Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados

Neste artigo, abordaremos com detalhes a importância do isolamento nos sistemas de aquisição de dados (DAQ) para que você:

  • Veja o que significa isolamento elétrico
  • Aprenda sobre os diferentes tipos de isolamento é alcançado
  • Compreenda a importância do isolamento a aquisição de dados DAQ e medições

Você está pronto para começar? Vamos lá!

O que é isolamento elétrico?

Às vezes também conhecido como isolamento galvânico, o isolamento elétrico é a separação de um circuito de outras fontes de potencial elétrico.

Por que o isolamento é necessário?

Os potenciais de interferência podem ser de natureza CA e CC. Por exemplo, quando um sensor é colocado diretamente em um artigo em teste (por exemplo, uma fonte de alimentação) que tem um potencial acima do solo (ou seja, maior do que 0 Volts), isso pode impor um desvio DC no sinal. Interferência elétrica ou ruído também podem assumir a forma de sinais CA criados por outros componentes elétricos no caminho do sinal ou no ambiente ao redor do teste.

O isolamento é especialmente importante com relação aos sinais de entrada analógica que desejamos medir. Muitos desses sinais existem em níveis relativamente baixos e potenciais elétricos externos podem influenciar muito o sinal, resultando em leituras erradas. Imagine a saída de um termopar, que tem apenas alguns milhares de volt, e como ele poderia ser facilmente sobrecarregado com interferência elétrica.

Até mesmo a energia da linha regular em nossos edifícios gera um campo elétrico a 50 ou 60 Hz, dependendo do seu país. É por isso que os melhores sistemas de aquisição de dados têm entradas isoladas - para preservar a integridade da cadeia de sinal e garantir que o que as saídas do sensor são realmente o que foi lido.

Existem também altas tensões que, se conectadas por um sistema não isolado, podem danificar ou destruir equipamentos caros. Na pior das hipóteses, pode causar danos físicos ou até mesmo a morte do operador de teste. As tensões perigosas para as pessoas geralmente são consideradas maiores que 30 Vrms, 42,4 VCA ou 60 VCC.

No mundo de teste e medição, evitar ou eliminar loops de aterramento e sobrecargas de tensão de modo comum é fundamental para fazer medições precisas, proteger equipamentos de teste e objetos em teste e, mais importante, proteger seres humanos de potenciais de tensão perigosos.

Antes que nossos sinais passem pelo amplificador e sejam enviados aos conversores analógico para digital, devemos garantir sua integridade, e a melhor maneira de fazer isso é com isolamento.

Quando o isolamento é necessário?

Uma pergunta mais fácil pode ser "quando o isolamento NÃO é necessário?" Faça a si mesmo estas perguntas ao considerar se sua aplicação exigiria entradas isoladas:

  • Existem altas tensões perigosas nas proximidades? (Fios de alta tensão externos? Geradores de energia?)
  • Existem grandes motores, turbinas, máquinas de solda ou qualquer máquina que use corrente forte no mesmo prédio ou na mesma rede de energia?
  • O potencial de aterramento do seu sistema de energia flutua ou muda?
  • O seu sistema de energia está sempre sujeito a picos ou transientes elétricos? Você está em uma área com alto potencial de relâmpagos?
  • Você está fazendo medições de sinal de nível muito milivolts diretamente em componentes ou estruturas que podem existir em um potencial de tensão diferente?

Se um ou mais destes se aplicam a você, então entradas isoladas são provavelmente garantidas.

