シールド付き計装ケーブルとツイストペア計装ケーブル: 選択方法

計装ケーブルと標準ワイヤの違い

計装ケーブルは、電力ではなく、産業環境で低電圧のアナログおよびデジタル信号を伝送することを目的として設計されています。汎用配線とは異なり、優先順位が付けられます。 電流容量よりも信号の完全性 。プロセス制御、測定、自動化システムで使用される 2 つの最も一般的な構造は、シールド計装ケーブルとツイストペア計装ケーブルであり、多くの場合、1 本のケーブルで両方の機能が組み合わされます。

違いを理解し、それぞれの設計がどのような場合に重要になるかを知ることで、エンジニアは信号エラーを回避し、トラブルシューティングのコストを削減し、最初からコンプライアンス要件を満たすことができます。

シールド計装ケーブル : 電磁妨害に対する保護

シールドされた計装ケーブルは、信号導体の周囲に導電層 (通常はアルミニウム フォイル (マイラー)、銅編組、またはその両方の組み合わせ) を巻き付けます。このシールドはファラデー ケージとして機能し、放射電磁妨害 (EMI) と無線周波数妨害 (RFI) が信号線に結合する前に遮断します。

シールドを有効にするには、シールドの一方の端 (通常は受信端) を接地する必要があります。両端を接地するとグランド ループが形成される可能性があり、逆説的に、除去するはずだった低周波ノイズが発生します。

シールドケーブルを指定する場合

• 可変周波数ドライブ (VFD)、モーター、または変圧器の近くへの設置
• 周囲の EMI が蓄積する 30 メートルを超える長いケーブル配線
• 4 ～ 20 mA のアナログ ループでは、ミリボルト レベルのノイズでも測定誤差が発生します
• 熱電対および RTD 信号配線。非常に低い電圧 (通常は 100 mV 未満) で動作します。
• 隣接するケーブル間の容量結合が懸念される、密な電線管が存在する環境

フォイルシールドが提供する 100% カバー 軽量で終端が容易であると同時に、編組シールドは機械的耐久性が向上し、シールド抵抗が低くなります。これは高周波アプリケーションで重要です。フォイルと編組シールドの組み合わせは、広帯域のカバレッジと物理的な堅牢性の両方が必要な場合に一般的です。

ツイストペア計装ケーブル : 磁気誘導ノイズのキャンセル

2 本の導体を一定の撚り長さで撚り合わせるのは、磁気誘導 (誘導) 干渉を排除するための最も効果的な受動的技術の 1 つです。変化する磁場がツイストペアを通過すると、隣接する半ツイストに等しい逆向きの電圧が誘導されます。これらの電圧は受信機でキャンセルされます。これは次の原理として知られています。 コモンモード除去 .

ツイストがきつくなるほど (1 メートルあたりのツイストが多いほど)、高周波での阻止が向上します。標準の計装グレードのツイストペアでは、通常 25 ～ 50 mm の撚り長さが指定されていますが、これはメーカーやアプリケーションの規格によって異なります。

ツイストペア設計が測定可能な価値を追加する場合

• RS-485 および Modbus フィールドバス ネットワークでは、差動信号が平衡インピーダンスに依存します。
• 50/60 Hz で動作する電力ケーブルの近く。磁気結合が主な干渉メカニズムです。
• 熱電対延長線。ツイストペアが正確な温度補償に必要な正しい合金ペアを維持します。
• HART プロトコル配線。周波数シフト キー信号を 4 ～ 20 mA ループにオーバーレイします。

シールド対ツイストペア: 一目でわかる主な違い

どちらのアプローチもノイズを低減しますが、対象とする干渉メカニズムは異なります。以下の表は、実際の違いをまとめたものです。

シールド付きツイストペア (STP): 共通工業規格

ほとんどの産業用計装アプリケーションでは、 シールド付きツイストペア (STP) ケーブル がデフォルトの仕様です。両方のテクノロジーを組み合わせることで、最も一般的な 2 つのノイズ メカニズムに同時に対処できます。ツイストは磁気結合による干渉を拒否し、シールドは静電結合による EMI をブロックします。

分散制御システム (DCS) やプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) の I/O 配線で使用されるマルチペア STP ケーブルには、通常、個別のペア シールド (IS) と全体シールド (OS) の両方が含まれます。個々のシールドは各信号ペアを隣接するペアとのクロストークから分離し、シールド全体が外部干渉に対する 2 番目の保護層を提供します。

IEC 60332、ICEA S-73-532、ISA-5.1 などの規格は、ケーブル構造、導体のサイジング、アプリケーション要件に関するガイダンスを提供します。危険エリアに設置する場合、IECEx または ATEX 認証に準拠すると、ジャケットの材質と難燃性に関する追加の構造要件が追加されます。

導体のサイジング、絶縁体、およびジャケットの選択

シールドとツイスト構成以外にも、他のいくつかの構造パラメータが計装サービスにおけるケーブルの性能に影響を与えます。

• 導体ゲージ： 4 ～ 20 mA ループでは、18 AWG (0.75 mm²) および 20 AWG (0.5 mm²) が最も一般的です。ゲージが大きいと、長時間の運用でループ抵抗が減少します。これは、制御室からフィールド デバイスに電力を供給する場合に重要になります。
• 断熱材: 架橋ポリエチレン (XLPE) は、標準の PVC に比べて優れた耐熱性 (-40°C ～ 90°C) を備えています。高温のプロセス領域では、シリコンまたは PTFE 絶縁体が必要になる場合があります。
• ジャケットタイプ: LSZH (低煙ゼロハロゲン) ジャケットは、EN 50266 などの規格に基づいて、狭い空間または占有空間で必要とされます。PVC ジャケットは、その費用対効果と耐油性により、一般的な産業用途で依然として一般的です。
• 装甲: スチール ワイヤー アーマー (SWA) またはインターロック アーマーは、圧壊や衝撃にさらされる直接埋設またはケーブル トレイの設置に機械的保護を提供します。

計装ケーブルの実際の選択チェックリスト

ケーブルを指定する前に、次の質問に答えてください。

1. 送信されている信号のタイプは何ですか? アナログ (4 ～ 20 mA、熱電対)、ディスクリート、またはデジタル フィールドバス (RS-485、HART、PROFIBUS) ですか?
2. ケーブルルート付近の主な干渉源は何ですか?モーター、VFD、高電圧電源ケーブル?
3. 合計ランレングスはどれくらいですか? それは許容ループ抵抗や信号減衰に影響しますか?
4. ケーブル経路に沿った極端な温度と化学物質への曝露条件はどのようなものですか?
5. 設置場所は分類された危険区域 (ゾーン 1/2、ディビジョン 1/2) ですか?
6. 防火性能要件 (火炎の広がり、煙の密度、ハロゲン含有量) は地域の条例またはプロジェクトの仕様によって指定されていますか?

プラント環境におけるアナログ計器ループの大部分では、 シールド付きツイストペア計装ケーブル 18 AWG 撚り錫メッキ銅導体、XLPE 絶縁体、ドレイン ワイヤ付きアルミ箔シールド、および LSZH または PVC 全体ジャケットを使用すると、ほとんどの要件を満たします。このベースラインからの逸脱は、特定の環境、信号、または規制条件によって引き起こされます。