Guía de Apantallamiento de Cables de Instrumentación: Pantalla Individual y Global (IS/OS) vs. Pantalla Global (OS)
Guía de Apantallamiento de Cables de Instrumentación: Pantalla Individual y Global (IS/OS) vs. Pantalla Global (OS)
Seleccionar la configuración adecuada de apantallamiento para los cables de instrumentación industrial es un factor determinante para preservar la integridad de la señal en sistemas de control y automatización de procesos. En refinerías de petróleo y gas, plantas petroquímicas, centrales termoeléctricas e instalaciones de manufactura avanzada, las señales analógicas y digitales de bajo nivel deben coexistir con severas interferencias electromagnéticas (EMI), interferencias de radiofrecuencia (RFI) y diferencias de potencial de tierra. Comprender las diferencias constructivas, la física de mitigación de ruido y las topologías de puesta a tierra entre los cables de Pantalla Global (OS) y Pantalla Individual y Global (IS/OS) es esencial para ingenieros de control e instrumentación.
Los sistemas de control industrial dependen de señales de baja tensión y corriente para supervisar variables críticas del proceso. Cuando estas señales de termopares en el rango de microvoltios, sensores RTD o lazos de corriente de 4–20 mA se canalizan en paralelo a motores de media tensión, variadores de frecuencia (VFD) y celdas de distribución, el acoplamiento electromagnético puede inducir ruidos perjudiciales, disparos falsos de protección, pérdida de paquetes en buses de campo y costosas paradas de planta. Como fabricante líder internacional de conductores y cables industriales, SiTong Cable ofrece una completa gama de cables de control e instrumentación fabricados bajo normas EN 50288-7, BS 5308 e IEC 60092 para erradicar las interferencias en circuitos de misión crítica.
1. Física del Acoplamiento de Ruido Industrial en Circuitos de Señal
Para determinar con precisión cuándo especificar un cable OS o IS/OS, es fundamental analizar los tres mecanismos físicos principales mediante los cuales el ruido eléctrico se acopla en los conductores de señal:
[ Fuentes de Ruido Industrial: VFD, Motores, Aparamenta de Media Tensión ]
│
├─► Acoplamiento Capacitivo (Campo Eléctrico E) ──► Mitigación: Cinta de Aluminio 100% + Hilo de Drenaje
├─► Acoplamiento Inductivo (Campo Magnético B) ──► Mitigación: Paso de Trenzado Corto y Uniforme (<50-70mm)
└─► Acoplamiento Conductivo / Bucle de Masa ─────► Mitigación: Puesta a Tierra en un Único Punto (Lado DCS)
1.1 Acoplamiento Capacitivo (Electrostático)
El acoplamiento capacitivo se produce cuando una variación rápida de tensión ($dV/dt$) en cables de potencia adyacentes induce una corriente de desplazamiento ($i_c = C_{12} \cdot \frac{dV}{dt}$) a través de la capacitancia mutua ($C_{12}$) en los conductores de señal. Una pantalla metálica continua que rodea el par intercepta las líneas de campo eléctrico y drena estas corrientes parásitas hacia la tierra de instrumentación mediante el hilo de drenaje antes de que ingresen al lazo de señal.
1.2 Acoplamiento Inductivo (Electromagnético)
El acoplamiento inductivo proviene de los campos magnéticos alternos ($B$) generados por elevadas corrientes de carga ($dI/dt$) en soluciones de cables de potencia industriales cercanos. De acuerdo con la Ley de Inducción de Faraday, la tensión de ruido inducida ($V_n = -M \cdot \frac{dI}{dt}$) es directamente proporcional al área del bucle formado por los conductores y a la inductancia mutua ($M$).
