Mantendo uma boa integridade do sinal

Quantas vezes você ficou no telefone com um fornecedor tentando explicar um problema intermitente no instrumento?
A resposta do fornecedor é que o problema é de outro instrumento. Você poderia passar várias horas ao telefone com diferentes pessoas tentando rastrear um problema que ninguém pode identificar, mesmo que haja prova em seu registrador de algum ruído ou controle impreciso. Os fornecedores de instrumentação podem estar corretos. O problema provavelmente é de outro lugar, mas não no instrumento de outro fornecedor

A necessidade de medir com precisão e controlar os equipamentos de processo é uma exigência nas atuais plantas de automação modernas. A instrumentação é o cérebro das plantas e as fiações e sensores são os nervos que ligam as áreas remotas dos processos para o cérebro. A instrumentação controla e monitora a operação do equipamento na fábrica. Em muitos casos, os sinais que estão a ser monitorizados são em range de Milivolts. Para tirar o máximo proveito dos sinais de controle que estão sendo lidos nos processos, a integridade do sinal deve ser mantida a partir do processo até os instrumentos.

Muitos gerentes não pensam duas vezes para comprar instrumentos de qualidade para o processo, independente do valor, mas pouca atenção é dada à fiação que leva o sinal do processo a esses instrumentos. Em instalações novas, o custo do cabeamento pode ser uma porcentagem significativa do pacote de instrumentação.

Se a fiação adequada é ignorada, qualquer ganho esperado com a compra de novos instrumentos pode ser comprometido pelo ruído indesejado nos cabos de sinais. Em instalações existentes onde o desempenho pode ser comprometido pelo ruído do sinal, tem como saída fazer upgrade dos instrumentos, que mesmo sendo de boa qualidade pode mascarar o problema, porém, pode ser um desastre devido ao budget disponível para o instrumento.

Manter a integridade dos sinais de controle deve ser a meta principal de qualquer instalação de instrumentação.

O Ambiente da Medição Industrial

Os instrumentos muitas vezes ficam localizados ao lado de fornos ou pelo menos no chão de fábrica. O que faz destas áreas um problema é o campo elétrico que o equipamento fica exposto. Infelizmente, estas são as áreas que as variáveis do processo devem ser medidas. Os sensores do processo e fios associados ficam próximos dos equipamentos com severos campos elétricos, como motores de contato ou expostos a descargas eletrostáticas de equipamentos de solda, e a fiação muitas vezes pode ter centenas de metros, aumentando a probabilidade de interferência elétrica, afetando o sinal.

As salas de controles são ideais para os sinais, mas contêm alta quantidade de computadores, sinais de rádios bidirecionais e outros equipamentos eletrônicos que aumentam a porcentagem de degradação da qualidade do sinal. Há fenômenos naturais e muitos equipamentos que podem interferir com os sinais de medição. Os equipamentos geram uma zona de perigoso para a instrumentação existente, onde os sinais passam através dela.

Uma vez que este perigo no ambiente normalmente não pode ser eliminado, os efeitos que tem sobre instrumentação podem ser entendidos, por isso podem ser isolados e os seus efeitos podem ser removidos ou pelo menos minimizados.

Entendemos como sinais de áudio com equipamento alta-fidelidade devem ser tratados para alcançar a melhor qualidade de som. No processo de instrumentação não é diferente, precisamos compreender as possíveis maneiras que o ruído afeta o seu sistema de controle, assim podemos tomar as medidas necessárias para evitar estes problemas.

Alguns Métodos para Garantir a Qualidade do Sinal

A maneira mais fácil para garantir uma boa integridade do sinal é empregar o uso de condicionadores de sinal. Condicionadores de sinais desempenham um papel importante na instrumentação, assegurando que os mesmos sinais medidos pelos sensores no campo estão sendo transmitidos exatamente iguais para o controle dos instrumentos, representando exatamente as mesmas condições do processo. O longo percurso do cabo entre o processo e controle dos instrumentos para transmissão do sinal oferece uma alta porcentagem de interferência eletromagnética que degrada o sinal de controle.

