4-20 mA Standard

เป็นเวลานานมาแล้วที่อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ (4-20 mA Transmitters) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์ ในการส่งผ่านข้อมูลและเป็นที่ยอมรับในการนำไปใช้งานส่งผ่านข้อมูลระหว่างอุปกรณ์เครื่องมือวัดที่อยู่ในกระบวนการผลิตและระบบควบคุมที่อยู่ในห้องควบคุมกลาง (Center Control Room) ถึงแม้ในปัจจุบันได้มีการนำเสนอการส่งผ่านข้อมูลแบบใหม่ระหว่างอุปกรณ์เครื่องมือวัดและระบบควบคุม เพื่อพยายามผลักดันให้เป็นมาตรฐานการส่งผ่านข้อมูลแบบใหม่ในอนาคต ซึ่งยังคงต้องใช้เวลานานพอสมควร เช่น การส่งผ่านข้อมูลแบบดิจิตอลในรูปแบบต่างๆ หรือที่รู้จักกันในชื่อของ Field Bus เป็นต้น อย่างไรก็ตามยังมีระบบควบคุมและอุปกรณ์เครื่องมือวัดอีกเป็นจำนวนมากที่ยังใช้ในการส่งผ่านข้อมูลด้วยสัญญาณกระแส (Current Loop) มาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์ เนื่องจากผู้ใช้งานส่วนมากจะมีความเข้าใจการทำงานและการใช้งานอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ เป็นอย่างดีและใช้งานกันมาเป็นเวลานานแล้ว ส่วนใหญ่แล้วผู้ใช้งานส่วนมากจะมีความเข้าใจการเลือกใช้งานและติดตั้งอุปกรณ์เหล่านี้ แต่ก็ยังคงมีคำถามเกี่ยวกับอุปกรณ์แบบนี้บ้าง เช่น ความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ แบบ 2 สาย, 3 สาย และ 4 สาย หรือ มีข้อจำกัดในการใช้งานอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ เป็นต้น

ในการควบคุมกระบวนการผลิต สามารถแสดงแผนภาพกระบวนการผลิตได้ดังรูปที่ 1 ซึ่งจะประกอบด้วยส่วนต่างๆ 3 ส่วน คือ อุปกรณ์การวัด (Signal Element), ระบบควบคุม (Control System) และวาล์วควบคุม (Control Valve) ในการควบคุมจะมีการทำงานอยู่ 3 ขั้นตอนดังนี้

ขั้นตอนที่ 1 อุปกรณ์การวัดจะทำการแปลงตัวแปรจากกระบวนการผลิตไปเป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์ และส่งไปยังระบบควบคุม

ขั้นตอนที่ 2 ระบบควบคุมจะทำการประมวลผลและส่งเอาต์พุตออกเป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์ ไปยังวาล์วควบคุม

ขั้นตอนที่ 3 วาล์วควบคุมรับสัญญาณมาจากระบบควบคุมและจะเปลี่ยนเป็นการกระทำต่อตัวแปรกระบวนการโดยยการปิดหรือเปิดวาล์วควบคุม เพื่อทำให้ตัวแปรกระบวนการเปลี่ยนแปลงไปตามสัญญาณที่ได้รับมาจากระบบควบคุม

รูปที่ 1 ระบบควบคุมบนแผนภาพกระบวนการผลิต

อุปกรณ์การวัดและวาล์วควบคุมของระบบควบคุมการผลิตจะถูกติดตั้งและถูกกระจายอยู่ตามพื้นที่ต่างๆของกระบวนการผลิตและส่งผ่านข้อมูลด้วยสัญญาณมาตรฐานแบบต่างๆ เป็นระยะทางไกลไปยังระบบควบคุมกลาง ในบางครั้งปัญหาหลักๆที่เกิดขึ้นกับระบบควบคุมก็จะพบได้ในการส่งผ่านข้อมูลเหล่านี้ การสื่อสารข้อมูลแบบต่างๆกับอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องสามารถทำให้เชื่อถือโดยการใช้อิเล็กทรอนิกส์แบบชาญฉลาด (Smart) ในอุปกรณ์การวัดหรืออุปกรณ์ควบคุมซึ่งมีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ในอดีตที่ผ่านมาระบบการควบคุมแบบนิวแมติก (Pneumatic) ได้ถูกนำมาใช้ในการควบคุมการผลิตก่อนที่จะมีการนำระบบอิเล็กทรอนิกส์มาใช้งาน