Los pares trenzados (Twisted Pairs) constituyen la defensa primaria frente a la inducción magnética. Al trenzar uniformemente los conductores de ida y retorno con un paso corto (lay length), los bucles adyacentes captan flujos magnéticos iguales pero de signo opuesto, cancelando el ruido en modo diferencial:
$$\text{CMRR}{\text{inductivo}} \approx 20 \log \right)$$} \left( \frac{V_{\text{modo común}}}{V_{\text{modo diferencial}}
1.3 Diafonía (Crosstalk) entre Pares en Cables Multipares
Cuando se agrupan múltiples canales de medición en un mismo cable multipar, la capacitancia e inductancia mutua entre pares contiguos provocan diafonía interna. Un pulso de conmutación en el Canal A puede acoplarse directamente en la lectura de un sensor sensible en el Canal B. La necesidad de eliminar esta interferencia interna entre canales es la justificación técnica de la Pantalla Individual (IS).
2. Construcción: Pantalla Global (OS) vs. Pantalla Individual y Global (IS/OS)
La diferencia mecánica y eléctrica fundamental entre los cables OS e IS/OS radica en cómo se aplican las cintas de aluminio-poliéster y los hilos de drenaje de cobre estañado en el núcleo del cable.
PANTALLA GLOBAL (OS) PANTALLA INDIVIDUAL Y GLOBAL (IS/OS)
┌───────────────────────────────┐ ┌─────────────────────────────────────────┐
│ [ Cubierta Exterior PVC/LSZH]│ │ [ Cubierta Exterior PVC/LSZH ] │
│ [ Hilo de Rasgado / Asiento] │ │ [ Pantalla Global Al-Mylar + Drenaje]│
│ [ Cinta Global Al-Poliéster] │ │ [ Cinta Separadora / Asiento Interior]│
│ [ Hilo de Drenaje General ] │ │ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ │
│ (Par 1) (Par 2) (Par 3) │ │ │ Par 1 + IS │ │ Par 2 + IS │ │
│ (Par 4) (Par 5) (Par 6) │ │ │ (Aluminio+Dren│ │ (Aluminio+Dren│ │
│ (Pares Trenzados sin Pant.) │ │ └───────────────┘ └───────────────┘ │
└───────────────────────────────┘ └─────────────────────────────────────────┘
2.1 Estructura de Pantalla Global (OS)
En un cable OS (Overall Screen / Pantalla Global), múltiples pares (o ternas) trenzados se cablean formando un núcleo cilíndrico. Se aplica una única cinta de aluminio laminada con poliéster (generalmente de 24–50 $\mu\text{m}$) con un solape mínimo del 25% sobre todo el núcleo, en contacto longitudinal con un hilo de drenaje continuo de cobre recocido estañado (típicamente de 0.5 $\text{mm}^2$ a 0.75 $\text{mm}^2$).
- Aplicación óptima: Circuitos con niveles de señal homogéneos (ej. solo lazos 4–20 mA), tiradas punto a punto de un solo par, entornos con interferencias moderadas y presupuestos optimizados.
2.2 Estructura de Pantalla Individual y Global (IS/OS)
En un cable IS/OS (Individual Screen and Overall Screen): 1. Pantalla Individual (IS): Cada par (o terna) trenzado individual está envuelto por su propia cinta de aluminio-poliéster (cobertura física del 100%) y su correspondiente hilo de drenaje estañado. Una cinta de aislamiento de poliéster no higroscópica evita el contacto eléctrico entre pantallas individuales adyacentes. 2. Pantalla Global (OS): Los pares apantallados individualmente se cablean juntos, se envuelven con una cinta de aluminio general y un hilo de drenaje maestro, seguido del asiento interior, armadura opcional y cubierta protectora exterior.
- Aplicación óptima: Cables troncales multipares con mezcla de señales (ej. 4–20 mA analógicos, señales mV de termopares y pulsos digitales), comunicaciones serie de alta velocidad (RS-485 / Modbus), sensores de muy bajo nivel y proximidad a fuentes severas de EMI (motores y variadores).
