Notas

NT 1: Cables para Circuitos

Cables para circuitos de instrumentación electrónica. Introducción

En las modernas industrias es necesario obtener datos, información de cada uno de los procesos fabriles y, a partir de esta información, tomar las decisiones correctas en la operación de una planta.
Esto se realiza mediante el sensado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas y químicas, a partir de las cuales se realiza el monitoreo y control de los diferentes procesos y máquinas. Para ello, se incorporan instrumentos que indicarán los datos que llegan desde cada uno de los sensores a cada uno de los instrumentos receptores utilizando dispositivos y tecnología electrónica. Esta comunicación entre sensor y receptor debe establecerse mediante un cable adecuado.
Hay una tendencia generalizada a subestimar el cable, sin embargo, cumple funciones importante en plantas industriales altamente automatizadas. El cable a utilizar debe ser confiable en la transmisión de datos, seguro eléctricamente y mecánicamente adecuado al lugar donde será instalado.

Antes de profundizar en el diseño del cable describiremos someramente como es un sistema de instrumentación y qué tareas puede realizar.

Si bien la tecnología analógica ha sido largamente sobrepasada por la tecnología digital, en el futuro, permanecerá como una alternativa adecuada para sistemas tradicionales y aplicaciones especiales.
Los sistemas analógicos más conocidos son:
+/- 10V; +/- 20mA y lazo de corriente 4…20mA.
La información se transmite con la variación en corriente continua (CC) de la tensión o la intensidad de corriente. La amplitud de la señal corresponde al valor de la información transmitida. Por esta razón, perturbaciones o distorsiones pueden influir en la integridad de la señal generando que la información transmitida no llegue correctamente, por ese motivo, la construcción del cable deberá hacerse previendo estos inconvenientes.

Entre las tareas más comunes que realizan los circuitos de instrumentación podemos destacar las siguientes:

Monitoreo de señales de alarma | medición y monitoreo de presión, temperatura, volumen | Dispositivos de sensados | Detección de pérdidas de gas y/o fluidos | Conexión de RTD | Activación de válvulas solenoides y relés | Mando de válvulas motorizadas | Activación de sirenas | Conexión de fotorresistencias | Circuitos de seguridad intrínseca | Circuitos de señalización
 



¿Cómo es un cable de instrumentación?

Las tareas descriptas anteriormente pueden ser realizadas mediante un cable conformado por un par simple, terna o cuadrete. En general, en una misma máquina o sector productivo es preciso analizar más de una condición y, por lo tanto, serán necesarios tantos pares como número de informaciones se desea transmitir. Además, para ciertas funciones es necesario usar ternas o cuadretes. Asimismo, es posible que las interferencias electromagnéticas influyan en la transmisión de las señales, por lo que el cable deberá ser provisto  de una pantalla o blindaje adecuado. Al tener en cuenta estas situaciones ya pasamos de un simple cable a uno de características mucho más complejas.
Para analizar y comprender cómo son los cables, podemos investigar que señales van a transmitir, o sea, evaluar su desempeño o prestación eléctrica y en que lugar físico se va a emplazar, es decir, definir su protección o prestación mecánica.



Prestación eléctrica

Acá analizamos los parámetros que intervienen en la construcción del cable para poder brindar una correcta transmisión de las señales. Los ítems más importantes son:

  • Resistencia eléctrica: Como definición clásica podemos decir que la resistencia eléctrica (Re) es la oposición que ofrece un material (en este caso el cobre de los conductores) al flujo de intensidad de corriente eléctrica con un determinado valor de tensión aplicado. La Re se mide en ohms. Al igual que en los tradicionales cables de potencia e iluminación, es importante conocer el valor de este parámetro, pues sirve de base para la selección correcta de la sección de los conductores teniendo en cuenta la caída de tensión en el circuito, las pérdidas de energía, la corriente admisible, etc. Los circuitos de instrumentación en muchos casos tienen longitudes considerables, lo que hace vital la elección correcta del calibre de los conductores, que está directamente relacionado con la resistencia eléctrica.
  • Torzado (pareado): En todo lo que es transmisión de señales lo primero que se solicita es el uso de cables con conductores formando pares (2 conductores), ternas (3 conductores) o cuadretes (4 conductores). Un par consiste en dos conductores aislados retorcidos con un paso fijo y estable, los cuales forman un bucle o línea de un circuito (ver figura 1). El torzado permite la transmisión de señales balanceadas, pues la interferencia de modo común afecta en menor medida a la información transmitida por un par. También el torzado de los conductores evita la interferencia provocada por “ruido magnético”, el cual puede ser generado por campos magnéticos, radiación de cables de potencia, motores cercanos, transformadores, etc..

Al trenzar los conductores sucede que cada uno de ellos atraviesa el campo magnético en espacios iguales soportando de manera alternada los efectos de dicho campo. El efecto o disturbio magnético tiende a anularse cuando la corriente inducida en un anillo se encuentra en dirección opuesta con la del anillo adyacente.

