช่น 4–20mA) ซึ่งเป็นฟังก์ชั่นเฉพาะของตัวแปรที่วัดได้

เครื่องส่งสัญญาณสามารถมีรูปแบบการเชื่อมต่อไฟฟ้าหลายแบบ สิ่งที่ใช้กันมากที่สุดและง่ายที่สุดคือการกำหนดค่าแบบสองสายใช้การวนลูป นี่คือการกำหนดค่าพื้นฐานสำหรับระบบควบคุมกระบวนการอุตสาหกรรมเมื่อไม่ต้องการการสื่อสารแบบดิจิตอล ดังแสดงในรูปด้านล่างมีเพียงสองสายที่ใช้เพื่อรองรับกำลังทั้งสองไปยังเครื่องส่งสัญญาณและสัญญาณเอาต์พุตจากเครื่องส่งสัญญาณ

เพื่ออำนวยความสะดวกให้กับระบบควบคุมแบบวงปิดข้อมูลจากกระบวนการจะต้องได้รับก่อนที่ผู้ควบคุมจะกำหนดว่าการกระทำใดที่องค์ประกอบการควบคุมอาจต้องการ ชื่อยอดนิยมบางอย่างสำหรับอุปกรณ์ตรวจจับที่ให้ข้อมูล ได้แก่ เซ็นเซอร์ตัวแปลงสัญญาณและ / หรือเครื่องส่งสัญญาณ

กระแสลูปมาตรฐานมักจะ 4 ถึง 20 mA พารามิเตอร์การสอบเทียบที่สำคัญที่มีลูปปัจจุบันคือ Zero, full scale และ span ด้วยช่วง 4- ถึง 20mA กระแสลูปปกติ 4 mA เมื่อตัวชี้วัดหรือตัวแปรกระบวนการเป็นศูนย์และ 20 มิลลิแอมป์เมื่อตัวชี้วัดหรือตัวแปรกระบวนการเป็นระดับเต็ม ความแตกต่างระหว่าง Zero และ full scale คือ 16 mA เรียกว่า span ดังนั้นการขยายสอดคล้องกับช่วงที่ระบุของการวัดหรือตัวแปรกระบวนการ

เมื่อพิจารณาถึงตัวส่งสัญญาณการไหลตัวอย่างเช่นช่วงของการวัดหรือตัวแปรกระบวนการคือ 0.0 ถึง 100.0 m3 / ชม. ซึ่งสอดคล้องกับกระแสวนลูป 4- ถึง 20-mA (ช่วงเอาต์พุตเท่ากับ 16 mA); ตัวประกอบสเกลเอาท์พุทคือ 0.16 mA / (m3 / ชม.) (ซึ่งคือ 100 m3 / ชม 16 mA)

4–20mA Transmitter Works

สมมติฐาน: Standard + 24V DC พร้อม 20mA

โดยทั่วไปช่องสัญญาณอินพุตอนาล็อก PLC / DCS จะจ่ายกระแสมากกว่า 20mA ให้กำลังลูป

Case 1 : Process Variable @ 0%

PLC / DCS Analog Input การ์ดส่งสัญญาณ +24 V DC, 20 mA สัญญาณมาตรฐานให้กับ Power Transmitter

สายเคเบิลหนึ่งคู่ใช้สำหรับจ่ายไฟให้เครื่องส่งสัญญาณและใช้สายเคเบิลเดียวกันเพื่อรับข้อมูลในช่วงกระแส 4–20mA

เครื่องส่งสัญญาณรับ + 24V DC สัญญาณมากกว่า 20mA ในลูป ขั้นต่ำ + 5V DC, สัญญาณ 20mA เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานที่เหมาะสมของเครื่องส่งสัญญาณ ในทางปฏิบัติจะมีแรงดันตกคร่อม

เครื่องส่งสัญญาณมีฟังก์ชั่นควบคุมแรงดันไฟฟ้าในตัวซึ่งใช้ในการควบคุมกระแสลูป ตัวส่งสัญญาณจะถูกกำหนดค่าด้วย LRV, URV และรายละเอียดอื่น ๆ ของตัวแปรกระบวนการ กระแสวนรอบจะถูกเปลี่ยนแปลง / เปลี่ยนแปลงโดยตัวส่งสัญญาณตามตัวแปรกระบวนการที่วัดได้

