La importancia del aislamiento en los sistemas de adquisición de datos

¿Qué es el aislamiento eléctrico?

A veces también conocido como aislamiento galvánico, el aislamiento eléctrico es la separación de un circuito de otras fuentes de potencial eléctrico.

¿Por qué es necesario el aislamiento?

Los potenciales de interferencia pueden ser tanto de CA como de CC por naturaleza. Por ejemplo, cuando se coloca un sensor directamente sobre un artículo bajo prueba (por ejemplo, una fuente de alimentación) que tiene un potencial sobre el suelo (es decir, mayor de 0 voltios), esto puede imponer una compensación de CC en la señal. La interferencia eléctrica o el ruido también pueden tomar la forma de señales de CA creadas por otros componentes eléctricos en la ruta de la señal o en el entorno alrededor de la prueba.

El aislamiento es especialmente importante con respecto a las señales de entrada analógicas que queremos medir. Muchas de estas señales existen a niveles relativamente bajos y los potenciales eléctricos externos pueden influir mucho en la señal, lo que da como resultado lecturas incorrectas. Imagine la salida de un termopar, que es solo unos pocos miles de voltios, y la facilidad con la que podría verse abrumado por interferencias eléctricas.

Incluso la línea de alimentación habitual de nuestros edificios genera un campo eléctrico de 50 o 60 Hz, según su país. Esta es la razón por la que los mejores sistemas de adquisición de datos tienen entradas aisladas, para preservar la integridad de la cadena de señales y garantizar que lo que emite el sensor es realmente lo que se ha leído.

También hay altos voltajes que, si se permite la interconexión mediante un sistema no aislado, pueden dañar o destruir equipos costosos. En el peor de los casos, puede provocar daños físicos o incluso la muerte al operador de la prueba. Generalmente se considera que los voltajes que son peligrosos para las personas son aquellos que son superiores a 30 Vrms, 42,4 VCA o 60 VCC.

En el mundo de la prueba y la medición, evitar o eliminar los bucles de tierra y las sobrecargas de voltaje de modo común es fundamental para realizar mediciones precisas, proteger los equipos de prueba y los objetos bajo prueba y, lo que es más importante, proteger a los seres humanos de los potenciales de voltaje peligrosos.

Antes de que nuestras señales pasen por el amplificador y se envíen a los convertidores de analógico a digital, debemos garantizar su integridad, y la mejor manera de hacerlo es con aislamiento.

Echa un vistazo a la versión totalmente aislada canal a canal de Dewesoft sistemas modernos de adquisición de datos digitales

¿Cuándo es necesario el aislamiento?

Una pregunta más sencilla podría ser "¿cuándo NO es necesario el aislamiento?" Hágase estas preguntas cuando considere si su aplicación requeriría entradas aisladas:¿Hay altos voltajes peligrosos cerca? (¿Cables de alta tensión afuera? ¿Generadores de energía?)

• ¿Hay grandes motores, turbinas, máquinas de soldar o alguna máquina que utilice mucha corriente en el mismo edificio o en la misma red eléctrica?

• ¿El potencial de tierra de su sistema de energía fluctúa o cambia?

• ¿Su sistema de energía alguna vez está sujeto a picos eléctricos o transitorios? ¿Se encuentra en una zona con alto potencial de aclarado?

• ¿Está realizando mediciones de señal de nivel de milivoltios directamente en componentes o estructuras que pueden existir a un potencial de voltaje diferente?

Si uno o más de estos se aplican a usted, entonces probablemente se justifiquen insumos aislados.

Echemos un vistazo al entorno de medición en aplicaciones DAQ clave y sus posibles

Está claro que básicamente no existe una aplicación importante que no esté sujeta a interferencias del entorno natural o creado por el hombre que los insumos aislados puedan mitigar o eliminar por completo.

Los sistemas de medición que no ofrecen entradas aisladas son menos costosos que los que las tienen. Sin embargo, ¿de qué sirve un sistema de medición si no es para realizar mediciones precisas y sin ruido?

