Cáp thiết bị đo cặp xoắn và được bảo vệ: Cách chọn

Điều gì làm cho cáp thiết bị khác với dây tiêu chuẩn

Cáp thiết bị được thiết kế nhằm mục đích truyền tín hiệu analog và kỹ thuật số điện áp thấp trong môi trường công nghiệp - không phải nguồn điện. Không giống như hệ thống dây điện có mục đích chung, chúng ưu tiên tính toàn vẹn của tín hiệu trên khả năng mang dòng điện . Hai cấu trúc phổ biến nhất được sử dụng trong các hệ thống điều khiển, đo lường và tự động hóa quy trình là cáp thiết bị đo lường có vỏ bọc và cáp thiết bị đo lường đôi xoắn, và trong nhiều trường hợp, một cáp duy nhất kết hợp cả hai tính năng.

Hiểu được sự khác biệt — và biết khi nào mỗi thiết kế đều quan trọng — giúp các kỹ sư tránh được lỗi tín hiệu, giảm chi phí khắc phục sự cố và đáp ứng các yêu cầu tuân thủ ngay từ đầu.

Cáp thiết bị được bảo vệ : Bảo vệ chống nhiễu điện từ

Cáp thiết bị đo được bảo vệ bọc một lớp dẫn điện - thường là lá nhôm (mylar), dây bện bằng đồng hoặc kết hợp cả hai - xung quanh dây dẫn tín hiệu. Tấm chắn này hoạt động như một lồng Faraday, chặn nhiễu điện từ bức xạ (EMI) và nhiễu tần số vô tuyến (RFI) trước khi nó kết hợp với dây tín hiệu.

Tấm chắn phải được nối đất ở một đầu (thường là đầu nhận) để có hiệu quả. Việc nối đất ở cả hai đầu có thể tạo ra một vòng lặp nối đất, điều này gây ra tiếng ồn tần số thấp một cách nghịch lý mà nó nhằm mục đích loại bỏ.

Khi nào cần chỉ định cáp được bảo vệ

• Lắp đặt gần các ổ tần số thay đổi (VFD), động cơ hoặc máy biến áp
• Cáp dài vượt quá 30 mét nơi tích tụ EMI xung quanh
• Vòng lặp tương tự 4–20 mA trong đó nhiễu thậm chí ở mức milivolt cũng gây ra lỗi đo
• Cặp nhiệt điện và dây tín hiệu RTD, hoạt động ở điện áp rất thấp (thường dưới 100 mV)
• Môi trường có đường ống dày đặc, trong đó việc ghép điện dung giữa các cáp liền kề là mối quan tâm

Lá chắn lá chắn cung cấp Bảo hiểm 100% và nhẹ hơn và dễ dàng kết thúc hơn, trong khi tấm chắn bện mang lại độ bền cơ học tốt hơn và điện trở tấm chắn thấp hơn — quan trọng trong các ứng dụng tần số cao. Các tấm chắn kết hợp bằng lá bện là phổ biến khi cần cả vùng phủ sóng băng thông rộng và độ bền vật lý.

Cáp thiết bị xoắn đôi : Khử tiếng ồn do từ tính gây ra

Xoắn hai dây dẫn lại với nhau ở một chiều dài phù hợp là một trong những kỹ thuật thụ động hiệu quả nhất để loại bỏ nhiễu do từ tính gây ra (cảm ứng). Khi một từ trường biến thiên đi qua một cặp dây xoắn, nó sẽ tạo ra các điện áp bằng nhau và ngược chiều ở các nửa vòng xoắn liền kề. Những điện áp này triệt tiêu ở máy thu - một nguyên tắc được gọi là từ chối chế độ chung .

Vòng xoắn càng chặt (nhiều vòng xoắn trên mỗi mét), khả năng loại bỏ ở tần số cao hơn càng tốt. Các cặp xoắn cấp thiết bị tiêu chuẩn thường chỉ định chiều dài dây 25–50 mm, mặc dù điều này thay đổi tùy theo tiêu chuẩn ứng dụng và nhà sản xuất.

Khi thiết kế cặp xoắn tăng thêm giá trị có thể đo lường được

• Mạng RS-485 và Modbus fieldbus, trong đó tín hiệu vi sai phụ thuộc vào trở kháng cân bằng
• Gần cáp nguồn chạy ở tần số 50/60 Hz, trong đó khớp nối từ là cơ chế gây nhiễu chính
• Dây nối dài cặp nhiệt điện, trong đó cặp xoắn duy trì ghép nối hợp kim chính xác cần thiết để bù nhiệt độ chính xác
• Đấu dây giao thức HART, phủ tín hiệu khóa dịch tần trên vòng 4–20 mA

Cặp được che chắn và xoắn: Sơ lược về sự khác biệt chính

Cả hai phương pháp đều giảm tiếng ồn nhưng chúng nhắm đến các cơ chế gây nhiễu khác nhau. Bảng dưới đây tóm tắt những khác biệt thực tế:

Cặp xoắn được bảo vệ (STP): Tiêu chuẩn công nghiệp chung

Trong hầu hết các ứng dụng thiết bị công nghiệp, cáp xoắn đôi có vỏ bọc (STP) là đặc điểm kỹ thuật mặc định. Việc kết hợp cả hai công nghệ sẽ giải quyết đồng thời hai cơ chế nhiễu phổ biến nhất: vòng xoắn loại bỏ nhiễu kết hợp từ tính trong khi tấm chắn chặn EMI được kết hợp tĩnh điện.

