|
เป็นเวลานานมาแล้วที่อุปกรณ์เ์ครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลแิอมป์ (4-20mA Transmitters) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลลแิอมป ์ในการส่งผ่านข้อมลู และเป็นที่ยอมรับในการนำไปใช้งานส่งผา่นข้อมลู ระหว่างอุปกรณ์เครื่องมือวัดอื่นๆที่อยู่ในกระบวนการผลิตและระบบควบคุมที่ในห้องควบคุมกลาง (Central Control Room) ถึงแม้ในปัจจุบันได้มีการนำเสนอการส่งผา่นข้อมูลแบบใหม่ระหว่างงอุปกรณเ์ครื่องมือวัดและระบบควบคุมเพื่อพยายามผลดันให้เ้ป็นมาตรฐานการส่งผา่นขอ้มลู แบบใหมใ่นอนาคต ซึ่งยังคงต้องใช้เวลานานพอสมควร เช่นการสงผ่า่นข้อมูลแบบดิจิตอลในรูปแบบต่างๆ หรือที่รู้จักกันในชื่อของของ FieldBus เป็นต้น แต่อย่างไรก็ตามยังมีระบบควบคมุ และอุปกรณ์เครื่องมือวัดอีก เป็นจำนวนมากที่ยังคงใช้ในการส่งผา่นขอ้มูลด้วยสัญญาณกระแส (Current Loop) มาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์ เนื่องจากจากผู้ใช้ส่วนมากจะมีความเข้า้ใจการทำงานและการใช้งานอุปกรณ์เครื่องมือวัดวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์เป็นอย่างดีและใช้งานกันมาเป็นเวลานานแล้ว ส่วนใหญ่แล้วผู้ใช้งานส่วนมากจะมีความเข้า้ใจการเลือกใช้งานและติดตั้งอุปกรณ์เหล่านี้ แต่ก็ยังคงมีํถามเกี่ยวกับอุปกรณ์แบบนี้บ้าง เช่นความแตกต่างระหว่างอุปกรณเ์ครื่องมือวัดแบบ 4-20 มลิ ลแิอมป์ แบบ2 สาย 3 สาย และ 4 สาย หรือมีข้อจกำกัดในการใชง้านอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ แบบ 4- 20 มิลลแิอมป์เป็นต้น
ในการควบคุมกระบวนการผลิตสามารถแสดงแผนภาพกระบวนการผลิตไดด้รูปที่ 1 ซึ่งจะประกอบด้วยส่วนต่างๆ 3 ส่วนคือ อุปกรณ์การวัด (Sensing Element) ระบบควบคุม (Control System) และวาล์วควบคุม (Control Valve) ในการควบคุมจะมีการทำงานอยู่ 3 ขั้นตอนดังนี้
|
รูปที่ 1 ระบบควบคุมบนแผนภาพกระบวนการผลิต
|
ขั้นตอนแรก อุปกรณ์การวัดวัดจะทาํการแปลงตัวแปรจากกระบวนการผลิตไปเป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์และส่งไปยังระบบควบคุม
ขั้นตอนที่สอง ระบบควบคุมจะทำการประมวลผลและส่งเอาต์พุตออกเป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลลิแอมป์ไปยังวาล์วควบคุม
ขั้นตอนที่สาม วาล์วควบคุมรับสัญญาณมาจากระบบควบคุมและจะเปลี่ยนเป็นการกระทำต่อตัวแปรกระบวนการโดยการปิดหรือเปิดวาล์วควบคมุ เพื่อทำให้ตัวแปรกระบวนการเปลี่ยนแปลงไปตามสัญญาณที่ได้รับมาจากระบบควบคุม
|
อุปกรณ์การวัดและวาล์วควบคุมของระบบควบการผลิตจะถูกติดตั้งกระจายอยุ่ตามพื้นที่ต่างๆของกระบวนการผลิตและส่งผ่านข้อมูลด้วยสัญญาณมาตรฐานแบบต่างๆ เป็นระยะทางไกลไปยังระบบควบคุมกลางในบางครั้งปัญหาหลักๆที่เกิดขึ้น กับระบบควบคุมก็จะพบได้ใ้นการส่งผ่านข้อมูลเหล่านี้การสื่อสารข้อมูล แบบต่างๆกับอุปกรณ์เกี่ยวข้องกับสามารถทำให้เชื่อถือได้โดยการใช้อิเลคทรอนิกส์แบบอัจฉะริยะ (Smart)ในอุปกรณ์การวัดหรืออุปกรณ์ควบคุมซึ่งมีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน
