Scritto da Grant Maloy Smith, l'esperto di acquisizione dati

In questo articolo vedremo di come viene misurata la tensione nelle applicazioni di acquisizione dati (DAQ), con dettagli sufficienti in modo da:

  • Vedere quali sono i sensori e trasduttori di tensione attualmente disponibili
  • Acquisire le basi per una misura accurata di tensione
  • Apprendere come vengono utilizzati i sensori nelle applicazioni di misura di tensione

Sei pronto per iniziare? Iniziamo!

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Cos'è la tensione?

Tensione AC Vs Tensione DC

Terminologia per la Misura di Tensione

Misure Single-ended

Misure Differenziali

Sorgenti di Segnale Fluttuante

Cosa Significano i Termini come Media, RMS, Media Picco-Picco?

Cos'è la tensione di modo comune? Cos'è la reiezione di modo comune?

Cos'è un ground loop?

Termini di isolamento importanti

Cosa sono gli standard di sicurezza "CAT"?

Cos'è l'Overload/Overmodulation del segnale?

Sensori di Tensione

Cos'è l'Aliasing?

Dispositivi per la misura della tensione comune

Compatible Dewesoft Devices for Voltage Measurement by Voltage Range

Dispositivi Dewesoft compatibili per misure di tensione in funzione del range di tensione

Sistemi di Acquisizione Dati SIRIUS

Sistemi DAQ DEWE-43A e MINITAURs

Sistemi di Acquisizione Dati KRYPTON e KRYPTON ONE

Sistemi DAQ IOLITE

Cos'è la tensione?

La tensione è la differenza di potenziale elettrico tra due punti. A volte viene anche chiamata tensione o pressione, a causa dell'analogia tra acqua ed elettricità.

Si pensi ad un sistema chiuso di tubi contenenti acqua che include una pompa. La pompa spinge l'acqua all'interno dei tubi, creando una differenza di pressione che contribuisce al moto dell'acqua. Questa pressione che spinge l'acqua permette di di svolgere un lavoro, come ad esempio far girare una turbina.

Relationship between voltage, current, and resistance

La relazione tra tensione, corrente e resistenza in un circuito elettrico

In questa analogia, l'acqua rappresenta l'elettricità. La pompa rappresenta un alimentatore. La pressione che l'alimentatore crea nel circuito è il potenziale di tensione e la velocità con cui l'acqua si muove rappresenta la corrente.

Tensione AC Vs Tensione DC

La tensione può essere DC o AC, a seconda della corrente che la trasporta. Nei sistemi DC, la corrente non cambia mai direzione. È unidirezionale, cioè la sua polarità non cambia.

Ma nei sistemi AC, la corrente alterna la propria direzione continuamente nel tempo. L'inversione di polarità, però, non avviene in modo repentino, ma con una variazione progressiva secondo un andamento chiamato sinusoidale, nel quale il valore di corrente (e quindi di tensione) parte da zero e gradualmente aumenta in un determinato verso, raggiunge il suo valore massimo per poi diminuire fino a zero e riprendere nel verso opposto col medesimo andamento, quindi il ciclo si ripete. Nei grafici seguenti viene rappresentata sia la tensione (e la corrente) DC che quella AC:

DC circuits (left) versus AC circuits (right)
Circuito DC (a sinistra) vs. circuito AC (a destra)

Le fonti di tensione DC più note sono la comune pila AAA o quella molto più grande che avvia (o addirittura alimenta!) la tua auto. La fonte più nota di tensione AC è la tensione 120 VAC o 230 VAC che alimenta le nostre case e le nostre aziende.

Terminologia per la Misura di Tensione

Potresti aver già sentito termini come "riferimento singolo", "riferimento singolo, non referito" e "differenziale", ma cosa significano realmente in termini di misure di tensione? Beh, è tutta una questione di punto di riferimento. Ricorda che proprio all'inizio di questo articolo abbiamo stabilito che la tensione è la differenza di potenziale elettrico tra due punti.

Misure Single-ended

Le misure single-ended sono quelle che vengono effettuate rispetto alla terra. Il segnale viene trasportato solo sul filo positivo e l'altro filo è riferito a terra. Ma chi fornisce la terra?

Se lo strumento di misura fornisce il riferimento di massa, la misura viene classificata come "riferita, single-ended". Questo è spesso abbreviato in RSE.

