10 modi pratici per proteggere i segnali di processo dai disturbi elettrici
Le interferenze elettromagnetiche, o EMI, sono comuni negli ambienti industriali e possono influire negativamente sulla precisione dei segnali della strumentazione. Ecco alcuni suggerimenti e consigli che aiuteranno ad assicurare la precisione delle misurazioni in ambienti con livelli elevati di disturbi.
I disturbi elettrici sono tra le cause più comuni di letture instabili negli impianti industriali. Inverter, motori, contattori e ricetrasmittenti portatili generano interferenze elettromagnetiche (EMI) che possono accoppiarsi ai cavi di segnale e manifestarsi sotto forma di valori instabili, offset o interventi anomali.
La maggior parte dei problemi di EMI può essere evitata adottando alcune precise scelte in fase di progettazione e installazione. I dieci suggerimenti riportati di seguito sono suddivisi in tre aree: cablaggio, schermatura e messa a terra, e scelta del segnale e delle apparecchiature. Ogni suggerimento spiega brevemente perché funziona, in modo da poter applicare il principio alla propria installazione.
Cablaggio
1. Distanza tra cavi di segnale e cavi di potenza
Posare i cavi di strumentazione in passerelle o canaline separate rispetto ai cavi di potenza e ai cavi motore. L'accoppiamento tra i cavi diminuisce con la distanza e aumenta con la lunghezza del tratto in cui corrono in parallelo: entrambi gli aspetti sono quindi importanti.
Una distanza di almeno 10 centimetri è una regola empirica comunemente adottata e i produttori di inverter specificano normalmente nei manuali di installazione una distanza minima per i cavi motore. Se non è possibile evitare una passerella condivisa, utilizzare un separatore metallico collegato a terra.
Quando i cavi di segnale e di potenza devono incrociarsi, farli incrociare a 90°. Ad angolo retto, il campo magnetico generato dal cavo di potenza si accoppia solo minimamente al cavo di segnale. Anche l'accoppiamento elettrico viene ridotto, poiché viene minimizzata la lunghezza del tratto in cui i due cavi si trovano vicini.
2. Mantenere insieme i conduttori di segnale e di ritorno
Un campo magnetico induce una tensione nell'anello formato dal conduttore di segnale e dal relativo percorso di ritorno; maggiore è l'area dell'anello, maggiore sarà la tensione indotta.
Far passare il segnale e il relativo ritorno nello stesso cavo, mantenere la coppia unita fino ai morsetti e non instradare mai i due conduttori lungo percorsi differenti.
Evitare di lasciare il cavo in eccesso avvolto vicino a fonti di disturbo quali inverter o trasformatori, perché la bobina formata dal cavo agirà come un'antenna, captando i disturbi dall'ambiente circostante.
3. Utilizzare coppie ritorte (twistate) e conoscere la funzione della schermatura
La ritorcitura riduce l'accoppiamento magnetico, perché le tensioni indotte nelle spire successive presentano polarità opposte e tendono in gran parte ad annullarsi. La schermatura svolge invece una funzione diversa: protegge principalmente dall'accoppiamento tramite campo elettrico (capacitivo) e dalle interferenze ad alta frequenza.
Una sottile schermatura in foglio offre scarsa protezione dai campi magnetici a bassa frequenza, come quelli a 50/60 Hz generati dai cavi di potenza vicini: in questi casi sono la ritorcitura e la distanza a fare la differenza. In ambienti con molti disturbi, utilizzare cavi sia ritorti sia schermati.
Schermatura e messa a terra
4. Terminare le schermature con una connessione a 360°
L'efficacia di una schermatura dipende dalla qualità della sua terminazione. Un lungo "pigtail" – ovvero la treccia di schermatura attorcigliata fino a formare un conduttore e collegata a un morsetto – aggiunge induttanza e può rendere la schermatura quasi inefficace alle alte frequenze.
Collegare la schermatura lungo l'intera circonferenza del cavo utilizzando un morsetto di schermatura o un pressacavo EMC, nel punto in cui il cavo entra nel quadro, in modo che le interferenze vengano scaricate a terra prima di raggiungere l'interno.
5. Scegliere una strategia di messa a terra e applicarla con coerenza
La messa a terra della schermatura a entrambe le estremità offre la migliore protezione dalle interferenze ad alta frequenza. Tuttavia, se esiste una differenza di potenziale di terra tra le due estremità, nella schermatura circolerà una corrente a bassa frequenza.
La messa a terra a una sola estremità – normalmente quella lato sala controllo – evita questa corrente, ma offre una protezione inferiore dalle interferenze ad alta frequenza.
La scelta corretta dipende dal collegamento equipotenziale dell'impianto: con una rete equipotenziale ben concepita, in genere si preferisce la messa a terra a entrambe le estremità; in assenza di tale rete, la messa a terra a una sola estremità è la soluzione tradizionale nella strumentazione di processo.
Qualunque sia la scelta, applicare il principio in modo coerente in tutta l'installazione. Nelle aree pericolose, i circuiti a sicurezza intrinseca sono soggetti a specifici requisiti di messa a terra delle schermature previsti dalla IEC 60079-14, che devono essere rispettati.
