Aunque a menudo es aceptable pensar en el cable como un conductor ideal que simplemente lleva una señal del punto A al punto B, rara vez es así en el caso de tendidos de cable largos. En el mundo real, las longitudes apreciables de cableado de campo introducirán restricciones en las señales producidas por el sensor y luego enrutadas al canal de supervisión. En este artículo, exploramos una de estas restricciones de longitud: la impuesta por las limitaciones de zonas peligrosas. En un artículo complementario y la nota de aplicación correspondiente, se explora la otra restricción de longitud principal: las limitaciones de respuesta de frecuencia. Aunque en los ejemplos de este artículo se utiliza una cadena de medición de proximidad, los principios expuestos son aplicables universalmente a cualquier tipo de sensor que implique longitudes considerables de cableado de campo.
DESCARGO DE RESPONSABILIDAD: Este artículo sólo tiene fines educativos y de concienciación. En última instancia, es responsabilidad del usuario final conocer la clasificación o clasificaciones de las zonas peligrosas en las que se realizará la instalación y realizar todos los cálculos correspondientes asociados al uso de los valores publicados en los certificados de las agencias de homologación pertinentes. Los ejemplos que aquí se presentan tienen como único objetivo ilustrar los conceptos básicos.
Introducción
En un mundo ideal, el cable que conecta un sensor a su sistema de control asociado tendría el aspecto que se muestra en la parte superior de la Figura 1. En el mundo real, sin embargo, es muy difícil encontrar un cable que conecte un sensor a su sistema de control asociado. En el mundo real, sin embargo, debe modelarse como se muestra en la parte inferior de la Figura 1, donde hay capacitancia, inductancia y resistencia distribuidas. Estos valores suelen expresarse por metro o por kilómetro cuando se utilizan unidades del SI. En este artículo, nos referiremos indistintamente a este cableado de campo como “cable de transmisión” cuando sea necesario para distinguirlo de otros cables de señal, como el cable coaxial utilizado en las cadenas de medición de proximidad y las cadenas de medición de aceleración. En la figura 1, el elemento sensor, su acondicionador de señal y el cable de interconexión especial entre ambos se agrupan en una única entidad que denominamos “sensor”. El cable de transmisión se convierte entonces en el cableado que conecta este sensor a su correspondiente sistema de supervisión.
Figura 1: El cableado de campo ideal (arriba) no tiene resistencia, inductancia ni capacitancia. El cableado de campo real (abajo) presenta resistencia, inductancia y capacitancia distribuidas, como se muestra.
Parámetros del cable – Capacitancia
Como ejemplo de cable de transmisión empleado habitualmente, considere el vibrómetro K310. Consta de una tríada (PWR, SIG, COM), un blindaje trenzado para toda la tríada y una cubierta exterior de poliuretano. Suele utilizarse para sensores alimentados, como cadenas de medición de sondas de proximidad y sensores de efecto Hall. En la Figura 2 se muestra un extracto de la hoja de datos.
Figura 2: Las hojas de datos de nuestros cables proporcionan los valores de capacitancia, resistencia e inductancia necesarios para calcular la zona peligrosa y la respuesta en frecuencia.
A la hora de determinar la longitud máxima permitida del cable en una zona peligrosa, un parámetro clave que hay que determinar es la capacitancia efectiva (Ccable). Un tratamiento exhaustivo de cómo determinar la Ccable para un número arbitrario de conductores, apantallamientos y todas las configuraciones de cableado posibles es bastante complejo y va mucho más allá del alcance de este artículo. Sin embargo, existen excelentes referencias sobre este tema para el lector interesado. En este artículo nos limitaremos a mostrar los valores que se deben utilizar consultando la hoja de datos del fabricante, en lugar de explicar detalladamente cómo se determinan dichos valores.
La primera pregunta que uno puede hacerse al consultar una hoja de datos de vibro-meter o de cualquier otro proveedor de cables es por qué Ccable no aparece directamente en la lista y, en su lugar, se suelen indicar otros valores, como la capacitancia núcleo a núcleo. La razón es sencilla: el valor de Ccable depende de la aplicación y se ve afectado no sólo por la geometría del cable y los materiales de construcción, sino también por la forma en que el usuario va a utilizar los conductores y conectar la pantalla. Por ejemplo, para aplicaciones de vibración, es muy típico que el usuario conecte el conductor COM al apantallamiento en un extremo6 pero que, por lo demás, utilice los tres conductores para fines distintos. También es típico utilizar un esquema de transmisión de señal denominado “modo común” (COM, SIG) en lugar de modo diferencial (+, -).
