Importance de l’isolation dans les systèmes d’acquisition de données (DAQ)

Cet article nous permet de comprendre l’importance de l’isolation galvanique dans les systèmes d’acquisition de données. Les détails suivants seront développés de sorte que vous puissiez :

• Voir ce qu’isolation électrique signifie
• Découvrir les différentes techniques permettant d’obtenir cette isolation
• Comprendre l’importance de l’isolation dans l’acquisition de données et comment la caractériser

Etes-vous prêt à commencer ? Alors allons-y !

Qu’est-ce que l’isolation électrique?

Parfois également appelée isolation galvanique, l’isolation électrique est la séparation d’un circuit des autres sources de potentiel électrique. 

Pourquoi l’isolation est-elle nécessaire ?

Les interférences entre potentiels peuvent être de nature continue (DC) et alternative (AC). Par Exemple, lorsqu’un capteur est placé directement sur un équipement en test (ex : une alimentation électrique) dont le potentiel est supérieur à celui de la masse, cela peut générer une tension d’offset DC sur le signal. Les interférences électriques ou bruit peuvent aussi prendre la forme de signaux AC créés par un autre composant électrique dans le chemin de transmission du signal ou dans l’environnement du test.

L'isolement est particulièrement important par rapport aux signaux d'entrée analogiques que nous voulons mesurer. Nombre d’entre eux sont d’amplitudes relativement faibles, aussi des potentiels électriques externes peuvent influencer grandement les signaux générant des erreurs de lecture. Imaginez la sortie d’un thermocouple, qui n’est que de quelques millivolts, et combien il est facile d’être saturé par une interférence électrique.

Même la ligne électrique ordinaire dans nos bâtiments génère des perturbations à 50 ou 60 Hz, selon votre pays. C'est pourquoi les meilleurs systèmes d'acquisition de données ont des entrées isolées - pour préserver l'intégrité de la chaîne de mesure et garantir que la sortie capteur est vraiment ce qui a été lu.

Il existe également des tensions élevées qui, si elles sont interconnectées par un système non isolé, peuvent endommager ou détruire des équipements coûteux. Dans le pire des cas, cela peut causer des dommages physiques ou même la mort à l'opérateur de test. Les tensions dangereuses pour les personnes sont généralement considérées comme étant supérieures à 30 Vrms, 42.4 VAC ou 60 VDC.

Dans le monde du test et mesure, il est essentiel d'éviter ou d'éliminer les boucles de masse et les surcharges de tensions en mode commun pour effectuer des mesures précises, protéger l'équipement de test, les objets testés, et surtout protéger les êtres humains contre les potentiels de tension dangereux. Avant que nos signaux ne passent au travers de l'amplificateur et soient envoyés dans les convertisseurs analogique-numérique, nous devons assurer leur intégrité. La meilleure façon de le faire est l'isolement électrique.

Quand l’isolation est-elle requise ?

Une question plus simple pourrait être, “quand l’isolement n’est-il pas requis ?” posez-vous ces questions lorsque vous envisagez d’utiliser des entrées isolées :

• Est-ce que des tensions élevées sont à proximité (câblage haute tension, groupe électrogène…)
• Y a-t-il dans le même bâtiment ou sur le même réseau des sources de courants forts (moteurs électriques de forte puissance, turbines, machine de soudage)
• Le potentiel de terre (masse) est-il stable ou au contraire fluctue ?
• Votre système d’alimentation est-il sujet à des pointes ou des transitoires électriques ? Etes-vous dans une zone potentiellement fortement orageuse ?
• Faites-vous des mesures de très faibles signaux (quelques millivolts) directement sur des structures ou potentiellement d’autres potentiels électriques sont présents ?

Si un ou plusieurs de ces cas s’appliquent à vous, alors des entrées isolées sont probablement nécessaires.

