เครื่องส่งสัญญาณระดับแบบสองสาย: การคำนวณแรงดันลูปและภาระ HART

การคำนวณแรงดันลูปของเครื่องส่งสัญญาณระดับแบบสองสายก่อนติดตั้ง ช่วยป้องกันปัญหาที่พบบ่อยในภาคสนาม คือระบบวัดระดับทำงานบนโต๊ะทดสอบได้ แต่หยุดทำงานเมื่ออยู่ปลายสายเคเบิลยาว เครื่องส่งสัญญาณแบบสองสายรับพลังงานทั้งหมดจากลูป 4–20 mA เดียวกับที่ใช้ส่งสัญญาณ ดังนั้นแรงดันที่เครื่องมือได้รับจึงเป็นแรงดันจากแหล่งจ่ายที่เหลือหลังหักแรงดันตกคร่อมสายเคเบิล แบริเออร์นิรภัยที่มีอยู่ และภาระของตัวรับ การถือว่าแหล่งจ่าย 24 V “เพียงพอเสมอ” เป็นสาเหตุที่พบบ่อยของลูปที่ผ่านการทดสอบบนโต๊ะแต่ใช้งานจริงไม่ได้

ลูปสองสายจ่ายพลังงานให้สิ่งใดบ้าง

การคำนวณเริ่มจากข้อเท็จจริงที่ว่าเครื่องมือทำหน้าที่เป็นความต้านทานแปรค่าในลูปกระแส ระบบควบคุมจ่ายแรงดันลูปคงที่ โดยทั่วไปคือ 24 V DC และเครื่องส่งสัญญาณควบคุมกระแสของตนระหว่าง 4 mA ถึง 20 mA เพื่อแทนค่าระดับ เนื่องจากตัวนำสองเส้นเดียวกันใช้ทั้งจ่ายไฟและส่งสัญญาณ ความต้านทานทุกโอห์มในวงจรจึงลดแรงดันที่เครื่องส่งสัญญาณต้องใช้ในการควบคุมกระแส เครื่องมือมีแรงดันทำงานขั้นต่ำ ซึ่งมักอยู่ประมาณ 11 V หากต่ำกว่านั้นอาจควบคุมเอาต์พุตให้อยู่ในช่วงไม่ได้หรือหยุดสื่อสาร

ลูปยังต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการส่งสัญญาณ HART ด้วย HART ซ้อนสัญญาณดิจิทัลแอมพลิจูดต่ำบนกระแสแอนะล็อก และต้องมีความต้านทานภาระขั้นต่ำในลูป โดยทั่วไป 230–250 Ω เพื่อให้เกิดการแกว่งของแรงดันที่อ่านได้ ตัวรับที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำหรือการ์ดอินพุตแบบมัลติเพล็กซ์อาจต้องเพิ่มตัวต้านทานภายนอก 250 Ω ที่ปลายฝั่งตัวควบคุมก่อนจึงจะใช้งาน HART ได้

จัดทำงบแรงดันของลูป

การคำนวณแรงดันลูปแบบสองสายเป็นการลบอย่างง่าย: แรงดันแหล่งจ่ายต้องสูงกว่าผลรวมของแรงดันขั้นต่ำของเครื่องส่งสัญญาณ แรงดันตกคร่อมสายที่ 20 mA แรงดันตกคร่อมแบริเออร์ และแรงดันตกคร่อมภาระ ตารางแสดงตัวอย่างทั่วไปของแหล่งจ่าย 24 V DC ทุกรายการเป็นค่าอ้างอิงทางวิศวกรรมเพื่อประกอบตัวอย่าง และต้องตรวจสอบกับป้ายประจำเครื่องของรุ่นที่สั่งซื้อและใบรับรองแบริเออร์ก่อนใช้

ค่าเหล่านี้เป็นสมมติฐานสำหรับตัวอย่างคำนวณ ไม่ใช่ข้อมูลภาคสนามของ METRAVON ก่อนใช้ผลลัพธ์ ให้ยืนยันแรงดันขั้นต่ำของเครื่องส่งสัญญาณ แรงดันตกคร่อมแบริเออร์ และอิมพีแดนซ์ของตัวรับจากเอกสารที่ส่งมอบ

