สายเคเบิลเครื่องมือวัดคู่แบบชีลด์และแบบบิดเกลียว: วิธีการเลือก

อะไรทำให้สายเครื่องมือวัดแตกต่างจากสายมาตรฐาน

สายเคเบิลเครื่องมือวัดสร้างขึ้นโดยมีจุดประสงค์เพื่อส่งสัญญาณอะนาล็อกและดิจิตอลแรงดันต่ำในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม ไม่ใช่พลังงาน ต่างจากการเดินสายไฟทั่วไปตรงที่จัดลำดับความสำคัญ ความสมบูรณ์ของสัญญาณเหนือความสามารถในการรับกระแสไฟ . โครงสร้างสองแบบที่ใช้กันทั่วไปที่สุดในการควบคุมกระบวนการ การวัด และระบบอัตโนมัติคือสายเคเบิลเครื่องมือวัดแบบมีฉนวนหุ้มและสายเคเบิลเครื่องมือวัดสายคู่บิดเกลียว และในหลายกรณี สายเคเบิลเส้นเดียวจะรวมคุณสมบัติทั้งสองไว้ด้วยกัน

การทำความเข้าใจความแตกต่าง และการรู้ว่าเมื่อใดที่การออกแบบแต่ละอย่างมีความสำคัญ ช่วยให้วิศวกรหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดของสัญญาณ ลดต้นทุนในการแก้ไขปัญหา และปฏิบัติตามข้อกำหนดตั้งแต่เริ่มต้น

สายเคเบิลเครื่องมือวัดแบบชีลด์ : การป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

สายเคเบิลเครื่องมือวัดที่มีฉนวนหุ้มจะพันชั้นสื่อกระแสไฟฟ้า — โดยทั่วไปแล้วคืออลูมิเนียมฟอยล์ (ไมลาร์) เปียทองแดง หรือทั้งสองอย่างรวมกัน — รอบตัวนำสัญญาณ โล่นี้ทำหน้าที่เป็นกรงฟาราเดย์ ดักจับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการรบกวนความถี่วิทยุ (RFI) ก่อนที่จะเชื่อมต่อเข้ากับสายสัญญาณ

โล่จะต้องต่อสายดินที่ปลายด้านหนึ่ง (โดยทั่วไปคือปลายรับ) เพื่อให้มีประสิทธิภาพ การต่อสายดินที่ปลายทั้งสองข้างสามารถสร้างกราวด์กราวด์ได้ ซึ่งก่อให้เกิดเสียงรบกวนความถี่ต่ำที่ตั้งใจจะกำจัดออกไปอย่างขัดแย้งกัน

เมื่อใดที่ต้องระบุสายเคเบิลหุ้มฉนวน

• การติดตั้งใกล้กับไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) มอเตอร์ หรือหม้อแปลงไฟฟ้า
• สายเคเบิลยาวยาวเกิน 30 เมตร โดยมี EMI โดยรอบสะสม
• ลูปอะนาล็อก 4–20 mA โดยที่สัญญาณรบกวนระดับมิลลิโวลต์ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัด
• การเดินสายสัญญาณเทอร์โมคัปเปิลและ RTD ซึ่งทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำมาก (โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 100 mV)
• สภาพแวดล้อมที่มีท่อร้อยสายหนาแน่นทำงานโดยที่การเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟระหว่างสายเคเบิลที่อยู่ติดกันเป็นเรื่องที่น่ากังวล

โล่ฟอยล์ให้ ความคุ้มครอง 100% และมีน้ำหนักเบากว่าและง่ายต่อการยุติ ในขณะที่ชีลด์แบบถักมีความทนทานเชิงกลที่ดีกว่าและความต้านทานของชีลด์ต่ำกว่า ซึ่งมีความสำคัญในการใช้งานความถี่สูง เกราะป้องกันฟอยล์ถักเปียแบบผสมเป็นเรื่องปกติเมื่อต้องการทั้งความครอบคลุมบรอดแบนด์และความทนทานทางกายภาพ