Jetons un coup d’œil aux applications clés et leurs potentielles sources d’interférences :

	Hautes tensions, générateurs	Moteurs de forte puissance, turbines, Machine de soudage	Potentiels de masse fluctuant	Pics de puissance, Transitoires	Mesure de faible niveau (Millivolts)
Laboratoire	Rarement	Possible	Possible	Possible	Oui Thermocouples Jauges de contraintes RTDs
Usine automobile	Oui	Oui	Possible	Possible	Oui
Usine de moteur a réaction	Oui Générateur de puissance, Inverters	Oui	Possible	Possible	Oui Thermocouples Jauges de contraintes, Charge, accéleromètres
Central électrique	Oui  Toujours!	oui  Moteurs Turbines	Possible	Oui Relay de commutation,    Disjoncteurs	Oui
Pistes d'essais	Non	Non	Oui (véhicule Circuit DC)	Oui Arc électrique, Changement de batterie	Oui Thermocouples Jauges de contraintes
Centre d'essai en vol	Oui	Possible	Oui Commutation de puissance, Circuit AC/DC	Oui Foudre	Oui Thermocouples Jauges de contraintes, Charge, accéleromètres
Test des structures (laboratoire)	Rarement	Rarement	Non	Possible	Oui Thermocouples Jauges de contraintes, Charge, accéleromètres
Test des structures (Sur site	Possible	Rarement	Possible	oui Foudre	Oui Thermocouples Jauges de contraintes, Charge, accéleromètres

Il est clair qu’il n’y a fondamentalement aucune application majeure soumise à des interférences du milieu naturel ou artificiel que les voies isolées puissent supprimer ou atténuer complètement.

Néanmoins les entrées isolées réduisent grandement l’impact des interférences sur la qualité de la mesure.
Les systèmes de mesure dépourvus d'entrées isolées sont plus économiques que ceux qui en sont équipés. Mais, un système ne doit-il pas offrir les mesures les plus précises, avec le minimum de bruit ?

Tensions de mode commun - CMBR : Problèmes et solutions

Les Tensions de mode communs sont des signaux indésirables qui pénètrent dans la chaîne de mesure, généralement depuis le câble reliant un capteur au système de mesure. Parfois appelées «bruit», ces tensions déforment le signal réel que nous essayons de mesurer. Selon leur amplitude, ils peuvent aller d'une «gêne mineure» à altération complète du signal réel et à la destruction de la mesure.

Représentation d’un amplificateur différentiel

L'approche la plus élémentaire pour éliminer les signaux en mode commun consiste à utiliser un amplificateur différentiel. Cet amplificateur a deux entrées : l’une positive et l’autre négative. Il mesure seulement la différence entre ces deux entrées. Le bruit électrique circulant sur notre câble de capteur doit être  présent sur les deux lignes, la ligne positive et la ligne négative (ou ligne de masse). La soustraction (différence) supprimera ce qui est commun aux deux lignes donc le bruit. Seul le signal utile est conservé comme illustré sur le graphique ci-dessous :

Un amplificateur différentiel éliminant les tensions de mode commun dans sa gamme d’entrée CMV

Cela fonctionne très bien, mais il y a des limites à l’amplitude de la tension de mode commun (CMV) que l’amplificateur peut rejeter. Quand la tension de mode commun présente sur les lignes dépasse la plage d’entrée CMV admissible par l’amplificateur, il écrête. Il en résulte un signal déformé inutilisable, comme illustré ci-dessous :

Distorsion “clipping” par un amplificateur différentiel lorsque la tension de mode commun dépasse la plage admissible

Donc, dans ce cas, nous avons besoin d’un étage de protection supplémentaire contre le CMV et le bruit électrique en général (ainsi que le bouclage de masse qui sera abordé dans une section suivante) : - l’isolation.

Les entrées d’un amplificateur isolé flottent au-dessus de la tension en mode commun. Elles sont conçues avec une barrière d’isolation de 1000V ou plus. Cela permet de rejeter les fortes tensions de mode commun d’éliminer les boucles de masse. 