Dado que los valores específicos de una aplicación en una hoja de datos sólo serán útiles para algunos usuarios y no para todos, es típico que los fabricantes presenten valores de capacitancia diseñados para ser independientes de la aplicación. Por lo tanto, el usuario debe seleccionar no sólo los valores correctos, sino posiblemente realizar cálculos adicionales para determinar la capacitancia efectiva (Ccable) para la aplicación. La tabla 1 muestra los datos de capacitancia que se suelen encontrar al consultar la hoja de datos de un fabricante de cables:
Tanto para los cálculos de zonas peligrosas como para los cálculos generales de respuesta en frecuencia, el valor ideal a utilizar es Cc-o+s. Cuando se proporciona este valor, no se necesitan cálculos adicionales para determinar la capacitancia efectiva. Así, si nos remitimos a la hoja de datos del vibrómetro de la figura 2, utilizaríamos un valor de 100 pF/m para Ccable al utilizar K310. Por el contrario, si nos fijamos en los datos de Belden de la figura 3, utilizaríamos un valor de 140 pF/m para Ccable y si nos fijamos en los datos de AlphaWire de la figura 3, utilizaríamos un valor de 289 pF/m (88 pF/pie) para Ccable.
No obstante, en caso de que el fabricante del cable no facilite directamente este valor, Ccable puede calcularse a partir de otros parámetros de la siguiente manera:
(i) Ccable= 2 ∗ Cc-c+ Cc-s (cable tríada).
Para un cable de 2 hilos (par trenzado), la capacitancia total puede calcularse como sigue:
(ii) Ccable= Cc-c+ Cc-s (cable de par trenzado)
Tenga en cuenta que aquí se utiliza Cc-s (conductor a blindaje) y no Call-s (conductor a blindaje). Dado que vibro-meter proporciona Cc-o+s en nuestras hojas de datos, en la mayoría de los casos no es necesario realizar cálculos adicionales para determinar Ccable. Como tal, no vamos a proporcionar ejemplos de cálculos utilizando ecuaciones (i) o (ii); ambos son simples y directos de usar cuando sea necesario.
Figura 3: Las hojas de datos de otros fabricantes de cables también suelen proporcionar valores de capacitancia, resistencia y, a veces, inductancia, pero pueden utilizar una nomenclatura diferente. En caso de duda, consulte al fabricante del cable.
Parámetros del cable – Resistencia
La resistencia no suele ser tan confusa de interpretar a partir de una hoja de datos como lo puede ser la capacitancia. Como cabría esperar, los conductores de la mayoría de los cables de instrumentación suelen ser idénticos y de cobre, mientras que la pantalla puede ser de lámina, trenzada o de otro material distinto del cobre. En consecuencia, todos los conductores suelen tener la misma resistencia, mientras que la pantalla suele tener un valor diferente.
Parámetros del cable – Inductancia
Aunque la mayoría de los fabricantes de cables publican los valores de resistencia y capacitancia distribuidos en sus hojas de datos, puede que no ocurra lo mismo con la inductancia. Por ejemplo, en la figura 3, observe que Belden no proporciona un valor de inductancia. Si esto ocurre con el cable propuesto, póngase en contacto con el fabricante. Por el contrario, observe que las hojas de datos de los cables para vibrómetros siempre contienen esta información y que la hoja de datos seleccionada de AlphaWire en la figura 3 también la contiene.
Una de las razones por las que los fabricantes no suelen incluir esta información en sus hojas de datos es que los valores suelen ser bastante pequeños8 y, a menudo, no son relevantes para los cálculos de la respuesta en frecuencia. Sin embargo, dado que tanto la capacitancia como la inductancia pueden almacenar energía, la inductancia puede llegar a ser importante para aplicaciones en zonas peligrosas y siempre debe determinarse para garantizar que no supera los valores permitidos. De hecho, en algunas aplicaciones en zonas peligrosas, la inductancia del cable puede convertirse en el factor limitante en lugar de la capacitancia del cable. Consulte al fabricante del cable si la información sobre la inductancia distribuida no está disponible en sus hojas de datos.