ในอดีตที่ผ่านมามาระบบการควบคุมแบบนิวแมติก(Pneumatic) ได้ถูกนำมาใช้ในการควบคุมการผลิตก่อนที่จะมีการระบบอิเลค ทรอนิกส์มาใช้งานในระบบการควบคุมแบบนิวแมติกจะมีอุปกรณ์ต่างๆเหมือนกับระบบควบคุมแบบเล็กทรอนิกส์ เช่นตัวควบคุมแบบอัตราส่วน(Ratio Controller) ตัวควบคุมแบบ PID (PIDController)เป็นต้นโดยอุปกรณ์ทั้งหมดจะส่งผา่นสัญญาณความดันมาตรฐาน 3-15 psiไปเป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 มิลิแอมป์เพื่อให้เ้หมาะสมกับระบบควบคุมแบบอิเลคทรอนิกส์ และสำหรับในบทความนี้จะเป็นการแสดงรายละเอียดและมาตรฐานของอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแิอมป์ นอกจากนั้นยังแสดงข้อจำกัดต่างๆเพื่อเป็นพื้นฐานในการนำไปใช้งาน
อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์
|
รูปที่ 2 วงจรกระแสอย่างง่าย
|
อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์สามารถเขียนเป็นวงจรกระแสอย่างง่ายได้ดังรูปที่ 2 ซึ่งจะมีแีหล่งจ่ายกระแสตามอุดมคติของนอร์ตัน ซึ่งประกอบไปด้วยแหลง่จ่ายกระแส(ISignal) และความต้านทาน (RSignal) มีความต้านทานของสายสัญญาณ(RLine) และแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน (VNoise) สำหรบใช้แทนสัญญาณรบกวนทึ่ถูกเหนี่ยวนำมาจากส่วนอื่นๆ
สำหรับวงจรกระแสในรูปที่2 จะมีความต้านทาน (RLoad)ต่ออนุกรมกับวงจรกระแสนี้ 2 ค่า่คือความต้านทานของชุดอินพุตของระบบควบคุม(RController)และความต้านทานของชุดแสดงผล (RDisplay)โดยวงจรนี้จะถูกจ่ายพลังงานด้วยแหล่งจ่ายแรงดันที่ 24 VDCอนแรก
|
จากรูปที่ 2 จะสามารถแสดงข้อดีของอุปกรณเ์ครื่องมือวัดแบบวัดแบบ 4-20 มิลลแิอมป์ ได้ดงันี้
| ♦ |
สัญญาณแรงดันที่โหลดใดๆจะมีค่าเท่ากับ (ISignal)*(RLoad) ซึ่งจะเป็นอิสระต่อแหล่งจ่ายแรงดันและความต้านทานของสายไฟซึ่งอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงความยาวได้ในการติดตั้ง
|
| ♦ |
สัญญาณรบกวนที่โหลดใดๆจะมีค่า่ลดลงด้วยตัวแปรดังนี้ (RLoad)/(SumRLoad +RLine + RSignal) ดังตัวอย่างที่แสดงต่อไปนี้ เมื่อมีแรงดันสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นเป็น 15 โวลต์ จะทำใหเ้กิดแรงดันอีิ่นพุตของชุดควบคุมเป็น 0.75 มิลลิโวลต์ 500(15/10E6+10 +250+500) และสัญญาณแรงดันเต็มย่าน (Full Scale) ที่อินพุตของระบบจะมีค่าเป็น 10 โวลต(20 มิลลโิวลต์ * 500 โอห์ม) และสัญญาณแรงดันจะมีค่ารบกวน 0.75 มิลลิโวลต์ จะทำให้เกิดความผิดพลาดที่อินพุตของระบบควบคุมเป็น 0.075 %
|
| ♦ |
สามารถต่อโหลดความต้านทานได้หลายตัวโดยการต่ออนุกรมเข้าไปกับวงจรกระแส เชน่ ระบบควบคุม ชุดแสดงผล หรือบันทึกข้อมูลเป็นต้น แต่เมื่อทำการต่อโหลดหลายตัวเขา้ไปในวงจร จะเป็นผลทำให้แรงดันที่ขั้วของอุปกรณ์การวัดมีค่าลดลง จนเป็นสาเหตุทำให้อุปกรณ์การวัดไม่สามารถทำงานได้ดังตัวอย่างในรูปที่ 2 แรงดันที่ขั้วของอุปกรณ์การวัดทีสัญญาณกระแสเป็น 20 มิลลแิอมป์จะมีคา่เท่ากับ 24 โวลต์ – 760โอห์ม x 20 มิลลิแอมป์ = 24-15.2 = 8.8 โวลต์ ดังนั้นอุปกรณ์การวัดที่นำมาใช้จะต้องทำงานได้ที่แรงดันที่ขั้วต่ำสุด(Minimum working Voltage)เป็น 8.8 โวลต์ เพราะไม่เช่นนั้นแล้วอุปกรณ์การวัดจะไม่สามารถทำงานได้ที่ สัญญาณกระแสเต็มย่านการวัดหรือไม่สามารถอ่านค่าการวัดได้ตามย่านที่ต้องการ
