Кабель для датчиков

Классификация кабелей для датчиков

Кабели, используемые для подключения датчиков, классифицируются по нескольким ключевым параметрам, определяющим их область применения, конструкцию и электрические характеристики.

1. По типу передаваемого сигнала:

• Кабели для аналоговых сигналов низкого уровня: Предназначены для передачи непрерывных сигналов малой величины (например, милливольты, миллиамперы) от датчиков температуры, давления, напряжения, тока. Требуют высокого уровня защиты от электромагнитных помех.
• Кабели для цифровых сигналов: Используются для подключения датчиков с цифровыми интерфейсами (RS-485, Profibus DP, Ethernet/IP, EtherCAT). Характеризуются строго нормированным волновым сопротивлением (например, 100 Ом для витой пары Cat.5e/6).
• Кабели для импульсных сигналов: Применяются для датчиков, передающих данные в виде импульсов (инкрементальные энкодеры, датчики приближения). Важна минимальная диэлектрическая проницаемость изоляции для снижения искажения фронта импульса.
• Кабели питания датчиков: Обеспечивают подачу напряжения питания на датчик (часто 24 В DC). Могут быть объединены в одной оболочке с сигнальными жилами.

2. По конструкции экрана:

Экран (shield) является критически важным элементом, защищающим полезный сигнал от внешних электромагнитных помех (EMI) и предотвращающим излучение сигнала вовне.

• Медная оплетка (Copper Braid): Гибкая, обеспечивает хорошую защиту от высокочастотных помех. Степень покрытия обычно 60-85%. Не обеспечивает 100% защиты.
• Алюминиевая фольга (Aluminium Foil): Фольга, ламинированная на полиэстерную пленку, с дренажным проводом. Обеспечивает почти 100% покрытие по длине, эффективна против низко- и высокочастотных помех. Менее гибкая и механически прочная, чем оплетка.
• Комбинированный экран (Foil + Braid): Сочетание оплетки и фольги. Обеспечивает максимальную степень защиты (до 100 дБ). Обозначается как SF/ST или ASTP.
• Экран из луженой медной проволоки (Tinned Copper Spiral): Обеспечивает высокую гибкость, но меньшую защиту на высоких частотах по сравнению с оплеткой.

3. По количеству и типу жил:

• Многожильные (Stranded): Состоят из множества тонких проволок. Обеспечивают высокую гибкость и стойкость к вибрациям, идеальны для перемещающихся механизмов (кабели для энкодеров).
• Одножильные (Solid): Состоят из одного проводника. Менее гибкие, но обеспечивают лучшие электрические характеристики на очень высоких частотах, меньше подвержены поверхностному эффекту.

4. По условиям эксплуатации:

• Стационарной прокладки: Для неподвижного монтажа в кабельных каналах, лотках, трубах.
• Гибкие (Flexible): Для подвижного монтажа, например, на кабельных цепях (трамбах) роботов или станков с ЧПУ.
• Особо гибкие (High-Flex): Специальной конструкции (например, с жилами типа «Class 5» или «Class 6» по МЭК 60228), рассчитаны на миллионы циклов изгиба.
• Безгалогенные (Halogen-Free): При горении не выделяют коррозионно-активные и токсичные газы. Применяются в объектах с массовым пребыванием людей (метро, аэропорты).
• Маслостойкие (Oil-Resistant): Со специальной оболочкой из материалов, устойчивых к воздействию масел, смазок и охлаждающих жидкостей.
• Хладостойкие (Cold-Resistant): Сохраняют гибкость при экстремально низких температурах (до -60°C).

Конструктивные особенности и материалы

Конструкция кабеля для датчиков оптимизирована для обеспечения стабильности сигнала и долговечности.

1. Токопроводящая жила:

• Материал: Медь (электролитическая, луженая). Лужение улучшает стойкость к окислению и облегчает пайку.
• Класс гибкости: Определяется стандартом МЭК 60228 (ГОСТ 22483).
  • Класс 1: Однопроволочная жила (для стационарной прокладки).
  • Класс 2: Многопроволочная жила (основная масса гибких кабелей).
  • Класс 5: Очень гибкие жилы (для подвижного подключения).
  • Класс 6: Особо гибкие жилы (для высокоскоростных и часто перемещающихся применений).

2. Изоляция жил:

• Поливинилхлорид (PVC): Наиболее распространен, обладает хорошими электрическими и механическими свойствами, умеренной стойкостью к маслам и химикатам. Ограниченный температурный диапазон.
• Полиэтилен (PE): Отличные диэлектрические характеристики, низкое затухание, стойкость к влаге. Применяется в кабелях для цифровых и высокочастотных сигналов.
• Термопластичный эластомер (TPE), Полиуретан (PUR): Высокая гибкость, стойкость к истиранию, скручиванию, маслам и химикатам. Основной материал для гибких кабелей автоматизации.
• Фторполимер (PTFE, FEP, PFA): Высокая термостойкость (до +250°C), негорючесть, отличные диэлектрические свойства. Применяется в условиях высоких температур и агрессивных сред.