Dos limitaciones: Almacenamiento de energía y respuesta en frecuencia
La resistencia, inductancia y capacitancia inherentes al cable utilizado para el cableado de campo conlleva dos limitaciones. Una de ellas (la respuesta en frecuencia) afecta a todas las instalaciones, mientras que la otra (el almacenamiento de energía) sólo afecta a las instalaciones en zonas peligrosas en las que se utilizará la seguridad intrínseca como medio de protección. En los casos en que existan limitaciones de longitud debidas tanto al almacenamiento de energía como a la respuesta en frecuencia, realice los cálculos necesarios para cada una de ellas y, a continuación, adhiérase a la más restrictiva de las dos.
1. Limitaciones de almacenamiento de energía
Tanto la capacitancia como la inductancia de un circuito representan la capacidad de almacenar energía. La base de las instalaciones intrínsecamente seguras (I.S.) es limitar esta energía de modo que incluso si se produjera una chispa (como cortar inadvertidamente un cable y cortocircuitar dos o más conductores), la chispa no contendría suficiente energía para encender la atmósfera inflamable. Por lo tanto, las instalaciones de S.I. no impiden que se produzcan chispas, simplemente limitan la energía de chispa disponible de forma que no pueda producirse la ignición de gas o polvo. En consecuencia, la cantidad total de inductancia y capacitancia en el circuito (cableado de campo más aparato de detección) se convierte en una limitación en instalaciones en las que el aparato de detección está situado en una zona peligrosa (es decir, una atmósfera inflamable). En el ejemplo que figura más adelante en este artículo, mostramos cómo identificar estos parámetros y calcular la longitud permitida utilizando productos de vibrómetros reales y certificados de homologación. Cabe señalar que la longitud segura del cable de transmisión calculada de este modo puede ser inferior a la longitud que preserva la respuesta en frecuencia deseada (véase el punto 2 a continuación), o podría ser superior. Por lo tanto, al definir una cadena de medición para un entorno peligroso, la longitud del cable debe calcularse siempre según ambos criterios -respuesta en frecuencia y capacitancia admisible en la zona peligrosa- y debe seleccionarse la más restrictiva de las dos restricciones de longitud resultantes. No es la intención de este artículo discutir todos los matices y detalles de los cálculos de áreas peligrosas, y los detalles variarán según la región del mundo y la agencia de homologación correspondiente. Existen numerosas referencias excelentes para el lector interesado9,10.
2. Restricciones de la respuesta en frecuencia
Cuando se elimina la inductancia de la parte inferior de la figura 1, nos queda un simple filtro de paso bajo (R-C unipolar). Por lo tanto, el cable atenuará las frecuencias altas mientras pasa las frecuencias bajas y debe seleccionarse de forma que el contenido de frecuencia necesario del sensor pueda transmitirse al módulo de control con poca o ninguna atenuación. Estas consideraciones son válidas para todas las aplicaciones, tanto si se encuentran en una zona peligrosa como si no. Se hace especial hincapié en la importancia de la respuesta en frecuencia12 en las mediciones de velocidad y fase, dada la forma de pulso (forma de onda rectangular) de la mayoría de las señales de velocidad.
Comprensión de los parámetros de entidad para instalaciones intrínsecamente seguras
La mayoría de las homologaciones modernas para instrumentos industriales en zonas peligrosas utilizan el concepto de seguridad intrínseca y parámetros de entidad. Los parámetros de entidad describen las limitaciones de tensión, corriente, potencia, capacitancia e inductancia del dispositivo homologado (“dispositivo intrínsecamente seguro”), así como las limitaciones de los demás dispositivos (“dispositivos asociados”) que pueden conectarse a él de forma segura.
Resulta útil pensar que un circuito intrínsecamente seguro consta de tres componentes, como se muestra en la figura 4: el dispositivo de campo (sistema sensor), el cableado de campo (cable de transmisión) y el dispositivo de seguridad (barrera Zener o aislador galvánico).