Condicionadores de sinais fornecem duas principais funções primárias: manter a integridade do sinal e isolar o sinal. Ainda que um único instrumento possa fornecer ambas as funções, existem funções distintas e individuais que cada um oferece. O uso mais comum de um condicionador de sinal é a conversão do sinal, e a mais comum é a conversão de qualquer sinal do processo para 4-20 mA.

O loop de corrente 4-20 mA é um sinal muito robusto, praticamente imune ao ruído. É o método preferido para transmissão de sinais a longa distância.

Por que um circuito de 4-20 mA tem boa imunidade ao ruído? Em virtude do transmissor.

Em todos os componentes resistivos, a queda de tensão no circuito é proporcional à percentagem da resistência total do circuito. Quanto mais loop de resistência o componente tem, maior a queda de tensão o circuito terá – Lei de Ohm.

Cada saída de corrente do transmissor tem uma resistência que contribui para o circuito. Em proporção para o loop de resistência, a impedância de entrada do transmissor pode ser considerada como infinita.

A saída de resistência típica de um transmissor deve ser em torno de 3 a 5M?, loop de resistência fixada em 250?. Sob condições normais, o transmissor está atuando como fonte de corrente e sua resistência não é levada em conta quando há queda de tensão. Quando uma fonte de tensão é adicionada ao loop (por exemplo, o ruído inesperado), a tensão é interrompida em cada um dos resistores do circuito em proporção a sua resistência.

Se recordarmos do teorema de superposição, a resistência do transmissor de 5M? é uma carga resistiva no circuito em relação ao ruído. O condicionador de sinal torna-se um componente passivo no circuito e absorve mais tensão do ruído com a carga de 5M?, considerando que a resistência de 250? recebe apenas uma pequena fração, por exemplo, se a tensão do ruído gerar 100 volts. Segundo a lei de Ohm, o condicionador de sinal deve absorver 99,995 volts, considerando que o instrumento receberá 5 mV, isto é, 1/200 do valor mínimo que pode ser medido através do resistor de 250 ? em um circuito de 4 a 20 mA, não há maneira melhor de eliminar ruídos do processo do que converter os sinais de transmissão para 4 a 20 mA.

Cabos

A integridade do sinal pode ser afetada pelos cabos ou práticas de aterramento. A utilização de cabo de par trançado fornece um nível significativo de proteção contra ruído, que pode ser proveniente para fora do processo. Neste tipo de cabeamento, um par de condutores é torcido com o propósito de cancelar a interferência eletromagnética externa. Uma vez que o ruído é captado pelo fio ao longo do seu caminho para o painel de controle, afeta ambos os fios iguais, mas de uma forma oposta, um bom dispositivo de controle é capaz de filtrar o ruído e rejeitar o sinal. Isto é chamado de modo de rejeição comum.

Utilizar um único conduite para toda a fiação é tentador. O melhor conselho para isso seria: “Não faça isso!”. Esta prática é um convite para os problemas.

O acoplamento magnético ou tensões induzidas devido à proximidade de alta tensão e correntes próximas ao cabo de sinal podem induzir tensões muito elevadas. Estas tensões podem, no mínimo, interferir em seu processo e danificar os instrumentos. A maioria dos condicionadores de sinais possui circuito de proteção na entrada para evitar danos devido a esses transientes elevados.

Loop de Terra

Os loops de terra são os problemas de ruídos mais comuns em grande escala do sistema elétrico, resultado de práticas de aterramento ruins. É um grande equivoco pensar que o aterramento na terra em um local possui o mesmo potencial que o aterramento na terra em outro local. Aterramento é um conceito elétrico muitas vezes incompreendido. Um raio poderia causar este potencial saltar várias centenas de volts.