Problemas de voltaje en modo común y la solución

Los voltajes de modo común son señales no deseadas que ingresan a la cadena de medición, generalmente desde el cable que conecta un sensor al sistema de medición. A veces denominados "ruido", estos voltajes distorsionan la señal real que estamos tratando de medir. Dependiendo de su amplitud, pueden ir desde ser una "molestia menor" hasta oscurecer completamente la señal real y destruir la medición.

El enfoque más básico para eliminar las señales de modo común es utilizar un amplificador diferencial. Este amplificador tiene dos entradas: una positiva y una negativa. El amplificador mide solo la diferencia entre las dos entradas.

El ruido eléctrico que circula a lo largo de nuestro cable sensor debe estar presente en ambas líneas: la línea de señal positiva y la línea de tierra (o señal negativa). El amplificador diferencial rechazará las señales comunes a ambas líneas, y solo pasará la señal, como se muestra en el gráfico siguiente:

Esto funciona muy bien, pero hay límites en cuanto a la cantidad de voltaje de modo común (CMV) que puede rechazar el amplificador. Cuando el CMV presente en las líneas de señal excede el rango máximo de entrada de CMV del amplificador diferencial, se "recortará". El resultado es una señal de salida distorsionada e inutilizable, como se muestra a continuación:

Entonces, en estos casos, necesitamos una capa adicional de protección contra el CMV y el ruido eléctrico en general (así como el bucle de tierra, que se discutirá en la siguiente sección): aislamiento.

Las entradas de un amplificador aislado "flotan" por encima del voltaje de modo común. Están diseñados con una barrera de aislamiento con un voltaje de ruptura de 1000 voltios o más. Esto le permite rechazar un ruido CMV muy alto y eliminar los bucles de tierra.

Los amplificadores aislados crean esta barrera de aislamiento mediante el uso de pequeños transformadores para desacoplar ("flotar") la entrada de la salida, o mediante pequeños optoacopladores, o mediante acoplamiento capacitivo. Los dos últimos métodos suelen proporcionar el mejor rendimiento de ancho de banda.

¿Qué es la relación de rechazo de voltaje en modo común? - CMBR

La relación de rechazo de modo común (CMRR) de un amplificador diferencial (u otros dispositivos) es una métrica que se utiliza para cuantificar la capacidad del dispositivo para rechazar señales de modo común, es decir, aquellas que aparecen simultáneamente y en fase en ambas entradas.

Un amplificador diferencial ideal tendría una CMRR infinita. Sin embargo, esto no se puede lograr en la práctica. Se requiere un CMRR alto cuando se debe amplificar una señal diferencial en presencia de una entrada de modo común posiblemente grande, como una fuerte interferencia electromagnética (EMI).

Ground Loop Problems and the Solution

A menos que se eviten, los bucles de tierra pueden ser un problema grave para los sistemas de medición. A veces llamado "ruido", un bucle de tierra es causado por la referencia inadvertida de equipos eléctricos a más de una ruta a tierra; cualquier diferencia de potencial en estos puntos de conexión a tierra puede inducir un bucle de corriente, que puede provocar distorsiones en la señal. Si la amplitud de estas distorsiones es lo suficientemente alta, puede arruinar la medición.

En la siguiente imagen, el amplificador de medición está conectado a tierra (GND 1) en un lado. Se utiliza un cable blindado asimétrico para conectar el sensor, cuya carcasa metálica se coloca sobre una superficie conductora en GND 2. Debido a la longitud del cable, existe una diferencia de potencial entre GND1 y GND 2. Esta diferencia de potencial actúa como un fuente de voltaje, acoplándose con el ruido electromagnético del entorno.

In the picture below, the measurement amplifier is connected to the ground (GND 1) on one side. An asymmetrical shielded cable is used to connect the sensor, whose metallic housing is placed on a conductive surface at GND 2. Due to the length of the cable, there is a difference in potential between GND1 and GND 2. This potential difference acts like a voltage source, coupling with the electromagnetic noise from the environment.