Vamos dar uma olhada no ambiente de medição nas principais aplicações DAQ e suas possíveis fontes de interferência de sinal:

  Altas tensões, geradores de energia Grandes motores, turbinas, máquinas de solda Potenciais flutuantes de terra Picos ou transientes elétricos Sinais de nível de milivolt sendo medidos
Laboratório Raramente Possível Possível Possível Sim
Termopares
Medidores de tensão
RTDs
Planta automotiva Sim Sim Possível Possível Sim
Fábrica de motores a jato Sim
Geradores de energia
Inversores
Sim Possível Possível Sim
Termopares
Dispositivos medidores de deformação
Acelerômetros de carga
Usina elétrica Sim
Sempre!
Sim
Motores
Turbinas
Possível Sim
Relé de comutação
Transientes do disjuntor
Sim
Faixas de teste Não Não Sim
(bus DC do veículo)
Sim
Raio
Trocas de bateria
Sim
Termopares
Dispositivos medidores de deformação
Centro de Teste de Voo Sim Possível
Sim
comutação de energia
Barramentos AC / DC

Sim
Lightening

Sim
Termopares
Acelerômetros de carga Strain gages
Testes Estruturais (laboratório) Raramente Raramente Não Possível Sim
Dispositivos medidores de deformação
Acelerômetros de carga
Testes Estruturais (fora) Possível Raramente Possível Sim
Lightening

Sim
Dispositivos medidores de deformação
Acelerômetros de carga

É claro que não há basicamente nenhuma aplicação principal que não esteja sujeita a interferências do ambiente natural ou feito pelo homem que entradas isoladas possam mitigar ou eliminar completamente.

Os sistemas de medição que não oferecem entradas isoladas são mais baratos do que aqueles que os possuem. No entanto, qual é o objetivo de um sistema de medição senão para fazer medições precisas e sem ruído?

Problemas de tensão de modo comum e a solução

As tensões de modo comum são sinais indesejados que entram na cadeia de medição, geralmente do cabo que conecta um sensor ao sistema de medição. Às vezes chamadas de "ruído", essas tensões distorcem o sinal real que estamos tentando medir. Dependendo de sua amplitude, eles podem variar de um “pequeno incômodo” a obscurecer completamente o sinal real e destruir a medição.

Differential amplifier wiring schemeRepresentação de um amplificador diferencial

A abordagem mais básica para eliminar sinais de modo comum é usar um amplificador diferencial. Este amplificador possui duas entradas: uma positiva e outra negativa. O amplificador mede apenas a diferença entre as duas entradas.

Ruído elétrico circulando ao longo de nosso cabo sensor deve estar presente em ambas as linhas - a linha positiva do sinal e a linha de aterramento (ou negativa do sinal). O amplificador diferencial rejeitará os sinais comuns a ambas as linhas, e apenas o sinal será transmitido, conforme mostrado no gráfico abaixo:

A differential amplifier successfully eliminates common-mode voltages within its CMV input rangeUm amplificador diferencial elimina com sucesso tensões de modo comum dentro de sua faixa de entrada CMV

Isso funciona muito bem, mas há limites para a quantidade de tensão de modo comum (CMV) que o amplificador pode rejeitar. Quando o CMV presente nas linhas de sinal excede a faixa de entrada CMV máxima do amplificador diferencial, ele irá "cortar". O resultado é um sinal de saída distorcido e inutilizável, conforme mostrado abaixo:

A differential amplifier distorts or clips when it's CMV input range is exceededUm amplificador diferencial distorce ou "corta" quando a faixa de entrada do modo de voltagem comum é excedida

Portanto, nesses casos, precisamos de uma camada adicional de proteção contra CMV e ruído elétrico em geral (bem como loop de aterramento, que será discutido na próxima seção) - isolamento.

As entradas de um amplificador isolado "flutuam" acima da tensão de modo comum. Eles são projetados com uma barreira de isolamento com uma tensão de ruptura de 1000 volts ou mais. Isso permite rejeitar ruído CMV muito alto e eliminar loops de terra.

An isolated differential amplifier rejects even very high common-voltage modeUm amplificador diferencial isolado rejeita até mesmo o modo de voltagem comum muito alta

Amplificadores isolados criam essa barreira de isolamento usando pequenos transformadores para desacoplar (“flutuar”) a entrada da saída, ou por pequenos optoacopladores, ou por acoplamento capacitivo. Os dois últimos métodos geralmente fornecem o melhor desempenho de largura de banda.