3. Comparativa Técnica: Cables OS vs. IS/OS
La siguiente tabla resume las prestaciones eléctricas, mecánicas y constructivas entre cables de instrumentación OS e IS/OS:
| Parámetro / Característica | Pantalla Global (OS) | Pantalla Individual y Global (IS/OS) | Relevancia en Ingeniería |
|---|---|---|---|
| Atenuación EMI/RFI Externa | Alta (60–80 dB) | Muy Alta (80–110 dB) | El doble apantallamiento ofrece dos barreras independientes |
| Supresión de Diafonía entre Pares | Moderada (30–45 dB a 10 kHz) | Excepcional (>75–90 dB a 10 kHz) | Aísla completamente los canales dentro de la misma manguera |
| Rechazo en Modo Común (CMRR) | 60–75 dB | 85–115 dB | Evita que tensiones de modo común se transformen en errores de lectura |
| Capacitancia Mutua (Conductor-Conductor) | 75–110 pF/m | 65–95 pF/m | Una menor capacitancia permite mayores distancias en buses de campo |
| Desequilibrio Capacitivo (Par-Pantalla) | $\le 500\text{ pF}/500\text{m}$ | $\le 200\text{ pF}/500\text{m}$ | Crucial para el equilibrio de puentes de medida y sondas RTD |
| Diámetro Exterior del Cable (OD) | Estándar (Base) | +15% a +25% superior | Influye en el factor de llenado de bandejas y dimensionamiento de tubos |
| Radio Mínimo de Curvatura | $6 \times \text{OD}$ (Sin armar) | $8 \times \text{OD}$ (Sin armar) | Requiere mayores radios de giro en cajas de paso y bandejas |
| Coste de Fabricación | Base (1.0x) | Aprox. 1.35x a 1.60x | Se amortiza evitando paradas de proceso y falsas lecturas |
| Normativas Aplicables | EN 50288-7, BS 5308-2, UL 13 | EN 50288-7, BS 5308-1/2, UL 2250 | Cumplimiento total con especificaciones internacionales |
4. Matriz de Selección según el Tipo de Señal de Proceso
La especificación errónea del apantallamiento puede degradar drásticamente la exactitud de los instrumentos. Aplique la siguiente guía de decisión:
[ Señal de Proceso ] ──► Bajo Nivel (<100 mV, RTD Pt100, Termopar) ────────► OBLIGATORIO: IS/OS
──► Señales Mixtas en Manguera Troncal (Analógica + I/O) ► OBLIGATORIO: IS/OS
──► Bus de Campo de Alta Velocidad (RS-485, Profibus) ──► RECOMENDADO: IS/OS
──► Lazo Analógico Homogéneo (Solo 4-20mA Estándar) ────► ACEPTABLE: OS
──► Estado Digital 24V DC / Bobinas de Relé ────────────► ACEPTABLE: OS
4.1 Sensores de Temperatura RTD (Pt100/Pt1000) y Termopares
- Nivel de Señal: Rango de milivoltios ($0\text{–}50\text{ mV}$) o variaciones mínimas de resistencia ($0.385\text{ }\Omega/^\circ\text{C}$).
- Recomendación: IS/OS con Ternas (Triads) o Pares Trenzados.
- Fundamento Técnico: Incluso una interferencia de pocos microvoltios procedente de un lazo 4–20 mA adyacente causará errores intolerables de medición de temperatura (en termopares tipo K, $10\text{ }\mu\text{V}$ inducidos suponen un error de $\approx 0.25^\circ\text{C}$).
4.2 Lazos de Corriente Analógicos 4–20 mA (Estándar y Protocolo HART)
- Nivel de Señal: $4\text{–}20\text{ mA DC}$ con modulación digital superpuesta a 1.2/2.2 kHz (HART).
- Recomendación: OS para tendidos individuales homogéneos; IS/OS para cables troncales multipares.
- Fundamento Técnico: Aunque el lazo de corriente presenta baja impedancia ($250\text{ }\Omega$), la comunicación digital HART bidireccional es susceptible al ruido armónico si comparte manguera con pulsos rápidos sin apantallamiento individual.