Example of a referenced single-ended measurement (RSE)

Esempio di una misura single-ended con riferimento (RSE)

D'altra parte, se il segnale stesso fornisce il riferimento di massa, la misura viene classificata come "non riferita, single-ended", abbreviata in NRSE.

Example of a non-referenced single-ended measurement (NRSE)
Esempio di misura single-ended senza riferimento (NRSE)

Misure Differenziali

Se misuriamo la tensione tra due punti in un circuito, stiamo effettuando una misura di tensione differenziale. Si chiama differenziale, perché stiamo misurando la DIFFERENZA di potenziale tra questi due punti. Stiamo, dunque, misurando due segnali invece di uno (scenario single-ended). Ogni canale differenziale ha davvero due preamplificatori al suo interno e questi ingressi fluttuano rispetto al suolo.

Example of a differential (DIFF) measurement
Esempio di misura differenziale (DIFF)

Maggiori informazioni su Dewesoft e sulla misura di tensione/corrente:

Dewesoft PRO Training > Voltage Measurement

Dewesoft PRO Training > Current Measurement

Sorgenti di Segnale Fluttuante

Potresti anche aver sentito parlare di una sorgente di segnale "fluttuante". Ciò significa semplicemente che il segnale misurato non è direttamente riferito a terra. La batteria è un esempio comune di una fonte di questo tipo. In caso di misura della tensione d'uscita di sorgenti di segnale flottanti, il sistema di misura deve fornire il riferimento di massa.

Cosa Significano i Termini come Media, RMS, Media Picco-Picco?

La tensione può essere quantificata in diversi modi. Diamo un'occhiata a ciascuno di questi termini comuni e al loro significato.

Visualising peak, ave, RMS terms for a sinusoidal waveform
Visualizzazione dei termini picco, media e valore RMS per una forma d'onda sinusoidale

La tensione media (VAV) rappresenta il valore medio della tensione durante un periodo. Per i segnali sinusoidali puri, la media sarà zero, perché la quantità di corrente nella prima metà positiva della forma d'onda è uguale alla corrente nel semiciclo negativo. Queste correnti si annullano a vicenda risultando zero. Quindi, considerando solo la metà di un ciclo, possiamo definire la media prendendo dal valore di picco (max) e moltiplicandolo per 0,637.

La tensione RMS (root-mean-square VRMS) è la radice quadrata della media aritmetica dei valori della funzione al quadrato che definiscono la forma d'onda continua. Un modo comune per calcolare il valore RMS è moltiplicare il valore di picco per 0,707. Il valore RMS è il modo più comune per esprimere le tensioni AC.

La tensione di picco (VPK o VMAX) descrive la tensione di ampiezza massima in un periodo.

La tensione picco-picco (VPK) definisce l'intera ampiezza dei picchi positivi e negativi in un periodo.

Il fattore di cresta è un rapporto tra i valori di picco massimi diviso per il valore RMS di una forma d'onda AC. Poiché i livelli di tensione DC e le onde quadre non hanno picchi, hanno un fattore di cresta di 1, dove un'onda sinusoidale pura ha un fattore di cresta di 1,414.

Nella maggior parte dei sistemi di misura, i valori di media, RMS, picco e fattore di cresta vengono generalmente calcolati su un periodo di tempo, di solito un sottoinsieme della frequenza di campionamento selezionata nel sistema di acquisizione dati.

Ad esempio, nel software di acquisizione dati Dewesoft X, l'utente può selezionare uno qualsiasi di questi valori e calcolarli con un divisore della frequenza di campionamento selezionata. Di seguito è riportato un esempio della schermata di configurazione, in cui è possibile selezionare i valori statistici che si desidera visualizzare/registrare:

Basic statistics math setup screen in the Dewesoft X data acquisition softwareSchermata di configurazione delle statistiche di base di Dewesoft X.

1. Input Nel gruppo Input è possibile selezionare i canali di input desiderati per i quali si desidera calcolare le statistiche di base. Le statistiche supportano più canali di input.
2. Canali di Output Qui è possibile selezionare le statistiche da calcolare. Questi verranno, quindi, visualizzati come canali di uscita separati.
3. Tipo di Calcolo Nel gruppo Tipo di calcolo è possibile definire i parametri per il calcolo.
4. Output L'area di output offre una rapida anteprima delle statistiche calcolate su un input selezionato. L'output verrà emesso come canale, in base alle opzioni selezionate in Canali di output e Tipo di calcolo.