Si el sensor pudiera desacoplarse de GND2, podría resolver el problema. Pero a veces esto no es posible. Además, a veces las normas de seguridad requieren la referenciación de un blindaje de cable y, por lo tanto, no debe eliminarse.

La mejor solución es utilizar un amplificador diferencial dentro del acondicionador de señal que está aislado. Con este único cambio, el problema está resuelto.

Los bucles de tierra también pueden provenir del propio instrumento, a través de su propia fuente de alimentación. Teniendo en cuenta que nuestro sistema de medición está enchufado a la corriente, que tiene una referencia de tierra. Por lo tanto, es fundamental desacoplar esta referencia de los componentes de manejo de señales del instrumento para garantizar que no se puedan crear bucles de tierra dentro del instrumento.

Este escenario puede volverse peligroso si hay una falla en el cableado. Mirando la ruta de alta corriente desde la fuente de alimentación, ¿qué pasará si se rompe la línea de retorno? Toda la energía se enrutará a través de la parte de acondicionamiento de señal del sistema DAQ. Esto podría resultar en que todo el sistema se dañe o destruya, e incluso en peligros potenciales para el operador humano del instrumento.

Al aislar completamente la ruta de la señal de la fuente de alimentación, no es posible que ocurra el escenario anterior.

Dominios de aislamiento

Hay dos dominios básicos en los que se puede lograr el aislamiento:

• analógico y

• digital

Aislamiento de dominio analógico

El aislamiento de dominio analógico se utiliza con las salidas de los sensores analógicos. Este aislamiento tiene lugar en el dominio analógico, es decir, antes del subsistema ADC. 

En cualquier sistema de aislamiento analógico, es fundamental que la precisión de ganancia y compensación sea bastante alta porque no queremos digitalizar señales incorrectas.

Aislamiento de dominio digital

Cuando nuestras señales son digitales, para empezar, podemos emplear técnicas de aislamiento digital para proteger nuestras señales, sistema y operadores humanos.

En este caso, una barrera de aislamiento separa la señal exterior de la recreación en el interior del circuito. La señal digital aislada está disponible para ser enrutada a microprocesadores, FPGA, controladores de puerta, etc.

Ahora veamos los tres tipos básicos de técnicas de aislamiento que se utilizan tanto en el aislamiento analógico como en el digital.

Tres técnicas básicas de aislamiento

Existen varios enfoques para crear una barrera de aislamiento entre una fuente de señal y el resto del sistema:

• Aislamiento optico

• Aislamiento inductivo

• Aislamiento capacitivo

Echemos un vistazo a cada uno de ellos en esta sección.

Aislamiento óptico

El aislamiento óptico es uno de los métodos más populares y efectivos para aislar una señal del resto del sistema y del mundo exterior. Se introduce una señal eléctrica en un LED, que la transmite a través de una barrera de aislamiento dieléctrico a un fotodiodo, que la convierte de nuevo en una señal eléctrica.

Al convertir una señal eléctrica en luz y luego de nuevo en electricidad, se desacopla por completo del mundo exterior. La luz no es susceptible a interferencias electromagnéticas (EMI) o de radiofrecuencia (RFI), beneficios inherentes de este enfoque.

Sin embargo, los optoacopladores no son tan rápidos como la luz, están limitados por la velocidad de conmutación del LED. Generalmente son más lentos que los aisladores inductivos o capacitivos. Además, la intensidad de la luz LED se degradará con el tiempo, lo que requerirá una recalibración o reemplazo.

Aislamiento inductivo

Los ingenieros saben que la corriente eléctrica crea un campo magnético. Al enviar una señal a un devanado y colocarla cerca y en paralelo con un devanado idéntico, se inducirá una representación de la señal o se "acoplará" al segundo devanado.