PASO
Figura 1
  • Capacidad mutua: Se mide entre el conductor “a” y el conductor “b” que forman el par. Un valor bajo de capacidad mutua minimiza la distorsión de la señal. El valor de capacidad mutua depende de varios factores que hacen a la construcción del cable, a saber: construcción del conductor (sólido, cableado, flexible). Dimensiones del conductor, espesor de aislación y material de aislación, paso de cableado y protección electromagnética (ver figura 2).
Conductor a
Conductor b
Capacidad entre conductores
Figura 2
Capacidad mutua entre dos conductores de un par
  • Blindajes:
    Concepto:  Resulta esencial considerar el blindaje cuando se trata de la transmisión de señales débiles que pueden ser interferidas o modificadas por perturbaciones electromagnéticas externas. Para ello se utiliza el blindaje general (BG). Cuando se tienen cables constituidos por más de un par o terna, es decir, multipares o multiternas y se quiere proteger la señal de un par respecto de otro contiguo, se utiliza el blindaje individual (BI). Como regla general a seguir podemos decir que: Si un cable multipar lleva señales digitales alcanza con un blindaje general (BG), porque no se produce interferencia entre este tipo de señales (ver figura 3).
Figura 3 Figura 5

Si un cable multipar lleva señales analógicas se debe usar un blindaje individual + general (BI + BG) porque existe la probabilidad que una señal de un par interfiera en la de otro par adyacente (ver figura 4). No se recomienda realizar la transmisión de señales analógicas y digitales en un mismo cable.

Tipo de blindaje: existen diferentes tipos de blindajes, cada uno con sus ventajas y desventajas, pero uno en particular reúne condiciones protectoras adecuadas y de bajo costo, lo que lo hace destacar por sobre el resto: se trata de la aplicación de una cinta de aluminio/poliéster sobre cada par (BI) o sobre el conjunto de los pares (BG). La cinta se aplica en forma helicoidal garantizando una cobertura del 100% con un solape adecuado. En contacto con la cara de aluminio que tiene la cinta, se dispone una cuerda de cobre estañado que garantiza la continuidad del blindaje y permite una conexión más sencilla y segura de la pantalla a tierra.



Prestación mecánica

Figura 4
Figura 5

Una vez definido el cable en cuanto al tipo de señales que transmitirá y a las posibles perturbaciones a las que pueda estar sometido, hay que evaluar la posibilidad física de su instalación, analizando las variables a las que puede ser sometido en cuanto su integridad mecánica.
A continuación se detallan los principales requisitos:

  • Comportamiento frente al fuego:
    No propagación del incendio:
    Este es un requisito en la actualidad para todo cable cuyo propósito es que el cable no se comporte como un transmisor del fuego hacia otras áreas. Para el cumplimiento de este objetivo es primordial utilizar materiales plásticos que permitan al cable cumplir el ensayo de fuego solicitado. Hay diferentes ensayos de fuego los cuales están pensados para diferentes condiciones. Debe ser claramente informado que ensayo de fuego cumple el cable.
    Resistencia al fuego: En esta condición se busca que el cable siga operando aunbajo fuego directo. Esto es muy solicitado cuando el cable interviene en algún servicio crítico como en el caso de alarmas y manejo de bombas de agua. El cable resistente al fuego además es no propagador de incendio.
  • Protección contra las radiaciones solares:
    También conocido como protección a rayos UV (ultravioleta), esto es solicitado cuando el cable estará en servicio a la intemperie y lo que se busca es que las condiciones climáticas no reduzcan la vida útil del cable. Para ello se realiza un ensayo de intemperismo, donde se evalúa que el material de cubierta del cable soporte las condiciones climáticas extremas simulando los rayos del sol, la lluvia y el ambiente húmedo mediante un aparato que genera luz intensa, humedad y spray de agua a intervalos determinados.
  • Protección contra golpes y roedores:
    Esta protección se solicita cuando los cables pueden estar expuestos a golpes, se usan directamente enterrados y se busca prevenir el daño de un futuro golpe en una excavación o están expuestos en zonas donde abundan roedores que pueden dañar la cubierta y luego las aislaciones de los conductores. En estos casos, la protección se brinda por medio de una armadura de acero galvanizado que puede ser flejes helicoidales, alambres helicoidales o trenza de alambres. En lo que respecta a cables de instrumentación, la armadura más utilizada es la de alambres helicoidales (ver figura 5), por ser la mas robusta y brindar una cobertura superior al 90%. Además, es el tipo de armadura especificada por excelencia en la industria petroquímica.


Normas de fabricación y ensayos

Existen diferentes normativas de cables de instrumentación, cada una creada para cubrir los requisitos exigidos en cada país. En la Argentina, no hay una norma específica de cables de instrumentación, por lo cual, se toman los parámetros de normas internacionales reconocidas a nivel mundial. Las principales normas son UL 13, UL 2250, ICEA S 73-532 (todas de EEUU), BS 5308 (de Gran Bretaña) y NBR 10300 (de Brasil). A su vez, para proyectos importantes de gran envergadura se desarrollan especificaciones propias de cables de instrumentación.
Si bien cada una tiene sus características y diferencias, todas coinciden en especificar los principales puntos tratados en esta nota.
Marlew en particular produce todas sus familias de cables de instrumentación estándar bajo la norma UL 13. Bajo pedido pueden ser fabricados de acuerdo a otras normas o especificaciones de clientes.

Seguridad eléctrica de los cables: Por último y al igual que en los tradicionales cables de potencia y comando, los cables son sometidos a pruebas durante su fabricación y a ensayos de rutina una vez terminados, para garantizar su integridad y seguridad eléctrica.



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