L'immagine sotto mostra come i canali matematici vengono visualizzati a video. I canali possono essere visualizzati grazie ad un'ampia varietà di widget grafici, da semplici visualizzazioni numeriche a grafici temporali, grafici a barre e altro ancora.

Dewesoft X display showing real waveform (top) and statistical values in the chart below and in the digital metersSchermata di visualizzazione di Dewesoft X che mostra la forma d'onda reale (in alto) e i valori statistici nel grafico sottostante e nei display digitali

Ulteriori informazioni su Dewesoft e sui calcoli statistici:

Dewesoft PRO Training > Statistical Calculations on Sampled Data

Cos'è la tensione di modo comune? Cos'è la reiezione di modo comune?

Le tensioni di modo comune sono segnali presenti su entrambi i conduttori di una sorgente di segnale. In realtà, non dovrebbero esserci segnali identici su entrambi i cavi, quindi ciò che risulta comune ad entrambi i cavi è solitamente il rumore che si genera nella catena di misura del segnale.

Il modo migliore per eliminare o ridurre le tensioni di modo comune è effettuare una misura differenziale.

Per spiegare il tutto in modo ottimale, facciamo un piccolo passo indietro. Nelle misure single-ended sopra menzionate, stiamo usando un pre-amplificatore per misurare il segnale positivo. Se nel segnale c'è del rumore, come possiamo saperlo? Come possiamo sapere qual è il segnale reale e qual è il rumore?

Forse per esercizio, potremmo verificare la presenza di un picco di segnale a 50 Hz tipicamente proveniente dalla rete di alimentazione.

Representation of a Differential Amplifier
Rappresentazione di un Amplificatore Differenziale

L'approccio più semplice 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 ingressi.

Reiezione del Modo Comune

Il rumore elettrico lungo il cavo del sensore dovrebbe essere presente su entrambe le linee: la linea positiva del segnale e la linea di massa (o segnale negativo). I segnali comuni ad entrambe le linee verranno rifiutati dall'amplificatore differenziale, e solo il segnale verrà fatto passare, come mostrato nel grafico sotto:

A differential amplifier successfully eliminates common-mode voltages within its CMV voltage range
Un amplificatore differenziale elimina con successo le tensioni di modo comune (CMV) nel suo intervallo di tensione

Funziona alla grande, ma ci sono limiti alla quantità di tensione di modo comune (CMV) che l'amplificatore può respingere. Quando il CMV presente sulle linee del segnale supera l'intervallo di ingresso CMV massimo dell'amplificatore differenziale, il segnale risultante in uscita sarà un segnale distorto e inutilizzabile, come mostrato di seguito:

A differential amplifier distorts or clips when its CMV input range is exceeded

Un amplificatore differenziale distorce o "taglia" quando viene superato l'intervallo di ingresso CMV

Quindi, in questi casi, abbiamo bisogno di un ulteriore livello di protezione contro CMV e rumore elettrico in generale (oltre al loop di terra, che sarà discusso nella sezione successiva): 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 isolamento di 1000 volt o più. Ciò gli consente di reiettare una tensione di modo comune (rumore CMV) molto elevata ed eliminare i loop di massa.

An isolated differential amplifier rejects even very high CMV

Un amplificatore differenziale isolato respinge tensioni di modo comune (CMV) anche molto alte

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

Cos'è un ground loop?

A meno che non vengano evitati, i loop di massa possono essere un problema serio per i sistemi di misura. I ground loop (letteralmente, “anello di terra”) sono delle particolari situazioni che si verificano frequentemente quando due o più apparati alimentati dalla rete di distribuzione elettrica condividono più di un collegamento di messa a terra: qualsiasi differenza di potenziale in questi punti di messa a terra fa sì che la corrente fluisca tra di loro, inducendo un loop di corrente. Ciò provoca distorsioni nel segnale che, se sufficientemente alte, possono rovinare la misura.

