６１６ 化工自动化及仪表 第３８卷 工程设计中仪表电缆线芯截面积与 最大敷设长度的计算 安 邦 （中国石油工程建设公司北京设计分公司，北京１００１０１） 摘 要 针对仪表电缆线芯截面积选择不当造成的材料浪费或仪表故障，给出常见热电偶、热电阻、４— ２０ｍＡ回路、开关量和仪表供电５种类型仪表回路的电缆线芯截面积与最大敷设长度之间的计算方法及 结果。 关键词 仪表 电缆线芯截面积 敷设长度 阻抗 电流 电压 计算 中图分类号ＴＨ８６ 文献标识码Ａ 文章编号１０００—３９３２（２０１１）０５－０６１６－０５ 在工程设计中，由于仪表电缆线芯截面积选 Ｅ＝Ｅ＾‘＋Ｅ ｌ １． ０ＢＩ‘ｌ—Ｅ ， ｌ一Ｅ ，ｌ ｌ， ０ 择不当，会造成两种截然不同的现象：一种是线芯 ＝Ｅ ．ｆ】＋ＥＡｌ ｌｌｌ，ｆ０ （１） 截面积太小或电缆敷设太长，致使仪表电缆的阻 式中 Ｅ Ａｆｌ［Ｉ’Ｅ Ｂｆ． ，——偶丝Ａ，Ｂ在温差ｔ—ｔｌ 抗过大，造成现场和检测仪表故障；另一种是设计 时产生的电势； 太保守，选用的电缆线芯截面积太大，造成材料浪 Ｅ ＡＪｌＩ，Ｊ。，ＥＢｌＩ】 ——补偿导线Ａ ，Ｂ 在温差 费。如何根据不同的敷设长度选择合适的电缆截 ｔ 一ｔ。时产生的电势； 面积，笔者针对热电偶、热电阻、４—２０ｍＡ回路、 Ｅ ——． ．热电偶在温差ｔ—ｔｌ时 开关量和仪表供电等最常见的５种仪表回路的部 产生的电势； 分常用仪表，探讨线芯截面积与最大敷设长度之 ＥＡｌＢ ——， 补偿电缆在温差ｔ。一ｔ。 间的关系。 时产生的电势。 １ 仪表回路最大允许电阻 由式（１）可见，热电偶检测回路中测得的热 影响仪表电缆线芯截面积和敷设长度的关键 电势是热电偶产生的热电势与补偿电缆产生的热 因素是仪表回路中的电阻，下面分别给出５种仪 电势之和。 表回路的最大允许电阻。 根据汤姆逊温差电势公式和伯尔帖接触电势 １．１ 热电偶回路 公式可知，热电势只与导体材料的性质和导体两 热电儡回路检测原理如图】所示。 端的温度以及两种导体接点的温度有关，与导体 长度、截面大小及沿导体长度上温度的分布无 关…。但技术人员只能通过仪表测量显示得知检 测端电势，因此热电偶测量回路的最大允许电阻 Ｂ， 由测量仪表的类型和内部电路决定。由于各厂家 图１ 热电偶回路检测原理示意图 热电偶测量变送单元的电路不同，且内部电路对 Ａ、Ｂ——热电偶的两根偶丝；Ａ 、Ｂ，——补偿导线； 外保密，所以设计人员很难根据电路计算回路的 ｔ——测量端的温度； 最大允许电阻。有些测量变送单元提供了线路阻 ，——热电偶与补偿导线接点的温度； 抗的要求，即要求补偿导线的往复电阻小于１ｋｆ／， ‘广参考端的温度； Ｅ——测量回路中的电势 如ＣＳ３０００系统的热电偶输入模块ＡＡＴ１４１、 ＡＡＴ１４５，Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＴＰＳ系统的热电偶输入板卡 图１中Ａ 与Ａ、Ｂ 与Ｂ的热电特性相近。 ＭＣ－ＧＲＭＴ０１等，但大部分热电偶测量变送单元提 根据热电偶的中间导体定律和中间温度定律，检 测端电势Ｅ的计算式为： 收稿日期：２０１１－０３－０２（修改稿） 第５期 安 邦．工程设计中仪表电缆线芯截面积与最大敷设长度的计算 ６１７ 供的技术参数中没有对线路阻抗提出要求。 根据现场工程设计经验，对于输入阻抗大于 １Ｍｎ的测量变送单元，只要测量回路上的电阻小 于１ｋ１２，就能保证仪表回路正常工作。因此，隔爆 和非防爆热电偶测量回路补偿导线的往复电阻应 小于ｌｋＱ；配置齐纳栅的本安回路补偿导线的往 复电阻应小于１ｋ１）减去齐纳栅的端端电阻（端端 电阻可从安全栅样本上查得）；配置隔离栅的本 安回路，因隔离栅实质上就是一个测量变送单元， 故只要补偿导线的往复电阻小于１ｋｌｌ就能保证 回路正常工作。 １。２热电阻回路 热电阻回路检测原理图如图２所示。 Ｒ ］ ： ， 图２ 热电阻回路检测原理示意图 Ｒ——热电阻；Ｒ ——线路等效电阻； ，——电流； Ｕ。、 厂图示各端点之间的电压 则根据欧姆定律可知： Ｕｌ＝，（Ｒ＋２ＲＩ ） （２） Ｕ：＝１ｔ７． ．（３） 联立式（２）、（３）可得： Ｒ＝（Ｕ 一２Ｕ ）／１ （４） 可见，只要保证恒流源电流稳定，导线电阻对 测量结果就没有影响。但实际工程中，恒流源只 能在其负载能力范围内才能保证输出电流恒定， 因此回路电阻也有限制，各厂家的测量变送单元 所用元器件不同，对回路电阻的限制也不同，如 ＣＳ３０００系统热电阻输入模块ＡＡＲ１８１要求线路 电阻小于４０Ｑ，Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＴＰＳ热电阻输入板卡 ＭＵ—ＰＬＡＭ０２要求线路电阻小于１５Ｑ。 一般热电阻测量变送单元都会提供对线路阻 抗的要求，如果工程设计中无法查到该技术指标， 笔者建议如下： ａ．Ｐｔ１００热电阻的线路电阻只要小于１０Ｑ， 现在普遍使用的热电阻温度变送器、各ＤＣＳ热电 阻输入回路均能正常工作； ｂ．配置齐纳栅的本安回路，如果无法查到测 量变送单元对线路电阻的要求，建议改用隔离栅， 因为齐纳栅上有几十欧姆的线路电阻。隔离栅实 质上是一个测量变送单元，对线路电阻的要求亦 受其恒流源负载能力的限制。 １．３ ４～２０ｍＡ回路 ４～２０ｍＡ信号是目前使用最普遍的仪表信 号，其仪表类型种类繁多，也最复杂。图３为分别 采用４～２０ｍＡ信号的隔爆／非防爆测量回路、配 齐纳栅测量回路以及配隔离栅测量回路的原理 图。 丁＋吐上 ＿＿１ ａ．爆、非防爆 ｂ．齐纳栅 Ｒ ｄ——１， ～，ｎｍ Ａ Ｉ／ｌ ｃ．隔离栅 图３ ４—２０ｍＡ回路测量原理示意图 Ｒ——仪表电缆等效电阻；Ｒ ——齐纳栅端端电阻；园 囡 ——一次仪表最低正常工作电压 图３ａ中 为加载到测量回路上的电源电压； 图３ｂ中 为隔离栅对变送器的驱动电压；图３ｃ 中 为电源电压减去齐纳栅的开启电压。另外有 些带ＨＡＲＴ通信协议的仪表，其最低正常工作电 压高于不带ＨＡＲＴ协议时仪表的电压。 常见仪表一般选取２０～２３ｍＡ之间的一个电 流值作为报警信号，所以回路最大电流不是 ２０ｍＡ，而是２３ｍＡ。根据欧姆定律，３种回路的电 缆线路最大允许电阻分别为： Ｒ＝４３．５（Ｖ—Ｖ ）一２５０ （５） Ｒ＝４３．５（Ｖ—Ｖ ）一Ｒ 一２５０ （６） Ｒ＝４３．５（Ｖ—Ｖ。） （７） 例如在差压测量回路中变送器选用ＡＢＢ２６５， 其最低正常工作电压为１４Ｖ，回路配Ｐ＋Ｆ齐纳栅 Ｚ７８７．Ｈ，其端端电阻为２５０＋２５＝２７５１）；Ｚ７８７．Ｈ 的开启电压为０．９Ｖ，则加载到测量回路上的电源 ６ｌ８ 化工自动化及仪表 第３８卷 电压为２４—０．９＝２３．１Ｖ，根据式（６）计算可得该 例如在一个开关量输出回路中，被驱动设备 为ＡＳＣＯ电磁阀，其最低工作电压为２０ＶＤＣ，额定 电压为２４ＣＤＣ，额定功率为１０．６Ｗ（从样本查 回路最大允许电阻值Ｒ＝４３．５（２３．１—１４）一 ２７５—２５０＜０。可见，这个仪表回路肯定不能正常 工作，仪表选型有误。 如果把回路中的齐纳栅换成Ｐ＋Ｆ的隔离栅 ＫＦＤ２．ＳＴＣ３．Ｅｘｌ，该隔离栅对变送器的驱动电压 得），没有回路故障检测，则根据式（８）计算可得 其电缆线路的最大允许阻值Ｒ＝２４ ×（２４—２０）／ （２０×１０．６）＝１０．８６８１－／。 为１６．５Ｖ，根据式（７）计算可得该回路最大允许电 阻值Ｒ＝４３．５（１６．５—１４）＝１０８．７５１２。由计算结 １．５仪表供电回路 有些仪表需要单独供电，如质量流量计、雷达 液位计等，该回路上电缆线路最大允许电阻为： Ｒ＝（２４一 ． ）／Ｉ （９） 果可以看出，把回路中的齐纳栅改为隔离栅后，仪 表工作正常。 １．４开关量回路 开关量的检测控制回路因生产厂家、设备类 型不同而不同，但其测量原理是相同的（图４）。 式中 ｉ ——仪表正常工作最低电压，Ｖ； ，——仪表工作电流，Ａ。 需要注意的是，有些仪表的启动最低电压和 启动电流要大于仪表正常工作时的电压和电流， 在计算时要使用启动电压和启动电流，如罗斯蒙 特质量流量计的２７００变送器供电回路，根据该变 送器样本，其启动最低电压为１８Ｖ，启动电流为 １．５Ａ，都大于工作时的电压和电流。则根据式 （９）计算出电缆上的最大允许阻抗Ｒ＝（２４— 图４ 开关量回路测量原理示意图 Ｒ。——回路需要驱动的负载； Ｒ——电缆线路等效电阻； １８）／１．５＝４Ｑ。 特别要注意的是，热电偶补偿导线上的电阻 指的是往复电阻；热电阻回路中导线上的电阻指 Ｒ、、Ｒ ——线路故障检测电阻 的是单根导线的电阻；而４—２０ｍＡ回路、开关量 回路以及供电回路中线路的最大允许电阻指的是 导线回路电阻。 ２ 线芯截面积与最大敷设长度 由图４可见，要保证开关闭合时被驱动负载 Ｒ 正常工作，电缆线路的最大允许电阻计算为： Ｒ：（２４一Ｖ…）／１一Ｒ （８） 根据上述讨论可以计算得出的电缆线路截面 积与其最大允许电阻的对应数据，供实际工程中 确定所选用的线芯截面积和最大的敷设长度列于 表１。 式中 尺——电缆线路最大允许电阻，ｎ； ——负载最低驱动电压，Ｖ； ，——工作电流，Ａ。 表１ 仪表电缆线芯截面与直流电阻关系 ２１／ｍ 表２～６为笔者在实际工作中总结出来的工 敷设长度的具体数据，可供工程设计人员在实际 程中常用仪表的电缆线芯截面积与电缆线的最大 工程设计中参考。 第５期 安邦．工程设计中仪表电缆线芯截面积与最大敷设长度的计算 ６１９ 表３ ＰｔｌＯ０热电阻回路电缆最大敷设长度与线芯截面关系 ｍ 注：表中的数据仅针对隔爆、非防爆或带隔离栅的Ｐｔ１Ｏ０热电阻回路。 表４ ４～２０ ｍＡ回路（外供电）电缆最大敷设长度与线芯截面关系 ｍ 化工自动化及仪表 第３８卷 表５ 常见开关量回路（额定电压２４Ｖ继电器隔离）电缆最大敷设长度与线芯截面关系 ｍ 表６ 常见仪表供电回路（电源电压２４Ｖ）电缆最大敷设长度与线芯截面关系 ｍ 表２～６只是部分常用仪表的电缆最大敷设 由于不同型号齐纳栅和隔离栅对外部工作电容与 长度与线芯的关系表，工程设计人员在实际工作 分布电感要求不同，在实际工作中请根据仪表的 中需根据仪表的实际参数，可参考表中的数据或 实际参数计算。 自行计算。 ３ 结束语 对于本安回路，电缆的最大敷设长度还应考 笔者重点讨论了典型仪表回路对电缆电阻的 虑工作电容与分布电感。如带隔离栅ＫＦＤ２一 限制和电缆线芯截面积与敷设长度的数学关系， ＳＴＣ３．Ｅｘｌ的４～２０ｍＡ本安回路，隔离栅要求外 并给出了部分常用仪表最大电缆敷设长度与线芯 部工作电容小于０．１０６￣Ｆ，外部分布电感小于４． 的关系表，供工程设计人员参考。如果实际工作 ２ｍＨ，工程选用截面积１．０ｍｍ 的电缆，其工作电 中使用的仪表参数与表中参数不符，请根据本文 容为７０ｐＦ／ｍ，分布电感为０．６ｐ￣Ｈ／ｍ。则工作电 提供的计算方法计算，以保证仪表回路正常工作。 容和分布电感要求电缆的最大敷设长度为７ｋｍ。 由表４可知，隔离栅回路中截面积为１．０ｍｍ。电 参 考 文 献 缆的最大敷设长度小于７ｋｍ，因此工程中的电缆 ［１］ 陈忧先，左锋，董爱华等．化工测量及仪表［Ｍ］．第３ 最大敷设长度按表４中的数据参照即可。另外， 版．北京：化学工业出版社，２０１０：１８２—１８５． （上接第５８８页） Ｓｈｏｒｔ．