Amplificateur différentiel isolé rejettant même les tensions de mode commun très élevées

Les amplificateurs isolés assurent cette barrière d’isolation en utilisant des transformateurs qui découplent (“float”) l’entrée de la sortie, ou des optocoupleurs ou des couplages capacitifs. Les deux dernières méthodes donnent les meilleures performances en bande passante.

Qu’est-ce que le taux de réjection de mode commun CMRR (common-mode rejection ratio)

 

Le taux de réjection de mode commun (CMRR) d’un amplificateur différentiel (ou d’un autre équipement) est un indicateur utilisé pour quantifier la capacité de l’équipement à rejeter les signaux de mode commun, ex: ceux qui apparaissent simultanément et en phase sur les deux entrées.

Un amplificateur idéal aurait un CMRR infini. Cependant, cela n’est pas atteignable en pratique. Un haut CMRR est requis lorsqu’un signal doit être amplifier en présence potentiel d’un fort mode commun en entrée, comme par exemple une forte perturbation électromagnétique (EMI).

Bouclage de Masse : problèmes et solution

À moins qu'elles ne soient empêchées, les boucles de masses peuvent être la source de problèmes sérieux pour les systèmes de mesure. Parfois appelés “bruit”, une boucle de masse est causée par un multiple référencement à la terre, la plupart du temps involontaire. En cas de différence de potentiel entre les différentes terres, un courant apparaît au travers du chemin les reliant. Dans la mesure où ce chemin passe par la chaîne de mesure, des distorsions apparaissent sur le signal. Si les amplitudes sont suffisamment importantes, la mesure peut être rendu inutilisable. 

L’image ci-dessous, l’amplificateur de mesure est connecté à la masse (GND1) d’un côté. Un câble blindé asymétrique est utilisé pour connecter le capteur, dont le boîtier métallique est monté sur une surface conductrice connecté à la masse (GND2). En raison de la longueur du câble, il existe une différence de potentiel entre GND1 et GND2. Cette différence de potentiel agit comme une source de tension

Une boucle de masse cause par une différence de potentiel de terre

Si le capteur peut être découple électriquement deGND2, cela peut résoudre le problème. Mais, parfois, cela n’est pas possible. De plus, le référencement d’un blindage est parfois requis pour des raisons et ne peut être supprimé.

La meilleure solution consiste à utiliser un amplificateur différentiel dans un conditionneur de signal isolé. Avec ce seul changement, le problème est résolu car le chemin est rompu.

Elimination d’un problème de différence de potentiel par une isolation

Les boucle de masse peuvent également venir de l’instrument lui-même, via sa propre alimentation.

Gardons à l’esprit que notre système de mesure est branché sur l’alimentation qui est référencée à la terre. Il est donc essentiel de découpler cette référence des composants de gestion du signal de l’instrument. Cela afin d’éviter que des boucles de masse ne puissent apparaître dans l’instrument.

Alimentation introduisant un bouclage de masse

Ce scénario peut devenir dangereux en cas de défaut de câblage. Au regard des circuits de courant d’alimentation élevé, que se passera-t-il si la ligne de retour est interrompue ? Toute l’énergie transitera via la partie conditionnement du signal du DAQ. Cela pourrait entraîner l’endommagement ou la destruction du système de mesure et même des risques pour l’opérateur.

Dangers des boucles de masse induites par l’alimentation

En isolant complètement le circuit signal du circuit d’alimentation, ce scenario ne peut se produire

Domaines d’isolation

Il y a deux domaines où l’isolation peut être réalisée :

• Analogique et 
• Numérique

Isolation dans le domaine analogique

L’isolation dans le domaine analogique est utilisée avec les capteurs à sortie analogique. Elle est réalisée avant la conversion analogique / numérique.

Système d’isolement dans le domaine analogique

Dans tout système d’isolation analogique, la criticité réside dans la maîtrise du gain et de l’offset sans quoi nous numériserons des signaux faux.