แยกกระแสกระชากขณะเริ่มทำงานออกจากกระแสสภาวะคงตัว

มักคำนวณแรงดันลูปแบบสองสายเฉพาะที่กระแสคงตัว 20 mA แต่เมื่อเริ่มจ่ายไฟ ก่อนที่ไมโครโปรเซสเซอร์จะทำงานเข้าที่ เครื่องส่งสัญญาณอาจดึงกระแสกระชากสูงกว่านั้น หากแรงดันตกคร่อมสายใกล้ขีดจำกัดอยู่แล้วที่ 20 mA กระแสกระชากอาจทำให้แรงดันที่เครื่องส่งสัญญาณต่ำกว่าค่าขั้นต่ำ และเครื่องรีเซ็ตวนซ้ำจนกว่าจะป้อนสัญญาณระดับใหม่ วิธีแก้คือต้องสำรองแรงดันสำหรับกระแสกระชากด้วย ไม่ใช่พิจารณาเพียงกระแสควบคุม 20 mA

แนวปฏิบัติที่ปลอดภัยคือเลือกขนาดสายสำหรับกระแสสูงสุดที่เครื่องมือระบุในข้อกำหนดการเริ่มทำงาน แล้วตรวจสอบกรณี 20 mA อีกครั้ง หากไม่มีการเผยแพร่ค่ากระแสกระชาก ให้เหลือแรงดันที่ยังไม่ได้จัดสรรอย่างน้อย 2 V แทนการใช้แรงดันส่วนสุดท้ายทั้งหมดเพื่อเพิ่มความยาวสาย แรงดันสำรองนี้ช่วยป้องกันปัญหาภาคสนามกลุ่มใหญ่ที่ว่า “ทำงานหลังไฟสะดุดแล้วค้าง”

ตัวอย่างหาความยาวสายจากงบแรงดัน

แรงดันที่เหลือในลูปของเครื่องส่งสัญญาณแบบสองสายสามารถนำมาหาความยาวสายสูงสุดได้โดยตรง จาก 6 V ที่เหลือ สำรอง 2 V สำหรับกระแสกระชากขณะเริ่มทำงาน จึงยอมให้สายมีแรงดันตกคร่อมได้ 4 V ที่ 20 mA ใช้ค่านี้คำนวณระยะเดินสายได้โดยตรง ตัวอย่างนี้แสดงวิธีคำนวณด้วยค่าสมมติ ไม่ใช่ผลการวัดของ METRAVON

ตัวอย่างการคำนวณด้วยค่าหน้างานสมมติ:

• แรงดันที่เหลือหลังหักแรงดันตกคร่อมคงที่: 6 V

• แรงดันสำรองขณะเริ่มทำงาน: 2 V

• แรงดันที่จัดสรรให้สายเคเบิล: 4 V

• กระแสลูป: 20 mA = 0.020 A

• ความต้านทานสายที่ยอมให้มี: 4 V / 0.020 A = 200 Ω

• สายทองแดง 1.5 mm²: ≈ 12.1 Ω/km ต่อตัวนำหนึ่งเส้น

• ลูปใช้ตัวนำสองเส้น: ≈ 24.2 Ω/km

ความยาวเส้นทางลูปสูงสุด = 200 Ω / 24.2 Ω/km ≈ 8.3 km

ผลลัพธ์: ภายใต้ค่าสมมติเหล่านี้ สายคู่ขนาด 1.5 mm² อาจเดินได้ประมาณ 8 km โดยยังคงกระแส 20 mA และเหลือแรงดันสำรองสำหรับกระแสกระชากครบ หากจัดสรร 6 V ทั้งหมดให้สาย จะได้ 300 Ω และ 12.4 km แต่ไม่เหลือส่วนสำรองสำหรับเริ่มทำงาน จึงไม่ควรอ้างตัวเลขนี้เป็นระยะที่ใช้งานได้

เงื่อนไขจำกัด: ก่อนถึงความยาวดังกล่าว แรงดันจะไม่ได้เป็นขีดจำกัดหลักอีกต่อไป HART ต้องการความจุไฟฟ้ารวมของลูปต่ำกว่าประมาณ 0.2 µF และสาย 1.5 mm² จะถึงค่านี้ใกล้ระยะ 2 km ดังนั้นขีดจำกัด HART ในทางปฏิบัติจึงอยู่ประมาณหนึ่งในสี่ของค่าที่พิจารณาเฉพาะแรงดัน สายใหญ่ขึ้น (2.5 mm², ความต้านทานลูป ≈ 14.5 Ω/km) เพิ่มขีดจำกัดด้านแรงดัน แต่ไม่ได้เพิ่มขีดจำกัดด้านความจุไฟฟ้า ส่วนสายคู่ 1.0 mm² (ความต้านทานลูป ≈ 36 Ω/km) ลดขีดจำกัดด้านแรงดันเหลือประมาณ 5.5 km เลือกขนาดสายโดยพิจารณาทั้งสองขีดจำกัด และแทนค่าความต้านทานกับแรงดันสมมติด้วยค่าที่ตรวจสอบจากหน้างานก่อนระบุความยาวสายสูงสุด