ในระบบการควบคุมแบบนิวแมติกจะมีอุปกรณ์ต่างๆเหมือนกับระบบควบคุมแบบอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ตัวควบคุมแบบอัตราส่วน (Ratio Controller), ตัวควบคุมแบบ PID (PID Controller) เป็นต้น โดยอุปกรณ์ทั้งหมดจะส่งผ่านสัญญาณความดันมาตรฐาน 3-15 psi ในช่วงปี 1950 ระบบคอมพิวเตอร์ได้เริ่มเข้ามามีบทบาทในการควบคุมกระบวนการผลิตมากขึ้น ดังนั้นเทคนิคในการส่งผ่านข้อมูลจึงถูกเปลี่ยนแปลงจากสัญญาณความดันมาตรฐาน 3-15 psi ไปเป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์ เพื่อให้เหมาะสมกับระบบควบคุมแบบอิเล็กทรอนิกส์

สำหรับในบทความนี้จะเป็นการแสดงรายละเอียดและมาตรฐานของอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ นอกจากนั้นยังแสดงข้อจำกัดต่างๆเพื่อเป็นพื้นฐานในการนำไปใช้งาน

Articles Order:

Articles Datasheet:

4-20 mA Standard.pdf

อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์

อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ สามารถเขียนเป็นวงจรกระแสอย่างง่ายได้ดังรูปที่ 2 ซึ่งจะมีแหล่งจ่ายกระแสตามอุดมคติของนอร์ตันซึ่งประกอบไปด้วยแหล่งจ่ายกระแส (I_SIGNAL) และความต้านทาน (R_SIGNAL) มีความต้านทานของสายสัญญาณ (R_LINE) และแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน (N_NOISE) สำหรับใช้แทนสัญญาณรบกวนที่ถูกเหนี่ยวนำมาจากส่วนอื่นๆ สำหรับวงจรกระแสในรูปที่ 2 จะมีความต้านทาน (R_LOAD) ต่ออนุกรมกับวงจรกระแสนี้ 2 ค่า คือ ความต้านทานของชุดอินพุตของระบบควบคุม (R_CONTROLLER) และความต้านทานของชุดแสดงผล (R_DISPLAY) โดยวงจรนี้จะถูกจ่ายพลังงานด้วยแหล่งจ่ายแรงดันที่ 24 VDC

รูปที่ 2 วงจรกระแสอย่างง่าย

สัญญาณแรงดันที่โหลดใดๆจะมีค่าเท่ากับ (I_SIGNAL) * (R_LOAD) ซึ่งจะเป็นอิสระต่อแหล่งจ่ายแรงดันและความต้านทานของสายไฟซึ่งอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงความยาวได้ในการติดตั้ง
สัญญาณรบกวนที่โหลดใดๆจะมีค่าลดลงด้วยตัวแปรดังนี้ (R_LOAD) / (S_{UM RLOAD} + R_LINE + R_SIGNAL) ดังตัวอย่างที่แสดงต่อไปนี้ เมื่อมีแรงดันสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นเป็น 15 โวลต์ จะทำให้เกิดแรงดันที่อินพุตของชุดควบคุมเป็น 0.75 มิลลิโวลต์ 500 (15 / 10E6 +10 + 250 + 500) และสัญญาณแรงดันต็มย่าน (Full Scale) ที่อินพุตของระบบจะมีค่าเป็น 10 โวลต์ (20 มิลลิโวลต์ * 500 โอห์ม) และสัญญาณแรงดันจะมีค่ารบกวน 0.75 มิลลิโวลต์ จะทำให้เกิดความผิดพลาดที่อินพุตของระบบควบคุมเป็น 0.075 %
สามารถต่อโหลดความต้านทานได้หลายตัวโดยการต่ออนุกรมเข้าไปกับวงจรกระแส เช่น ระบบควบคุม, ชุดแสดงผลหรือบันทึกข้อมูล เป็นต้น แต่เมื่อทำการต่อโหลดหลายตัวเข้าไปในวงจร จะเป็นผลทำให้แรงดันที่ขั้วของอุปกรณ์การวัดมีค่าลดง จนเป็นสาเหตุทำให้อุปกรณ์การวัดไม่สามารถทำงานได้ ดังตัวอย่างในรูปที่ 2 แรงดันที่ขั้วของอุปกรณ์การวัดที่สัญญาณกระแสเป็น 20 มิลลิแอมป์ จะมีค่าเท่ากับ 24 โวลต์ - 760 โอห์ม x 20 มิลลิแอมป์ = 24 - 15.2 = 8.8 โวลต์ ดังนั้นอุปกรณ์การวัดที่นำมาใช้งานจะต้องทำงานได้ที่แรงดันที่ขั้วต่ำสุด (Minimum Working Voltage) เป็น 8.8 โวลต์ เพราะไม่เช่นนั้นแล้วอุปกรณ์การวัดจะไม่สามารถทำงานได้ที่สัญญาณกระแสเต็มย่านการวัดหรือไม่สามารถอ่านค่าการวัดได้เต็มย่านที่ต้องการ
ต่อไปนี้เป็นการแสดงตัวอย่างรายละเอียดวงจรภายในพื้นฐานของอุปกรณ์การวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 วงจรภายในพื้นฐานของอุปกรณ์การวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์

