Guida ai cavi per strumentazione: costruzione, schermatura e selezione

Cos'è il cavo per strumentazione

Il cavo per strumentazione è un cavo a bassa tensione appositamente progettato per trasportare segnali tra strumenti sul campo (sensori, trasmettitori, controller) e sistemi di controllo in ambienti industriali e di processo, con un focus progettuale primario su proteggendo segnali deboli e precisi da disturbi elettrici e interferenze piuttosto che fornire potere. Si tratta di una categoria distinta dal cavo di alimentazione, progettato per trasportare la corrente in modo efficiente, e dal cavo dati, ottimizzato per la trasmissione digitale ad alta velocità.

Questi cavi in ​​genere trasportano piccoli segnali analogici (come loop di corrente da 4-20 mA), segnali digitali a bassa tensione o segnali di temperatura di termocoppie e RTD, tutti altamente sensibili alle interferenze elettromagnetiche provenienti da cavi di alimentazione, motori e azionamenti a frequenza variabile comunemente presenti negli ambienti industriali.

Per cosa viene utilizzato il cavo per strumentazione

• Collegamento dei sensori di processo (pressione, temperatura, flusso, livello) alla strumentazione della sala controllo
• Trasmissione del segnale del loop di corrente analogico da 4-20 mA tra trasmettitori sul campo e sistemi PLC/DCS
• Cablaggio di termocoppie e sensori di temperatura RTD negli impianti di processo
• Circuiti di controllo e monitoraggio a bassa tensione in impianti di petrolio e gas, produzione di energia, trattamento delle acque e impianti di produzione
• Cablaggio del bus di campo e del protocollo di comunicazione in cui l'integrità del segnale influisce direttamente sulla precisione del controllo del processo

Come funziona il cavo per strumentazione

Il cavo per strumentazione protegge l'integrità del segnale attraverso una combinazione di accoppiamento di conduttori, schermatura e costruzione fisica, piuttosto che attraverso qualsiasi proprietà speciale del conduttore di rame stesso. Le coppie di conduttori intrecciati annullano le interferenze elettromagnetiche indotte attraverso un principio in cui il rumore captato equamente su entrambi i fili di un doppino intrecciato viene respinto dallo strumento ricevente, poiché appare come un segnale di modo comune piuttosto che come un segnale differenziale che trasporta il segnale reale.

La schermatura aggiunge un secondo livello di protezione fornendo una barriera conduttiva, in genere lamina o rame intrecciato, attorno alle coppie di conduttori, che intercetta i campi elettromagnetici esterni e, se adeguatamente messa a terra a un'estremità, drena il rumore indotto a terra prima che possa accoppiarsi sui conduttori di segnale.

Costruzione e struttura del cavo per strumentazione

Tipi e applicazioni di cavi per strumentazione

• Cavo a coppia singola: un circuito di segnale, utilizzato per semplici collegamenti di strumenti punto a punto
• Cavo multicoppia: più doppini intrecciati raggruppati in un unico rivestimento, utilizzato quando molti strumenti rimandano a un pannello di controllo comune
• Cavo triade: tre conduttori intrecciati insieme, utilizzati per segnali che richiedono un riferimento dedicato o un conduttore di terra per circuito
• Cavo di prolunga per termocoppia: utilizza leghe conduttrici abbinate a specifici tipi di termocoppia per preservare la precisione del segnale di temperatura
• Cavo bus di campo: costruito per soddisfare requisiti specifici di impedenza e capacità per i protocolli di comunicazione del bus di campo digitale

Spiegazione del cavo schermato per strumentazione

La schermatura è ciò che separa il cavo della strumentazione dal cablaggio a bassa tensione per uso generale ed esiste specificamente per bloccare le interferenze elettromagnetiche e in radiofrequenza dall'accoppiamento con conduttori di segnale sensibili. Lo schermo funziona efficacemente solo se messo a terra correttamente — tipicamente solo a un'estremità, per evitare di creare un anello di massa che introdurrebbe rumore nel circuito anziché eliminarlo.