3. Экран:
Конструкция рассмотрена выше. Важно обеспечить надежный контакт экрана с землей (заземлением) на обоих концах (для аналоговых сигналов) или в одной точке (для цифровых шин, согласно рекомендациям производителя оборудования).

4. Внешняя оболочка:
Защищает кабель от механических, химических и климатических воздействий. Материалы аналогичны изоляции (PVC, PUR, TPE), но с упором на механическую прочность, стойкость к УФ-излучению (для наружной прокладки) и истиранию.

5. Дополнительные элементы:

• Дренажная жила: Медный многопроволочный проводник, контактирующий с экраном из фольги. Обеспечивает низкоомное соединение экрана для эффективного отвода токов помех.
• Наполнитель: Неметаллические элементы (нитевидные или пленочные), заполняющие пустоты в кабеле для придания ему круглой формы и повышения механической стабильности.
• Разделительная оболочка: Внутренняя оболочка, отделяющая силовые жилы от сигнальных, для дополнительной защиты от помех.

Критерии выбора кабеля для датчиков

Выбор осуществляется на основе комплексного анализа условий эксплуатации и технических требований системы.

1. Электрические параметры:

• Рабочее напряжение: Зависит от напряжения питания датчика и уровня сигнала. Стандартные значения: 300/500 В.
• Емкость жилы: Критичный параметр для аналоговых и высокоскоростных цифровых сигналов. Высокая емкость приводит к затуханию и искажению сигнала. Измеряется в пФ/м.
• Волновое сопротивление: Нормируется для кабелей цифровых шин (например, 120 Ом для Profibus PA, 100 Ом для Ethernet).
• Погонное затухание: Важно для длинных линий связи.

2. Условия эксплуатации:

• Температурный диапазон: Определяет минимальную и максимальную температуру, при которой кабель сохраняет свои свойства.
• Механические нагрузки: Наличие вибраций, многократных изгибов, скручиваний, растяжения.
• Внешние воздействия: Наличие масел, растворителей, кислот, щелочей, УФ-излучения, влаги.
• Пожароопасность: Требования к нераспространению горения (например, по МЭК 60332-1), огнестойкости, низкому дымо- и газовыделению (LSZH).

3. Совместимость с датчиком и системой:

• Тип разъема: Кабель должен соответствовать разъему датчика по количеству контактов и типу присоединения.
• Длина линии: Длинные линии требуют кабеля с низкой погонной емкостью и большим сечением жилы для минимизации падения напряжения.

Сравнительная таблица кабелей для различных типов датчиков

Тип датчика / Сигнала	Рекомендуемый тип кабеля	Количество жил	Тип экрана	Ключевые параметры	Примечания
Тензометрический датчик	Специализированный кабель для тензодатчиков	4 или 6	Комбинированный (Foil+Braid)	Низкая емкость (< 100 пФ/м), стабильные диэлектрики	Чрезвычайно чувствителен к помехам. Жилы для питания моста и съема сигнала.
Термопара	Кабель-удлинитель термопары (компенсационный)	2	Оплетка или фольга	Материал жил соответствует термоэлектродам (напр., медь-константан)	Нельзя использовать обычный медный кабель. Сечение и материал должны соответствовать типу термопары (K, J, S и т.д.).
Датчик температуры (RTD, Pt100)	Кабель для аналоговых сигналов	2, 3 или 4	Комбинированный	Низкая емкость, стабильное сопротивление изоляции	Для 3- и 4-проводной схемы включения для компенсации сопротивления подводящих проводов.
Инкрементальный энкодер	Высокогибкий кабель для энкодеров	4-8 (сигн., питание)	Комбинированный	Высокая гибкость (Class 5/6), стойкость к скручиванию	Импульсные сигналы A, B, Z требуют хорошей защиты от помех для избежания ложных счетов.
Датчик давления/расхода (аналог. 4…20 мА)	Кабель для аналоговых сигналов	2 (сигнал+земля)	Фольга или оплетка	Устойчивость к маслу и влаге	Токовая петля 4-20 мА менее чувствительна к помехам, но экран обязателен.
Датчик с интерфейсом Profibus DP/PA	Специализированный кабель Profibus	2 (витая пара)	Фольга	Волновое сопротивление 150 Ом (PA) / 135-165 Ом (DP)	Строгое соответствие стандарту гарантирует целостность сети.
Датчик с Ethernet интерфейсом	Кабель Cat.5e, Cat.6, Cat.6A	4 витые пары (8 жил)	Фольга (UTP) или комбинир. (F/UTP)	Волновое сопротивление 100±15 Ом, емкость < 5.6 нФ/100м	Для промышленных применений выбирают версии с оболочкой из PUR или TPE.
Датчик в зоне сварки	Сварочный кабель для датчиков	Многожильный	Медная оплетка	Оболочка из особо стойкой к искрам и окалине резины	Защита от брызг расплавленного металла и механических повреждений.