Nella figura sotto, l'amplificatore di misura è collegato a terra (GND 1) da un lato. Un cavo schermato asimmetrico viene utilizzato per collegare il sensore, il cui alloggiamento metallico è posto su una superficie conduttiva a GND 2. A causa della lunghezza del cavo, c'è una differenza di potenziale tra GND1 e GND 2. Questa differenza di potenziale agisce come un sorgente di tensione, accoppiata al rumore elettromagnetico dell'ambiente.

A ground loop caused by ground potential differences

Un loop di terra causato da differenze di potenziale di terra

Il problema potrebbe essere risolto disaccoppiando il sensore da GND2, ma questo non è sempre possibile. Inoltre, a volte dalle norme di sicurezza è richiesto il riferimento a terra del cavo schermato.

La soluzione migliore è utilizzare un amplificatore differenziale all'interno del condizionatore di segnale isolato. Con questa caratteristica, il problema è risolto.

Eliminating differential ground potential problems via isolation

Risoluzione dei problemi di potenziale di terra differenziale tramite isolamento

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

Power supply induced ground looping
Ground loop introdotto dall'alimentazione

Questo scenario può diventare pericoloso se è presente un errore di cablaggio. Guardando il percorso della corrente dall'alimentatore, cosa succede se la linea di ritorno si rompe? Tutta l'energia verrà convogliata attraverso la parte di condizionamento del segnale dell'hardware DAQ. Ciò potrebbe comportare il danneggiamento o la distruzione dell'intero sistema e persino potenziali pericolosi per l'utente che utilizza lo strumento.

The danger of power supply induced ground loops
Il pericolo dei ground loop introdotti dall'alimentazione

Isolando completamente il percorso del segnale dall'alimentazione, eviteremo che si verifichi lo scenario appena descritto.

Termini di isolamento importanti

A questo punto, sembra chiaro che i nostri sistemi di misura dovrebbero avere almeno ingressi di segnale analogico differenziali e preferibilmente isolati.

Quando esamini le specifiche di isolamento di vari sistemi di misura e condizionatori di segnale, potresti trovarlo specificato con termini come:

  • isolamento da canale verso terra,
  • isolamento da canale a canale e
  • isolamento a blocchi

Cosa significano questi termini?

Isolamento da canale verso terra

L'isolamento da canale a 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.

Channel to ground isolationSchema di isolamento da canale verso terra

A volte questo viene anche definito isolamento ingresso-uscita. Tutti i canali condividono una terra comune, che è isolata dal potenziale di terra o dalla terra dello strumento. Se al sistema fosse collegata una sola sorgente di segnale, questo non rappresenterebbe una limitazione. Ma quando vengono introdotti segnali aggiuntivi, ciascuno con differenze di potenziale di terra, potrebbe insorgere del rumore su tutti i segnali e problemi di modo comune. 

Se due o più canali presentano la terra in comune, non sono isolati galvanicamente. Prestate attenzione quando uno strumento è isolato solo da ingresso a uscita o da canale verso terra.

Isolamento da canale a canale

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

Channel to channel isolation diagramDiagramma isolamento da canale a canale

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

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

Isolamento a blocchi

L'isolamento a blocchi viene tipicamente impiegato da sistemi con un numero elevato di canali. In questo scenario, i canali sono isolati in gruppi che condividono l'isolamento comune. Questo può essere fatto per risparmiare denaro o per necessità.

I componenti di isolamento occupano spazio e consumano energia. In sistemi di misura ad altissima densità a volte non c'è letteralmente spazio sufficiente per isolare ciascun canale singolarmente.

Più avanti in questo articolo tratteremo i condizionatori di segnale compatibili con Dewesoft per le misure di tensione, tra questi vedremo che i condizionatori di segnale SIRIUS HD (High Density) sono isolati a coppie, ossia due canali condividono il medesimo percorso di isolamento. Tutti gli altri condizionatori di segnale SIRIUS sono isolati per canale.

Ulteriori informazioni sull'isolamento:

Importance of Isolation in Data Acquisition Systems

Cosa sono gli standard di sicurezza "CAT"?

Osservando le specifiche della strumentazione per gli ingressi ad alta tensione, noterai termini come "CAT II" e "CAT III", con alcuni livelli di tensione accanto ad essi. Cosa significano?

"CAT" si riferisce alla categoria di misura IEC (International Electrotechnical Commission) di come e dove vengono utilizzati gli strumenti rispetto ai circuiti sotto tensione. Ci sono quattro categorie, indicate da numeri romani I, II, III e IV.