4.3 Buses de Campo Industriales (RS-485, Modbus RTU, Profibus-PA)
- Nivel de Señal: Pulsos digitales diferenciales de alta frecuencia ($0.5\text{–}10\text{ MHz}$).
- Recomendación: IS/OS con aislamiento de polietileno reticulado (XLPE) de baja permitividad.
- Fundamento Técnico: Los pulsos digitales cuadrados generan emisiones armónicas de alta frecuencia. La pantalla individual confina estas emisiones dentro del par, protegiendo los canales analógicos vecinos.
5. Reglas Críticas de Puesta a Tierra del Apantallamiento (Prevención de Bucles de Masa)
Un cable IS/OS de máxima calidad no ofrecerá protección si la topología de conexión a tierra se diseña incorrectamente. Es imperativo respetar las siguientes tres reglas:
SALA DE CONTROL / ARMARIO DCS CAJA DE CONEXIONES DE CAMPO / TRANSMISOR
┌──────────────────────────────────────────────┐ ┌───────────────────────────────────┐
│ [ Alimentación 24V DC / Tarjeta Analógica] │ │ [ Transmisor de Presión ] │
│ ▲ │ │ ▲ │
│ Señal (+) ────────┼────────────────────────┼────────┼─────────────────┘ │
│ Señal (-) ────────┼────────────────────────┼────────┼─────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │
│ Hilo Drenaje (IS) ┴──┐ │ │ Hilo Drenaje (IS) [CORTADO/AISL]│
│ Hilo Drenaje (OS) ───┼──► [ Barra de Tierra│ │ Hilo Drenaje (OS) [AISLADO] │
│ │ Limpia / IE ] │ │ (Funda termorretráctil) │
└────────────────────────┼─────────────────────┘ └───────────────────────────────────┘
▼
[ Tierra de Instrumentación: RE < 1.0 Ohm ]
Regla 1: Conexión a Tierra en un Único Punto (Single-Point Grounding) en el DCS
Todos los hilos de drenaje individuales y generales deben conectarse a tierra en un único extremo: en la barra de tierra limpia de instrumentación (IE / Clean Earth) en el armario de control o repartidor DCS.
Conectar las pantallas en ambos extremos crea un bucle de masa (ground loop). Dado que el potencial de tierra en campo ($V_{g,\text{campo}}$) difiere del de la sala de control ($V_{g,\text{DCS}}$), circulará una corriente parásita ($I_{\text{bucle}} = \frac{\Delta V_g}{Z_{\text{pantalla}}}$) por la pantalla que inducirá directamente tensiones de ruido sobre los conductores de señal.
Regla 2: Extremo de Campo Flotante y Completamente Aislado
En el instrumento de campo o caja de bornas local, la cinta de aluminio y el hilo de drenaje deben recortarse cuidadosamente y cubrirse con funda termorretráctil aislante. Bajo ninguna circunstancia deben hacer contacto con la carcasa metálica del transmisor o la estructura del edificio.
Regla 3: Continuidad e Independencia de las Pantallas Individuales
En cajas de paso intermedias, las pantallas individuales no deben unirse ni puentearse entre sí. Cada pantalla individual y su drenaje deben mantener su aislamiento y continuidad mediante bornas seccionables independientes, conectando los terminales con terminales de compresión de alta calidad.
6. Normas de Fabricación, Armaduras y Protección Ambiental
Los cables de instrumentación industrial deben soportar esfuerzos mecánicos severos, agresión química y resistencia al fuego. SiTong Cable fabrica según las principales normas internacionales:
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ NORMAS INTERNACIONALES DE INSTRUMENTACIÓN │
└───────────────────────────┬─────────────────────────────┘
│
┌──────────────────────────────────────────┼──────────────────────────────────────────┐
▼ ▼ ▼
[ Norma Europea EN 50288-7 ] [ Norma Británica BS 5308 ] [ Normas UL 13 / UL 2250 ]
• Tensión: 300V / 500V • Parte 1: Aislamiento PE/XLPE • PLTC (Bandejas de Pot. Limitada)
• Aislamientos termoplásticos/termoestables • Parte 2: Aislamiento PVC • ITC (Bandejas de Instrumentación)
• Resistente a hidrocarburos y UV • Armadura de Alambres de Acero (SWA) • Certificación Clase I, Div 2
• Cero halógenos de baja emisión (LSZH) • Barrera de plomo contra químicos • Rango térmico 300V / 105°C
6.1 Opciones de Armadura Mecánica para Áreas Clasificadas
- Armadura de Alambres de Acero Galvanizado (SWA): Máxima resistencia a tracción y aplastamiento para enterramiento directo en zanja.