ｃｉｒｃｕｉｔ Ｆａｕｌｔｓ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｎａｌｏｇ Ｓｉｇｎａｌｓ ＬＩＵ Ｎｉｎｇ，ＪＩＮ Ｊｉｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｗａｎｇ （Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｇｕ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ ７ １００７５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅ，Ｓｉｅｍｅｎｓ ａｎａｌｏｇｕｅ ｉｎｐｕｔ ｍｏｄｕｌｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｄｒａｇ ａｘｉａｌ ｆａｎｓ ａｎｄ ｓｔｅａｍ ｄｒａｇ ｆａｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ／ ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎａｌｏｇ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｆａｌｓｅ ａｌａｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｓｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ａｎａｌｏｇ ｉｎｐｕｔ ｍｏｄｅ，ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ／ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｒｒｏｒ ｓｔｏｐ，ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｄ （上接第６０９页） Ｒ￥４８５一ｂａｓｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄａｔａ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＴＤ Ｃｕｒｉｎｇ Ｏｙｅｎ ＦＥＮＧ Ｍｅｊ，ＳＵＮ Ｌｉａｎｇ—ｑｉｎ．ＺＨＥＮＧ Ｍｉｎ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＲＳ４８５ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ—ｂａｓｅｄ ｄａｔａ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ， ｓｅｔ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ａｌａｒｍ ｖａｌｕｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｏｄｕｌｅｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａ． ｔｌｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ＰＬＣ ｐｒｏｇｒａｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｕｒｉｎｇ ｏｖｅｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＲＳ４８５ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