Figura 4: Un circuito intrínsecamente seguro está formado por el dispositivo de campo, el cableado de campo y el dispositivo de seguridad. La función del dispositivo de seguridad es limitar la energía disponible de forma que una chispa en el cableado de campo o en el dispositivo de campo no pueda encender la atmósfera inflamable, ni pueda suministrarse energía suficiente para crear una temperatura en el cableado de campo o en el dispositivo de campo que pueda encender la atmósfera inflamable.
Los dispositivos de campo pueden clasificarse a su vez como dispositivos simples o no simples.Un dispositivo simple es aquel que no puede generar o almacenar más de 20μJ, 25mW, 1,2V o 100mA. Los dispositivos simples no tienen parámetros de entidad. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos de campo de los vibrómetros (sensores) tienen al menos un componente dentro de la cadena de medición que se considera un dispositivo no simple y, por lo tanto, tendrán parámetros de entidad. Algunos ejemplos son los vibro-medidores IQS450, IQS900 y los acondicionadores de señal IPC707.
El dispositivo de seguridad más utilizado en las instalaciones de vibrómetros es nuestro GSI 12713, un aislador galvánico. Sin embargo, para los clientes que prefieren barreras Zener pasivas o activas, estos dispositivos pueden utilizarse a menudo en lugar del GSI 127 y el usuario deberá consultar los certificados de homologación del dispositivo de seguridad específico elegido, así como los del dispositivo de campo conectado.
Cada uno de los elementos de la figura 4 puede describirse en términos de parámetros de entidad.
Aparatos asociados: Estos dispositivos están situados en la zona segura y actúan como barrera o interfaz entre la zona segura y la zona peligrosa.
Aparatos intrínsecamente seguros: Son los dispositivos no simples situados en la zona peligrosa y conectados a los aparatos asociados.
Por ejemplo, al examinar las homologaciones es importante tener en cuenta que la capacitancia y la inductancia máximas conectadas a los aparatos asociados son aportadas tanto por el dispositivo de campo como por el cableado de campo (cable de transmisión). En otras palabras, si Ca es la capacitancia máxima que puede conectarse a un dispositivo de seguridad, entonces la capacitancia conectada estará formada tanto por la capacitancia en el dispositivo de campo (Ci) como en el cableado de campo (Ccable). En consecuencia, en forma de ecuación, deben satisfacerse todas las relaciones siguientes para cumplir las condiciones de la certificación de zona peligrosa:
1) Ca ≥ Ci + Ccable
2) La ≥ Li + Lcable
3) Ui ≥ Uo
4) Ii ≥ Io
5) Pi ≥ Po
La capacitancia y la inductancia distribuidas pueden obtenerse del fabricante del cable, mientras que el resto de valores pueden obtenerse del fabricante del dispositivo o dispositivos y, normalmente, están incluidos en sus certificados de homologación y planos asociados. Con esta información, resulta sencillo calcular la longitud máxima admisible del cable.
Puesta en común
La forma más sencilla de reforzar la comprensión de los conceptos tratados hasta ahora es mediante un ejemplo concreto en el que se utilicen dispositivos vibrómetros específicos y un cable de transmisión concreto. A continuación, los conceptos pueden aplicarse de forma análoga a otros dispositivos de campo (ya se utilicen para mediciones de velocidad u otras mediciones), a otros dispositivos de seguridad (ya sean aisladores galvánicos o barreras Zener pasivas) y a otros fabricantes de cables.
Para este ejemplo, consideraremos la longitud máxima de cable permitida en un área peligrosa ATEX Zona 0/1 utilizando un circuito intrínsecamente seguro. Los detalles utilizados para este ejemplo se resumen en la Tabla 4.
Las ecuaciones 3, 4 y 5 son independientes de la longitud del cable y se cumplen. Las ecuaciones 1 y 2 dependerán de la longitud del cable para la cantidad total de capacitancia e inductancia, respectivamente. Las ecuaciones se convierten entonces en las siguientes:
1) Ca ≥ Ci + Ccable ➔ Ca – Ci = Ccable ➔ 95 nF – 4,4 nF = 90,6 nF = Ccable
Ccable = DC (capacitancia distribuida) x CLmax (longitud máxima del cable).