จากรูปที่ 3 สามารถแสดงรายละเอียดของวงจรภายในพื้นฐานของแต่ละส่วนได้ดังนี้

วงจรอินพุตจะใช้ในการเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ชนิดต่างๆ เช่น เทอร์โมคับเปิ้ล, RTD, แหล่งกำเนิดสัญญาณแรงดันหรือกระแส เป็นต้น ในส่วนนี้จะมีวงจรในการปรับความเป็นเชิงเส้น (Linearization) และฟังก์ชั่นการคำนวณต่างๆ
แหล่งจ่ายพลังงานจะใช้สำหรับจ่ายพลังงานที่ต้องการภายในอุปกรณ์
วงจรเอาต์พุตจะใช้วงจรในการแปลงสัญญาณเพื่อเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณ 4-20 มิลลิแอมป์ ให้กับลูปกระแสที่จุดเอาต์พุตของอุปกรณ์การวัด

มาตรฐานอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์

เนื่องจากการใช้งานกันอย่างแพร่หลายและมีผู้ผลิตเป็นจำนวนมาก ดังนั้นจึงต้องมีการกำหนดมาตรฐานของอุปกรณ์เครื่องมือวัดประเภทนี้ เพื่อใช้เป็นการกำหนดคุณลักษณะของอุปกรณ์เครื่องมือวัดเพื่อให้ผู้ใช้สามารถเลือกใช้อุปกรณ์ได้อย่างสะดวกและสามารถนำไปทดแทนกันได้ มาตรฐาน ANSI/ISA-S 50.1-1982 ได้กำหนดมาตรฐานแบบนี้ได้เป็น 3 แบบ ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 อุปกรณ์การวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์

1. อุปกรณ์ Type 2

เป็นอุปกรณ์กสนวัดแบบ 2 สาย โดยพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ภายในอุปกรณ์ประเภทนี้จะถูกจ่ายมาจากลูปกระแส (Loop Powered) ดังนั้นแหล่งจ่ายแรงดันสำหรับอุปกรณ์ประเภทนี้จะถูกติดตั้งรวมอยู่ที่ชุดรับสัญญาณและการต่อลงดินของสัญญาณจะอยู่ที่ชุดรับสัญญาณเช่นกัน อุปกรณ์เครื่องมือวัดโดยทั่วไปจะใช้มาตรฐานแบบนี้เป็นมาตรฐานในการเชื่อมต่อกับระบบควบคุม

2. อุปกรณ์ Type 3

เป็นอุปกรณ์การวัดแบบ 2 สาย โดยพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ภายในอุปกรณ์ ประเภทนี้จะถูกจ่ายมาจากแหล่งจ่ายแรงดันที่แยกออกจากลูปกระแสดังนั้นจึงต้องการสายเพิ่มอีก 1 เส้น สำหรับจ่ายอุปกรณ์ไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ประเภทนี้แต่จะใช้การต่อลงดินของสัญญาณจะอยู่ที่จุดเดียวกัน อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบนั้นจะพบได้บ่อยครั้งในอุปกรณ์ที่ตรวจจับก๊าซรั่วและเพลิงไหม้ เช่น Gas Detector, Flame Detector เป็นต้น

3. อุปกรณ์ Type 4

เป็นอุปกรณ์การวัดแบบ 2 สาย โดยพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ภายในอุปกรณ์ประเภทนี้จะถูกจ่ายมาจากแหล่งจ่ายแรงดันที่แยกออกจากลูปกระแสดังนั้นจึงต้องการสายเพิ่มอีก 1 คู่ สำหรับจ่ายอุปกรณ์ไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ประเภทนี้ และจะใช้ในการต่อลงดินของสัญญาณกับแหล่งจ่ายแรงดันแยกออกจากกัน ตัวอย่างอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบนี้ เช่น Magnetic Flow Meter, Coriolis Flow Meter เป็นต้น ซึ่งชุดเซ็นเซอร์และชุดแปลงสัญญาณของอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องการแหล่งจ่ายพลังงานที่แยกออกจากกัน

การขับกระแสของอุปกรณ์

จากรายละเอียดต่างๆที่ได้แสดงมาในหัวข้อที่ผ่านมาจะเห็นว่าจะใช้อุปกรณ์ในการขับสัญญาณกระแสให้กับวงจร ดังนั้นเป้าหมายหลักในการนำไปใช้งานจะต้องออกแบบให้มีการตอบสนองต่อตัวแปรที่ต้องการวัดได้ตลอดย่าน รวมไปถึงการติดตั้งและการจ่ายสัญญาณกระแส 4-20 มิลลิแอมป์ ด้วยแหล่งจ่ายกระแสที่เพียงพอทุกย่านการวัด มาตรฐาน ISA S50.1 ได้กำหนดคุณสมบัติของอุปกรณ์เครื่องมือวัดสำหรับนำไปใช้งานกับโหลดความต้านทานที่ค่าแหล่งจ่ายแรงดันตามที่กำหนดแสดงในตารางที่ 1