|
ต่อไปนี้เป็นการแสดงตัวอย่างรายละเอียดวงจรภายในพื้นฐานของอุปกรณ์การวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ ดังแสดงได้ดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 วงจรภายในพื้นฐานของอุปกรณ์การวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์
จากรูปที่ 3 สามารถแสดงรายละเอียดของวงจรภายในพื้นฐานของแต่ละส่วนได้ดังนี้
- วงจรอินพุตจะใชใ้นการเชื่อมตอ่ กับเซ็นเซอรช์ นิดต่างๆ เช่น เทอร์โมคับเปิ๊ล,RTD, แหล่งกำเนิดสัญญาณแรงดันหรือกระแส เป็นต้น ในส่วนนี้จะมีวงจรในการปรับความเป็นเชิงเส้น (Linearization) และฟังกชั่นการคำนวณต่างๆ
- แหล่งจ่ายพลังงานจะใช้สำํหรับจ่า่ยพลังงานที่ต้องการในอุปกรณ์
- วงจรเอาต์พตุจะใช้วงจรในการแปลงสัญญาณเพื่อเป็นแหลง่กำเนิดสัญญาณ 4-20 มิลลแิอมป์ให้กับลูปกระแสที่จุดเอาท์พุตของอุปกรณ์การวัด
มาตรฐานอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์
เนื่องจากการใช้งานกับอย่างแพร่หลายและมีผู้ผลิตจำนวนมาก ดังนั้นจึงต้องมีการกำหนดมาตรฐานของอุปกรณ์วัดประเภทนี้ เพื่อใช้เป็นการการหนดคุณลักษณะของอุปกรณเ์ครอื่งมือวัดเพื่อให้ใช้สามารถเลือกใช้อุปกรณ์ได้อย่างสะดวกและสามารถนำไปทดแทนกันได้ มาตรฐาน ANSI/ISA-S50.1-1982 ได้กำหนดมาตรฐานแบบน้ไีดเ้ป็น3 แบบดังแสดงในรูปที่4
รูปที่ 4 อุปกรณ์การวัดแบบ 4-20 มิลลิแอมป์
1.อุปกรณ์ Type 2
เป็นอุปกรณ์การวัดแบบ 2 สายโดยพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ภายในอุปกรณ์ ประเภทนี้จะถูกจ่ายมาจากลูปกระแส(Loop Powered) ดังนั้นแหล่งจ่ายแรงดันสำหรับอุปกรณ์ประเภทนี้จะถูกติดตั้งรวมอยู่ที่ชุดรับสัญญาณและการต่อลงดินของสัญญาณจะอยู่ที่ชุดรับสัญญาณเช่นกันอุปกรณ์เครื่องมือวัดโดยทั่วไปจะใช้มาตรฐานแบบนเี้ป็นมาตรฐานในการเชื่อมต่อกับระบบควบคุม
2.อุปกรณ์ Type 3
เป็นอุปกรณ์การวัดแบบ 2 สายโดยพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ภายในอุปกรณ์ ประเภทนี้จะถูกจ่ายมาจากแหล่งจ่ายแรงดันที่แยกออกจากลูปกระแสดังนั้นจึงต้องการสายเพิ่มอีก 1 เส้น สำหรับจ่า่ยอุปกรณไ์ฟฟ้า้ให้กับอุปกรณ์ประเภทนี้ แต่จะใช้การต่อลงดินของสัญญาณจะอยู่ที่จุดเดียวกันอุปกรณเ์ครื่องมือวัดแบบนี้จะพบได้บ่อยครั้งในอุปกรณ์ี่ตรวจจับก๊าซรั่วและเพลิงไหม้ เช่นGas Detector, Flame Detector เป็นต้น
3.อุปกรณ์ Type 4
เป็นอุปกรณ์การวัดแบบ 2 สายโดยพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ภายในอุปกรณ์ ประเภทนี้จะถูกจากแหล่งจ่ายแรงดันที่แยกแยกออกจากลูปกระแสดังนั้นจึงต้องต้องการสายเพิ่มอีก 1 คู่สำหรับจ่ายอุปกรณ์ไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ประเภทนี้ และจะใช้การต่อลงดินของสัญญาณกับแหล่งจ่ายแรงดันแยกออกจากกัน ตัวอย่างอุปกรณเ์ครื่องมือวัดแบบนี้ เช่น Magnetic Flow Meter,Coriolis Flow Meter เป็นต้น ซึ่งชุดเซ็นเซอร์และชุดแปลงสัญญาณของอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องการแหล่งจ่ายพลังงานที่แยกออกจากกัน
การขับกระแสของอุปกรณ์