Isolation dans le domaine numérique

Lorsque nos signaux sont numériques, nous pouvons utiliser des techniques d’isolement numérique pour protéger nos signaux, notre système et les opérateurs.

Système d’isolation dans le domaine numérique

Dans ce cas, une barrière d’isolation sépare les deux circuits (primaire et secondaire). Dès lors le signal numérique isolé est disponible pour être acheminé vers les microprocesseurs, FPGA, pilotes, etc.

Examinons maintenant les trois principales techniques d’isolation utilisées en analogique et numérique.

Trois techniques de base d’isolation

Il existe différentes approches pour créer une barrière d’isolation entre le signal source et le reste du système :

• L’isolation Optique
• L’isolation Inductive
• L’isolation Capacitive

Jetons un coup d’œil sur chacune d’elles dans la section à venir

Isolation Optique

L’isolation Optique est l’une des méthodes les plus efficientes et populaires pour isoler un signal du reste du système et du monde extérieur. Un signal électrique pilote une LED qui transmet le signal lumineux, au travers d’une barrière diélectrique transparente, à une photodiode qui convertit à son tour le signal lumineux en un signal électrique.

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Isolation Optique utilisant une LED (gauche) et une photodiode (droite)

En convertissant un signal électrique en lumière et ensuite à nouveau en électricité le signal est dès lors complètement isolé du monde extérieur. La lumière est insensible aux interférences électromagnétiques (EMI), ou radio fréquences (RFI). C’est l’intérêt principale de cette approche.

Cependant, les optocoupleurs ne sont pas aussi rapides que la lumière elle-même – Ils sont limités par la vitesse de commutation des LED. Ils sont généralement plus lents que les isolateurs inductifs ou capacitifs. De plus, l’intensité des LED se dégrade au cours du temps, nécessitant recalibration ou remplacement.

Isolation Inductive

Les ingénieurs savent qu’un courant électrique génère un champ magnétique. En faisant circuler dans un enroulement un signal et en positionnant à proximité en parallèle un second, permet d’induire dans ce dernier une représentation du signal source.

Isolation inductive utilisant des enroulements séparés par une barrière diélectrique

Dans l'isolement par couplage inductif, une barrière d'isolation électrique est placée entre les enroulements, de sorte que les seuls signaux qui passent du premier enroulement au second sont ceux qui ont été induits magnétiquement. Il n'y a donc pas de contact direct. Les coupleurs inductifs ont une bande passante très élevée et sont extrêmement fiable, mais ils peuvent être affectés par des champs magnétiques environnant.

 

Isolation Capacitive

Les isolateurs capacitifs couplent un signal au travers d’une barrière d’isolement, généralement en dioxyde de silicium. Les signaux continus ne peuvent être transmis ce qui permet de facilement bloquer les signaux de mode commun. Le signal est donc préalablement numérisé puis répliqué de l’autre côté de la barrière au travers d’un couplage capacitif.

Isolateur capacitive utilisant le couplage capacitif pour recréer le signal de l’autre côté de la barrière diélectrique

A la différence de l’isolation inductive, l’isolation capacitive est insensible aux interférences magnétiques. Un fort débit d’information et une longue durée de vie sont les principaux avantages de cette technologie. Les isolateurs capacitifs sont disponibles dans différentes classes d’isolation permettant d’assurer le niveau adéquat de sécurité contre les pannes et courts circuits possibles.