En el aislamiento de acoplamiento inductivo, se coloca una barrera de aislamiento eléctrico entre los devanados, de modo que las únicas señales que pasan del primer devanado al segundo son las que han sido inducidas magnéticamente y no hay contacto directo a través de la barrera. Los acopladores inductivos tienen un ancho de banda muy alto y son extremadamente confiables, pero pueden verse afectados por campos magnéticos cercanos.

Aislamiento capacitivo

Los aisladores capacitivos acoplan una señal a través de una barrera de aislamiento, generalmente hecha de dióxido de silicio. No pueden pasar señales de CC, lo que los hace muy expertos en bloquear señales de modo común. La señal se convierte a digital y luego se replica en el otro lado de la barrera mediante acoplamiento capacitivo. 

A diferencia del aislamiento inductivo, el aislamiento capacitivo no es susceptible a interferencias magnéticas. Las altas velocidades de datos y el funcionamiento de larga duración son las características distintivas de estos aisladores. Los aisladores capacitivos están disponibles con diferentes clasificaciones para proporcionar el nivel adecuado de seguridad contra fallas y posibles cortocircuitos.

Comparación de técnicas de aislamiento

Aquí hay una comparación de alto nivel de nuestras tres técnicas básicas de aislamiento:

Términos clave de aislamiento

Dada toda la información anterior, parece claro que nuestros sistemas de medición deberían tener entradas analógicas aisladas. Pero cuando revisa las especificaciones de aislamiento de varios sistemas de medición y acondicionadores de señal, puede encontrarlo especificado con términos como "canal a tierra" y "canal a canal". ¿Qué significan estos términos y cómo se relacionan entre sí?

Aislamiento de canal a tierra

El aislamiento de canal a tierra define el voltaje máximo que puede haber entre la entrada de un canal y la tierra del instrumento. Normalmente, la tierra de un instrumento está referenciada a la tierra de la fuente de alimentación. Al aislar la tierra de la señal de la tierra del chasis, podemos eliminar la mayoría de los problemas de bucle de tierra.

A veces, esto también se conoce como aislamiento de entrada a salida. Todos los canales comparten una tierra común, que está aislada de la tierra o del potencial de tierra del instrumento. Esto no sería una limitación si solo se conectara una fuente de señal al sistema. Pero cuando se conectan señales adicionales, cada una con diferencias de potencial de tierra, puede producir ruido en todas las señales y problemas de modo común.

Si dos o más canales comparten un terreno común, entonces no están aislados galvánicamente. Tenga cuidado cuando un instrumento solo mencione el aislamiento de entrada a salida o de canal a tierra.

Aislamiento de canal a canal

El aislamiento de canal a canal define el voltaje máximo que puede haber entre un canal y cualquier otro canal. Los canales no pueden compartir un bus de tierra, por ejemplo. Cada canal también debe estar aislado del resto del sistema, p. Ej. la fuente de alimentación del sistema, la tierra del chasis, etc. Si todos los canales están aislados entre sí, entonces necesariamente también están aislados de la tierra, por lo que el aislamiento de canal a tierra se incluye dentro del aislamiento de canal a canal. defines the maximum voltage there can be between a channel and any other channel. Channels cannot share a ground bus, for example. Each channel must also be isolated from the rest of the system, e.g. the system’s power supply, chassis ground, and so on. If all channels are isolated from each other, then they are necessarily also isolated from the ground, so channel-to-ground isolation is included within channel-to-channel isolation.

Por lo tanto, si un sistema tiene aislamiento de canal a tierra, no significa necesariamente que tenga aislamiento de canal a canal. PERO, si un sistema tiene aislamiento de canal a canal, también debe tener aislamiento de canal a tierra.

