Instrumentointikaapeliopas: rakentaminen, suojaus ja valinta

Mikä on instrumentointikaapeli

Instrumentointikaapeli on pienjännitekaapeli, joka on erityisesti suunniteltu kuljettamaan signaaleja kenttäinstrumenttien – anturien, lähettimien, säätimien – ja ohjausjärjestelmien välillä teollisuus- ja prosessiympäristöissä. Suunnittelun pääpaino on suojaa heikkoja, tarkkoja signaaleja sähköisiltä kohinalta ja häiriöiltä sen sijaan, että toimittaisit voimaa. Se on erillinen luokka virtakaapelista, joka on suunniteltu kuljettamaan virtaa tehokkaasti, ja datakaapelista, joka on optimoitu nopeaan digitaaliseen siirtoon.

Nämä kaapelit kuljettavat tyypillisesti pieniä analogisia signaaleja (kuten 4-20 mA virtasilmukoita), pienjännitteisiä digitaalisia signaaleja tai lämpöpari- ja RTD-lämpötilasignaaleja, jotka kaikki ovat erittäin herkkiä lähellä olevien virtakaapeleiden, moottoreiden ja taajuusmuuttajien aiheuttamille sähkömagneettisille häiriöille.

Mihin instrumentointikaapelia käytetään

• Prosessianturien (paine, lämpötila, virtaus, taso) liittäminen valvontahuoneen instrumentointiin
• 4-20 mA analogisen virtasilmukan signaalin siirto kenttälähettimien ja PLC:iden/DCS-järjestelmien välillä
• Termoparin ja RTD-lämpötila-anturin johdotus prosessilaitoksissa
• Pienjänniteohjaus- ja valvontapiirit öljyn ja kaasun, sähköntuotannon, vedenkäsittelyn ja tuotantolaitoksissa
• Kenttäväylä- ja tietoliikenneprotokollajohdotus, jossa signaalin eheys vaikuttaa suoraan prosessin ohjauksen tarkkuuteen

Kuinka instrumentointikaapeli toimii

Instrumentointikaapeli suojaa signaalin eheyttä johtimien pariliitoksen, suojauksen ja fyysisen rakenteen yhdistelmällä, eikä itse kuparijohtimen erityisominaisuuksilla. Kierretyt johdinparit poistavat indusoidut sähkömagneettiset häiriöt periaatteella, jossa kierretyn parin molemmista johtimista poimittu kohina hylätään vastaanottavassa instrumentissa, koska se näkyy yhteismoodisena signaalina pikemminkin kuin differentiaalisena signaalina, joka kuljettaa varsinaista signaalia.

Suojaus lisää toisen suojakerroksen tarjoamalla johtavan esteen – tyypillisesti kalvolla tai punotulla kuparilla – johdinparien ympärille, joka sieppaa ulkoiset sähkömagneettiset kentät ja, kun se on maadoitettu oikein toisesta päästä, tyhjentää indusoidun kohinan maahan ennen kuin se voi kytkeytyä signaalijohtimiin.

Instrumentointikaapelin rakenne ja rakenne

Instrumentointikaapelityypit ja -sovellukset

• Yhden parin kaapeli: yksi signaalipiiri, jota käytetään yksinkertaisiin point-to-point-instrumenttien kytkentöihin
• Moniparikaapeli: useita kierrettyjä pareja yhdistettynä yhteen vaippaan, käytetään kun monet instrumentit kulkevat takaisin yhteiseen ohjauspaneeliin
• Triad-kaapeli: kolme yhteen kierrettyä johdinta, joita käytetään signaaleille, jotka vaativat erillisen referenssi- tai maajohtimen piiriä kohti
• Termoparin jatkokaapeli: käyttää tiettyihin termoparityyppeihin sovitettuja johtimien seoksia lämpötilasignaalin tarkkuuden säilyttämiseksi
• Kenttäväyläkaapeli: rakennettu täyttämään digitaalisten kenttäväyläviestintäprotokollien erityiset impedanssi- ja kapasitanssivaatimukset

Suojattu instrumentointikaapeli selitetty

Suojaus erottaa instrumentointikaapelin yleiskäyttöisistä pienjännitejohdoista, ja se on olemassa erityisesti estämään sähkömagneettiset ja radiotaajuiset häiriöt kytkemästä herkkiin signaalijohtimiin. Suoja toimii tehokkaasti vain oikein maadoitettuna — tyypillisesti vain toisessa päässä, jotta vältytään muodostamasta maasilmukkaa, joka itse aiheuttaisi kohinaa piiriin sen sijaan, että se poistaisi sitä.