ภาระ HART และข้อจำกัดของการต่อหลายอุปกรณ์ร่วมสาย

งบแรงดันลูปแบบสองสายต้องเผื่อภาระ HART ด้วย ไม่ใช่เฉพาะแรงดันตกคร่อมแอนะล็อก ควรแยกรายการสื่อสาร HART เพราะอาจล้มเหลวโดยไม่มีอาการจากค่ากระแส หากความต้านทานรวมของลูปต่ำกว่าประมาณ 230 Ω โมเด็ม HART ที่เครื่องส่งสัญญาณจะสร้างสัญญาณสื่อสารไม่ได้ เครื่องสื่อสารแบบพกพาหรือระบบจัดการสินทรัพย์จะแจ้งว่าไม่พบอุปกรณ์ แม้ค่า 4–20 mA จะดูปกติ วิธีแก้ทั่วไปคือเพิ่มตัวต้านทาน 250 Ω ที่ตัวรับ แต่ตัวต้านทานนี้ใช้แรงดัน 5 V ที่ 20 mA ซึ่งเป็นรายการเดียวกับที่นับไว้ในงบข้างต้นแล้ว

HART แบบหลายอุปกรณ์ร่วมสาย ซึ่งเครื่องส่งสัญญาณหลายตัวใช้สายคู่เดียวกัน ทำให้ต้องพิจารณาเพิ่ม: อุปกรณ์ที่มีแอดเดรสแต่ละตัวยังต้องได้รับแรงดันลูปสูงกว่าค่าขั้นต่ำ และความยาวสายรวมต้องรองรับอุปกรณ์ทุกตัวในเซกเมนต์ คำนวณสำหรับอุปกรณ์ที่อยู่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุด แล้วตรวจสอบว่าอุปกรณ์ที่ใกล้ที่สุดไม่ได้รับแรงดันเกินค่าสูงสุดของตน ซึ่งโดยทั่วไปคือ 30 V หรือ 36 V และต้องอ่านจากป้ายประจำเครื่อง

เมื่อแรงดันลูปที่คำนวณได้ไม่เพียงพอ

การคำนวณแรงดันลูปแสดงว่าเมื่อใดไม่ควรใช้อุปกรณ์ตามรูปแบบที่กำหนด หากระยะสายที่ต้องการยาวกว่าที่งบแรงดันรองรับ อย่าเพียงเพิ่มแรงดันแหล่งจ่ายเกินค่าสูงสุดของเครื่องมือ หรือถอดแบริเออร์นิรภัยเพื่อให้มีแรงดันเหลือ เพราะทั้งสองวิธีละเมิดข้อกำหนดอื่น ทางเลือกที่เหมาะสมคือเพิ่มพื้นที่หน้าตัดสาย ย้ายแหล่งจ่ายให้ใกล้ขึ้น หรือเลือกเครื่องส่งสัญญาณที่มีแรงดันทำงานขั้นต่ำต่ำกว่า

เครื่องส่งสัญญาณแบบสองสายบางรุ่นรองรับจอแสดงผลในตัวภายใต้งบกำลังไฟที่ประกาศไว้ การทำความร้อน การสวิตช์ หรือฟังก์ชันเสริมอื่นต้องใช้ความสามารถด้านกำลังไฟและเอาต์พุตตามเอกสารของอุปกรณ์ที่สั่งซื้อ จำนวนสายเพียงอย่างเดียวไม่ได้เป็นเหตุให้ห้ามหรืออนุญาตฟังก์ชันเหล่านี้ หากฟังก์ชันที่ต้องการเกินความสามารถนั้น ให้ประเมินรูปแบบที่จ่ายไฟแยกหรือแบบสาม/สี่สาย

คำถามที่พบบ่อย

Q1. ทำไมแหล่งจ่าย 24 V จึงไม่ได้ให้ 24 V ที่เครื่องส่งสัญญาณ?

การคำนวณแรงดันลูปแบบสองสายอธิบายได้ว่าแรงดันแหล่งจ่ายไม่ใช่แรงดันที่เครื่องส่งสัญญาณได้รับ เพราะสายเคเบิล แบริเออร์ป้องกันแบบความปลอดภัยโดยเนื้อแท้ที่มีอยู่ และภาระตัวรับล้วนมีแรงดันตกคร่อม ขณะที่เครื่องส่งสัญญาณต้องมีแรงดันขั้นต่ำเพื่อควบคุมกระแส เมื่อเดินสายไกล สายเพียงอย่างเดียวอาจใช้แรงดันหลายโวลต์ที่ 20 mA จึงต้องคำนวณก่อนสมมติว่าเครื่องมือได้รับแรงดันเท่ากับแหล่งจ่าย

Q2. ตัวต้านทาน 250 Ω ทำหน้าที่อะไร?