Нормирование и стандарты

Производство и применение кабелей для датчиков регламентируется национальными и международными стандартами.

• МЭК 60228 (ГОСТ 22483): Классы гибкости токопроводящих жил.
• МЭК 61158 (серия): Стандарты для полевых шин (Profibus, Foundation Fieldbus), включая требования к кабелям.
• TIA/EIA-568: Стандарты на кабели витой пары (Cat.5e, 6 и т.д.).
• UL/CSA Standards: Североамериканские стандарты по безопасности (огнестойкость, токсичность).
• МЭК 60332-1-2 (ГОСТ Р МЭК 60332-1-2): Испытания на нераспространение горения.
• МЭК 60754-1 (ГОСТ Р МЭК 60754-1): Испытания на количество выделяемых галогенов.
• Производители систем автоматизации: Компании Siemens (для Profinet), Allen-Bradley (для EtherNet/IP) публикуют каталоги и руководства с одобренными типами кабелей.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Можно ли использовать обычный кабель управления вместо специализированного кабеля для датчиков?
Для датчиков, передающих сигналы низкого уровня (тензодатчики, термопары, RTD) или высокочастотные цифровые сигналы — категорически нет. Использование неспециализированного кабеля приведет к нестабильной работе, повышенной погрешности или полному отказу системы из-за помех. Для простых датчиков с релейным выходом или мощных силовых датчиков это может быть допустимо, но не рекомендуется.

2. Как правильно заземлять экран кабеля для датчиков?
Это один из самых критичных моментов.

• Для аналоговых сигналов: Экран заземляется в одной точке, как правило, на стороне контроллера (PLC/DCS). Заземление с двух сторон может создать «земляную петлю», по которой будут протекать уравнительные токи, наводящие дополнительную помеху в сигнальную жилу.
• Для цифровых шин (Profibus, Ethernet): Следует строго следовать рекомендациям производителя оборудования. Часто экран требуется заземлять с обеих сторон, но через высокочастотный развязывающий элемент (например, ферритовые кольца или специализированные зажимы) для предотвращения земляной петли на низких частотах и обеспечения защиты на высоких.
• Общее правило: Заземление должно быть выполнено на шину защитного заземления с максимально низким импедансом.

3. В чем разница между кабелями для стационарной и подвижной прокладки?
Основное отличие — в классе гибкости токопроводящих жил и материале изоляции/оболочки.

• Стационарные: Жилы класса 1 или 2. Оболочка из стандартного PVC.
• Подвижные (Flex): Жилы класса 5 или 6. Оболочка и изоляция из специальных эластомеров (PUR, TPE), которые выдерживают многократные деформации без растрескивания и разрушения. Конструкция кабеля часто включает элементы, препятствующие скручиванию и растяжению.

4. Что означает маркировка «LiYCY» и аналогичная?
Это европейская стандартизированная маркировка кабелей.

• L: Обозначает многожильный проводник.
• i: Изоляция жил из ПВХ (Y).
• Y: Поливинилхлорид (PVC) изоляция.
• C: Медный экран-оплетка.
• Y: Поливинилхлорид (PVC) оболочка.
  Таким образом, LiYCY — это кабель с многопроволочными медными жилами в ПВХ изоляции, с медным экраном в виде оплетки и в ПВХ оболочке. Аналогично, «Li2C2Y» — две жилы, экран из оплетки.

5. Как выбрать сечение жилы для кабеля датчика?
Для сигнальных цепей сечение выбирается, исходя из:

1. Механической прочности: Обычно достаточно 0.25 — 0.34 мм².
2. Сопротивления линии: Для длинных линий (десятки-сотни метров) и датчиков с токовым выходом (4-20 мА) необходимо рассчитать падение напряжения. Суммарное сопротивление петли (два провода) не должно приводить к падению напряжения ниже порога срабатывания входной карты контроллера при максимальном токе.
3. Требований к емкости: Чем меньше сечение, тем, как правило, ниже погонная емкость, что предпочтительнее для высокочастотных сигналов.

6. Почему для термопар нельзя использовать обычный медный кабель?
Термопара работает на принципе термо-ЭДС: контакт двух разнородных металлов создает напряжение, зависящее от температуры. Если в разрыв цепи включить медный провод, в местах соединения меди с материалом термопары (например, хромелем) возникнут две новые термопары. Если температура в этих точках соединения разная, это внесет дополнительную, непредсказуемую погрешность. Кабель-удлинитель термопары изготавливается из тех же материалов, что и электроды термопары, или из материалов со схожей термоэлектрической характеристикой, чтобы минимизировать parasitic ЭДС.