4-20 mA; A Myth

Honestly it’s very difficult to find books or references which explain clearly why analog signal 4-20 mA is used on electric signal transmission. I remember I saw somebody gave his opinion in a mailing list but I forget already what he told exactly and unfortunately I lose the email by now. Sometimes I think 4-20 mA is a myth like Da Vinci Code in Dan Brown novel. There are not many expert interested to write in detail the reasons why 4-20 mA was chosen. Normally they only said the standard instrumentation signal 4-20 mA was used as common practice in instrumentation data transmission. I don’t write this post to give clear understanding, I just want to catch any idea from my guest to bring up the myth into scientific explanation.

Sekitar 6 tahun lalu di sebuah presentasi Tugas Akhir seorang rekan, dosen penguji menanyakan kenapa signal 4-20 mA digunakan dalam instrumentasi. Sang mahasiswa memberikan satu alasan tentang batas nilai bawah yang tidak mengambil nilai 0 mA tetapi mengambil 4 mA dimaksudkan untuk membedakan nilai yang ditransmit merupakan nilai minimal bukan terjadi permasalahan pada loop kabelnya, misalnya putus. Karena ketika 0 mA digunakan, maka tidak ada beda antara kabel putus atau nilai data yang ditransmit adalah nilai minimum. Mungkin penanya akan menanyakan kenapa tidak dipakai 2 mA atau 3 mA sebagai batas bawah?. Belum sempat ada pertanyaan itu, uniknya dosen pembimbing tiba-tiba ikut menyela dengan mengatakan bahwa 4-20 mA adalah signal standar komunikasi electric analog dunia instrumentasi yang sudah tida perlu untuk dipertanyakan lagi.

Saya jadi teringat dengan kasus kenapa satuan level intensitas suara adalah Desibel? bukan Centibel, Milibel, Hectobel, Decabel, dll?. Jawaban yang paling saya inget adalah bahwa penggunaan Decibel merupakan kesepakatan expert tentang penskalaan logaritmik dengan dikalikan 10 karena range pendengaran yang terlalu lebar menyulitkan penskalaan. Nah, jangan-jangan 4-20 mA adalah kesepakatan para expert juga? Kenapa disepakati?

Buku Continous Process Control; P.G. Friedmann, T.P. Stoltenberg (ISA) sekilas menyinggung, “The 4-20 mA signal became the industry standard because of inherent stability of electric current loops with multitude of resistivity load. Another advantage is that 4 mA offset ensures that minor electrical noise does not reach amplitude that is greater than the measured signal. This make noise suppression less of problem. Also the 4-20 mA loop can be monitored for a zero mA condition to alarm that an open fuse or broken wire has rendered the loop inoperative”. Jadi resumenya dari Oom Friedmann adalah tentang kestabilan signal 4-20 mA ketika terjadi perubahan resistansi atau impedansi, kemudian ketahanan terhadap ‘minor’ noise (berarti kalau major nggak tahan nih?), dan sebagai pembeda apakah signal sedang berada pada nilai minimum atau terdapat permasalahan di dalam loop (tidak ada signal), hal ini dikenal dengan “live zero” pada 4 mA.

Terdapat tambahan dari artikel Building Automation Product, Inc., bahwa signal 4-20 mA dapat tetap mengalir paling effective dan sempurna meskipun koneksi dari kabel kurang sempurna / longgar. Kemudian dinyatakan juga bahwa 4-20 mA tidak terpengaruh oleh adanya voltage drop asalkan power supply voltage masih lebih besar dari total voltage drop pada maksimum arus signal 20 mA. Juga yang paling digaris bawahi adalah pada analog signal receiver (dalam hal ini adalah I/O controller) seperti sudah menjadi ‘kesepakatan’ fabrikan untuk memiliki impedansi analog input totalnya adalah 250 Ohm. Ada ‘anggapan’ bahwa controller mengukur voltage diantara resistant 250 Ohm tersebut untuk mendapatkan data lapangan sebagai analog input. Dengan demikian pada saat nilai arus 4 mA melalui resistant 250 Ohm maka controller menerima 1 VDC, jika arus yang mengalir 8 mA maka controller menerima 2 VDC, arus 12 mA  mengalir maka controller menerima 3 VDC, 16 mA controller menerima 4 VDC, dan pada 20 mA controller akan menerima voltage 5 VDC. Data voltage tersebut yang diolah oleh PLC/DCS. 

Sehingga dengan konsep ini saya juga menduga bahwa controller itu mengolah data dengan data voltage yaitu 0 VDC untuk fault pada loop (kabel putus, short dll) pada arus 0 mA, dan signal antara 1 VDC – 5 VDC untuk mengolah data transmisi dari lapangan. Dengan alasan transmisi signal harus dengan arus karena alasan anti voltage drop, anti noise dll sebagaimana pembahasan di atas, padahal diketahui controller lebih ‘suka’ menerima voltage, oleh karenanya dicari nilai arus yang tepat yang dapat dikonvert dengan mudah menjadi 0 VDC, 1VDC – 5 VDC. Nah, ketika disepakati penggunaan resistant 250 Ohm, maka signal 4-20 mA adalah pilihan maknyus sebagaimana konversi 4-20 mA menjadi 1-5 VDC pada paragraf di atas. Kebenarannya harus ditanyakan ke vendor-vendor seperti Honeywell, Siemens, Yokogawa, Foxboro, dll. Temen-temen yang bekerja di vendor automation system please share your idea.

Ada juga pertimbangan bahwa dengan arus 4 mA, transmitter sudah memiliki power yang cukup untuk menyala (ON). Maka pilihan 4-20 mA sepertinya susah diganggu gugat untuk teknologi analog konvensional.

Nova Kurniawan

Instrument Engineer; I am working at multinational EPCI company operating in Indonesia  

9 Responses

  1. kok judulnya myth?

  2. Salam kenal,
    mas mau nanya
    kalau untuk signal pressure kenapa 3 – 15 psi ?

  3. Simple but Enlightening. Makasih Nova.

  4. Salam kenal Mas,
    Saya seorang Engineer dibidang electrical mechanic instrumentation perusahaan kontraktor disurabaya, saya selalu ketemu yang namanya PLC. suatu hari saya di bertemu dengan teman lama saya yang sekarang di berprofesi sebagai Guru Listrik di SMK dia pingin tau cara bagamana PLC bisa menbaca dan menulis data analog (4-20mA atau 0-10VDC),masalahnya saya pakai PLC type rack (AB, LS, Omron) yang sudah ada Function Block Instant-nya untuk analog I/O sedangkan teman saya punya PLC Omron CPM2A dan CPM1A MAD01.
    Maklum saya belajar PLC dan Semuanya otodidak (tidak formal),saya waktu kuliah gak ada sama sekali mata kuliah PLC,Tolong saya ingin tahu contoh Instruksi apa aja dan Laddernya.

  5. pak novi maaf saya masih awam entang instrument.. kenapa kadang dalam wiring transmitter dad 250 Ohm ya.. dan knpa harus 250 ohm???

  6. cakep nih, makasih penjelasannya

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: