Di Grant Maloy Smith, esperto di acquisizione dati

In questo articolo impareremo l'importanza dell'isolamento in un Sistema di Acquisizione ed Elaborazione Dati (DAQ) , descrivendolo con dettagli sufficienti per:

  • Scoprire cosa significa isolamento elettrico
  • Scoprire i diversi modi in cui si ottiene l'isolamento
  • Comprendere l'importanza dell'isolamento nel processo DAQ e nella misura

Sei pronto per iniziare? Via!

Che cos'è l'Isolamento Elettrico?

A volte indicato anche come isolamento galvanico , l'isolamento elettrico è la caratteristica per cui tra due punti a differente potenziale elettrico non ha e non può avere luogo una circolazione di corrente continua. 

Perché è necessario l'Isolamento Elettrico?

I potenziali di interferenza elettrica possono essere di natura sia AC che DC. Ad esempio, quando un sensore viene posizionato direttamente su un oggetto in prova, (es. un alimentatore) che ha un potenziale fuori terra (cioè diverso da 0 Volt), questo può introdurre un offset DC al segnale. L'interferenza elettrica o il rumore possono anche assumere la forma di segnali AC creati da altri componenti elettrici nel percorso del segnale o nell'ambiente circostante il test. 

L'isolamento elettrico è particolarmente importante rispetto ai segnali di ingresso analogici che vogliamo misurare. Molti di questi segnali sono relativamente bassi e possono essere notevolmente influenzati da potenziali elettrici esterni, determinando letture errate. Immagina quanto potrebbe essere facilmente sopraffatta da interferenze elettriche l'uscita di una termocoppia, che è solo di pochi millivolt.

Anche la normale tensione di alimentazione di rete nei nostri edifici genera un campo elettrico a 50 o 60 Hz, a seconda del Paese. E’ proprio per questo motivo che i migliori sistemi di acquisizione dati hanno ingressi isolati, per preservare l'integrità della catena del segnale e garantire che ciò che il sensore da in uscita sia veramente ciò che è stato letto.

Esistono anche le alte tensioni che, se attraversano un sistema non isolato, possono danneggiare o distruggere apparecchiature costose. Nel peggiore dei casi, può causare danni fisici o addirittura la morte dell'operatore. Le tensioni pericolose per le persone sono generalmente considerate quelle superiori a 30 Vrms, 42,4 VAC o 60 VDC.

Nel mondo delle misure, evitare o eliminare i loop di massa e tensione di modo comune è fondamentale per effettuare misure accurate, proteggere i sistemi di acquisizione dati e gli oggetti in prova e, soprattutto, proteggere l’operatore da potenziali di tensione pericolosi.

Prima che i nostri segnali superino l'amplificatore e vengano inviati ai convertitori analogico-digitali, dobbiamo garantire la loro integrità e il modo migliore per farlo è con l'isolamento.

Quando è necessario l’Isolamento Elettrico?

Una domanda più semplice potrebbe essere "quando l'isolamento elettrico NON è necessario?" Poniti queste domande quando valuti se la tua applicazione richiede input isolati:

  • Ci sono alte tensioni pericolose nelle vicinanze? (Cavi dell'alta tensione all'esterno? Generatori di corrente?)
  • Ci sono grandi motori, turbine, saldatrici o macchine che utilizzano correnti elevate nello stesso edificio o sulla stessa rete elettrica?
  • La massa del tuo sistema di alimentazione è flottante?
  • Il tuo sistema di alimentazione è mai soggetto a picchi o transitori elettrici? Sei in una zona ad elevato potenziale di fulmini?
  • Stai misurando un segnale di pochi millivolt direttamente su componenti o strutture che possono esistere a un potenziale di tensione diverso?

Se ti trovi in una di queste condizioni, allora gli ingressi isolati sono probabilmente giustificati. 

Diamo un'occhiata all'ambiente di misura nelle principali applicazioni DAQ e alle loro possibili fonti di interferenza del segnale:

  High voltages, power generators Large motors, turbines, welding machines Fluctuating ground potentials Electrical spikes or transients Millivolt level signals being measured
Laboratory Rarely Possible Possible Possible Yes
Thermocouples
Strain gauges
RTDs
Automotive plant Yes Yes Possible Possible Yes
Jet engine plant Yes
Power generators
Inverters
Yes Possible Possible Yes
Thermocouples
Strain gages
Charge accelerometers
Power plant Yes 
Always!
Yes 
Motors
Turbines
Possible Yes
Switching relay
Breaker transients
Yes
Test tracks No No Yes
(vehicle DC bus)
Yes
Lightning
Battery change-overs
Yes
Thermocouples
Strain gages
Flight Test Center Yes Possible
Yes
power switching
AC/DC buses

Yes
Lightening

Yes
Thermocouples
Charge accelerometers Strain gages
Structural Tests (laboratory) Rarely Rarely No Possible Yes
Strain gages
Charge accelerometers
Structural Tests (outside) Possible Rarely Possible Yes
Lightening

Yes
Strain gages
Charge accelerometers

È chiaro che praticamente non esiste una grande applicazione che non sia soggetta a interferenze dall'ambiente naturale o artificiale che l’uso di ingressi isolati possa eliminare completamente.

I sistemi di misura che non offrono ingressi isolati sono meno costosi di quelli con ingressi isolati. Ma qual è lo scopo di un sistema di misura se non quello di effettuare misure accurate e prive di rumore?

Problemi e soluzione alla Tensione di Modo Comune

Le tensioni di modo comune sono segnali indesiderati che entrano nella catena di misura, solitamente dal cavo che collega un sensore al sistema di misura. A volte indicato come "rumore", queste tensioni distorcono il segnale reale che stiamo cercando di misurare. A seconda della loro ampiezza, possono variare dall'essere un "fastidio minore" all'oscurare completamente il segnale reale e falsare totalmente la misura.

Differential amplifier wiring schemeRappresentazione di un amplificatore differenziale

L'approccio più elementare per eliminare i segnali di modo comune consiste nell'utilizzare un amplificatore differenziale. Questo amplificatore ha due ingressi: uno positivo e uno negativo. L'amplificatore misura solo la differenza tra i due segnali in ingresso.

Il rumore elettrico che attraversa il cavo del nostro sensore è presente su entrambe le linee: la linea positiva del segnale e la linea di terra (o segnale negativo). L'amplificatore differenziale rifiuterà i segnali di modo comune di entrambe le linee, e solo il segnale reale verrà fatto passare, come mostrato nel grafico sottostante:

A differential amplifier successfully eliminates common-mode voltages within its CMV input rangeUn amplificatore differenziale elimina con successo le tensioni di modo comune all'interno del suo range di ingresso CMV

Funziona alla grande, ma ci sono limiti alla quantità di tensione di modo comune (CMV) che l'amplificatore può rifiutare. Quando il CMV presente sulle linee di segnale supera l'intervallo di ingresso CMV massimo dell'amplificatore differenziale, si "taglia". Il risultato è un segnale di uscita distorto e inutilizzabile, come mostrato di seguito:

A differential amplifier distorts or clips when it's CMV input range is exceededUn amplificatore differenziale distorce o "taglia il segnale" quando viene superato il suo intervallo di ingresso della modalità a tensione comune

Quindi, in questi casi, abbiamo bisogno di un ulteriore livello di protezione contro CMV e il rumore elettrico in generale (così come il loop di terra, di cui parleremo nella prossima sezione) - l’isolamento.

Gli ingressi di un amplificatore isolato "fluttuano" al di sopra della tensione di modo comune. Sono progettati con una barriera di isolamento con una tensione di rottura di 1000 volt o più. Ciò consente di respingere il rumore CMV molto elevato ed eliminare i ground loop. 

An isolated differential amplifier rejects even very high common-voltage modeUn amplificatore differenziale isolato rifiuta anche la tensione di modo comune molto alta

Gli amplificatori isolati creano questa barriera di isolamento utilizzando minuscoli trasformatori per disaccoppiare ("flottare") l'ingresso dall'uscita, o tramite piccoli accoppiatori ottici, o tramite accoppiamento capacitivo. Gli ultimi due metodi forniscono in genere le migliori prestazioni di larghezza di banda.

Che cos'è il rapporto di reiezione della tensione di modo comune - CMRR

Il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) di un amplificatore differenziale (o altri dispositivi) è una metrica utilizzata per quantificare la capacità del dispositivo di rifiutare segnali di modo comune, ovvero quelli che appaiono in entrambi i terminali di ingresso di un dispositivo elettrico.

Un amplificatore differenziale ideale avrebbe CMRR infinito. Tuttavia, nella pratica non è possibile realizzare un amplificatore del genere. Un alto CMRR è richiesto quando un segnale differenziale deve essere amplificato in presenza di un ingresso di modo comune possibilmente grande, come nel caso di una forte interferenza elettromagnetica (EMI).

Problemi e soluzione ai loop di massa

A meno che non vengano prevenuti, i loop di massa possono rappresentare un serio problema per i sistemi di misura. Un loop di massa è causato dal riferimento involontario di apparecchiature elettriche che hanno più di un percorso verso terra. Qualsiasi differenza di potenziale in questi punti di messa a terra può indurre un loop di corrente elettrica, che può distorcere il segnale in uscita. 

Nella figura sottostante, l'amplificatore di misura è collegato a massa (GND 1) su un lato. Per collegare il sensore posto su una superficie conduttiva viene utilizzato un cavo schermato (GND2). A causa della lunghezza del cavo, esiste una differenza di potenziale tra GND1 e GND 2. Questa differenza di potenziale agisce come un sorgente di tensione, accoppiandosi con il rumore elettromagnetico dell'ambiente.

A ground loop caused by ground potential differencesUn loop di massa causato da differenze di potenziale di terra

Disaccoppiando il sensore dal GND2, il problema potrebbe essere risolto. Ma a volte questo non è possibile. Inoltre, a volte la presenza di un cavo schermato è richiesta dalle norme di sicurezza, e quindi non dovrebbe essere rimossa.

La soluzione migliore è utilizzare un amplificatore differenziale all'interno di un condizionatore di segnale isolato. In questo modo il problema è risolto.

Eliminating differential ground potential problems via isolationEliminazione dei potenziali problemi di messa a terra differenziale tramite isolamento

I loop di massa possono provenire anche dallo strumento stesso, tramite il proprio alimentatore. Tenendo presente che il nostro sistema di misura è collegato all'alimentazione, che ha un riferimento di massa. È fondamentale, quindi, disaccoppiare questo riferimento dai componenti di gestione del segnale dello strumento per garantire che non si possano creare loop di massa all'interno dello strumento stesso.

Power supply induced ground loopingCircuito di terra indotto dall'alimentatore

Questo scenario può diventare pericoloso in caso di guasto del cablaggio. Guardando il percorso dell'alta corrente dall'alimentatore, cosa accadrà se la linea di ritorno è interrotta? Tutta l'energia verrà instradata attraverso la parte di condizionamento del segnale del sistema DAQ. Ciò potrebbe causare il danni o la distruzione dell'intero sistema e persino potenziali pericolosi per l'utilizzatore dello strumento.

The danger of power supply induced ground loops

Il pericolo di loop di massa indotti dall'alimentazione

Isolando completamente il percorso del segnale dall'alimentazione, non è possibile che si verifichi lo scenario descritto sopra.

Domini di Isolamento

Ci sono due domini di base in cui è possibile ottenere l'isolamento:

  • Analogico
  • Digitale

Isolamento del dominio analogico

L'isolamento del dominio analogico viene utilizzato con le uscite dei sensori analogici. Questo isolamento avviene nel dominio analogico, cioè prima del sottosistema ADC.  

Analog domain isolation systemsSistemi di isolamento nel dominio analogico

In qualsiasi sistema di isolamento analogico, è fondamentale che la precisione del guadagno e dell'offset sia piuttosto elevata perché non vogliamo digitalizzare segnali errati.

Isolamento del dominio digitale

Quando i nostri segnali sono digitali, per cominciare, possiamo impiegare tecniche di isolamento digitale per proteggere i nostri segnali, il sistema e gli operatori umani. 

Digital domain isolation systemsSistemi di isolamento del dominio digitale

In questo caso, una barriera di isolamento separa il segnale esterno dalla ricreazione all'interno del circuito. Il segnale digitale isolato è quindi disponibile per essere indirizzato a microprocessori, FPGA, gate driver, ecc.

Ora diamo un'occhiata ai tre tipi fondamentali di tecniche di isolamento utilizzate sia nell'isolamento analogico che in quello digitale.

Tre Tecniche di Isolamento di Base

Esistono diversi approcci per creare una barriera di isolamento tra la sorgente di segnale e il resto del sistema:

  • Isolamento ottico
  • Isolamento induttivo
  • Isolamento capacitivo

Diamo un'occhiata ad ognuno di essi.

Isolamento Ottico

L'isolamento ottico iè uno dei metodi più diffusi ed efficaci per isolare un segnale dal resto del sistema e dal mondo esterno. Un segnale elettrico viene inviato a un LED, che lo trasmette attraverso una barriera di isolamento dielettrica a un fotodiodo, che lo riconverte in un segnale elettrico.

Optical isolation using LED (left) and a photodiode (right)Isolamento ottico tramite LED (sinistra) e un fotodiodo (destra)

Convertendo un segnale elettrico in luce e poi di nuovo in un segnale elettrico, il segnale è completamente disaccoppiato dal mondo esterno. La luce non è suscettibile alle interferenze elettromagnetiche (EMI) o a radiofrequenza (RFI), vantaggi intrinseci di questo approccio.

Tuttavia, gli accoppiatori ottici non sono veloci quanto la luce stessa: sono limitati dalla velocità di commutazione del LED. Sono generalmente più lenti degli isolatori induttivi o capacitivi. Inoltre, l'intensità della luce LED si ridurrà nel tempo, richiedendo la ricalibrazione o la sostituzione. 

Isolamento Induttivo

La corrente elettrica crea un campo magnetico. Inviando un segnale in un avvolgimento e posizionandolo vicino e in parallelo con un avvolgimento identico, il segnale verrà indotto o "accoppiato" nel secondo avvolgimento.

Inductive isolation using windings separated by an electrical insulatorIsolamento induttivo mediante avvolgimenti separati da un isolante elettrico

Nell'isolamento induttivo, una barriera di isolamento elettrico viene posizionata tra gli avvolgimenti, in modo che gli unici segnali che passano dal primo avvolgimento al secondo siano quelli che sono stati indotti magneticamente e non vi sia alcun contatto diretto attraverso la barriera. Gli accoppiatori induttivi hanno una larghezza di banda molto elevata e sono estremamente affidabili, ma possono essere influenzati dai campi magnetici vicini.

Isolamento Capacitivo

Gli isolatori capacitivi accoppiano un segnale attraverso una barriera di isolamento, solitamente costituita da biossido di silicio. Non possono trasmettere segnali DC, il che li rende molto abili nel bloccare le tensioni di modo comune. Il segnale viene convertito in digitale e quindi replicato dall'altro lato della barriera mediante accoppiamento capacitivo. 

Capacitive isolator using capacitive coupling to recreate the signal on the other side of an isolation barrierIsolatore capacitivo che utilizza l'accoppiamento capacitivo per ricreare il segnale sull'altro lato di una barriera di isolamento

A differenza dell'isolamento induttivo, l'isolamento capacitivo non è soggetto a interferenze magnetiche. Le caratteristiche principali di questo tipo di isolamento sono: l’elevata velocità di trasmissione dati elevate e il funzionamento a lunga durata. Gli isolatori capacitivi sono disponibili con diversi rating per fornire il giusto livello di sicurezza contro guasti e possibili cortocircuiti.

Confronto delle Tecniche di Isolamento

Ecco un confronto di alto livello delle tre tecniche di isolamento di base:

  Optical Inductive Capacitive
Data rates Medium
(limited by LED switching speed)
Fast
~100 Mb/s
Fast
~100 Mb/s
Dielectric strength Good
~100 Vrms/µm
Better
~300 Vrms/µm
Best
~500 Vrms/µm
Lifespan Relatively short Long Long
Magnetic interference None Can be affected None

Termini di Isolamento Chiave

Date tutte le informazioni di cui sopra, sembra chiaro che i nostri sistemi di misura dovrebbero avere ingressi analogici isolati. Ma quando esamini le specifiche di isolamento di vari sistemi di misura e condizionatori di segnale, potresti trovarlo specificato con termini come "canale-terra" e "canale-canale". Cosa significano questi termini e come si relazionano tra loro?