Cáp STP nhiều cặp — chẳng hạn như cáp được sử dụng trong hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và dây I/O của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) — thường bao gồm cả tấm chắn cặp riêng lẻ (IS) và tấm chắn tổng thể (OS). Các tấm chắn riêng biệt cách ly từng cặp tín hiệu khỏi nhiễu xuyên âm với các cặp liền kề, trong khi tấm chắn tổng thể cung cấp lớp bảo vệ thứ hai chống lại sự can thiệp từ bên ngoài.

Các tiêu chuẩn như IEC 60332, ICEA S-73-532 và ISA-5.1 cung cấp hướng dẫn về kết cấu cáp, kích thước dây dẫn và các yêu cầu ứng dụng. Đối với việc lắp đặt trong khu vực dễ cháy nổ, việc tuân thủ các chứng nhận IECEx hoặc ATEX sẽ bổ sung thêm các yêu cầu xây dựng liên quan đến vật liệu vỏ bọc và khả năng chống cháy.

Lựa chọn kích cỡ dây dẫn, cách điện và vỏ bọc

Ngoài cấu hình che chắn và xoắn, một số thông số kết cấu khác ảnh hưởng đến hiệu suất cáp trong dịch vụ thiết bị đo đạc:

• Máy đo dây dẫn: 18 AWG (0,75 mm2) và 20 AWG (0,5 mm 2) là phổ biến nhất cho vòng 4–20 mA. Đồng hồ đo lớn hơn làm giảm điện trở vòng lặp trong thời gian dài, điều này quan trọng khi cấp nguồn cho các thiết bị hiện trường từ phòng điều khiển.
• Vật liệu cách nhiệt: Polyetylen liên kết ngang (XLPE) có khả năng chịu nhiệt độ vượt trội (–40°C đến 90°C) so với PVC tiêu chuẩn. Đối với các khu vực xử lý nhiệt độ cao, có thể cần phải cách nhiệt bằng silicon hoặc PTFE.
• Loại áo khoác: Cần phải có áo khoác LSZH (halogen không khói thấp) trong không gian hạn chế hoặc có người sử dụng theo các tiêu chuẩn như EN 50266. Áo khoác PVC vẫn phổ biến trong sử dụng công nghiệp nói chung do tính hiệu quả về chi phí và khả năng kháng dầu.
• Bọc thép: Áo giáp dây thép (SWA) hoặc áo giáp khóa liên động cung cấp khả năng bảo vệ cơ học cho việc lắp đặt khay cáp hoặc chôn trực tiếp với khả năng chịu va đập và va đập cao.

Danh sách kiểm tra lựa chọn thực tế cho cáp thiết bị đo đạc

Trước khi chỉ định cáp, hãy giải quyết các câu hỏi sau:

1. Loại tín hiệu nào đang được truyền đi - analog (4–20 mA, cặp nhiệt điện), bus trường rời rạc hoặc kỹ thuật số (RS-485, HART, PROFIBUS)?
2. Các nguồn gây nhiễu chủ yếu gần tuyến cáp - động cơ, VFD, cáp điện cao thế là gì?
3. Tổng thời lượng chạy là bao nhiêu và nó có ảnh hưởng đến điện trở vòng lặp cho phép hoặc độ suy giảm tín hiệu không?
4. Nhiệt độ cực cao và điều kiện tiếp xúc với hóa chất dọc theo đường cáp là gì?
5. Việc lắp đặt có nằm trong khu vực nguy hiểm được phân loại (Khu 1/2, Phân khu 1/2) không?
6. Các yêu cầu về hiệu suất chữa cháy (lửa lan truyền, mật độ khói, hàm lượng halogen) có được quy định theo quy định địa phương hoặc thông số kỹ thuật của dự án không?

Đối với phần lớn các vòng lặp thiết bị tương tự trong môi trường thực vật, cáp thiết bị xoắn đôi được bảo vệ với 18 dây dẫn bằng đồng mạ thiếc AWG, lớp cách điện XLPE, tấm chắn bằng lá nhôm có dây thoát nước và áo khoác tổng thể LSZH hoặc PVC sẽ đáp ứng hầu hết các yêu cầu. Những sai lệch so với đường cơ sở này được điều khiển bởi các điều kiện môi trường, tín hiệu hoặc quy định cụ thể.