Ogni categoria si riferisce essenzialmente alla posizione dello strumento rispetto alla sorgente di alta tensione. Categorie più basse indicano che lo strumento sarà posizionato più lontano dai potenziali di alta tensione e dai transitori, mentre CAT IV si riferisce a posizioni molto vicine alla sorgente di alte tensioni e quindi ai transitori.

Ad ogni categoria viene, inoltre, associato un valore di tensione che indica il valore di transitori a cui lo strumento più resistere. Uno strumento classificato CAT II-1000V è ovviamente in grado di sopportare transitori di livello superiore rispetto a uno strumento classificato CAT II-600V.

 

Posizioni di esempio del valore CAT

CAT safety standards

Livelli CAT e standard di sicurezza

Fondamentalmente, maggiore è la vicinanza dell'apparecchiatura alla fonte primaria di alimentazione, maggiore è la possibilità che tensioni transitorie pericolose entrino nello strumento, e quindi, il numero di CAT è più elevato.

Protezione da sovratensioni transitorie tramite tensione di lavoro e CAT

Categoria Tensione di lavoro Transitorio di picco Sorgente Test
CAT II 600 V 4000 V 12 Ω
CAT II 1000 V 6000 V 12 Ω
CAT III 600 V 6000 V 2 Ω
CAT III 1000 V 8000 V 2 Ω
CAT IV 600 V 8000 V 2 Ω

Nella tabella sopra, "tensione di lavoro" si riferisce a DC o ACRMS verso terra. Il transitorio di picco si riferisce a 20 impulsi al livello di tensione dato. L'impedenza della sorgente di test proviene da V/A.

Si noti inoltre che l'impedenza della sorgente per CAT III e superiori è 2 Ω contro 12 Ω per CAT II!

Secondo la legge di Ohm I = V/R, una sorgente da 2 Ω ha sei volte la corrente di corto circuito rispetto ad una sorgente da 12 Ω. Per questo motivo, la Categoria è il parametro più importante nella valutazione della protezione rispetto al valore di tensione. Ad esempio, uno strumento classificato CAT II-1000V non è migliore di uno classificato CAT III-600V a causa di questa differenza di impedenza della sorgente.

Allora come fai a sapere quale livello CAT e voltaggio richiedere per la tua applicazione ad alta tensione? Poiché le alte tensioni coinvolgono non solo la sicurezza delle vostre apparecchiature, ma la sicurezza degli operatori umani, considerate sempre il caso peggiore in termini di transitori pericolosi ad alta tensione e scegliete uno strumento che protegga voi e i vostri colleghi.

Condizionatori di segnale Dewesoft con classificazione CAT

Gamma di prodotti Condizionatore di segnale categoria CAT tensione CAT
SIRIUS SIRIUS-HV CAT II 1000 V
  SIRIUS-HS-HV CAT II 1000 V
KRYPTON ONE 1xHV CAT II 1000 V
  1xHV CAT III 600 V
  1xTH-HV CAT II 1000 V
  1xTH-HV CAT III 600 V

Cos'è l'Overload/Overmodulation del segnale?

Quando i livelli del segnale sono più alti del previsto, vengono tagliati dal convertitore ADC, determinando misure errate, il che significa che devi ripetere il test da capo. Questo è chiamato overload, taglio e overmodulation del segnale.

Gli ingegneri hanno lottato per decenni con segnali ad elevato range dinamico. La gamma dinamica è il rapporto tra il valore massimo ed il valore minimo di ampiezza di un segnale. Immagina di eseguire una misura di un segnale che la maggior parte delle volte è nell'intervallo dei millivolt, ma occasionalmente salta fino a 80 V. Se imposti l'intervallo di ingresso a 100 V per evitare di tagliare il segnale, quando il tuo segnale sarà nel range dei millivolt la sua risoluzione non sarà ottimale.

Gli ingegneri hanno affrontato questo problema dando lo stesso segnale in ingresso a due canali del loro sistema di misura con guadagno diverso. Questo risolve in parte il problema, ma crea altri due:

  1. Nel tuo sistema di misura hai bisogno del doppio dei canali.
  2. L'analisi dei dati è molto più difficile perché è necessario combinare manualmente i set di dati dei due canali dopo il test per creare un set unico di dati. Si tratta di un enorme carico di lavoro e di un ulteriore onere di analisi, soprattutto se moltiplicato per molti canali.