CLmax = Ccable / DC = (90,6 nF) x (1000 pF/nF) / (100 pF/m) = 906 metros
2) La ≥ Li + Lcable ➔ La – Li = Lcable ➔ 5 mH – 9,92 μH = 4,99 mH = Lcable
Lcable = DL (inductancia distribuida) x CL (longitud del cable).
CL = Lcable / DL = (4,99 mH) x (1000 μH / mH) / (0,9 μH/m) = 5544 metros.
Como muestra este ejemplo, la inductancia no es el factor limitante de la longitud del cable para zonas peligrosas. En su lugar, es la capacitancia. En este caso, no podemos conectar más de 906 metros de cable de transmisión K310 si queremos mantenernos dentro de la capacitancia máxima permitida que admite el GSI 127 para las homologaciones ATEX. En cambio, se podrían tender más de 5,5 km de cable antes de superar la inductancia máxima admisible.
Supongamos, sin embargo, que nuestra aplicación nos exige tender 1 km completo de cable. Tenemos varias opciones:
1. Seleccionar un cable con una capacitancia distribuida más baja; sin embargo, esto requeriría un cable tríada con una capacitancia distribuida de sólo 95 pF/m y esto podría ser difícil de encontrar dado el ya bajo valor de capacitancia del cable K310.
2. Mantenga el cable K310, pero sitúe el GSI 127 a no más de 906 m del IQS900 en lugar de colocarlo junto con el monitor. Esto limita la capacitancia en el lado de limitación de energía del GSI 127 a 95nF, tal como se requiere. Esto se muestra en la Figura 5 y supone que el GSI 127 se ubicaría en un área no peligrosa o en un área de Zona 2
Figura 5: El GSI 127 puede situarse entre el IQS900 y el módulo de monitorización. Esta sería una forma de respetar la limitación de longitud máxima de 906 m para la capacitancia del cable en el área peligrosa de la Zona 0/1 si el módulo de monitorización está situado a 1 km del sensor.
Resumen
En este artículo hemos explicado cómo la longitud máxima del cable de transmisión está limitada por dos factores: la respuesta en frecuencia y la energía almacenada. La energía almacenada sólo tiene importancia en las instalaciones de zonas peligrosas que utilizan seguridad intrínseca. Esta energía puede almacenarse en forma de capacitancia o inductancia, y ambas deben examinarse como parte del proceso de evaluación. También hemos demostrado que, cuando se requieren tramos de cableado extremadamente largos, se puede seleccionar un cable con menor capacitancia por unidad de longitud, o se puede colocar el dispositivo de seguridad (en este caso, el GSI 127) en algún lugar intermedio que esté dentro de la longitud máxima del cable de S.I. y luego tender cable sin S.I. la distancia restante hasta el módulo de vigilancia. El cable en sí (en este caso, el vibrómetro K310) es el mismo, pero en un extremo del GSI 127 es intrínsecamente seguro y está dentro de las limitaciones de capacitancia total, mientras que en el otro extremo del GSI 127 ya no estamos limitados por la capacitancia y podemos continuar nuestro tendido de cable hasta la longitud requerida de 1 km, o incluso longitudes mayores siempre que la longitud adicional pueda preservar la respuesta de frecuencia requerida que necesita la aplicación.
También descubrimos que, aunque los temas tratados en este artículo son pertinentes para todos los tipos de sensores, la degradación de la señal causada por largas longitudes de cableado de campo a menudo puede tolerarse mejor en las señales de velocidad/fase que en otros tipos de señales, debido a los sofisticados algoritmos de autodisparo integrados en los sistemas de monitorización de vibrómetros.
Por último, hemos remitido al lector a una Nota de aplicación3 recientemente revisada que recomendamos encarecidamente a quienes deseen profundizar en el tema de la respuesta en frecuencia y la longitud del cableado de campo. Contiene ecuaciones y ejemplos de cálculo que ayudan a reforzar los conceptos. Analiza los algoritmos de autodisparo de señales de velocidad antes mencionados. Y, explora en mucha mayor profundidad la opción de una salida en modo de corriente en lugar de una salida en modo de tensión en las señales de velocidad y vibración. Esta función es exclusiva de los vibrómetros y ofrece numerosas ventajas, como la posibilidad de utilizar cables de mayor longitud que con una salida en modo tensión.