Caso os instrumentos estejam aterrados em locais diferentes da planta onde esse potencial exista, poderia ser facilmente checado por meio do teste de loop de terra, caso o sistema não possua nenhum tipo de isolamento. O ruído gerado pelo loop de terra pode gerar estragos no sistema. Um sinal comum no loop de terra é a presença de ruído de 60 Hz induzido no circuito, que pode ser facilmente medido no voltímetro.

Uma forma de eliminar os loops de terra é empregar o conceito single-ground onde os loops de terra podem ser gerados. Todos os aterramentos possuem o mesmo ponto. Geralmente feito por barras de aterramento, por vezes, pode não ser prático devido à instalação do barramento, e neste momento utilizamos o condicionador de sinal para isolamento.

Um isolador é a maneira mais fácil de eliminar os problemas de loops de terra. Em termos mais simples, o isolamento interrompe a corrente que circula entre os diferentes potenciais no aterramento. Isto é, realizado por um componente eletroeletrônico, como um transformador ou condicionador de sinal, para interromper as conexões fisicamente conectadas nos dois aterramentos. Enquanto o isolador interrompe o circuito de loop de terra, permite que o sinal de controle passe sem ruídos. O isolamento possui o melhor método custo-benefício para remoção de ruídos e transientes causados pelo loop de terra.

Raio

Um raio próximo ao processo pode causar danos consideráveis aos instrumentos. A descarga pode gerar milhares de volts e amperes no cabo de sinal e alimentação. Tipicamente, quanto mais o sensor e instrumento estão separados, aumenta o comprimento do cabo, maiores são as chances de ocorrer um acoplamento capacitivo do raio, aumentando a tensão e corrente.

Em situações nas quais os equipamentos escapam da destruição de um raio, o funcionamento do circuito pode estar comprometido e pode começar a deteriorar. Um para-raios é um condicionador de sinal que é usado para desviar a tensão que pode ser suficiente para danificar a instrumentação. Quando corretamente instalado, o para-raios redireciona os picos prejudiciais para a terra. Com a capacidade de suportar 10.000 V e até 5.000 A, não teremos a desagradável tarefa de substituir o equipamento depois de uma tempestade.

Ou seja, o para-raios é um interruptor que desvia altas tensões e correntes para terra, há muitas tecnologias que desempenham o papel desse interruptor, como um comum transistor de oxido de metal (MOSFET). Um MOSFET é um semicondutor sensível à tensão. Em operações de voltagem normais, o MOSFET atua como um isolador e não conduz corrente. Em tensões mais elevadas, o MOSFET atua como um condutor, esta tensão é determinada pelo fabricante.

Na instrumentação moderna usa-se uma grande variedade de medidores com diferentes níveis de tensão. A utilização do uso geral do para-raios irá fornecer alguma proteção, mas não uma proteção excepcional. Os para-raios são projetados para trabalhar com uma entrada de sinal especificada e com determinada tensão e requisitos. Os requisitos operacionais para proteção do circuito de alimentação podem ser diferentes da proteção de um termoelétrico ou conexão de internet IP. Selecionando um para-raios adequado, a integridade do sinal é mantida, bem como a proteção sólida para o instrumento.

Conclusão

Os valores gastos com os equipamentos são altos para proporcionar os melhores resultados para o cliente final. As sondas, sensores e instrumentação são projetados para operar em máximo desempenho, que pode ser prejudicado pela menor interferência. Implementar uma estratégia contra o ruído no ambiente é a diferença entre um bom processo e um processo excepcional, é algo que deve ser exigido para instalações dos sistemas. Os condicionadores de sinais são a última etapa que permite a melhor qualidade e desempenho no investimento.

Tradução gentilmente cedida por Yokogawa do Brasil; (11) 3513-1403; Thalita Alves; thalita.alves@br.yokogawa.com.

Para mais informações: Contate Clayton Wilson, Yokogawa Corporation of America; +1 678-423-2524; clayton.wilson@us.yokogawa.com; www.us.yokogawa.com.

 

Clayton Wilson
Clayton Wilson
Yokogawa Corporation of America; +1 678-423-2524; clayton.wilson@us.yokogawa.com; www.us.yokogawa.com.

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