La soluzione migliore sarebbe un sistema DAQ in cui ogni canale di ingresso avesse realmente due ADC all'interno, ciascuno impostato su un guadagno diverso, e un processore veloce in grado di scegliere automaticamente il convertitore che rappresenta il segnale in modo ottimale, combinando il tutto in un unico flusso di dati.

Sembra troppo bello per essere vero? È già stato fatto da Dewesoft con la sua tecnologia SIRIUS DualCore® ADC. Ogni amplificatore di canale ha due ADC che misurano sempre il guadagno alto e basso del segnale di ingresso. Ciò si traduce nella gamma di misura più completa possibile per il sensore ed impedisce che il segnale venga tagliato.

Di seguito un video che mostra il funzionamento della tecnologia DualCore® ADC.

La tecnologia DualCoreADC® di Dewesoft raggiunge un rapporto segnale-rumore superiore a 130 dB e oltre 160 dB in gamma dinamica. Performance che sono di 20 volte migliori di quelle che si hanno con sistemi a 24 bit e con il rumore ridotto di 20 volte.

Sensori di Tensione

Ogni strumento in grado di misurare un segnale di tensione analogico può farlo direttamente, giusto? Allora perché mai dovremmo aver bisogno di un trasduttore di tensione?

Quasi tutti i sistemi DAQ e data logger nel mondo possono accettare direttamente tensioni basse e medie nell'intervallo 0-10V o 0-50V, quindi non abbiamo bisogno di un sensore o trasduttore per ridurre o convertire questa tensione in alcun modo. Da 50V a circa 1000V sono disponibili condizionatori di segnale per sistemi DAQ come il modulo Dewesoft SIRIUS HV, che può accettare direttamente e in sicurezza queste tensioni e riducendole internamente in modo che possano essere digitalizzate, visualizzate e memorizzate.

Ma a tensioni più elevate, o in ogni caso, quando sono presenti correnti e tensioni pericolose per la vita, è essenziale utilizzare un trasformatore ad alta tensione per abbassare l'alta tensione e isolare l'operatore umano da tensioni e correnti pericolose. Tale dispositivo è chiamato trasformatore di tensione (TV) o trasformatore di potenziale (PT).

Typical Potential TransformerTipico trasformatore di potenziale elettrico

Il tipico sensore TV include un trasformatore per ridurre un potenziale elettrico molto elevato, anche superiore a 10 kV, fino a un livello di sicurezza. Può essere posizionato in serie con o attraverso il circuito da monitorare. Il trasformatore di potenza si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica ed il suo scopo è quello trasformare i fattori di tensione e corrente della potenza elettrica, tra un circuito primario (ingresso) e un circuito secondario (uscita). Trasferisce, quindi, energia elettrica da un circuito elettrico a un altro che ha una tensione diversa, accoppiandoli induttivamente. Al fine di poter ridurre il potenziale elettrico l'avvolgimento secondario del trasformatore ha un numero di spire ridotto rispetto al primario.

Poiché il dispositivo di acquisizione dati collegato ha tipicamente un'impedenza molto elevata, fluirà pochissima corrente, quindi l'avvolgimento secondario del TV non subisce quasi alcun carico. La maggior parte dei TV emette tra 50 e 200 V, tensione che quasi tutti i sistemi DAQ possono accettare.

Esistono diverse tipologie TV, ci sono quelli progettati per uso esterno e quelli per uso interno, quelli progettati per applicazioni di misura elettrica. Esiste anche un'alternativa al tipo di trasformatore puro che utilizza un banco di condensatori dopo un trasformatore intermedio per abbassare ulteriormente la tensione. Questi, possono essere meno costosi, perché il trasformatore intermedio con rapporto di riduzione relativamente basso è meno costoso del trasformatore ad avvolgimenti convenzionale con un rapporto di riduzione elevato.

Una terza variante è il trasduttore di tensione (TV) ottico. I TV ottici si trovano solitamente nelle sottostazioni di alimentazione e raramente nelle applicazioni DAQ. Funzionano secondo il principio dell'effetto Faraday, per cui la polarizzazione della luce è influenzata direttamente da un campo magnetico, sono intrinsecamente isolati. Sono anche estremamente precisi.