O que é Razão de Rejeição de Tensão de Modo Comum - CMBR

A taxa de rejeição de modo comum (CMRR) de um amplificador diferencial (ou outros dispositivos) é uma métrica usada para quantificar a capacidade do dispositivo de rejeitar sinais de modo comum, ou seja, aqueles que aparecem simultaneamente e em fase em ambas as entradas.

Um amplificador diferencial ideal teria CMRR infinito. No entanto, isso não é possível na prática. Um alto CMRR é necessário quando um sinal diferencial deve ser amplificado na presença de uma entrada de modo comum possivelmente grande, como forte interferência eletromagnética (EMI).

Problemas de loop de terra e a solução

A menos que sejam evitados, os loops de aterramento podem ser um problema sério para sistemas de medição. Às vezes chamado de “ruído”, um loop de aterramento é causado por referenciar inadvertidamente o equipamento elétrico a mais de um caminho para o aterramento - qualquer diferença de potencial nesses pontos de aterramento pode induzir um loop de corrente, o que pode levar a distorções no sinal. Se a amplitude dessas distorções for alta o suficiente, isso pode arruinar a medição.

Na figura abaixo, o amplificador de medição está conectado ao solo (GND 1) em um dos lados. Um cabo blindado assimétrico é utilizado para conectar o sensor, cuja carcaça metálica é colocada sobre uma superfície condutora em GND 2. Devido ao comprimento do cabo, há uma diferença de potencial entre GND1 e GND 2. Esta diferença de potencial atua como um fonte de tensão, acoplada ao ruído eletromagnético do meio ambiente.

A ground loop caused by ground potential differencesUm loop de terra causado por diferenças de potencial de terra

Se o sensor puder ser desacoplado de GND2, isso pode resolver o problema. Mas às vezes isso não é possível. Além disso, às vezes a referência de uma blindagem de cabo é exigida por regras de segurança e, portanto, não deve ser removida.

A melhor solução é usar um amplificador diferencial dentro do condicionador de sinal que está isolado. Com essa única mudança, o problema está resolvido.

Eliminating differential ground potential problems via isolationEliminando problemas de potencial de aterramento diferencial por meio de isolamento

Os loops de aterramento também podem vir do próprio instrumento, por meio de sua própria fonte de alimentação. Lembrando que nosso sistema de medição está conectado à rede elétrica, que possui uma referência de aterramento. É fundamental, portanto, desacoplar essa referência dos componentes de tratamento de sinal do instrumento para garantir que loops de aterramento não possam ser criados dentro do instrumento.

Power supply induced ground loopingLoop de aterramento induzido da fonte de alimentação

Este cenário pode se tornar perigoso se houver uma falha na fiação. Olhando para o caminho de alta corrente da fonte de alimentação, o que acontecerá se a linha de retorno for interrompida? Toda a energia será direcionada através da parte de condicionamento de sinal do sistema DAQ. Isso pode resultar em danos ou destruição de todo o sistema, e até mesmo em potenciais perigosos para o operador humano do instrumento.

The danger of power supply induced ground loops

O perigo de loops de aterramento induzidos pela fonte de alimentação

Ao isolar completamente o caminho do sinal da fonte de alimentação, não é possível que o cenário acima ocorra.

Domínios de Isolamento

Existem dois domínios básicos nos quais o isolamento pode ser alcançado:

  • analógico e
  • digital

Isolamento de Domínio Analógico

O isolamento de domínio analógico é usado com as saídas de sensores analógicos. Este isolamento ocorre no domínio analógico, ou seja, antes do subsistema ADC.

Analog domain isolation systemsSistemas de isolamento de domínio analógico

Em qualquer sistema de isolamento analógico, é fundamental que o ganho e a precisão de deslocamento sejam bastante altos, porque não queremos digitalizar sinais errados.

Isolamento de Domínio Digital

Quando nossos sinais são digitais, para começar, podemos empregar técnicas de isolamento digital para proteger nossos sinais, sistema e operadores humanos.

Digital domain isolation systemsSistemas de isolamento de domínio digital

Nesse caso, uma barreira de isolamento separa o sinal externo da recriação no interior do circuito. O sinal digital isolado fica então disponível para ser roteado para microprocessadores, FPGAs, drivers de porta, etc.