สายเคเบิลเครื่องมือวัดคู่บิด : การยกเลิกเสียงรบกวนที่เกิดจากสนามแม่เหล็ก

การบิดตัวนำสองตัวเข้าด้วยกันโดยวางความยาวสม่ำเสมอเป็นหนึ่งในเทคนิคแบบพาสซีฟที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการปฏิเสธสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสนามแม่เหล็ก (อุปนัย) เมื่อสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงเคลื่อนผ่านคู่ตีเกลียว มันจะเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากันและตรงกันข้ามในการบิดครึ่งทางที่อยู่ติดกัน แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้จะหักล้างที่เครื่องรับ — หลักการที่เรียกว่า การปฏิเสธโหมดทั่วไป .

ยิ่งบิดแน่นมากขึ้น (บิดมากขึ้นต่อเมตร) การปฏิเสธที่ความถี่สูงก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น คู่บิดเกลียวเกรดเครื่องมือวัดมาตรฐานมักจะระบุความยาวชั้น 25–50 มม. แม้ว่าจะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิตและมาตรฐานการใช้งาน

โดยที่การออกแบบคู่ตีเกลียวช่วยเพิ่มมูลค่าที่วัดได้

• เครือข่ายฟิลด์บัส RS-485 และ Modbus ซึ่งการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันจะขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ที่สมดุล
• ความใกล้ชิดกับสายไฟที่ทำงานที่ 50/60 Hz โดยที่การเชื่อมต่อแม่เหล็กเป็นกลไกการรบกวนหลัก
• สายต่อเทอร์โมคัปเปิล โดยที่สายคู่บิดเกลียวจะรักษาการจับคู่โลหะผสมที่ถูกต้องซึ่งจำเป็นสำหรับการชดเชยอุณหภูมิที่แม่นยำ
• การเดินสายโปรโตคอล HART ซึ่งซ้อนทับสัญญาณคีย์การเปลี่ยนความถี่บนลูป 4–20 mA

คู่ชีลด์กับคู่บิด: สรุปความแตกต่างที่สำคัญ

ทั้งสองวิธีลดเสียงรบกวน แต่มีเป้าหมายที่กลไกการรบกวนที่แตกต่างกัน ตารางด้านล่างสรุปความแตกต่างในทางปฏิบัติ:

คู่บิดเกลียวแบบมีฉนวน (STP): มาตรฐานอุตสาหกรรมทั่วไป

ในการใช้งานเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ สายเคเบิลคู่ตีเกลียวหุ้มฉนวน (STP) เป็นข้อกำหนดเริ่มต้น การผสมผสานเทคโนโลยีทั้งสองเข้าด้วยกันช่วยแก้ปัญหากลไกเสียงรบกวนที่พบบ่อยที่สุดสองกลไกไปพร้อมกัน: การบิดจะปฏิเสธการรบกวนด้วยสนามแม่เหล็ก ในขณะที่ชีลด์จะบล็อก EMI ที่เชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าสถิต

สายเคเบิล STP แบบหลายคู่ เช่น ที่ใช้ในระบบควบคุมแบบกระจาย (DCS) และการเดินสาย I/O ของตัวควบคุมตรรกะแบบตั้งโปรแกรมได้ (PLC) โดยทั่วไปจะประกอบด้วยทั้งชีลด์คู่ (IS) และชีลด์โดยรวม (OS) แผงป้องกันแต่ละตัวจะแยกคู่สัญญาณแต่ละคู่ออกจากสัญญาณรบกวนข้ามกับคู่ที่อยู่ติดกัน ในขณะที่แผงป้องกันโดยรวมให้การป้องกันชั้นที่สองจากการรบกวนจากภายนอก

มาตรฐานต่างๆ เช่น IEC 60332, ICEA S-73-532 และ ISA-5.1 ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการสร้างสายเคเบิล ขนาดของตัวนำ และข้อกำหนดในการใช้งาน สำหรับการติดตั้งในพื้นที่อันตราย การปฏิบัติตามการรับรอง IECEx หรือ ATEX จะเพิ่มข้อกำหนดการก่อสร้างเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุแจ็คเก็ตและสารหน่วงไฟ