6. Affrontare il disturbo alla sorgente
Gli inverter sono la fonte di interferenze più comune negli impianti moderni. Utilizzare cavi motore simmetrici e schermati con connessioni di schermatura a 360° sia sull'inverter sia sul motore, mantenere installato il filtro di ingresso dell'inverter e, in presenza di cavi motore lunghi, valutare filtri di uscita (du/dt o sinusoidali).
All'interno del quadro, separare le zone "rumorose" – inverter, contattori e alimentatori switching – dalle zone "pulite" contenenti strumentazione e condizionamento dei segnali.
Scelta del segnale e delle apparecchiature
7. Convertire i segnali di basso livello vicino al sensore
I segnali delle termocoppie sono nell'ordine di alcune decine di microvolt per grado. Per una termocoppia di tipo K, appena 1 mV di disturbo captato corrisponde a un errore di circa 24 °C. Trasmettere un segnale così debole lungo un cavo di notevole lunghezza in un impianto disturbato aumenta quindi notevolmente il rischio di errore.
Montando un trasmettitore nella testa del sensore – o vicino al punto di misura – il segnale viene convertito in 4–20 mA percorrendo la distanza più breve possibile.
Un segnale in corrente è molto più robusto: la corrente non viene influenzata dalla resistenza del cavo e il loop a bassa impedenza è molto meno sensibile alle interferenze indotte rispetto a un segnale in millivolt ad alta impedenza.
Come può aiutare PR electronics: I trasmettitori di temperatura per montaggio in testa di PR electronics convertono segnali RTD, da termocoppia e mV in 4–20 mA direttamente nel punto di misura, con isolamento galvanico tra ingresso e uscita (2,5 kVAC sul PR 5437). Scopri i trasmettitori di temperatura per montaggio in testa.
8. Interrompere i loop di terra con l'isolamento galvanico
Quando un loop di misura è collegato a terra in più punti, le differenze di potenziale di terra possono generare una corrente nel cablaggio di segnale che si manifesta come offset o disturbo. Le termocoppie con giunto a massa, in cui il giunto di misura è a contatto con un pozzetto termometrico collegato a terra, ne sono un esempio classico.
L'isolamento galvanico interrompe questo percorso: ingresso, uscita e alimentazione sono separati elettricamente mentre il segnale di misura viene trasferito attraverso la barriera. Ma non tutti gli isolamenti sono equivalenti.
I transitori rapidi di modo comune possono ancora accoppiarsi attraverso la capacità interna della barriera. L'immunità EMC dell'isolatore è quindi importante quanto la sua tensione di isolamento. Se il loop trasporta comunicazione HART, scegliere un isolatore trasparente HART.
Come può aiutare PR electronics: L'isolamento galvanico è alla base della gamma di prodotti PR electronics per il condizionamento dei segnali – dagli isolatori compatti per guida DIN ai convertitori universali e ai ripetitori trasparenti HART per aree pericolose. Scopri gli isolatori di segnale.
9. Scegliere apparecchiature con immunità EMC documentata
La marcatura CE indica che un prodotto soddisfa i requisiti minimi, non quanto bene funzionerà nel vostro impianto. Consultare la scheda tecnica: l'influenza dell'immunità EMC indica quanto può deviare la misura durante le prove.
La NAMUR NE 21, standard ampiamente utilizzato nell'industria di processo, introduce requisiti aggiuntivi rispetto alla norma di base IEC 61326-1, mentre la IEC 61326-3-1 si applica alle apparecchiature che svolgono funzioni di sicurezza.
Gli impianti reali sono spesso più impegnativi del laboratorio di prova. Una ricetrasmittente portatile tenuta vicino a un quadro può facilmente superare l'intensità di campo di 10 V/m utilizzata nelle prove di immunità industriale.
Come può aiutare PR electronics: I prodotti PR electronics sono progettati per superare i requisiti EMC standard e le nostre schede tecniche riportano l'influenza dell'immunità EMC – ad esempio, meno di ±0,5% dello span durante le prove EMC standard e meno di ±1% dello span durante le prove estese secondo NAMUR NE 21 per l'isolatore PR 3103.
10. Utilizzare il filtraggio come ultima risorsa, non come prima soluzione
La maggior parte dei trasmettitori e dei sistemi di controllo consente di aggiungere uno smorzamento o aumentare il tempo di risposta per rendere più stabile un segnale disturbato.
Può essere utile, ma nasconde il sintomo anziché rimuovere la causa – e rallenta la misura, con possibili effetti sulle prestazioni di controllo e sulle funzioni di sicurezza. Individuare e risolvere prima la sorgente del disturbo; utilizzare il filtraggio per la regolazione fine.
Le misure robuste si progettano – non si aggiungono in un secondo momento
Raramente una singola misura è in grado di eliminare le EMI. Instradamento dei cavi, schermatura, messa a terra, tipo di segnale e scelta delle apparecchiature interagiscono tra loro, e un punto debole in un'area può vanificare gli interventi nelle altre.
Utilizzare questi dieci suggerimenti come checklist durante la progettazione di nuove installazioni e come punto di partenza nella ricerca guasti su quelle esistenti. Una buona prima domanda: il disturbo compare quando è in funzione uno specifico inverter, una pompa o una radio?
In PR electronics, le prestazioni EMC vengono integrate nei nostri prodotti fin dalla prima fase di progettazione – perché un condizionatore di segnale è valido solo quanto il segnale che riesce a fornire in un impianto reale.
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