จากรายละเอียดต่างๆที่ได้แสดงมาในหัวข้อที่ผ่านมาจะเห็นว่าจะใชอุ้ปกรณ์ในการขับสัญญาณกระแสให้กับวงจร ดังนั้นเป้าหมายหลักในการนำไปใช้งาน จะต้องออกแบบให้มีการตอบสนองต่อตัวแปรที่ต้องการวัดได้ตลอดย่าน รวมไปถึงการติดตั้งและการจ่ายสัญญาณกระแส 4-20 มิลลิแอมป์ด้วยแหล่งจ่ายกระแสที่เพียงพอพอทุกย่านการวัด มาตรฐาน ISA S50.1 ได้กำหนดคุณสมบัติของอุปกรณ์เครื่องมือวัดสำหรับนำไปใช้งานกับโหลดความตา้นทานที่คา่แหล่งจ่ายแรงดันตามที่กำหนดในแสดงในตารางที่1
Transmitter Class Suffix Classifications
| |
H |
L |
U |
| Load Resistance (Ohms) |
300 |
800 |
300 to 800 |
| Minimum Supply Voltage |
23 VDC |
32.7 VDC |
23-32.7 VDC |
ตารางที่ 1 ค่าโหลดความต้านทานและค่าแหล่งจ่ายแรงดัน
จากตารางที่ 1 เป็นมาตรฐานของอุปกรณ์ในการขับกระแสทำให้ผู้ใช้งานสามารถแน่ใจได้
ว่า่อุปกรณ์ประเภทตา่งๆจากผู้ผลิตที่แี่ตกต่างกันสามารถนาํไปใช้งานทดแทนกันได้โดยไม่ต้องมีการปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์อื่นๆที่เกี่ยวข้องและเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาในการขับสัญญาณ กระแสของอุปกรณ์ควรจะมีความพิจารณาความต้านทานโหลดในลูปกระแสของอุปกรณ์การวัดเมื่อม่การเพิ่มเติมมีอุปกรณ์ใ์ดเขา้ไปในลูปกระแส เช่น ถ้าเลือกการป้องกันการระเบิดในพื้นที่อันตรายเป็นแบบ I.S (Intrinsically Safe) ต้องมีการใส่ Barrier เข้าไปในวงจรกระแสหรือมีการเพิ่มส่วนแสดงเพิ่มเติมที่บริเวณกระบวนการ เป็นต้น
ดังสามารถแสดงตัวอย่าง การใส่ Barrier เขา้ไปในลปูกระแสที่ต้องการการใช้การป้องกันการ ระเบิดในพื้นที่อันตรายแบบ I.S (Intrinsically Safe) ได้ดังรูปที่5
รูปที่ 5 อุปกรณ์การวัดแบบ I.S (Intrinsically Safe)
จากรูปที่ 5 สามารถแสดงการหากระแสในลูปของอุปกรณ์กรวัดเมื่อมีการเพิ่มเติม Barrier เข้าไปในลูปกระแสได้ดังนี้
ความตา้นทานที่สามารถมีไีด้ในลูปนี้จะเท่ากับ 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 โอห์ม เพราะถ้าใช้ Barrier ที่มีค่าความต้านทานที่ มากกว่าค่านี้แล้วจะทำให้สัญญาณกระแสไม่สามารถไปถึงค่า 20 มิลลิแอมป์ได้เลย เพราะจะทำให้ อุปกรณก์ารวัดหยุดการทำงานก่อนเนื่องจากแรงดันที่ขั้วตำ่กว่า 12 โวลต์ ดงัตัวอย่างเช่น
ถ้าความต้านทานของ Barrier ที่มีค่าเท่ากับ 400 โอห์ม กระแสสูงสุดของลูปจะเท่ากับ 24 Volts / (860 Ohms + 400 Ohms) = 19.04 mA
จากรายละเอียดที่แี่สดงมาทั้งหมดข้า้งต้นเป็นการทำงานพื้นฐาน, ข้อจำกัดและมาตรฐานของอุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลแิอมป์ ซึ่งจะยังคงมีใช้งานกันอีกต่อไปเนื่องจากมีความเชื่อมั่นในการทำงานได้สูงและมีการใช้งานกันมายาวนาน ถึงแม้ในปัจจุบันอุปกรณ์ที่มีการสื่อสารแบบดจิิตอลกำลังเข้ามามีบทบาทเพิ่มขึ้น ซึ่งคงต้องใชเ้วลาพอสมควรในการที่จะเข้ามาแทนทอีุ่ปกรณเ์ครื่องมือวัดแบบ 4-20 มิลลิแิอมป์ได้ทั้งหมด ทั้งในแง่ความเชื่อมั่นในการทำงานและการใช้งานทดแทนกันได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งการ นำเข้าไปใช้งานในระบบวัดคุมนิรภัย (Safety Instrumented System) สำหรับอุตสาหกรรมการผลิต
|
