Cavo per strumentazione schermato o a doppino intrecciato: come scegliere

Cosa rende il cavo per strumentazione diverso dal cavo standard

I cavi per strumentazione sono realizzati appositamente per la trasmissione di segnali analogici e digitali a bassa tensione in ambienti industriali, non di alimentazione. A differenza dei cablaggi generici, danno la priorità integrità del segnale rispetto alla capacità di trasporto di corrente . Le due costruzioni più comuni utilizzate nei sistemi di controllo di processo, misurazione e automazione sono il cavo per strumentazione schermato e il cavo per strumentazione a doppino intrecciato e, in molti casi, un singolo cavo combina entrambe le caratteristiche.

Comprendere la differenza e sapere quando ciascun progetto è importante aiuta gli ingegneri a evitare errori di segnale, ridurre i costi di risoluzione dei problemi e soddisfare i requisiti di conformità fin dall'inizio.

Cavo per strumentazione schermato : Protezione contro le interferenze elettromagnetiche

Un cavo per strumentazione schermato avvolge uno strato conduttivo, in genere un foglio di alluminio (mylar), una treccia di rame o una combinazione di entrambi, attorno ai conduttori di segnale. Questo schermo agisce come una gabbia di Faraday, intercettando le interferenze elettromagnetiche irradiate (EMI) e le interferenze in radiofrequenza (RFI) prima che si accoppiano al cavo del segnale.

Per essere efficace, la schermatura deve essere collegata a terra a un'estremità (tipicamente l'estremità ricevente). La messa a terra su entrambe le estremità può creare un anello di massa, che paradossalmente introduce il rumore a bassa frequenza che avrebbe dovuto eliminare.

Quando specificare il cavo schermato

• Installazioni vicino a convertitori di frequenza (VFD), motori o trasformatori
• I cavi lunghi superano i 30 metri dove si accumulano le EMI ambientali
• Circuiti analogici da 4–20 mA in cui anche il rumore a livello di millivolt causa errori di misurazione
• Cablaggio del segnale termocoppia e RTD, che funzionano a tensioni molto basse (tipicamente inferiori a 100 mV)
• Ambienti con condutture dense in cui l'accoppiamento capacitivo tra cavi adiacenti rappresenta un problema

Forniscono scudi in lamina Copertura al 100%. e sono più leggeri e più facili da terminare, mentre le schermature a treccia offrono una migliore durata meccanica e una minore resistenza della schermatura, aspetto importante nelle applicazioni ad alta frequenza. Gli scudi combinati a treccia di lamina sono comuni laddove sono richieste sia copertura a banda larga che robustezza fisica.

Cavo per strumentazione a doppino intrecciato : Cancellazione del rumore indotto magneticamente

L'intreccio di due conduttori a una lunghezza di avvolgimento costante è una delle tecniche passive più efficaci per respingere le interferenze (induttive) indotte magneticamente. Quando un campo magnetico variabile passa attraverso un doppino intrecciato, induce tensioni uguali e opposte nelle mezze torsioni adiacenti. Queste tensioni si annullano sul ricevitore, un principio noto come rifiuto di modo comune .

Quanto più stretta è la torsione (più torsioni per metro), migliore è la reiezione alle frequenze più alte. I doppini intrecciati standard per strumentazione specificano in genere una lunghezza di posa di 25–50 mm, anche se varia in base al produttore e allo standard di applicazione.

Dove il design a doppino intrecciato aggiunge valore misurabile

• Reti di bus di campo RS-485 e Modbus, in cui la segnalazione differenziale dipende dall'impedenza bilanciata
• Vicinanza a cavi di alimentazione che funzionano a 50/60 Hz, dove l'accoppiamento magnetico è il principale meccanismo di interferenza
• Cavo di prolunga per termocoppia, in cui il doppino intrecciato mantiene il corretto accoppiamento di leghe necessario per una compensazione accurata della temperatura
• Cablaggio con protocollo HART, che sovrappone un segnale con modulazione di frequenza su un loop da 4–20 mA

Doppino schermato e intrecciato: differenze chiave in breve

Entrambi gli approcci riducono il rumore, ma prendono di mira diversi meccanismi di interferenza. La tabella seguente riassume le distinzioni pratiche:

Doppino intrecciato schermato (STP): lo standard industriale comune

Nella maggior parte delle applicazioni di strumentazione industriale, cavo schermato a doppino intrecciato (STP). è la specifica predefinita. La combinazione di entrambe le tecnologie risolve contemporaneamente i due meccanismi di rumore più diffusi: la torsione rifiuta le interferenze accoppiate magneticamente mentre la schermatura blocca le EMI accoppiate elettrostaticamente.