Techniques d’isolation, comparaison :

Voici une comparaison des trois différentes techniques de base pour l’isolation électrique :

	Optique	Inductive	Capacitive
Débit de données	Moyenne (limité par la Vitesse de commutation des LED)	Rapide ~100 Mb/s	Rapide ~100 Mb/s
Constante diélectrique	Bonne ~100 Vrms/µm	Très bonne ~300 Vrms/µm	Excellente ~500 Vrms/µm
Durée de vie	Relativement courte	Long	Long
Sensibilité aux interférence magnétiques	Non	Peux être perturbé	Non

Termes d’isolement clés

Compte tenu de toutes les informations ci-dessus, il semble clair que nos systèmes de mesure devraient avoir des entrées analogiques isolées. Mais lorsque vous examinez les spécifications d’isolation de divers systèmes de mesure et conditionneurs de signal, vous pouvez les trouver spécifiés avec des termes tels que “voie / masse” et “voie / voie”.  Que signifie ces termes et comment sont-ils liés les uns aux autres ?

Isolation des voies par rapport à la masse (Channel-to-Ground Isolation)

L’isolation des voies par rapport à la masse définit la tension maximale admissible entre une voie d’entrée et la masse de l’instrument (terre). Normalement la masse d’un instrument est référencée à la masse de l’alimentation électrique. En isolant la masse du signal de la masse du châssis, nous pouvons éliminer la plupart des problèmes de bouclage de masse.

Isolation de la voie / masse avec un amplificateur différentiel de SIRIUS

Parfois, cela est également appelé isolement entrée sortie. Tous les canaux partagent une masse commune, qui est isolée du potentiel de masse de l’instrument. Cela est suffisant quand une seule source de signal est connectée au système. Mais lorsque des signaux supplémentaires sont connectés, chacun à des potentiels de terre différents, alors des chemins entre voies peuvent apparaitre générant du bruit et des problèmes de mode commun.

Si deux voies ou d'avantage, partage une masse commune, elles ne sont pas isolées galvaniquement entre elles. Aussi, faites attention lorsqu’un instrument stipule isolation entrée/sortie ou voie/masse 

Isolation entre voies (Channel-to-Channel Isolation)

L’isolation entre voies définie la tension maximale admissible entre une voie par rapport à une autre. Par exemple, les voies peuvent ne pas partager la même ligne de masse. Chaque voie doit être isolée du reste du système (alimentation, masse du châssis, …). Si toutes les voies sont isolées les unes des autres, alors elles sont systématiquement isolées également de la masse. Donc l’isolation par rapport à la masse est implicite dans l’isolation entre voies.

Isolation de la voie / voie avec un amplificateur isolé de SIRIUS

A contrario, un système dont les voies sont isolées par rapport à la masse n’implique pas que les voies soient isolées entre elles. Les systèmes SIRIUS de Dewesoft assure les deux types d’isolation comme l’illustre cette vidéo.

Rigidité diélectrique

La rigidité diélectrique est la tension maximale qu’une barrière d’isolation peut assurer avant que le signal ne traverse. La rigidité diélectrique est propre à chaque matériau et est mesurée en Vrms/µm. L’air a une rigidité typique de 1 Vrms/µm, alors que les époxydes sont 20 fois meilleurs et le dioxyde de silicium utilisé dans la plupart des barrières isolante est de 500Vrms/µm. D’autres matériaux sont communément utilisés comme les polyamides, résine silice/époxy.

Les systèmes d’acquisition de données isolés Dewesoft

Système d’acquisition de données SIRIUS

Les Systèmes DAQ haute vitesse SIRIUS sont disponibles dans un large panel de configurations, du SIRIUS modulaire connecté via USB ou EtherCAT au Système DAQ en rack R3 rack, en passant par les  R1/R2, R4, et R8 avec PC intégré.

Systèmes de la famille Sirius

Si vous regardez l’offre Dewesoft SIRIUS DualCore et SIRIUS HS (High-Speed), vous verrez que tous le modules sont disponibles en version isolé entre voies et voie / masse de 1000V.

Les SIRIUS HD (High Density) offrent quant à eux une isolation 500V par paire. La vidéo ci-dessous montre l’isolation des DAQ SIRIUS en pratique au travers de cas réels :

Dans le monde réel de l'acquisition de données, il y a souvent plus que les entrées de signal - les conditionneurs de signaux fournissent souvent une tension ou un courant d'excitation pour alimenter les capteurs. Les jauges de contrainte, les RTD, les LVDT et les accéléromètres IEPE sont tous de bons exemples de capteurs qui nécessitent de l'énergie.

