Suojattu vs kierretty pariinstrumenttikaapeli: Kuinka valita

Mikä tekee instrumentointikaapelista eron tavallisesta johdosta

Instrumentointikaapelit on suunniteltu lähettämään pienjännitteisiä analogisia ja digitaalisia signaaleja teollisuusympäristöissä – ei virtaa. Toisin kuin yleiskäyttöiset johdotukset, ne priorisoivat signaalin eheys yli virransiirtokapasiteetin . Kaksi yleisintä prosessinohjaus-, mittaus- ja automaatiojärjestelmissä käytettyä rakennetta ovat suojattu instrumentointikaapeli ja kierretty pariinstrumenttikaapeli, ja monissa tapauksissa yksi kaapeli yhdistää molemmat ominaisuudet.

Eron ymmärtäminen – ja kunkin suunnittelun merkityksen tietäminen – auttaa insinöörejä välttämään signaalivirheet, vähentämään vianetsintäkustannuksia ja täyttämään vaatimustenmukaisuusvaatimukset alusta alkaen.

Suojattu instrumentointikaapeli : Suojaus sähkömagneettisia häiriöitä vastaan

Suojattu instrumentointikaapeli kääri signaalijohtimien ympärille johtavan kerroksen - tyypillisesti alumiinifolion (mylar), kuparipunoksen tai näiden yhdistelmän. Tämä suojus toimii Faradayn häkkinä ja sieppaa säteilevät sähkömagneettiset häiriöt (EMI) ja radiotaajuiset häiriöt (RFI) ennen kuin se kytkeytyy signaalijohtimeen.

Suojan on oltava maadoitettu toisesta päästä (yleensä vastaanottopäästä), jotta se olisi tehokas. Maadoitus molemmissa päissä voi luoda maasilmukan, joka paradoksaalisesti tuo mukanaan matalataajuisen melun, jonka se oli tarkoitus poistaa.

Milloin suojattu kaapeli määritellään

• Asennukset taajuusmuuttajien (VFD:n), moottoreiden tai muuntajien lähellä
• Pitkä kaapeli kulkee yli 30 metriä, jossa ympäristön EMI kerääntyy
• 4–20 mA analogiset silmukat, joissa jopa millivolttitason kohina aiheuttaa mittausvirheitä
• Lämpöpari ja RTD-signaalijohdotus, jotka toimivat erittäin matalilla jännitteillä (tyypillisesti alle 100 mV)
• Ympäristöt, joissa on tiheät putkijohdot, joissa vierekkäisten kaapelien välinen kapasitiivinen kytkentä on huolenaihe

Mukana kalvosuojat 100 % peitto ja ne ovat kevyempiä ja helpommin päätettäviä, kun taas punossuojat tarjoavat paremman mekaanisen kestävyyden ja alhaisemman suojan kestävyyden – tärkeää suurtaajuussovelluksissa. Yhdistelmäkalvo-punossuojat ovat yleisiä, kun vaaditaan sekä laajakaistan peittoa että fyysistä kestävyyttä.

Kierretty pariinstrumenttikaapeli : Magneettisesti aiheuttaman kohinan poistaminen

Kahden johtimen kiertäminen yhteen tasaisella pituudella on yksi tehokkaimmista passiivisista tekniikoista magneettisesti indusoitujen (induktiivisten) häiriöiden torjumiseksi. Kun muuttuva magneettikenttä kulkee kierretyn parin läpi, se indusoi yhtä suuret ja vastakkaiset jännitteet vierekkäisiin puolikierteisiin. Nämä jännitteet häviävät vastaanottimessa - periaate, joka tunnetaan nimellä yhteisen tilan hylkääminen .

Mitä tiukempi kierre (enemmän kiertoja metriä kohti), sitä parempi hylkäys korkeammilla taajuuksilla. Normaalit instrumentointiluokan kierretyt parit määrittävät tyypillisesti 25–50 mm:n asennuspituuden, vaikka tämä vaihtelee valmistajan ja sovellusstandardin mukaan.