Agora vamos dar uma olhada nos três tipos básicos de técnicas de isolamento que são usados tanto no isolamento analógico quanto no digital.

Três técnicas básicas de isolamento

Existem várias abordagens para criar uma barreira de isolamento entre uma fonte de sinal e o resto do sistema:

  • Isolamento óptico
  • Isolamento indutivo
  • Isolamento capacitivo

Vamos dar uma olhada em cada um deles nesta seção.

Isolamento Ótico

O isolamento óptico é um dos métodos mais populares e eficazes de isolar um sinal do resto do sistema e do mundo externo. Um sinal elétrico é enviado a um LED, que o transmite através de uma barreira de isolamento dielétrico para um fotodiodo, que o converte de volta em um sinal elétrico.

Optical isolation using LED (left) and a photodiode (right)Isolamento óptico usando LED (esquerda) e um fotodiodo (direita)

Ao converter um sinal elétrico em luz e depois de volta em eletricidade, ele é completamente desacoplado do mundo exterior. A luz não é suscetível a interferências eletromagnéticas (EMI) ou de radiofrequência (RFI), benefícios inerentes a esta abordagem.

No entanto, optoacopladores não são tão rápidos quanto a própria luz - eles são limitados pela velocidade de comutação do LED. Eles são geralmente mais lentos do que isoladores indutivos ou capacitivos. Além disso, a intensidade da luz LED se degradará com o tempo, exigindo recalibração ou substituição.

Isolamento Indutivo

Os engenheiros sabem que a corrente elétrica cria um campo magnético. Ao enviar um sinal para um enrolamento e posicioná-lo próximo e em paralelo com um enrolamento idêntico, uma representação do sinal será induzida ou "acoplada" ao segundo enrolamento.

Inductive isolation using windings separated by an electrical insulatorIsolamento indutivo usando enrolamentos separados por um isolador elétrico

No isolamento de acoplamento indutivo, uma barreira de isolamento elétrico é colocada entre os enrolamentos, de modo que os únicos sinais que passam do primeiro enrolamento para o segundo são aqueles que foram induzidos magneticamente - e não há contato direto através da barreira. Os acopladores indutivos têm largura de banda muito alta e são extremamente confiáveis, mas podem ser afetados por campos magnéticos próximos.

Isolamento Capacitivo

Os isoladores capacitivos acoplam um sinal através de uma barreira de isolamento, geralmente feita de dióxido de silício. Eles não podem passar sinais DC, o que os torna muito hábeis no bloqueio de sinais de modo comum. O sinal é convertido para digital e então replicado no outro lado da barreira usando acoplamento capacitivo.

Capacitive isolator using capacitive coupling to recreate the signal on the other side of an isolation barrierIsolador capacitivo usando acoplamento capacitivo para recriar o sinal do outro lado de uma barreira de isolamento

Ao contrário do isolamento indutivo, o isolamento capacitivo não é suscetível a interferência magnética. Altas taxas de dados e operação de longa duração são marcas registradas desses isoladores. Os isoladores capacitivos estão disponíveis com diferentes classificações para fornecer o nível certo de segurança contra falhas e possíveis curtos-circuitos.

Comparação de técnicas de isolamento

Aqui está uma comparação de alto nível de nossas três técnicas básicas de isolamento:

  Ótico Indutivo Capacidade
Taxas de dados Médio
(limitado pela velocidade de comutação do LED)
Rápido
~ 100 Mb / s
Rápido
~ 100 Mb / s
Rigidez dielétrica Boa
~ 100 Vrms / µm
Melhor
~ 300 Vrms / µm
Melhor
~ 500 Vrms / µm
Vida útil Relativamente curto Grande Grande
Interferência magnética Nenhum Pode ser afetado Nenhum

Termos de isolamento de chave

Dadas todas as informações acima, parece claro que nossos sistemas de medição deveriam ter entradas analógicas isoladas. Mas quando você está revisando as especificações de isolamento de vários sistemas de medição e condicionadores de sinal, você pode encontrá-lo especificado com termos como "canal a terra" e "canal a canal". O que esses termos significam e como eles se relacionam?