- Armadura de Flejes de Acero (STA): Doble fleje helicoidal para protección contra aplastamiento radial en conductos y galerías subterráneas.
- Trenza de Alambres de Acero o Cobre Estañado (GSWB / TCB): Proporciona flexibilidad mecánica superior, resistencia a vibraciones y apantallamiento secundario para plataformas offshore y buques (IEC 60092-376). Asegure las entradas a envolventes con prensaestopas y accesorios certificados.
6.2 Compuestos de Cubierta Exterior
- PVC Resistente a Rayos UV (Tipo TM1 / Type 9): Solución económica, autoextinguible (IEC 60332-1-2 / IEC 60332-3 Cat C).
- Polietileno Reticulado (XLPE): Excelente resistencia de aislamiento ($>5000\text{ M}\Omega\cdot\text{km}$) y temperatura de operación de $90^\circ\text{C}$.
- Cero Halógenos y Libre de Emisiones Tóxicas (LSZH / FR-LSOH): Conforme con IEC 60754-1/2 e IEC 61034-2, obligatorio en túneles, salas de control y áreas de alta concurrencia. Para tendidos complementarios de alimentación en armarios, combine con nuestros cables unipolar y de edificación.
7. Capacidad de Fabricación y Garantía de Calidad SiTong Cable
Zhengzhou SiTong Cable Co., Ltd. es un fabricante certificado ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001 con presencia en más de 80 países.
[ Alambrón de Cobre 99.99% ETP ] ──► Trefilado Multihilo ──► Cableado de Precisión (Paso < 50mm)
│
[ Ensayos de Chispa a 6kV ] ◄── Extrusión de Alta Precisión (XLPE/LSZH) ◄┘
│
└──► Cinta Al-Mylar Individual + Drenaje Estañado ──► Cableado General
│
[ Ensayos de Aceptación FAT ] ◄── Armado y Cubierta Exterior ────────┘
(Capacitancia, Continuidad, Impedancia de Transferencia)
7.1 Tecnología de Trenzado de Alta Precisión
SiTong emplea cableadoras automáticas con control de tensión digital que garantizan un paso de trenzado uniforme y corto ($35\text{–}65\text{ mm}$), alternando el sentido de trenzado entre pares contiguos para maximizar la relación de rechazo en modo común (CMRR).
7.2 Cobertura de Pantalla 100% y Solape Garantizado
Nuestras líneas automáticas garantizan un solape mínimo del 25% en las cintas de aluminio-poliéster individuales y globales. El hilo de drenaje continuo de cobre estañado asegura un contacto permanente, manteniendo la impedancia de transferencia ($Z_t$) por debajo de $100\text{ m}\Omega/\text{m}$ a 30 MHz.
7.3 Ensayos de Aceptación en Fábrica (FAT)
Cada bobina producida se somete a rigurosos controles: - Ensayo de Chispa al 100%: Detección de microfisuras en aislamientos hasta $6\text{ kV CA}$. - Medición de Capacitancia Mutua y Desequilibrio: Cumpliendo los límites de IEC 60189-1 y EN 50288-7. - Rigidez Dieléctrica: $1.5\text{ kV CA}$ durante 5 minutos entre conductores y contra pantalla.