ตัวต้านทานทำให้สัญญาณดิจิทัล HART ปรากฏเป็นแรงดันในลูป หากมีความต้านทานไม่ถึงประมาณ 230 Ω โมเด็ม HART จะสร้างสัญญาณสื่อสารไม่ได้ ที่ 20 mA ตัวต้านทานยังมีแรงดันตกคร่อม 5 V ซึ่งต้องนับในงบแรงดัน มิฉะนั้น HART อาจสื่อสารได้แต่ไม่มีแรงดันสำรองในลูป

Q3. เพิ่มแหล่งจ่ายเป็น 36 V เพื่อเดินสายให้ไกลขึ้นได้หรือไม่?

ทำได้เฉพาะเมื่อส่วนประกอบทุกชิ้น รวมถึงแบริเออร์และรูปแบบการป้องกันพื้นที่อันตราย ยอมรับสภาวะแหล่งจ่ายที่เสนอ เมื่อกระแสลูปคงที่ ความต้านทานพาสซีฟจะยังมีแรงดันตกคร่อม I × R เท่าเดิมแม้เพิ่มแรงดันแหล่งจ่าย ให้คำนวณแรงดันที่ขั้ว พิกัดส่วนประกอบ และข้อจำกัดของแบริเออร์ใหม่ แทนการสมมติว่าแรงดันตกคร่อมภาระเพิ่มขึ้นเอง

Q4. ทำไมเครื่องส่งสัญญาณจึงรีเซ็ตหลังไฟสะดุด?

หากที่ 20 mA สายใกล้ขีดจำกัดอยู่แล้ว กระแสกระชากขณะเริ่มทำงานอาจทำให้แรงดันต่ำกว่าค่าขั้นต่ำของเครื่องส่งสัญญาณ ต้องสำรองแรงดันสำหรับกระแสกระชาก ไม่ใช่เฉพาะกระแสคงตัว มิฉะนั้นอุปกรณ์จะรีเซ็ตวนซ้ำจนกว่าสภาวะจะดีขึ้น

Q5. RS485 Modbus จัดการด้านไฟเลี้ยงง่ายกว่า 4–20 mA หรือไม่?

เป็นรูปแบบที่ต่างกัน ไม่ได้ง่ายกว่า ลูป 4–20 mA แบบสองสายจ่ายไฟให้เครื่องมือจากลูป ส่วนเครื่องส่งสัญญาณระดับ RS485 Modbus โดยทั่วไปต้องมีแหล่งจ่ายแยกที่หน้างาน แต่ไม่มีแรงดันตกคร่อมภาระแอนะล็อก เลือกตามสิ่งที่อินพุตตัวควบคุมและการจัดวางระบบไฟหน้างานรองรับ

Q6. เมื่อใดควรเปลี่ยนจากสองสายเป็นรูปแบบอื่น?

ประเมินรูปแบบใหม่เมื่อสายที่ต้องการยาวเกินงบแรงดันลูปที่ตรวจสอบแล้ว หรือฟังก์ชันเสริมต้องใช้กำลังไฟเกินความสามารถที่อุปกรณ์ประกาศไว้ การมีจอแสดงผลในตัวเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้ใช้เครื่องส่งสัญญาณแบบสองสายไม่ได้ พิจารณาสายที่เหมาะสม ตำแหน่งแหล่งจ่าย หรืออุปกรณ์ที่รับไฟแยก โดยคงการป้องกันที่จำเป็นทั้งหมด

สรุป

งบแรงดันลูปของเครื่องส่งสัญญาณระดับแบบสองสายกำหนดความยาวสายที่ใช้งานได้: จากแหล่งจ่าย 24 V DC หักแรงดันขั้นต่ำของเครื่องมือ 11 V ภาระ HART 5 V และแบริเออร์ 2 V เหลือ 6 V สำรองสำหรับเริ่มทำงาน 2 V จึงเหลือสำหรับสาย 4 V ภายใต้ค่าสมมติของสาย 1.5 mm² ได้ระยะประมาณ 8 km ที่ 20 mA แต่ใกล้ 2 km จะเริ่มติดข้อจำกัดด้านความจุไฟฟ้าของ HART ยืนยันค่าบนป้ายประจำเครื่องที่ส่งมอบ แล้วเลือกขนาดสายหรือเปลี่ยนรูปแบบการเดินสายหากคำนวณแล้วไม่เพียงพอ