กระแส 4–20mA จะถูกแปลงเป็นมาตรฐาน 1–5 V DC โดยใช้ตัวต้านทานความแม่นยำ 250 โอห์ม ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอลจะใช้ในการแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นสัญญาณดิจิตอลซึ่งใช้เพื่อระบุค่าตัวแปรกระบวนการใน DCS / PLC HMI

ตัวอย่าง: เครื่องส่งสัญญาณการไหลที่มีช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 100 m3 / ชม. ตัวส่งหมายถึง 0 m3 / ชม. เนื่องจากไม่มีการไหลในสาย DCS / PLC เพิ่มกำลังส่งด้วย + 24V DC, 20mA เนื่องจาก Process Variable คือ 0 m3 / ชม. เครื่องส่งสัญญาณควบคุมลูปปัจจุบันถึง 4mA และแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 1 V DC ซึ่งวัดโดย A / D Converter ซึ่งระบุ 0% ของ Process Variable

หมายเหตุ: กระแสลูปจะเหมือนกันทั้งที่เริ่มต้นหรือสิ้นสุดหรือ ณ จุดใด ๆ ในลูป เพื่อให้เข้าใจง่ายเท่านั้นสัญญาณทั้ง 20mA & 4 mA จะแสดงในภาพเคลื่อนไหว

ในทางปฏิบัติเมื่อเราวัดกระแสที่จุดใด ๆ ในลูปจะพบกระแสเอาท์พุทของเครื่องส่งสัญญาณเช่น 4mA ตามรูปด้านบนดังนั้นให้สมมติว่าระบบ DCS / PLC ใช้กำลังกับลูปด้วย + 24V DC, 20mA (โดยทั่วไประบบจ่ายเพิ่มเติม มากกว่า 20mA) ในขณะที่เครื่องส่งสัญญาณควบคุมวงปัจจุบันภายใน 4mA ถึง 20mA ตามการกำหนดค่าและค่าตัวแปรกระบวนการเรียลไทม์

หากคุณต้องการวัดพลังงานลูป PLC / DCS เช่น 20mA (ตามรูปด้านบน) จากนั้นตัดการเชื่อมต่อเครื่องส่งสัญญาณจากลูป & เชื่อมต่อมัลติมิเตอร์ในซีรีย์ด้วย DCS / PLC เพื่อวัดกระแสลูป และสายเคเบิลหนึ่งคู่เป็นสายคู่บิด

Case 2 : Process Variable @ 50%

ใช้หลักการเดียวกัน เครื่องส่งสัญญาณจะปรับวงปัจจุบันตามตัวแปรกระบวนการ

ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวก็คือองค์ประกอบการตรวจจับสัญญาณเปลี่ยนการส่งออกของมันเป็นตัวแปรกระบวนการแตกต่างกันไปจาก 0% เป็น 50% เครื่องส่งสัญญาณควบคุมกระแสวนตามองค์ประกอบการตรวจจับ

ตัวอย่าง: ตัวแปรกระบวนการบ่งชี้ 50 m3 / ชม. เครื่องส่งสัญญาณควบคุมเอาต์พุตไปที่ 12mA ในลูปตามช่วงที่กำหนดและตัวแปรกระบวนการที่วัดได้และแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 3 V DC ซึ่งวัดโดย A / D Converter ซึ่งบ่งชี้ 50% ของ Process Variable

Case 3 : Process Variable @ 100%

ใช้หลักการเดียวกัน เครื่องส่งสัญญาณจะปรับวงปัจจุบันตามตัวแปรกระบวนการ

ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวก็คือองค์ประกอบการตรวจจับสัญญาณเปลี่ยนการส่งออกเป็นตัวแปรกระบวนการแตกต่างกันจาก 50% เป็น 100% เครื่องส่งสัญญาณควบคุมกระแสวนตามองค์ประกอบการตรวจจับ