Kierretty parirakenne tuo mitattavaa arvoa

• RS-485- ja Modbus-kenttäväyläverkot, joissa differentiaalinen signalointi riippuu balansoidusta impedanssista
• Läheisyys 50/60 Hz taajuudella toimiviin virtakaapeleihin, joissa magneettinen kytkentä on ensisijainen häiriömekanismi
• Termoparin jatkojohto, jossa kierretty pari säilyttää oikean seosparin, jota tarvitaan tarkkaan lämpötilan kompensointiin
• HART-protokollan johdotus, joka peittää taajuusmuuttuva signaalin 4–20 mA:n silmukalla

Suojattu vs kierretty pari: Tärkeimmät erot yhdellä silmäyksellä

Molemmat lähestymistavat vähentävät melua, mutta ne kohdistuvat erilaisiin häiriömekanismeihin. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto käytännön eroista:

Shielded Twisted Pair (STP): yleinen teollisuusstandardi

Useimmissa teollisissa instrumentointisovelluksissa suojattu kierretty parikaapeli (STP). on oletusmääritys. Molempien tekniikoiden yhdistäminen käsittelee kahta yleisintä kohinamekanismia samanaikaisesti: kierre torjuu magneettisesti kytketyt häiriöt, kun taas suoja estää sähköstaattisesti kytketyn EMI:n.

Monipariset STP-kaapelit – kuten ne, joita käytetään hajautetuissa ohjausjärjestelmissä (DCS) ja ohjelmoitavan logiikkaohjaimen (PLC) I/O-johdotuksissa – sisältävät tyypillisesti sekä yksittäisparisuojan (IS) että kokonaissuojan (OS). Yksittäiset suojukset eristävät jokaisen signaaliparin ylikuulumisesta viereisten parien kanssa, kun taas yleinen suoja tarjoaa toisen suojakerroksen ulkoisia häiriöitä vastaan.

Standardit, kuten IEC 60332, ICEA S-73-532 ja ISA-5.1, antavat ohjeita kaapelien rakenteesta, johtimien mitoituksesta ja sovellusvaatimuksista. Vaarallisten alueiden asennuksissa IECEx- tai ATEX-sertifikaattien noudattaminen lisää vaippamateriaaleihin ja palonestokykyyn liittyviä rakennevaatimuksia.

Johtimen mitoitus, eristys ja vaipan valinta

Suojauksen ja kierrekonfiguraation lisäksi useat muut rakenneparametrit vaikuttavat kaapelin suorituskykyyn instrumentointipalvelussa:

• Johtimen mittari: 18 AWG (0,75 mm²) ja 20 AWG (0,5 mm²) ovat yleisimpiä 4–20 mA:n silmukoille. Suuremmat mittarit vähentävät silmukan vastusta pitkillä ajoilla, millä on merkitystä, kun kenttälaitteita syötetään valvomosta.
• Eristysmateriaali: Silloitettu polyeteeni (XLPE) tarjoaa erinomaisen lämmönkestävyyden (-40°C - 90°C) verrattuna tavalliseen PVC:hen. Korkean lämpötilan prosessialueilla voidaan tarvita silikoni- tai PTFE-eristystä.
• Takin tyyppi: LSZH (low smoke zero halogen) -vaipat vaaditaan ahtaissa tai miehitetyissä tiloissa standardien EN 50266 mukaisesti. PVC-vaipat ovat edelleen yleisiä yleisessä teollisessa käytössä kustannustehokkuutensa ja öljynkestävyytensä vuoksi.
• Panssari: Teräslankapanssari (SWA) tai lukittu panssari tarjoaa mekaanisen suojan suoraan hautaamiseen tai kaapelihyllyn asennuksiin, joissa on suuri puristus- ja iskualtistus.

Käytännön valinnan tarkistuslista instrumentointikaapelille

Ennen kuin määrität kaapelin, selvitä nämä kysymykset:

1. Mitä signaalityyppiä lähetetään – analoginen (4–20 mA, termopari), diskreetti vai digitaalinen kenttäväylä (RS-485, HART, PROFIBUS)?
2. Mitkä ovat hallitsevat häiriölähteet lähellä kaapelireittiä – moottorit, VFD:t, suurjännitekaapelit?
3. Mikä on ajon kokonaispituus ja vaikuttaako se sallittuun silmukan resistanssiin tai signaalin vaimenemiseen?
4. Mitkä ovat äärimmäiset lämpötilat ja kemialliset altistumisolosuhteet kaapelin reitillä?
5. Onko asennus luokitellulla vaarallisella alueella (vyöhyke 1/2, osasto 1/2)?
6. Ovatko palon suorituskykyvaatimukset (liekin leviäminen, savun tiheys, halogeenipitoisuus) määritelty paikallisissa määräyksissä tai projektin spesifikaatioissa?

Suurin osa analogisista instrumenttisilmukoista kasviympäristöissä, a suojattu kierretty pariinstrumenttikaapeli 18 AWG-säikeisellä tinatulla kuparijohtimella, XLPE-eristyksellä, alumiinifoliosuojalla tyhjennyslangalla ja LSZH- tai PVC-haalarivaipalla täyttävät useimmat vaatimukset. Poikkeamat tästä lähtötasosta johtuvat erityisistä ympäristö-, signaali- tai sääntelyolosuhteista.