Gli scudi in lamina offrono una copertura vicina al 100% contro le interferenze ad alta frequenza e sono più leggeri e meno costosi, mentre gli scudi intrecciati offrono una migliore durata meccanica e una resistenza inferiore alle frequenze più basse, anche se in genere con una copertura leggermente inferiore rispetto a uno schermo in lamina ben applicato. Alcune costruzioni di cavi combinano entrambi - una schermatura in lamina con una treccia sovrastante - per applicazioni che affrontano sia rumore ad alta frequenza che condizioni meccaniche o di flessione impegnative.

Vantaggi del cavo per strumentazione a doppino intrecciato

L'intreccio delle coppie di conduttori fornisce la reiezione del rumore attraverso un meccanismo puramente geometrico: qualsiasi fonte di interferenza si accoppia quasi equamente su entrambi i conduttori di una coppia strettamente intrecciata, poiché occupano essenzialmente la stessa posizione fisica rispetto alla fonte di rumore in qualsiasi punto lungo il cavo. Poiché lo strumento ricevente legge la differenza tra i due conduttori, il rumore ugualmente indotto si annulla, mentre il segnale differenziale effettivo passa inalterato.

La velocità di torsione (il numero di torsioni per unità di lunghezza) influisce sull'efficacia di questa cancellazione a diverse frequenze di interferenza: torsioni più strette generalmente forniscono una migliore reiezione del rumore ad alta frequenza, motivo per cui i cavi destinati ad ambienti ad alto rumore o segnali digitali ad alta frequenza spesso specificano una velocità di torsione più stretta e controllata piuttosto che una generica torsione allentata.

Tipi di schermatura dei cavi per strumentazione

Guida alle specifiche dei cavi per strumentazione

Per specificare con precisione il cavo per strumentazione è necessario far corrispondere diversi parametri al tipo di segnale, all'ambiente e al metodo di installazione, anziché passare per impostazione predefinita a una specifica generica del "cavo di segnale". Le specifiche principali includono diametro del conduttore, numero e configurazione di coppie, tipo di schermatura, materiale di isolamento e rivestimento e classificazione di tensione/temperatura.

• Calibro del conduttore (AWG): dimensionato per la corrente del segnale e la caduta di tensione accettabile sulla lunghezza del cavo
• Conteggio coppie/terna: abbinato al numero di strumenti o circuiti da instradare
• Tipo di schermatura e copertura: selezionata in base all'ambiente rumoroso e alla frequenza delle interferenze previste
• Materiale del rivestimento: PVC per uso interno generale, composti speciali (LSZH, XLPE) per applicazioni pericolose, esterne o resistenti al fuoco
• Temperatura e tensione nominale: adattati all'ambiente di installazione e ai requisiti del circuito di segnale

Come scegliere il cavo per strumentazione

La selezione del cavo per strumentazione inizia con il tipo di segnale trasportato (anello di corrente analogico, digitale a bassa tensione o segnale del sensore di temperatura) poiché ciò determina il numero di conduttori, il calibro e se la struttura a doppino intrecciato o triade intrecciata è appropriata. Da lì, valutare l'ambiente del rumore elettrico lungo il percorso del cavo pianificato: la vicinanza a cavi di alimentazione, motori o convertitori di frequenza dovrebbe spingere verso una schermatura con copertura più elevata.

• Identificare innanzitutto il tipo di segnale e la configurazione di conduttori/coppie richiesta
• Valutare le fonti di rumore elettrico lungo il percorso del cavo per determinare i requisiti di schermatura
• Adattare il materiale della guaina all'ambiente di installazione: interno, esterno, interrato o area pericolosa
• Confermare la conformità agli standard di settore pertinenti per la struttura (classificazione antincendio, classificazione delle aree pericolose)
• Verificare il piano di messa a terra per la terminazione della schermatura prima di finalizzare la scelta del cavo, poiché una messa a terra inadeguata compromette i vantaggi della schermatura indipendentemente dalla qualità del cavo