Isolamento Canale-Terra

L'isolamento canale-terra definisce la tensione massima che può esserci tra l'ingresso di un canale e la terra dello strumento. Normalmente la massa di uno strumento è riferita alla massa dell'alimentatore. Isolando la massa del segnale dalla massa del telaio possiamo eliminare la maggior parte dei problemi di loop di massa.

SIRIUS differential amplifier wiring schemeIsolamento canale-terra con amplificatori differenziali SIRIUS

A volte questo è indicato anche come isolamento ingresso-uscita. Tutti i canali condividono una massa comune, che è isolata dalla massa o dal potenziale di terra dello strumento. Questa non sarebbe una limitazione se solo una sorgente di segnale fosse collegata al sistema. Ma quando vengono collegati segnali aggiuntivi, ciascuno con differenze di potenziale di terra, può portare a rumore su tutti i segnali e problemi di modo comune. 

Se due o più canali condividono un terreno comune, non sono isolati galvanicamente. Bisogna fare attenzione quando uno strumento presenta solo l'isolamento ingresso-uscita o canale-terra. 

Isolamento da Canale a Canale

L'isolamento da canale a canale definisce la tensione massima che può esserci tra un canale e l’altro canale. I canali non possono condividere un bus di terra, ad esempio. Ciascun canale deve, inoltre, essere isolato dal resto del sistema, ad es. l'alimentatore del sistema, la massa del telaio e così via. 
Se tutti i canali sono isolati l'uno dall'altro, allora sono necessariamente anche isolati dalla terra, quindi l'isolamento da canale a terra è incluso nell'isolamento da canale a canale.

SIRIUS isolated amplifier wiring diagramIsolamento da canale a canale con amplificatori isolati SIRIUS

Quindi, se un sistema ha un isolamento da canale a terra, non significa necessariamente che abbia un isolamento da canale a canale. MA, se un sistema ha un isolamento da canale a canale, allora deve avere anche un isolamento da canale verso terra.

sistemi SIRIUS DAQ di Dewesoft forniscono isolamento da canale a canale e da canale a terra, come mostrato in questo breve video:

Rigidità Dielettrica

La Rigidità Dielettrica è il livello di tensione massimo al quale una barriera di isolamento può impedire l'attraversamento del segnale. Vari materiali isolanti hanno differenti rigidità dielettriche, misurate in Vrms/µm. Un traferro stesso è generalmente valutato a 1 Vrms/µm, mentre gli epossidici possono essere 20 volte migliori e il biossido di silicio trovato in molte barriere di isolamento capacitivo è di circa 500 Vrms/µm. 
Esistono altri materiali comunemente usati nelle barriere, comprese le poliammidi presenti negli isolatori capacitivi e i composti per stampaggio epossidici riempiti di silice che si trovano spesso negli isolatori ottici.

Sistemi di Acquisizione Dati Isolati Dewesoft

Sistemi di Acquisizione dati SIRIUS

I Sistemi DAQ ad Alta Velocità SIRIUS sono disponibili in un'ampia gamma di configurazioni: 

  • Slice Modulari SIRIUS connect to your computer via USB or EtherCAT
  • R3: sistema DAQ per montaggio su rack da 19''
  • R1/R2: sistemi DAQ autonomi che includono un computer integrato, un display e batterie opzionali.
  • R4: sistemi DAQ autonomi che includono un computer integrato.
  • R8: sistemi DAQ stand-alone ad alto numero di canali che includono un computer integrato, un display e batterie opzionali.

SIRIUS high speed data acquisition systemsLa linea di sistemi DAQ SIRIUS

Se dai un'occhiata ai condizionatori di segnale SIRIUS DualCore e SIRIUS HS (High-Speed) di Dewesoft, vedrai che tutti questi moduli forniscono una tensione di isolamento di 1000 V da canale a canale e da canale verso terra. Gli amplificatori SIRIUS HD (High Density) hanno un isolamento di ±500V in coppia.