ตัวอย่าง: ตัวแปรกระบวนการบ่งชี้ 100 m3 / ชม. เครื่องส่งสัญญาณควบคุมเอาต์พุตถึง 20mA ในลูปตามช่วงที่กำหนดและตัวแปรกระบวนการที่วัดได้และแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 5 V DC ซึ่งวัดโดย A / D Converter ซึ่งบ่งชี้ 100% ของ Process Variable

Measured or Process Variables

แม้ว่าทรานสดิวเซอร์เกือบทุกประเภทสามารถใช้เป็นเครื่องส่งสัญญาณได้ แต่ชนิดที่พบมากที่สุดสำหรับการควบคุมกระบวนการอุตสาหกรรมประกอบด้วยการวัดหรือตัวแปรกระบวนการเช่นอุณหภูมิความดันการไหลระดับ ฯลฯ

เครื่องส่งสัญญาณสำหรับการวัดพารามิเตอร์อื่น ๆ จะมีความเป็นไปได้เหมือนกันสำหรับวิธีการเชื่อมต่อและการสื่อสารโดยความแตกต่างที่สำคัญในการออกแบบองค์ประกอบการตรวจจับของเครื่องส่งสัญญาณและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะเหมือนกันกับการปรับเปลี่ยนซอฟต์แวร์เล็กน้อย

Two Wire Loops

ข้อได้เปรียบหลักของลูปสองสายคือช่วยลดจำนวนของสายไฟที่จำเป็นในการรันทั้งพลังงานและสัญญาณ การใช้ลูปปัจจุบันเพื่อส่งสัญญาณยังมีข้อดีของการลดความไวต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าและเอฟเฟกต์การโหลด

เสียงไฟฟ้าลดลงเนื่องจากสายทั้งสองทำงานเป็นสายคู่บิดเพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละสายทั้งสองได้รับเวกเตอร์พลังงานเดียวกันจากแหล่งกำเนิดเสียงเช่นแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนในตัวนำที่อยู่ใกล้เคียงหรือมอเตอร์ไฟฟ้า เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รับเชื่อมต่อกับเครื่องส่งสัญญาณถูกออกแบบมาเพื่อละเว้นสัญญาณโหมดทั่วไปเสียงไฟฟ้าทั่วไปในโหมดที่เกิดจะถูกละเว้น

ความไวในการโหลดเอฟเฟกต์ลดลงเนื่องจากกระแสในคู่บิดไม่ได้รับผลกระทบจากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นของสายเคเบิลยาว สายยาวหรือความต้านทานแบบอื่น ๆ จะทำให้แรงดันตกมากขึ้น แต่ไม่มีผลต่อระดับปัจจุบันตราบใดที่มีความสอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าเพียงพอในวงจรเพื่อจ่ายกระแสสัญญาณ

ความสอดคล้องของวงจรในการจัดการแรงดันตกที่กำหนดจากอุปกรณ์ลูปเพิ่มเติมขึ้นอยู่กับวงจรเอาท์พุทของเครื่องส่งสัญญาณและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ แหล่งจ่ายไฟทั่วไปสำหรับเครื่องส่งสัญญาณอุตสาหกรรมคือ +24 VDC หากตัวอย่างเช่น 6 โวลต์จำเป็นต้องจ่ายไฟให้กับตัวส่งสัญญาณและวงจรเอาท์พุทก็จะต้องปฏิบัติตาม 18 โวลต์เพื่อให้สามารถต้านทานลวด, ความต้านทานโหลด, แรงดันไฟฟ้าลดลงผ่านกำแพงด้านความปลอดภัยภายใน (IS)

ในกรณีที่สัญญาณลูปปัจจุบันเชื่อมต่อกับอุปกรณ์รับสัญญาณหลัก (PLC / DCS) หรือระบบเก็บข้อมูลตัวต้านทานโหลดความแม่นยำ 250 โอห์มจะเชื่อมต่อตามปกติ สิ่งนี้จะแปลงสัญญาณปัจจุบัน 4 ถึง 20 mA เป็นสัญญาณ 1 ถึง 5 โวลต์เนื่องจากเป็นวิธีปฏิบัติมาตรฐานในการกำหนดตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอลของอุปกรณ์รับสัญญาณ (PLC / DCS) เป็นอินพุตตรวจจับแรงดันไฟฟ้า