Isolamento Canal-Terra

O isolamento de canal para terra define a tensão máxima que pode haver entre a entrada de um canal e o aterramento do instrumento. Normalmente, o aterramento de um instrumento é referenciado ao aterramento da fonte de alimentação. Ao isolar o aterramento do sinal do aterramento do chassi, podemos eliminar a maioria dos problemas de loop de aterramento.

SIRIUS differential amplifier wiring schemeIsolamento de canal para terra com amplificadores diferenciais SIRIUS

Às vezes, isso também é conhecido como isolamento de entrada para saída. Todos os canais compartilham um aterramento comum, que é isolado do aterramento ou potencial de aterramento do instrumento. Isso não seria uma limitação se apenas uma fonte de sinal fosse conectada ao sistema. Mas quando sinais adicionais são conectados, cada um com diferenças de potencial de terra, isso pode causar ruído em todos os sinais e problemas de modo comum.

Se dois ou mais canais compartilham um aterramento comum, eles não são isolados galvanicamente. Tome cuidado quando um instrumento mencionar apenas isolamento de entrada para saída ou canal para terra.

Isolamento canal a canal

O isolamento canal a canal define a tensão máxima que pode haver entre um canal e qualquer outro canal. Os canais não podem compartilhar um barramento de terra, por exemplo. Cada canal também deve ser isolado do resto do sistema, por ex. a fonte de alimentação do sistema, o aterramento do chassi e assim por diante. Se todos os canais estiverem isolados uns dos outros, eles também serão necessariamente isolados do terra, portanto, o isolamento canal-a-terra está incluído no isolamento canal-a-canal.

SIRIUS isolated amplifier wiring diagramIsolamento canal a canal com amplificadores isolados SIRIUS

Portanto, se um sistema tiver isolamento canal a terra, isso não significa necessariamente que ele tenha isolamento canal a canal. MAS, se um sistema tem isolamento canal a canal, então também deve ter isolamento canal a terra.

Os sistemas SIRIUS DAQ da Dewesoft fornecem isolamento canal a canal e canal a terra, conforme mostrado neste breve vídeo:

Rigidez dielétrica

A rigidez dielétrica é o nível de tensão máximo no qual uma barreira de isolamento pode impedir a passagem do sinal. Vários materiais de isolamento têm diferentes resistências dielétricas, medidas em Vrms / µm. O próprio intervalo de ar é normalmente avaliado em 1 Vrms / µm, enquanto os epóxis podem ser 20 vezes melhores e o dióxido de silício encontrado em muitas barreiras de isolamento capacitivo é de aproximadamente 500 Vrms / µm. Existem outros materiais comumente usados em barreiras, incluindo as poliimidas encontradas em isoladores capacitivos e compostos de moldagem epóxi preenchidos com sílica, frequentemente encontrados em isoladores ópticos.

Sistemas De Aquisição De Dados Isolados Dewesoft

Sistemas de aquisição de dados SIRIUS

Os sistemas DAQ de alta velocidade SIRIUS estão disponíveis em uma ampla gama de configurações físicas, de fatias modulares SIRIUS que se conectam ao seu computador via USB ou EtherCAT, sistemas DAQ de montagem em rack R3 e DAQ autônomo R1 / R2, R4 e R8 sistemas que incluem um computador embutido.

SIRIUS high speed data acquisition systemsA linha de produtos SIRIUS DAQ

Se você der uma olhada nos condicionadores de sinal SIRIUS DualCore e SIRIUS HS (alta velocidade) da Dewesoft, verá que todos esses módulos fornecem tensão de isolamento canal a canal e canal a terra de 1000V. Os amplificadores SIRIUS HD (alta densidade) são isolados ± 500 V em pares.

O vídeo abaixo mostra o isolamento SIRIUS DAQ na prática, em um cenário do mundo real:

No mundo real da aquisição de dados, geralmente há mais do que apenas as entradas de sinal - os condicionadores de sinal geralmente fornecem tensão ou corrente de excitação para alimentar os sensores. Strain gages, RTDs, LVDTs e acelerômetros IEPE são bons exemplos de sensores que requerem energia.

Às vezes esquecido pelos fabricantes de sistema DAQ, é importante que essas linhas de excitação sejam isoladas, é por isso que Dewesoft fornece isolamento e / ou entradas diferenciais e proteção contra sobretensão com capacidade de curto-para-terra direta em sua linha de produtos e protege seus instrumentos e operadores humanos de loops de solo.

Sistemas de aquisição de dados KRYPTON e KRYPTON ONE

KRYPTON é a linha de produtos mais robusta disponível da Dewesoft. Construído para suportar temperaturas extremas e condições de choque e vibração, KRYPTON é classificado como IP67, protegendo-os contra água, poeira e muito mais. Eles se conectam a qualquer computador Windows (incluindo o modelo de CPU KRYPTON IP67 robusto da própria Dewesoft) via EtherCAT e podem ser separados por até 100 metros (328 pés), permitindo que você os localize perto da fonte de sinal. Como o SIRIUS, eles executam o software DAQ mais poderoso do mercado, o Dewesoft X.

KRYPTON DAQ system with DSI adapters connectedUm módulo KRYPTON multicanal típico com vários adaptadores DSI conectados

Esses sistemas extremamente robustos também estão disponíveis em módulos de canal único chamados KRYPTON ONE. Os módulos KRYPTON de canal único e multicanal fornecem o mesmo nível de desempenho e robustez ambiental.

KRYPTON one High-voltage and Thermocouple High-voltage isolated modulesAcima à esquerda: módulo KRYPTON ONE 1xTH-HV
À direita: módulo KRYPTON ONE 1xHV

Em termos de desempenho de isolamento, KRYPTON e KRYPTON-1 fornecem:

Módulos multicanais KRYPTON
  STG TH RDT ACC LV LA DIO
Tipo Tensão / tensão Par termoelétrico RTD  IEPE / Tensão Baixa voltagem Amperes baixos Digital I/O
Tensão de isolamento Diferencial Pico de 1000 V Pico de 1000 V Diferencial Pico de 1000 V Pico de 1000 V 250 V
Canal a Canal    
Canal para Terra    

 

Módulos de canal único KRYPTON ONE
  AO DI DO ACC STG LV HV TH-HV CNT
Tipo Analógico
Saída
Digital
Entrada
Digital
Saída
IEPE
Voltagem
Tensão
Voltagem
Baixo
Voltagem
Alto
Voltagem
Temperatura Contador
Codificador
Digital
Tensão de isolamento N / D Galv. Galv. 125 Vrms 125 Vrms 125 Vrms 1000V CAT II
600 V CAT III
1000V CAT II
600 V CAT III

N / D
Canal a Canal    
Canal para Terra    

Na tabela acima, Diff. significa diferencial e Galv. refere-se ao isolamento galvânico.

Sistemas IOLITE DAQ

IOLITE é um produto exclusivo que combina as capacidades essenciais de um sistema de controle industrial em tempo real com um poderoso sistema DAQ. Com o IOLITE, centenas de canais analógicos e digitais podem ser gravados em velocidade total e, ao mesmo tempo, enviar dados em tempo real para qualquer controlador mestre EtherCAT de terceiros.

IOLITE rack and boxed DAQ systemsEsquerda: sistema de montagem em rack IOLITEr com 12 slots de módulo de entrada
À direita: sistema de bancada IOLITEs com 8 slots de módulo de entrada

Em termos de desempenho de isolamento, IOLITE fornece:

Módulos de entrada multicanal IOLITE
Módulo STG TH DI DO RTD LV
Tipo Strain / V Thermo Dig Input Dig Output RTD Baixa voltagem
Tensão de Isolamento Diferencial 1000 V 1000 V 1000 V 1000 V 1000 V
Canal a Canal  
Canal para Terra