Folisuojat tarjoavat lähes 100 %:n peiton suurtaajuisia häiriöitä vastaan, ja ne ovat kevyempiä ja halvempia, kun taas punotut suojukset tarjoavat paremman mekaanisen kestävyyden ja pienemmän vastuksen matalilla taajuuksilla, vaikkakin tyypillisesti hieman pienemmällä peitolla kuin hyvin levitetyllä kalvosuojalla. Joissakin kaapelirakenteissa yhdistyvät molemmat – kalvosuoja ja päällä oleva punos – sovelluksiin, jotka kohtaavat sekä korkeataajuista melua että vaativia mekaanisia tai taipuisia olosuhteita.

Kierretyn parin instrumentointikaapelin edut

Kierretyt johdinparit yhdessä aikaansaavat kohinan vaimennuksen puhtaasti geometrisen mekanismin kautta: mikä tahansa häiriölähde kytkeytyy lähes tasaisesti tiukasti kierretyn parin molempiin johtimiin, koska niillä on olennaisesti sama fyysinen sijainti suhteessa melulähteeseen missä tahansa kaapelin kohdassa. Koska vastaanottava instrumentti lukee kahden johtimen välisen eron, yhtä indusoitu kohina vaimenee, kun taas varsinainen differentiaalisignaali kulkee läpi muuttumattomana.

Kiertymisnopeus (kierteiden määrä pituutta kohti) vaikuttaa siihen, kuinka hyvin tämä kumoaminen toimii eri häiriötaajuuksilla – tiukemmilla kierteillä voidaan yleensä torjua paremmin korkeataajuista kohinaa, minkä vuoksi kaapelit, jotka on tarkoitettu kohinaisiin ympäristöihin tai korkeataajuisiin digitaalisiin signaaleihin, määrittävät usein tiukemman, kontrolloidun kierrenopeuden yleisen löysän kierteen sijaan.

Instrumentointikaapelin suojaustyypit

Instrumentointikaapelin tekniset tiedot

Instrumentointikaapelin tarkka määrittäminen edellyttää useiden parametrien sovittamista signaalin tyyppiin, ympäristöön ja asennustapaan sen sijaan, että asetetaan oletusarvoisesti yleinen "signaalikaapelin" spesifikaatio. Ydinspesifikaatioihin kuuluvat johdinmitta, parien lukumäärä ja kokoonpano, suojatyyppi, eristys ja vaippamateriaali sekä jännite/lämpötilaluokitus.

• Johdinmittari (AWG): mitoitettu signaalivirralle ja hyväksyttävälle jännitehäviölle kaapelin pituudella
• Pair/triad count: sovitetaan reititettyjen instrumenttien tai piirien lukumäärään
• Suojan tyyppi ja peittoalue: valitaan meluympäristön ja odotettavissa olevien häiriöiden taajuuden perusteella
• Takin materiaali: PVC yleiseen sisäkäyttöön, erikoisyhdisteet (LSZH, XLPE) vaarallisiin, ulkotiloihin tai paloturvallisiin sovelluksiin
• Lämpötila ja jänniteluokitus: sovitettu asennusympäristöön ja signaalipiirin vaatimuksiin

Instrumentointikaapelin valinta

Instrumentointikaapelin valinta alkaa kuljetettavasta signaalityypistä – analoginen virtasilmukka, pienjännitedigitaalinen tai lämpötila-anturin signaali – koska tämä määrittää johtimien määrän, mittarin ja sen, onko kierretty pari tai kierretty kolmikkorakenne sopiva. Sen jälkeen arvioi sähköinen meluympäristö suunnitellun kaapelireitin varrella: tehokaapeleiden, moottoreiden tai taajuusmuuttajien läheisyyden pitäisi työntää suuremman peiton suojausta kohti.

• Tunnista ensin signaalin tyyppi ja tarvittava johdin/parikokoonpano
• Arvioi sähköisen melun lähteet kaapelin reitillä määrittääksesi suojausvaatimukset
• Yhdistä takin materiaali asennusympäristöön - sisätiloihin, ulkotiloihin, haudattuihin tai vaarallisiin tiloihin
• Varmista, että laitos noudattaa asiaankuuluvia alan standardeja (paloluokitus, vaarallisten paikkojen luokitus)
• Tarkista suojauksen päätteen maadoitussuunnitelma ennen kaapelin valinnan viimeistelyä, koska väärä maadoitus heikentää suojauksen etuja kaapelin laadusta riippumatta