César Cassiolato (*)
Muitas vezes, a confiabilidade de um sistema de controle é colocada em risco devido às suas más instalações. Comumente, os usuários fazem vista grossa e, em análises mais criteriosas, são descobertos problemas com as instalações, envolvendo cabos e suas rotas e acondicionamentos, blindagens e aterramentos.
É de extrema importância que haja a conscientização de todos os envolvidos e, mais do que isso, o comprometimento com a confiabilidade e segurança operacional e pessoal em uma planta.
Este breve artigo provê dicas sobre a minimização do efeito de acoplamento capacitivo e vale sempre a pena lembrar das regulamentações locais e, em caso de dúvida, elas prevalecem sempre.
Controlar o ruído em sistemas de automação é vital, porque ele pode se tornar um problema sério mesmo nos melhores instrumentos e hardware de aquisição de dados e atuação.
Qualquer ambiente industrial contém ruído elétrico em fontes, incluindo linhas de energia AC, sinais de rádio, máquinas e estações etc.
Felizmente, dispositivos e técnicas simples, tais como a utilização de métodos de aterramento adequado, blindagem, fios trançados, os métodos de média de sinais, filtros e amplificadores diferenciais, podem controlar o ruído na maioria das medições.
A figura 1 nos mostra vários tipos de acoplamento gerando ruído em instalações industriais:
Figura 1 – Vários tipos de acoplamento gerando ruído em instalações industriais
Os sinais podem variar basicamente devido a:
- Flutuação de tensão;
- Harmônicas de corrente;
- RF conduzidas e radiadas;
- Transitórios (condução ou radiação);
- Campos eletrostáticos;
- Campos magnéticos;
- Reflexões;
- Crosstalk;
- Atenuações;
- Jitter (ruído de fase);
As principais fontes de interferências são:
- Acoplamento capacitivo (interação de campos elétricos entre condutores);
- Acoplamento indutivo (acompanhadas por um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo);
- Condução através de impedância comum (aterramento): ocorre quando as correntes de duas áreas diferentes passam por uma mesma impedância. Por exemplo, o caminho de aterramento comum de dois sistemas.
O acoplamento capacitivo é representado pela interação de campos elétricos entre condutores. Um condutor passa próximo a uma fonte de ruído (perturbador), capta esse ruído e o transporta para outra parte do circuito (vítima). É o efeito de capacitância entre dois corpos com cargas elétricas, separadas por um dielétrico, o que chamamos de efeito da capacitância mútua.
O efeito do campo elétrico é proporcional à frequência e inversamente proporcional à distância.
O nível de perturbação depende das variações da tensão (dv/dt) e o valor da capacitância de acoplamento entre o “cabo perturbador” e o “cabo vítima”.
A capacitância de acoplamento aumenta com:
- O inverso da frequência: o potencial para acoplamento capacitivo aumenta de acordo com o aumento da frequência (a reatância capacitiva, que pode ser considerada como a resistência do acoplamento capacitivo, diminui de acordo com a frequência, e pode ser vista na fórmula: XC = 1/2?fC);
- A distância entre os cabos perturbadores e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo;
- A altura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo);
- A impedância de entrada do circuito vítima (circuitos de alta impedância de entrada são mais vulneráveis);
- O isolamento do cabo vítima (?r do isolamento do cabo), principalmente para pares de cabos fortemente acoplados.
A figura 2 mostra exemplos de acoplamentos capacitivos.
Figura 2 – Acoplamentos capacitivos
Medidas para reduzir o efeito do acoplamento capacitivo
- Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo;
- Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima;
- Aterre uma das extremidades dos shields nos dois cabos;
- Reduza o dv/dt do sinal perturbador, aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (baixando a frequência do sinal).
Envolva sempre que possível o condutor ou equipamento com material metálico (blindagem de Faraday). O ideal é que cubra 100% da parte a ser protegida e que se aterre essa blindagem para que a capacitância parasita entre o condutor e a blindagem não atue como elemento de realimentação ou de crosstalk. O acoplamento capacitivo entre cabos induz transientes (pickups eletrostáticos) de tensão. Nessa situação, figura 3, a corrente de interferência é drenada aoterra pelo shield, sem afetar os níveis de sinais:
Figura 3 – Interferência entre cabos: o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão
A figura 4 mostra exemplo de proteção contra transientes:
Figura 4 – Exemplo de proteção contra transientes
Interferências eletrostáticas podem ser reduzidas:
1. Aterramento e blindagens adequadas;
2. Isolação ótica;
3. Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados.
A figura 5 mostra a capacitância de acoplamento entre dois condutores separados por uma distância D:
Figura 5 – Acoplamento entre dois condutores
Conclusão
Vimos nesse breve artigo vários detalhes sobre os efeitos do acoplamento capacitivo e como minimizá-lo.
Todo projeto de automação deve levar em conta os padrões para garantir níveis de sinais adequados, assim como a segurança exigida pela aplicação.
Recomenda-se que, anualmente, se tenha ações preventivas de manutenção, verificando cada conexão ao sistema de aterramento, onde deve-se assegurar a qualidade de cada conexão em relação à robustez, confiabilidade e baixa impedância (deve-se garantir que não haja contaminação e corrosão).
Sempre que possível, consulte as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.
(*) César Cassiolato é presidente & CEO da Vivace Process Instruments