Il video seguente mostra l'isolamento del DAQ SIRIUS in uno scenario reale:

Nel mondo reale dell'acquisizione dati, spesso ci sono più di semplici ingressi di segnale in quanto i condizionatori di segnale forniscono spesso tensione o corrente di eccitazione per alimentare i sensori. Estensimetri, RTD, LVDT e accelerometri IEPE sono tutti buoni esempi di sensori che richiedono alimentazione.

E’ molto importante che le linee di eccitazione siano isolate, motivo per cui Dewesoft fornisce isolamento e/o ingressi differenziali e protezione da sovratensione con capacità di cortocircuito diretto verso terra su tutta la sua linea di prodotti, proteggendo strumentazione e operatori dai loop di massa.

Sistemi di Acquisizione Dati KRYPTON e KRYPTON ONE

KRYPTON è la gamma di prodotti più robusti disponibile in Dewesoft. Costruito per resistere a temperature e condizioni estreme, urti e vibrazioni. I sistemi KRYPTON sono classificati IP67, con protezione da acqua, polvere e altro. Si collegano a qualsiasi computer Windows tramite una connessione Ethernet (protocollo EtherCAT) e possono essere distanziati l’uno dall’altro fino a 100 metri (328 piedi), consentendo il loro posizionamento direttamente vicino alla sorgente del segnale. Come per i sistemi SIRIUS, anche i moduli KRYPTON includono il software DAQ più potente sul mercato, il Dewesoft X.

KRYPTON DAQ system with DSI adapters connectedUn tipico modulo KRYPTON multicanale con vari adattatori DSI collegati

Questi sistemi estremamente robusti sono disponibili anche in moduli a canale singolo chiamati KRYPTON ONE. Entrambi i moduli KRYPTON, multicanale e monocanale, forniscono lo stesso livello di prestazioni e robustezza ambientale.

KRYPTON one High-voltage and Thermocouple High-voltage isolated modulesIn alto a sinistra: modulo KRYPTON ONE 1xTH-HV
A destra: modulo KRYPTON ONE 1xHV

 

In termini di prestazioni di isolamento, KRYPTON e KRYPTON-1 forniscono:

KRYPTON multi-channel modules
  STG TH RDT ACC LV LA DIO
Type Strain / voltage Thermocouple RTD  IEPE / Voltage Low Voltage Low Amperes Digital I/O
Isolation voltage Differential 1000 V peak 1000 V peak Differential 1000 V peak 1000 V peak 250 V
Channel-to-Channel    
Channel-to-Ground    

 

KRYPTON ONE single-channel modules
  AO DI DO ACC STG LV HV TH-HV CNT
Type Analog
Output
Digital
Input
Digital
Output
IEPE
Voltage
Strain
Voltage
Low
Voltage
High
Voltage
Temperature Counter
Encoder
Digital
Isolation voltage N/A Galv. Galv. 125 Vrms 125 Vrms 125 Vrms 1000V CAT II
600 V CAT III
1000V CAT II
600 V CAT III

N/A
Channel-to-Channel    
Channel-to-Ground    

Nella tabella sopra, Diff. significa differenziale e Galv. si riferisce all'isolamento galvanico.

Sistemi DAQ IOLITE

IOLITE è un prodotto unico che combina le capacità essenziali di un sistema di controllo industriale in real-time con un potente sistema DAQ. I sistemi IOLITE permettono di acquisire alla massima velocità centinaia di canali analogici e digitali, inviando contemporaneamente i dati in tempo reale a qualsiasi controller master EtherCAT di terze parti.

IOLITE rack and boxed DAQ systemsA sinistra: sistema di montaggio su rack IOLITER con 12 slot per moduli di ingresso
A destra: sistema da banco IOLITE con 8 slot per moduli di ingresso

 

In termini di prestazioni di isolamento, IOLITE fornisce:

IOLITE multi-channel input modules
Module STG TH DI DO RTD LV
Type Strain / V Thermo Dig Input Dig Output RTD Low Voltage
Isolation Voltage Differential 1000 V 1000 V 1000 V 1000 V 1000 V
Channel-to-Channel  
Channel-to-Ground  

Come per i moduli precedentemente trattati, anche i moduli IOLITE includono il software di acquisizione dati più potente sul mercato, il Dewesoft X