Parfois négligé par les fabricants de systèmes DAQ, il est important que ces lignes d'excitation soient isolées. C'est pourquoi DEWESoft fournit des entrées isolées et/ou différentielles et une protection contre les surtensions avec une capacité directe de court-circuit à la terre sur toute sa gamme de produits, protégeant ainsi, à la fois les instruments et les opérateurs.

Systèmes d’acquisition KRYPTON et KRYPTON ONE 

KRYPTON est la gamme de produit la plus durcie disponible chez Dewesoft. Conçu pour résister à des environnements extrêmes en matière de température, chocs et vibration, les Krypton sont également IP67 assurant une protection contre l’eau et la poussière. Ils peuvent être connectés à n’importe quel ordinateur sous Windows (y compris le PC de Dewesoft’s durci et IP67 KRYPTON CPU model) via EtherCAT et peut être distant de 100 mètres, vous permettant ainsi de les installer au plus près de la source de signal. Comme les SIRIUS, ils fonctionnent avec l’un des plus puissants logiciel d’acquisition du marché, Dewesoft X.

Configuration typique d’un module KRYPTON multivoies avec différents adaptateurs DSI connectés

Ces systèmes extrêmement robustes sont également disponibles en modules mono-voie appelés KRYPTON ONE. Les modules KRYPTON multicanaux et monocanaux offrent le même niveau de performances et de robustesse environnementale.

à gauche : KRYPTON ONE 1xTH-HV 
à droite : KRYPTON ONE 1xHV 

En termes de performances d'isolation, KRYPTON et KRYPTON-1 offrent :

KRYPTON multi-voies
	STG	TH	RDT	ACC	LV	LA	DIO
Type	Jauges / tension	Thermocouple	RTD	IEPE / tension	Faible tension	Faible courant	Digital I/O
Tension d'isolation	Différentielle	1000 V crête	1000 V crête	Différentielle	1000 V crête	1000 V crête	250 V
Voie-voie		√	√		√	√	√
Voie- Masse		√	√		√	√	√

 

KRYPTON ONE monovoie
	AO	DI	DO	ACC	STG	LV	HV	TH-HV	CNT
Type	Sortie analogique	Entrée numèrique	Sortie numérique	IEPE Tension	Jauge Tension	Faible Tension	Hautes Tension	Température	Compteurs Encodeur numérique
Tension d'isolation	N/A	Galvanique	Galvanique	125 Vrms	125 Vrms	125 Vrms	1000V CAT II 600 V CAT III	1000V CAT II 600 V CAT III	N/A
Voie-voie		√	√	√	√	√	√	√
Voie- Masse		√	√	√	√	√	√	√

Systèmes IOLITE  

L’IOLITE est un produit unique qui combine les capacités essentielles d'un système de contrôle industriel en temps réel avec un puissant système DAQ. Avec IOLITE, des centaines de canaux analogiques et numériques peuvent être enregistrés à pleine vitesse tout en envoyant simultanément des données en temps réel à n'importe quel contrôleur maître EtherCAT tiers.

à gauche: Système IOLITEr en rack avec 12 emplacements pour modules d’entrée
à droite: IOLITEs empilable avec 8 emplacements pour modules d’entrée

En matière d’isolation, l’IOLITE propose les performances suivantes :

IOLITE Modules d'entrée multi-voies
Module	STG	TH	DI	DO	RTD	LV
Type	Jauge tension	Thermo	Entrée numérique	Sortie numérique	RTD	Faible Tension
Tension d'isolation	Differentielle	1000 V	1000 V	1000 V	1000 V	1000 V
Voie-voie		√	√	√	√	√
Voie-masse		√	√	√	√	√