Los sistemas SIRIUS DAQ de Dewesoft proporcionan aislamiento de canal a canal y de canal a tierra, como se muestra en este breve video:

Resistencia dieléctrica

La rigidez dieléctrica es el nivel de voltaje máximo al que una barrera de aislamiento puede evitar que la señal se cruce. Varios materiales de aislamiento tienen diferentes rigideces dieléctricas, medidas en Vrms / µm. Un espacio de aire en sí tiene una capacidad nominal de 1 Vrms / µm, mientras que los epóxicos pueden ser 20 veces mejores y el dióxido de silicio que se encuentra en muchas barreras de aislamiento capacitivo es de aproximadamente 500 Vrms / µm. Hay otros materiales que se usan comúnmente en las barreras, incluidas las poliimidas que se encuentran en los aisladores capacitivos y los compuestos de moldeo epoxi rellenos de sílice que se encuentran a menudo en los aisladores ópticos.

Sistemas de adquisición de datos aislados Dewesoft

Sistemas de adquisición de datos SIRIUS

Los sistemas DAQ de alta velocidad SIRIUS están disponibles en una amplia gama de configuraciones físicas, desde segmentos modulares SIRIUS que se conectan a su computadora a través de USB o EtherCAT, sistemas DAQ de montaje en bastidor R3 y DAQ independiente R1 / R2, R4 y R8 sistemas que incluyen una computadora incorporada.

Si echa un vistazo a los acondicionadores de señal SIRIUS DualCore y SIRIUS HS (High-Speed) de Dewesoft, verá que todos estos módulos proporcionan un voltaje de aislamiento de canal a canal y de canal a tierra de 1000V. Los amplificadores SIRIUS HD (alta densidad) están aislados ± 500 V en pares.

El siguiente video muestra el aislamiento de SIRIUS DAQ en la práctica, en un escenario del mundo real:

En el mundo real de la adquisición de datos, a menudo hay más que solo las entradas de señal: los acondicionadores de señal a menudo proporcionan voltaje o corriente de excitación para alimentar los sensores. Las galgas extensométricas, RTD, LVDT y acelerómetros IEPE son buenos ejemplos de sensores que requieren energía.

A veces pasado por alto por los fabricantes de sistemas DAQ, es importante que estas líneas de excitación estén aisladas, razón por la cual Dewesoft proporciona aislamiento y / o entradas diferenciales y protección contra sobretensión con capacidad directa de corto a tierra en toda su línea de productos, y protege sus instrumentos. y operadores humanos de bucles de tierra.

Sistemas de adquisición de datos KRYPTON y KRYPTON ONE

KRYPTON es la gama de productos más resistente disponible de Dewesoft. Construido para soportar temperaturas extremas, golpes y vibraciones, KRYPTON tiene una clasificación IP67, lo que los protege contra el agua, el polvo y más. Se conectan a cualquier computadora con Windows (incluido el modelo de CPU KRYPTON IP67 reforzado de Dewesoft) a través de EtherCAT y se pueden separar hasta 100 metros (328 pies), lo que le permite ubicarlos cerca de la fuente de señal. Al igual que SIRIUS, ejecutan el software DAQ más potente del mercado, DewesoftX.

Estos sistemas extremadamente resistentes también están disponibles en módulos de un solo canal llamados KRYPTON ONE. Tanto los módulos KRYPTON multicanal como monocanal proporcionan el mismo nivel de rendimiento y solidez medioambiental.

En términos de rendimiento de aislamiento, KRYPTON y KRYPTON-1 proporcionan:

KRYPTON módulos multicanal

Módulos monocanal KRYPTON ONE

En la tabla de arriba, Diff. significa Diferencial y Galv. se refiere al aislamiento galvánico.

Sistemas IOLITE DAQ

IOLITE es un producto único que combina las capacidades esenciales de un sistema de control industrial en tiempo real con un potente sistema DAQ. Con IOLITE, se pueden grabar cientos de canales analógicos y digitales a toda velocidad mientras se envían datos en tiempo real a cualquier controlador maestro EtherCAT de terceros.

En términos de rendimiento de aislamiento, IOLITE proporciona:

Módulos de entrada multicanal IOLITE

Aprende más: