導入
現代の産業オートメーション、プロセス制御、データ収集の複雑な世界では、精度がすべてです。化学反応器内の温度、パイプライン内の圧力、都市水道施設の流量を監視する場合、制御システムは超高感度信号に依存して瞬時に判断を下します。-このデータ伝送ネットワークの中心には計装ケーブルがあります。大電流を流すように設計された大電力線とは異なり、計装ケーブルは非常に低電圧、低電流のアナログ信号またはデジタル信号を伝送します。-これらの信号は非常に繊細なため、環境の電気ノイズに対して非常に脆弱です。適切な保護がないと、外部電磁干渉によってデータが破損し、システムの異常な動作や致命的な動作障害が発生する可能性があります。したがって、計装ケーブルに適切なシールドを選択することは、信号の完全性、システムの精度、および全体的な産業上の安全性を直接左右する重要なエンジニアリング上の決定です。
電磁妨害 (EMI) と計装信号について
シールドが不可欠である理由を理解するには、まず計装ケーブルの固有の動作環境を理解する必要があります。
低レベル信号の脆弱性-
標準の電源ケーブルは高電圧および高電流で動作するため、軽微な外部電気障害の影響を比較的受けません。まったく対照的に、計装ケーブルは通常、ミリボルトまたはミリアンペアの範囲の信号 (標準の 4 ～ 20 mA ループや熱電対出力など) を伝送します。これらの信号レベルは非常に低いため、たとえ微量の誘導外部電圧であっても、送信データに大きなパーセンテージ誤差が生じ、実際の物理測定が歪む可能性があります。
産業上の干渉源
現代の産業施設は、電気活動が密集した網目状になっています。電磁干渉 (EMI) と無線周波数干渉 (RFI) の一般的な発生源には、可変周波数ドライブ (VFD)、大型電気モーター、高耐久変圧器、溶接装置、近くの高電圧送電線などがあります。-これらのデバイスは電気ノイズの送信機として機能し、保護されていない配線に簡単に結合する可能性がある磁界と静電界を放射します。
保護されていない信号の結果
保護されていない計装ケーブルが高ノイズ環境を通過すると、誘導された電気ノイズが正規のデータ信号と混ざります。{0}}その結果、センサーの読み取り値の変動、誤警報、デジタル通信プロトコルでのデータ パケット損失、自動閉ループ制御システムの潜在的な不安定性が発生します。-適切なシールドを実装すると、このノイズが内部導体に到達する前に物理的なバリアとして機能し、ノイズを遮断します。
計装ケーブルのシールド オプションのコア タイプ
メーカーは計装ケーブル用にいくつかの異なるシールド構成を提供しており、それぞれが特定の種類の電気的干渉や機械的課題に対処するように設計されています。
アルミニウム-ポリエステル ホイル シールド
フォイルシールドは、ポリエステルフィルムに接着されたアルミニウムの薄い層で構成され、通常はケーブルの内部導体の周囲に螺旋状に巻き付けられます。この設計は 100% のカバレッジを提供します。つまり、内部コアを静電干渉 (容量結合) から完全にシールします。絶縁されていない錫メッキ銅のドレイン線がアルミニウム層と連続的に接触して、アースへの安全な電気経路を提供します。フォイル-シールドのバリアントは軽量でコスト効率が高く、高周波ノイズの抑制に最適です。ただし、繰り返しの屈曲に対する機械的耐久性は限られています。-
裸または錫メッキの銅編組シールド
しっかりとしたラップの代わりに、編組シールドは、コア束の周囲にメッシュ パターンに織り込まれた多数の細い銅のストランドで構成されています。通常、編組の物理的被覆率は 70 ～ 95% ですが（高周波静電ノイズに対しては箔よりもわずかに効果が劣ります）、その緻密な金属塊は低周波磁気干渉（誘導結合）のブロックに優れています。-さらに、編組計装ケーブルは非常に優れた機械的強度を備えているため、振動や物理的ストレスを受ける環境に最適です。
コンビネーション (フォイルとブレード) シールド
{0}VFD や太い電力ケーブルが密集したエリアなど、極度の電磁ノイズが発生する環境では、単一のシールド層では不十分であることが判明する可能性があります。{{1}このような要求の厳しいシナリオでは、エンジニアはアルミニウム-ポリエステル箔と外側の錫メッキ銅編組の両方を組み合わせたデュアルシールド計装ケーブルを指定します。-この二層アプローチにより、広い周波数スペクトルにわたって静電気と磁気の両方の干渉に対する包括的な保護が提供されます。{6}}
スパイラル (提供) シールド
スパイラルシールドは、細い銅線をコア束の周囲に一方向に巻き付けることによって形成されます。優れた柔軟性と終端処理の容易さを備えていますが、ケーブルがねじれや機械的張力を受けると開いて有効性が失われる可能性があるため、通常は特殊なオーディオまたは低応力計器用途向けに予約されています。-
計装ケーブルのシールドを選択する際に考慮すべき重要な要素
計装ケーブルに最適なシールドを選択するには、いくつかの電気的、環境的、機械的パラメータを体系的に評価する必要があります。
干渉の周波数範囲
ノイズの性質によってシールドのタイプが決まります。デジタル スイッチングや無線送信機によって発生する高周波ノイズは、フォイルを 100% カバーすることで最もよく軽減されます。-逆に、AC 電源変圧器や大型モーターによって生成される低周波磁界には、銅編組の厚い金属塊が必要です。シールドをローカル環境の主な周波数に適合させることは、基本的なエンジニアリング ルールです。
環境的および機械的要求
計測ケーブルがきれいな実験室で動作することはほとんどありません。過酷な工場の床、屋外露出、または地下導管に耐える必要があります。設置に連続的な動作、ロボット工学、または高振動が含まれる場合、硬質フォイル シールドは時間の経過とともに亀裂が生じる可能性があるため、柔軟な編組シールドまたは組み合わせシールドが必須になります。さらに、外側のジャケットの材料は、下にあるシールドを腐食から保護するために、湿気、油、紫外線に耐える必要があります。
接地線とドレイン線の構成
シールドは、その接地システムと同じくらい効果があります。計装ケーブルが傍受したノイズを適切に消散するには、シールドが適切にアースに接続されている必要があります。エンジニアは、シールドを片端で接地するか（低周波回路での接地ループを防ぐため）、それとも両端で接地するか（高周波ノイズと電磁シールドのために望ましい）を決定する必要があります。-高品質のドレイン ワイヤの存在により、コントロール パネルでの終端プロセスが大幅に簡素化されます。-
規制遵守と業界標準
{0}IEC 規格、UL リスト、IEEE ガイドラインなどの認知された国際フレームワーク-に準拠することで、選択した計装ケーブルが厳格な安全性と性能のしきい値を満たしていることが保証されます。認定ケーブルは、監査および規制の目的に不可欠な文書化された減衰率と安全性評価を提供します。
インストールと終了のベスト プラクティス
適切なケーブルを選択するだけでは、まだ戦いは半分に過ぎません。適切な取り付け技術によって、シールドが理論上の可能性を最大限に発揮できるかどうかが決まります。
グランドループの回避
計装配線における最も一般的な落とし穴の 1 つは、グランド ループの作成です。これは、シールドが異なる電位の複数の点で接地されている場合に発生します。これにより、シールド自体内に循環電流が誘導され、計装ケーブルがノイズを遮断するのではなく、実際にノイズを生成するアンテナに変わる可能性があります。アナログ回路の単一点接地ルールを厳守することが最も重要です。-
360 度の接触を維持する
ジャンクション ボックスまたは制御キャビネット内でシールド付き計装ケーブルを終端する場合、絶対に必要な場合を除き、シールドを壊れやすいピグテール ワイヤにねじってはいけません。これにより、インピーダンスの不整合が生じ、高周波ノイズが漏洩します。{0}}代わりに、シールドとの継続的な 360 度接触を提供する特殊な EMC ケーブル グランドを使用することで、最大限のノイズ抑制が保証されます。
電力線からの物理的分離
たとえ最良のシールドが施された計装ケーブルであっても、可能な限り高電圧の電線管から離して配線する必要があります。{0}{1}{1}適切な物理的分離を維持するか、計装配線に専用の金属製ケーブル トレイを使用すると、深刻な誘導結合に対する受動的保護層が追加されます。
結論
適切なシールドの選択は、あらゆる測定および制御システムの全体的な信頼性を決定する要因となります。適切に選択された計装ケーブルは、電磁干渉や無線周波数干渉の蔓延する脅威から繊細な信号を保護することで、自動化プロセスがピンポイントの精度と妥協のない安定性で実行されることを保証します。{1}産業プラントの特定のノイズ周波数の評価から、箔シールドと編組シールドの機械的利点の比較検討に至るまで、エンジニアは設計の選択において長期的な運用の成功の鍵を握っています。-スマート デバイスや高周波ドライブにより産業環境がますます高密度になる中、あらゆる計装ケーブルの精密シールドを優先することは、現代のエンジニアリングの卓越性にとって不可欠な実践であり続けています。-