I cavi STP multicoppia, come quelli utilizzati nei sistemi di controllo distribuito (DCS) e nel cablaggio I/O dei controller logici programmabili (PLC), in genere includono sia una schermatura a coppia individuale (IS) che una schermatura complessiva (OS). Le singole schermature isolano ciascuna coppia di segnali dalla diafonia con le coppie adiacenti, mentre la schermatura complessiva fornisce un secondo livello di protezione contro le interferenze esterne.

Standard come IEC 60332, ICEA S-73-532 e ISA-5.1 forniscono indicazioni sulla costruzione dei cavi, sul dimensionamento dei conduttori e sui requisiti applicativi. Per le installazioni in aree pericolose, la conformità alle certificazioni IECEx o ATEX aggiunge ulteriori requisiti di costruzione relativi ai materiali del rivestimento e al ritardo di fiamma.

Dimensionamento del conduttore, isolamento e selezione della guaina

Oltre alla schermatura e alla configurazione della torsione, molti altri parametri costruttivi influiscono sulle prestazioni del cavo nel servizio di strumentazione:

• Calibro del conduttore: 18 AWG (0,75 mm²) e 20 AWG (0,5 mm²) sono i più comuni per i loop da 4–20 mA. I calibri più grandi riducono la resistenza del circuito su lunghi percorsi, il che è importante quando si alimentano dispositivi di campo dalla sala di controllo.
• Materiale isolante: Il polietilene reticolato (XLPE) offre una resistenza alla temperatura superiore (da –40°C a 90°C) rispetto al PVC standard. Per aree di processo ad alta temperatura, potrebbe essere necessario un isolamento in silicone o PTFE.
• Tipo di giacca: Le giacche LSZH (a bassa emissione di fumi e zero alogeni) sono richieste in spazi confinati o occupati secondo standard come EN 50266. Le giacche in PVC rimangono comuni nell'uso industriale generale grazie alla loro convenienza e resistenza all'olio.
• Armatura: L'armatura in filo di acciaio (SWA) o l'armatura interbloccata fornisce protezione meccanica per installazioni ad interramento diretto o su passerelle portacavi con elevata esposizione a schiacciamenti e urti.

Lista di controllo pratica per la selezione del cavo per strumentazione

Prima di specificare il cavo, rispondere a queste domande:

1. Che tipo di segnale viene trasmesso: analogico (4–20 mA, termocoppia), discreto o bus di campo digitale (RS-485, HART, Profibus)?
2. Quali sono le fonti di interferenza dominanti vicino al percorso del cavo: motori, VFD, cavi di alimentazione ad alta tensione?
3. Qual è la lunghezza totale del percorso e influisce sulla resistenza del circuito consentita o sull'attenuazione del segnale?
4. Quali sono le temperature estreme e le condizioni di esposizione chimica lungo il percorso del cavo?
5. L'installazione è in un'area classificata pericolosa (Zona 1/2, Divisione 1/2)?
6. I requisiti di prestazione antincendio (propagazione della fiamma, densità del fumo, contenuto di alogeni) sono specificati dalla normativa locale o dalle specifiche di progetto?

Per la maggior parte dei loop di strumenti analogici negli ambienti vegetali, a cavo schermato per strumentazione a doppino intrecciato con conduttori in rame stagnato a trefoli da 18 AWG, isolamento XLPE, schermatura in foglio di alluminio con filo di drenaggio e rivestimento generale in LSZH o PVC soddisferà la maggior parte dei requisiti. Le deviazioni da questo valore di base sono determinate da specifiche condizioni ambientali, di segnale o normative.