Three and Four Wire Loops

ตรงกันข้ามกับการกำหนดวงรอบสองสายปัจจุบันอุปกรณ์ลูปปัจจุบันบางตัวต้องการการเชื่อมต่อสามหรือสี่สาย สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่การขับเคลื่อนแบบวนซ้ำดังนั้นจึงมีวิธีแยกต่างหากสำหรับการให้พลังงานโดยการเพิ่มสายหนึ่งหรือสองสาย

ในการกำหนดค่าแบบสี่สายสายวนรอบปัจจุบันอาจเป็นคู่ที่บิดเบี้ยวและแหล่งจ่ายไฟจะแยกสายคู่ที่แยกออกจากกัน สิ่งนี้จะรักษาความสามารถในการปฏิเสธการรบกวนทางไฟฟ้าและแม่เหล็กในโหมดทั่วไป สิ่งนี้ไม่ได้มีประสิทธิภาพในการกำหนดค่าแบบสามสายเนื่องจากการเชื่อมต่อทั่วไปสำหรับเส้นทางปัจจุบันกลับ

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วเมื่อวิศวกรเครื่องมือวัดระบุเครื่องส่งสัญญาณแบบวนรอบปัจจุบันสำหรับการควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรมก็จะสันนิษฐานว่ามีจุดประสงค์ที่จะใช้อุปกรณ์แบบสองสายสองทางที่ใช้กำลังลูป 4 ถึง 20 mA สัญญาณข้อมูลอื่นอาจสร้างความประทับใจให้กับคู่สายเดียวกันหรือมิฉะนั้นเทคนิคการสื่อสารแบบดิจิตอลที่หลากหลายสามารถนำมาใช้แทนการวนรอบปัจจุบันหากจำเป็น

4–20mA Formulas and Examples

4–20 mA เอาท์พุทปัจจุบันส่งสัญญาณสามารถแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าภายในช่วงที่กำหนดจาก 0 ถึงสูงสุด Vmax แอมพลิจูดดังแสดงในภาพต่อไปนี้:

4–20mA Formulas

เรียกฉันว่ากระแสไฟขาออกและแรงดันไฟฟ้า V — หรือตัวแปรทางกายภาพอื่น ๆ (PV) — ระหว่าง Vmin (ซึ่งโดยปกติคือ 0) และ Vmax; สูตรการแปลงมีดังนี้:

• I [mA] = ( ( (V − Vmin) / ( Vmax − Vmin) ) × 16 ) + 4
• V [Voltage] = ( (I − 4 ) / 16) × ( Vmax − Vmin ) + Vmin
• PV [units] = ( (I − 4 ) / 16) × ( PVmax − PVmin ) + PVmin

where,

I is the current,

V is the voltage,

PV is the Process Variable

min คือค่าช่วงล่างของสัญญาณที่เกี่ยวข้อง

max คือค่าช่วงสูงสุดของสัญญาณที่เกี่ยวข้อง

โปรดทราบว่าค่าและหน่วยของนาทีและสูงสุดเป็นหน่วยจะต้องเหมือนกัน

Example 1 :

A Analog output card gives an output voltage of 2.5V and its overall range is 0–5V. calculate the equivalent 4–20mA current value.

I = ( ( (V − Vmin) / ( Vmax − Vmin) ) × 16 ) + 4

I = ( ( (2.5 − 0) / ( 5 − 0) ) × 16 ) + 4

I = 12 mA

Example 2 :

A transmitter output range is 13.5mA and its output range is 4–20mA. Calculate equivalent voltage. consider 0–10V is the output voltage range.

V = ( (I − 4 ) / 16) × ( Vmax − Vmin ) + Vmin

V = ((13.5–4)/16 x (10–0 ) + 0

V = 5.9375 V

Example 3 :

A Flow transmitters output current is 16.5mA and its range is 0–1500 m3/hr. Calculate the equivalent flow rate value.

PV = ( (I − 4 ) / 16) × ( PVmax − PVmin ) + PVmin

PV = ( (16.5 − 4 ) / 16) × ( 1500 − 0 ) + 0

PV = 1171.87 m3/hr