Outdoor 36 and 200 kV outdoor VTsTV da esterno da 36 e 200 kV. Foto per gentile concessione di ABB.

Applicazioni del trasduttore di tensione

  • Produzione e distribuzione di energia di linee elettriche ad alta tensione, sincronizzazione dei generatori con la rete elettrica principale,
  • Aerospaziale - test di motori e sistemi di alimentazione
  • Automotive - test del sistema del circuito elettrico, test del motore ibrido e elettrico
  • Trasporti - vagoni elettrici della metropolitana, terza rotaia e prove a pantografo, centri di distribuzione dell'energia elettrica

Vantaggi del trasduttore di tensione

  • Forniscono la sicurezza essenziale all'ingegnere e al tecnico di collaudo
  • Semplici da usare
  • La maggior parte dei modelli non richiede alimentazione esterna
  • Funzionamento a lunga durata

Svantaggi del trasduttore di tensione

  • Possono essere costosi

Cos'è l'Aliasing?

Supponiamo che la tua tensione AC sia un'onda sinusoidale di 10 kHz, ma acquisisci solo un campione ogni secondo. Ovviamente, la registrazione risultante sarà completamente sbagliata.

Tra ogni campione acquisito, saranno passate 10.000 onde sinusoidali. Il "segnale" risultante sembrerà una forma d'onda, ma sarà completamente diverso dal segnale che stai acquisendo. Sarà un "alias" del segnale effettivo.

Facciamo un esempio pratico. Il grafico sotto rappresenta il segnale reale che stiamo cercando di misurare:

Analog signalIl segnale che vogliamo misurare

Ora immagina di non campionarlo abbastanza velocemente. In effetti, stiamo campionando alla velocità mostrata dai punti nel grafico sottostante:

Actual sample locations shown in redLe posizioni effettive dei campioni sono mostrate in rosso

Puoi già vedere come sarà il nostro "segnale" dopo questo processo:

Aliased signalSegnale con aliasing 

Questo è un risultato completamente sbagliato: non assomiglia affatto al segnale effettivo. Confrontiamoli fianco a fianco:

Analog signalAliased signal

Sinistra: segnale effettivo
Destra: segnale con aliasing

La soluzione più ovvia all'aliasing è semplicemente aumentare la frequenza di campionamento del segnale. Secondo il teorema di Nyquist-Shannon per campionare un segnale a banda finita senza perdita di informazione, bisogna campionarlo con frequenza almeno maggiore del doppio rispetto alla frequenza della componente spettrale del segnale informativo a frequenza più elevata (detta anche frequenza di Nyquist).

Ma in senso pratico, questo non è sempre possibile. A volte si verificano transitori imprevisti.

Se filtriamo nel dominio analogico prima dell'ADC, possiamo evitare che il problema di aliasing si verifichi. Si noti che è ancora importante impostare una frequenza di campionamento sufficientemente alta per catturare l'intervallo di frequenza di interesse, ma almeno con i filtri anti-aliasing (AAF), eviteremo che segnali falsi ("alias") distruggano l'integrità delle nostre misure.

L'AAF ideale avrebbe una banda passante molto piatta e un taglio molto netto alla frequenza di Nyquist (essenzialmente la metà della frequenza di campionamento).

Anti-aliasing filter roll-off diagramDiagramma di roll-off del filtro anti-aliasing

Configurazione AAF tipica: un filtro analogico passa-basso ripido prima dell'ADC impedisce il passaggio di segnali che superano la metà della larghezza di banda massima dell'ADC. Questo è ciò che fa Dewesoft con i suoi ADC SAR a 16 bit presenti nei moduli SIRIUS-HS.

Tuttavia, nell'ADC Delta-sigma a 24 bit, presente nei sistemi di acquisizione dati SIRIUS, KRYPTON, e IOLITE, i sistemi DAQ Dewesoft hanno un filtro DSP aggiuntivo sull'ADC stesso che si regola automaticamente in base alla frequenza di campionamento selezionata dall'utente. Questo approccio a più fasi fornisce il filtro anti-aliasing più robusto disponibile oggi nei sistemi DAQ.

La tecnologia ADC sigma-delta di Dewesoft è il miglior approccio possibile per prevenire l'aliasing.