ขนาดตัวนำ ฉนวน และการเลือกแจ็คเก็ต

นอกเหนือจากการกำหนดค่าการป้องกันและการบิดแล้ว พารามิเตอร์การก่อสร้างอื่นๆ อีกหลายตัวส่งผลต่อประสิทธิภาพของสายเคเบิลในบริการเครื่องมือวัด:

• มาตรวัดตัวนำ: 18 AWG (0.75 มม.²) และ 20 AWG (0.5 มม.²) เป็นค่าปกติที่สุดสำหรับลูป 4–20 mA เกจที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยลดความต้านทานของลูปในระยะยาว ซึ่งมีความสำคัญในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ภาคสนามจากห้องควบคุม
• วัสดุฉนวน: โพลีเอทิลีนแบบครอสลิงค์ (XLPE) มีความทนทานต่ออุณหภูมิที่เหนือกว่า (–40°C ถึง 90°C) เมื่อเปรียบเทียบกับ PVC มาตรฐาน สำหรับพื้นที่กระบวนการที่มีอุณหภูมิสูง อาจจำเป็นต้องใช้ฉนวนซิลิโคนหรือ PTFE
• ประเภทแจ็คเก็ต: แจ็คเก็ต LSZH (ฮาโลเจนไร้ควันต่ำ) จำเป็นในพื้นที่จำกัดหรือถูกครอบครองตามมาตรฐานเช่น EN 50266 แจ็คเก็ต PVC ยังคงใช้กันทั่วไปในการใช้งานในอุตสาหกรรมทั่วไปเนื่องจากความคุ้มทุนและความทนทานต่อน้ำมัน
• เกราะ: เกราะลวดเหล็ก (SWA) หรือเกราะที่เชื่อมต่อกันให้การป้องกันทางกลสำหรับการติดตั้งแบบฝังโดยตรงหรือถาดสายเคเบิลที่มีการกระแทกและแรงกระแทกสูง

รายการตรวจสอบการเลือกปฏิบัติสำหรับสายเคเบิลเครื่องมือวัด

ก่อนที่จะระบุสายเคเบิล ให้ตอบคำถามเหล่านี้:

1. สัญญาณประเภทใดที่กำลังส่งสัญญาณ - อะนาล็อก (4–20 mA, เทอร์โมคัปเปิ้ล), ฟิลด์บัสแบบแยกหรือแบบดิจิทัล (RS-485, HART, PROFIBUS)
2. แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนหลักใกล้กับเส้นทางเคเบิล ได้แก่ มอเตอร์, VFD, สายไฟแรงสูงมีอะไรบ้าง
3. ความยาวรันทั้งหมดคือเท่าใด และส่งผลต่อความต้านทานลูปหรือการลดทอนสัญญาณที่อนุญาตหรือไม่
4. อุณหภูมิสุดขั้วและสภาวะการสัมผัสสารเคมีตลอดเส้นทางเคเบิลคือเท่าใด
5. การติดตั้งอยู่ในพื้นที่อันตรายที่ได้รับการจัดประเภท (Zone 1/2, Division 1/2) หรือไม่?
6. ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพการดับเพลิง (การแพร่กระจายของเปลวไฟ ความหนาแน่นของควัน ปริมาณฮาโลเจน) ถูกกำหนดโดยรหัสท้องถิ่นหรือข้อมูลจำเพาะของโครงการหรือไม่

สำหรับลูปเครื่องดนตรีแอนะล็อกส่วนใหญ่ในสภาพแวดล้อมของโรงงาน a สายเคเบิลเครื่องมือวัดคู่บิดเกลียวแบบมีชีลด์ ด้วยตัวนำทองแดงเคลือบดีบุกตีเกลียว 18 AWG, ฉนวน XLPE, ชีลด์อะลูมิเนียมฟอยล์พร้อมสายเดรน และปลอกหุ้มโดยรวม LSZH หรือ PVC จะตอบสนองความต้องการส่วนใหญ่ได้ การเบี่ยงเบนไปจากพื้นฐานนี้เกิดจากสภาพแวดล้อม สัญญาณ หรือเงื่อนไขด้านกฎระเบียบที่เฉพาะเจาะจง