Guia de cabos de instrumentação: construção, blindagem e seleção

O que é cabo de instrumentação

O cabo de instrumentação é um cabo de baixa tensão projetado especificamente para transportar sinais entre instrumentos de campo – sensores, transmissores, controladores – e sistemas de controle em ambientes industriais e de processo, com foco principal no projeto protegendo sinais fracos e precisos contra ruídos elétricos e interferências em vez de fornecer energia. É uma categoria distinta do cabo de alimentação, que é projetado para transportar corrente de forma eficiente, e do cabo de dados, que é otimizado para transmissão digital de alta velocidade.

Esses cabos normalmente transportam pequenos sinais analógicos (como loops de corrente de 4-20 mA), sinais digitais de baixa tensão ou sinais de temperatura de termopar e RTD, todos altamente sensíveis à interferência eletromagnética de cabos de energia, motores e unidades de frequência variável próximos, comumente encontrados em ambientes industriais.

Para que é usado o cabo de instrumentação

• Conectando sensores de processo (pressão, temperatura, vazão, nível) para controlar a instrumentação da sala
• Transmissão de sinal de loop de corrente analógico de 4-20mA entre transmissores de campo e sistemas PLCs/DCS
• Fiação de termopares e sensores de temperatura RTD em plantas de processo
• Circuitos de controle e monitoramento de baixa tensão em instalações de petróleo e gás, geração de energia, tratamento de água e fabricação
• Fiação de fieldbus e protocolo de comunicação onde a integridade do sinal afeta diretamente a precisão do controle do processo

Como funciona o cabo de instrumentação

O cabo de instrumentação protege a integridade do sinal através de uma combinação de emparelhamento de condutores, blindagem e construção física, em vez de qualquer propriedade especial do próprio condutor de cobre. Pares de condutores trançados cancelam a interferência eletromagnética induzida através de um princípio onde o ruído captado igualmente em ambos os fios de um par trançado é rejeitado no instrumento receptor, uma vez que aparece como um sinal de modo comum em vez de um diferencial que transporta o sinal real.

A blindagem adiciona uma segunda camada de proteção, fornecendo uma barreira condutora - normalmente folha ou cobre trançado - ao redor dos pares de condutores, que intercepta campos eletromagnéticos externos e, quando devidamente aterrada em uma extremidade, drena o ruído induzido para o terra antes que ele possa se acoplar aos condutores de sinal.

Construção e estrutura de cabos de instrumentação

Tipos e aplicações de cabos de instrumentação

• Cabo de par único: um circuito de sinal, usado para conexões simples de instrumentos ponto a ponto
• Cabo multipar: vários pares trançados agrupados em uma capa, usados onde muitos instrumentos direcionam de volta para um painel de controle comum
• Cabo tríade: três condutores trançados juntos, usados para sinais que exigem uma referência dedicada ou condutor de aterramento por circuito
• Cabo de extensão do termopar: usa ligas de condutores combinadas com tipos específicos de termopares para preservar a precisão do sinal de temperatura
• Cabo de barramento de campo: construído para atender aos requisitos específicos de impedância e capacitância para protocolos de comunicação digital fieldbus

Cabo de instrumentação blindado explicado

A blindagem é o que separa o cabo de instrumentação da fiação de baixa tensão de uso geral e existe especificamente para bloquear o acoplamento de interferência eletromagnética e de radiofrequência em condutores de sinal sensíveis. A blindagem só funciona de forma eficaz quando aterrada corretamente - normalmente apenas em uma extremidade, para evitar a criação de um loop de terra que introduziria ruído no circuito em vez de eliminá-lo.

As blindagens metálicas oferecem quase 100% de cobertura contra interferências de alta frequência e são mais leves e de menor custo, enquanto as blindagens trançadas oferecem melhor durabilidade mecânica e menor resistência em frequências mais baixas, embora normalmente com cobertura um pouco menor do que uma blindagem metálica bem aplicada. Algumas construções de cabos combinam ambos – uma blindagem metálica com uma trança sobreposta – para aplicações que enfrentam ruído de alta frequência e condições mecânicas ou de flexão exigentes.

Benefícios do cabo de instrumentação de par trançado

A torção de pares de condutores fornece rejeição de ruído através de um mecanismo puramente geométrico: qualquer fonte de interferência se acopla quase igualmente em ambos os condutores de um par firmemente trançado, uma vez que eles ocupam essencialmente a mesma localização física em relação à fonte de ruído em qualquer ponto ao longo do cabo. Como o instrumento receptor lê a diferença entre os dois condutores, o ruído igualmente induzido é cancelado, enquanto o sinal diferencial real passa sem ser afetado.

A taxa de torção (o número de torções por unidade de comprimento) afeta o quão bem esse cancelamento funciona em diferentes frequências de interferência - torções mais apertadas geralmente fornecem melhor rejeição de ruído de frequência mais alta, e é por isso que cabos destinados a ambientes de alto ruído ou sinais digitais de alta frequência geralmente especificam uma taxa de torção controlada e mais estreita, em vez de uma torção solta genérica.

Tipos de blindagem de cabos de instrumentação

Guia de especificações de cabos de instrumentação

A especificação precisa do cabo de instrumentação requer a correspondência de vários parâmetros com o tipo de sinal, ambiente e método de instalação, em vez de usar como padrão uma especificação genérica de "cabo de sinal". As especificações do núcleo incluem bitola do condutor, contagem e configuração de pares, tipo de blindagem, material de isolamento e revestimento e classificação de tensão/temperatura.

• Medidor do condutor (AWG): dimensionado para a corrente do sinal e queda de tensão aceitável ao longo do comprimento do cabo
• Contagem de pares/tríades: correspondente ao número de instrumentos ou circuitos que estão sendo roteados
• Tipo de blindagem e cobertura: selecionado com base no ambiente de ruído e na frequência de interferência esperada
• Material da capa: PVC para uso interno geral, compostos especiais (LSZH, XLPE) para aplicações perigosas, externas ou com classificação de incêndio
• Classificação de temperatura e tensão: compatível com o ambiente de instalação e requisitos do circuito de sinal

Como escolher o cabo de instrumentação

A seleção do cabo de instrumentação começa com o tipo de sinal transportado – loop de corrente analógico, sinal digital de baixa tensão ou sinal do sensor de temperatura – pois isso determina a contagem do condutor, a bitola e se a construção de par trançado ou tríade trançada é apropriada. A partir daí, avalie o ambiente de ruído elétrico ao longo da rota planejada do cabo: a proximidade de cabos de energia, motores ou inversores de frequência deve levar a uma blindagem de maior cobertura.

• Identifique primeiro o tipo de sinal e a configuração necessária do condutor/par
• Avalie as fontes de ruído elétrico ao longo da rota do cabo para determinar os requisitos de blindagem
• Combine o material da capa com o ambiente de instalação – área interna, externa, enterrada ou perigosa
• Confirme a conformidade com os padrões relevantes da indústria para a instalação (classificação contra incêndio, classificação de local perigoso)
• Verifique o plano de aterramento para a terminação da blindagem antes de finalizar a seleção do cabo, pois o aterramento inadequado prejudica os benefícios da blindagem, independentemente da qualidade do cabo