Transmitter Class Suffix Classifications
	H	L	U
Load Resistance (Ohms)	300	800	300 to 800
Minimum Supply Voltage	23 VDC	32.7 VDC	23 to 32.7 VDC

ตารางที่ 1 ค่าโหลดความต้านทานและค่าแหล่งจ่ายแรงดัน

จากตารางที่ 1 เป็นมาตรฐานของอุปกรณ์ในการขับกระแสทำให้ผู้ใช้งานสามารถแน่ใจได้ว่าอุปกรณ์ประเภทต่างๆจากผู้ผลิตที่แตกต่างกันสามารถนำไปใช้งานทดแทนกันได้โดยไม่ต้องมีการปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์อื่นๆที่เกี่ยวข้องและเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาในการขับสัญญาณกระแสของอุปกรณ์ ควรจะมีการพิจารณาความต้านทานโหลดในลูปกระแสของอุปกรณ์การวัดเมื่อมีการเพิ่มเติมอุปกรณ์ใดเข้าไปในลูปกระแส เช่น ถ้าเลือกการป้องกันการระเบิดในพื้นที่อันตรายเป็นแบบ I.S. (Intrinsically Safe) ต้องมีการใส่ Barrier เข้าไปในวงจรกระแสหรือมีการเพิ่มเติมที่บริเวณกระบวนการ เป็นต้น

แสดงตัวอย่างการใส่ Barrier เข้าไปในลูปกระแสที่ต้องการป้องกันการระเบิดในพื้นที่อันตรายเป็นแบบ I.S. (Intrinsically Safe) ได้ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 อุปกรณ์การวัดแบบ I.S. (Intrinsically Safe)

จากรูปที่ 5 สามารถแสดงการหากระแสในลูปของอุปกรณ์การวัด เมื่อมีการเพิ่มเติม Barrier เข้าไปในลูปกระแสได้ดังนี้

ความต้านทานที่สามารถมีได้ในลูปนี้จะเท่ากับ

RLOOP = 24 Volts / 20 mA = 1200 Ohms

ความต้านทานก่อนใส่ Barrier เท่ากับ

RTRANS = 12 Volts / 20 mA = 600 Ohms

RLOAD = 250 Ohms

RLINE = 10 Ohms

ความต้านทานของ Barrier จะเท่ากับ

RMAX = 1200 – (600 + 250 + 10) = 340 Ohms

จากการคำนวณดังกล่าวข้างต้นจะเห็นได้ว่าค่าความต้านทานสูงสุดของ Barrier ที่จะใส่เข้าไปในลูปจะต้องมีค่าไม่มากกว่า 340 Ohms เพราะถ้าใช้ Barrier ที่มีค่าความต้านทานที่มากกว่านี้แล้วจะทำให้สัญญาณกระแสไม่สามารถไปถึงค่า 20 มิลลิแอมป์ได้เลย เพราะจะทำให้อุปกรณ์การวัดหยุดการทำงานก่อนเนื่องจากแรงดันที่ขั้วต่ำกว่า 12 โวลต์ ดังตัวอย่างเช่น

ถ้าความต้านทานของ Barrier ที่มีค่าเท่ากับ 400 โอห์ม กระแสสูงสุดของลูปจะเท่ากับ 24 Volts / (860 Ohms + 400 Ohms) = 19.04 mA

จากรายละเอียดที่แสดงมาทั้งหมดข้างต้นเป็นการทำงานพื้นฐาน, ข้อจำกัดและมาตรฐานของอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ ซึ่งยังคงมีการใช้งานกันอีกต่อไป เนื่องจากมีความเชื่อมั่นในการทำงานได้สูง และมีการใช้งานกันมายาวนาน ถึงแม้ในปัจจุบันอุปกรณ์ที่มีการสื่อสารแบบดิจิตอลกำลังเข้ามามีบทบาทเพิ่มขึ้น ซึ่งคงต้องใช้เวลาพอสมควรในการที่จะเข้ามาแทนที่อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ ได้ทั้งหมด ทั้งในแง่ความเชื่อมั่นในการทำงานและการใช้งานทดแทนกันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำเข้าไปใช้งานในระบบวัดคุมนิรภัย (Safety Instrumented System) สำหรับอุตสาหกรรมการผลิต

เอกสารอ้างอิง

1. หนังสือข่าวสารเพื่อการปรับตัวก้าวทันเทคโนโลยีอุตสาหกรรม INDUSTRIAL TECHNOLOGY REVIEW ปีที่ 10 ฉบับที่ 119, มกราคม 2547