8. Preguntas Frecuentes de Ingeniería (FAQ)
P1: ¿Es seguro utilizar un cable con Pantalla Global (OS) para señales 4–20 mA cerca de variadores de frecuencia (VFD)?
Si el cable de instrumentación se tiende a menos de $300\text{ mm}$ de los cables de potencia de un VFD en la misma bandeja, los pulsos de alta tensión y frecuencia ($dv/dt$) generarán un campo electromagnético intenso que puede saturar una pantalla OS simple. En entornos con variadores de frecuencia, se recomienda enfáticamente especificar cables IS/OS con armadura trenzada o metálica (GSWB/SWA) o garantizar una separación física mínima de $300\text{–}600\text{ mm}$ con tabique separador metálico puesto a tierra.
P2: ¿Por qué el hilo de drenaje debe ser de cobre estañado en lugar de cobre desnudo?
La lámina de apantallamiento utiliza una superficie conductora de aluminio. Si el cobre desnudo entra en contacto directo con el aluminio en presencia de humedad ambiental, se produce corrosión galvánica debido a la diferencia de potencial electroquímico entre ambos metales, degradando el aluminio. El estañado actúa como barrera electroquímica protectora, previene la corrosión galvánica y facilita la soldadura y conexionado.
P3: ¿Qué sucede si la pantalla del cable se conecta a tierra en ambos extremos?
Aterrizar la pantalla en ambos extremos crea un bucle de masa. Dado que el potencial de tierra nunca es exactamente igual en dos puntos distintos de una planta, circulará una corriente constante por la pantalla. Esta corriente generará una caída de tensión resistiva que inducirá tensiones de ruido diferencial en el lazo de señal, provocando lecturas erróneas, alarmas fantasma y fallos de comunicación en buses industriales.
P4: ¿En qué aplicaciones es obligatorio especificar una Terna (Triad) en lugar de un Par (Pair)?
Las ternas apantalladas son obligatorias en: 1. Sondas de temperatura RTD de 3 hilos (Pt100/Pt1000): Donde el tercer hilo compensa la resistencia de línea. 2. Transmisores de 3 hilos: Que comparten el negativo de 24V DC con el positivo de alimentación y el retorno de señal 4–20 mA. 3. Potenciómetros y sensores de desplazamiento: Que requieren alimentación, tierra de referencia y señal del cursor dentro del mismo blindaje.
P5: ¿Cuáles son las diferencias principales entre las normas EN 50288-7 y BS 5308?
La norma británica BS 5308 (Parte 1 con aislamiento PE/XLPE y Parte 2 con PVC) se ha utilizado ampliamente en proyectos petroleros y petroquímicos tradicionales. La norma europea armonizada EN 50288-7 (tensiones de 300V y 500V) actualiza los requisitos con respecto a la clasificación de reacción al fuego (cables libres de halógenos LSZH y CPR), resistencia a hidrocarburos y parámetros para transmisiones digitales modernas. SiTong Cable fabrica bajo ambas normativas según los requerimientos de la ingeniería del proyecto.
Conclusión y Asesoramiento Técnico
La elección entre cables de instrumentación de Pantalla Global (OS) y Pantalla Individual y Global (IS/OS) es una decisión crítica de ingeniería que impacta directamente en la precisión y fiabilidad operativa de los sistemas de automatización industrial. Los cables OS constituyen una solución compacta y económica para señales homogéneas, mientras que los cables IS/OS son la barrera indispensable para mangueras troncales con señales mixtas, circuitos de termometría de alta precisión y entornos con severa contaminación electromagnética.
Para hojas de datos técnicos, dimensionamiento de mangueras multipares/multiternas a medida, certificados de ensayo EN 50288-7 / BS 5308 o presupuestos de fábrica:
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📬 Consultas técnicas y comerciales: sales@sitongcable.com | 📞 Línea de atención: +86-371-69176007
🏢 Zhengzhou SiTong Cable Co., Ltd. — Fabricación de cables de alto rendimiento desde 2010. Certificaciones ISO 9001 / ISO 14001 / CE / CPR.
