Guía de cables de instrumentación: construcción, blindaje y selección

¿Qué es el cable de instrumentación?

El cable de instrumentación es un cable de bajo voltaje diseñado específicamente para transportar señales entre instrumentos de campo (sensores, transmisores, controladores) y sistemas de control en entornos industriales y de procesos, con un diseño principal enfocado en Proteger señales débiles y precisas del ruido eléctrico y las interferencias. en lugar de entregar energía. Es una categoría distinta del cable de alimentación, que está diseñado para transportar corriente de manera eficiente, y del cable de datos, que está optimizado para la transmisión digital de alta velocidad.

Estos cables normalmente transportan pequeñas señales analógicas (como bucles de corriente de 4-20 mA), señales digitales de bajo voltaje o señales de temperatura de termopar y RTD, todas las cuales son altamente sensibles a la interferencia electromagnética de cables de alimentación, motores y variadores de frecuencia cercanos que se encuentran comúnmente en entornos industriales.

¿Para qué se utiliza el cable de instrumentación?

• Conexión de sensores de proceso (presión, temperatura, flujo, nivel) a la instrumentación de la sala de control
• Transmisión de señal de bucle de corriente analógica de 4-20 mA entre transmisores de campo y sistemas PLC/DCS
• Cableado de sensores de temperatura termopar y RTD en plantas de proceso
• Circuitos de control y monitoreo de bajo voltaje en instalaciones de petróleo y gas, generación de energía, tratamiento de agua y fabricación.
• Cableado de bus de campo y protocolo de comunicación donde la integridad de la señal afecta directamente la precisión del control del proceso

Cómo funciona el cable de instrumentación

El cable de instrumentación protege la integridad de la señal mediante una combinación de emparejamiento de conductores, blindaje y construcción física, en lugar de mediante cualquier propiedad especial del propio conductor de cobre. Los pares de conductores trenzados anulan las interferencias electromagnéticas inducidas mediante un principio en el que el ruido captado por igual en ambos cables de un par trenzado se rechaza en el instrumento receptor, ya que aparece como una señal de modo común en lugar de una señal diferencial que transporta la señal real.

El blindaje agrega una segunda capa de protección al proporcionar una barrera conductora (generalmente lámina o cobre trenzado) alrededor de los pares de conductores, que intercepta los campos electromagnéticos externos y, cuando está correctamente conectado a tierra en un extremo, drena el ruido inducido a tierra antes de que pueda acoplarse a los conductores de señal.

Construcción y estructura del cable de instrumentación.

Tipos y aplicaciones de cables de instrumentación

• Cable de un solo par: Un circuito de señal, utilizado para conexiones simples de instrumentos punto a punto.
• Cable multipar: múltiples pares trenzados agrupados en una cubierta, utilizados cuando muchos instrumentos regresan a un panel de control común
• Cable tríada: tres conductores trenzados juntos, utilizados para señales que requieren una referencia dedicada o un conductor de tierra por circuito
• Cable de extensión de termopar: Utiliza aleaciones conductoras adaptadas a tipos de termopares específicos para preservar la precisión de la señal de temperatura.
• Cable de bus de campo: construido para cumplir con requisitos específicos de impedancia y capacitancia para protocolos de comunicación de bus de campo digital

Cable de instrumentación blindado

El blindaje es lo que separa el cable de instrumentación del cableado de bajo voltaje de uso general, y existe específicamente para bloquear el acoplamiento de interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia a conductores de señales sensibles. El escudo sólo funciona eficazmente cuando está correctamente conectado a tierra. — normalmente en un solo extremo, para evitar crear un bucle de tierra que introduciría ruido en el circuito en lugar de eliminarlo.

Los protectores de lámina ofrecen una cobertura cercana al 100% contra interferencias de alta frecuencia y son más livianos y de menor costo, mientras que los protectores trenzados ofrecen una mejor durabilidad mecánica y menor resistencia a frecuencias más bajas, aunque generalmente con una cobertura ligeramente menor que un protector de lámina bien aplicado. Algunas construcciones de cables combinan ambos (un blindaje de aluminio con una trenza superpuesta) para aplicaciones que enfrentan tanto ruido de alta frecuencia como condiciones mecánicas o de flexión exigentes.

Beneficios del cable de instrumentación de par trenzado

Torcer pares de conductores proporciona rechazo del ruido a través de un mecanismo puramente geométrico: cualquier fuente de interferencia se acopla casi por igual a ambos conductores de un par fuertemente trenzado, ya que ocupan esencialmente la misma ubicación física en relación con la fuente de ruido en cualquier punto dado a lo largo del cable. Debido a que el instrumento receptor lee la diferencia entre los dos conductores, El ruido igualmente inducido se cancela, mientras que la señal diferencial real pasa sin verse afectada.

La tasa de torsión (el número de vueltas por unidad de longitud) afecta qué tan bien funciona esta cancelación en diferentes frecuencias de interferencia: las vueltas más cerradas generalmente proporcionan un mejor rechazo del ruido de alta frecuencia, razón por la cual los cables destinados a entornos con mucho ruido o señales digitales de alta frecuencia a menudo especifican una velocidad de torsión más fuerte y controlada en lugar de una torsión suelta genérica.

Tipos de blindaje de cables de instrumentación

Guía de especificaciones de cables de instrumentación

Para especificar con precisión el cable de instrumentación es necesario hacer coincidir varios parámetros con el tipo de señal, el entorno y el método de instalación, en lugar de utilizar de forma predeterminada una especificación genérica de "cable de señal". Las especificaciones principales incluyen calibre del conductor, número y configuración de pares, tipo de blindaje, material de aislamiento y cubierta, y clasificación de voltaje/temperatura.

• Calibre del conductor (AWG): dimensionado para la corriente de señal y la caída de voltaje aceptable a lo largo de la longitud del cable
• Recuento de pares/tríadas: coincidente con la cantidad de instrumentos o circuitos que se están enrutando
• Tipo de blindaje y cobertura: seleccionado según el entorno de ruido y la frecuencia de interferencia esperada
• Material de la cubierta: PVC para uso general en interiores, compuestos especiales (LSZH, XLPE) para aplicaciones peligrosas, exteriores o resistentes al fuego.
• Clasificación de temperatura y voltaje: adaptada al entorno de instalación y a los requisitos del circuito de señal

Cómo elegir el cable de instrumentación

La selección del cable de instrumentación comienza con el tipo de señal que se transmite (bucle de corriente analógico, digital de bajo voltaje o señal de sensor de temperatura), ya que esto determina el número de conductores, el calibre y si la construcción de par trenzado o tríada trenzada es apropiada. A partir de ahí, evalúe el entorno de ruido eléctrico a lo largo de la ruta planificada del cable: la proximidad a cables de alimentación, motores o variadores de frecuencia debería impulsar un blindaje de mayor cobertura.

• Identifique primero el tipo de señal y la configuración requerida del conductor/par
• Evalúe las fuentes de ruido eléctrico a lo largo de la ruta del cable para determinar los requisitos de blindaje.
• Haga coincidir el material de la cubierta con el entorno de instalación: interior, exterior, enterrado o área peligrosa
• Confirmar el cumplimiento de los estándares industriales relevantes para la instalación (clasificación contra incendios, clasificación de ubicación peligrosa)
• Verifique el plan de conexión a tierra para la terminación del blindaje antes de finalizar la selección del cable, ya que una conexión a tierra inadecuada socava los beneficios del blindaje independientemente de la calidad del cable