Dispositivi per la misura della tensione comune

La tensione è uno dei segnali maggiormente registrati e, praticamente, ogni hardware DAQ nel mondo può misurarlo in un modo o nell'altro. Anche altri strumenti possono misurare la tensione, come oscilloscopi da laboratorio e voltmetri, solo per citarne alcuni.

I voltmetri sono molto precisi ma hanno una larghezza di banda bassa, mentre gli oscilloscopi hanno una larghezza di banda molto alta, ma non sono così precisi. La tabella seguente li suddivide per range basso e alti, precisione e larghezza di banda:

Strumento Range Basso Range alto Precisione Larghezza di banda
Voltmetri /
Multimetri Digitali
Millivolt 1000 V Molto buona Molto bassa
Oscilloscopio Millivolt 50 V (maggiore con un divisore) Da discreta a buona Molto ampia
Data Logger Basso Voltaggio 100 V Da discreta a buona Bassa
Sistema DAQ Microvolt o Millivolt 100 V to 1000 V Molto buona Media
Analizzatore Power Millivolt 100 V to 1000 V Molto buona Media

I numeri sono solo generalizzazioni: gli strumenti sul mercato sono tanti e le loro specifiche possono variare notevolmente.

Inoltre, a volte è necessario misurare tensioni molto piccole, cioè nell'intervallo dei microvolt ... e fino a migliaia di volt. È necessario un pre-amplificatore di tensione con più intervalli di ingresso per convertire questi livelli di segnale ampiamente diversi in un'uscita normalizzata che può essere digitalizzata. A volte può succedere che una tensione molto piccola si sovrapponga a un grande offset DC, questa rappresenta un'altra sfida problematica per molti sistemi di misura.

Dispositivi Dewesoft compatibili per misure di tensione in funzione del range di tensione

  0-10 V 0-50 V 0-200 V 0-1000 V 1000 V+
  √ compatibile (xxx) = richiede moduli e/o accessori
SIRIUS √ (LV, HV, STG, ACC) √ (LV, HV) √ (HV) √ (HV) √ (TV)
KRYPTON
(multi-canale)
√ (LV, STG) √ (LV) √ (STG + DSI-V-200) √ (LV + TV) √ (LV + TV)
KRYPTON ONE
(canale singolo)
√ (LV, HV, ACC, STG) √ (LV, HV, STG) √ (LV, HV, STG + DSI-V-200) √ (HV) √ (HV + TV)
IOLITE √ (LV, STG) √ (LV, STG) √ (STG + DSI-V-200) √ (STG + TV) √ (STG + TV)
IOLITEd √ (LV, STG) √ (LV, STG) √ (STG + DSI-V-200) √ (STG + TV) √ (STG + TV)
DEWE-43A √ (DSI-V-200) √ (DSI-V-200) √ (TV) √ (TV)
MINITAURs √ (DSI-V-200) √ (DSI-V-200) √ (TV) √ (TV)
SIRIUS MINI - - - -

TV = Trasformatore di tensione assolutamente necessario per la sicurezza, l'isolamento e la divisione della tensione

Sistemi di Acquisizione Dati SIRIUS

I sistemi DAQ SIRIUS HS (High Speed) sono disponibili in un'ampia gamma di configurazioni fisiche, da "slice" modulari che si collegano al computer tramite USB o EtherCAT, sistemi di montaggio su rack R3 e sistemi stand-alone R1, R2 e R8 che includono un computer integrato.

SIRIUS DAQ system different chassis optionsLa linea di prodotti del sistema di acquisizione dati SIRIUS

Se dai un'occhiata ai condizionatori di segnale SIRIUS DualCore e SIRIUS HS di Dewesoft, vedrai che tutti questi moduli forniscono una tensione di isolamento da canale a canale e da canale a terra di 1000 V (il modulo HV è inoltre classificato di sicurezza CATII) . Gli amplificatori ad alta densità SIRIUS HD sono isolati ± 500V in coppia.

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

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

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

Moduli SIRIUS DualCore® per misure di tensione

Moduli SIRIUS ad alta gamma dinamica e loro compatibilità con misure dirette di tensione e utilizzando adattatori DSI:

  Moduli SIRIUS DualCore® (fino a 8 canali di ingresso per slice SIRIUS)
  LV
Low voltage
HV
High voltage
STG
Universal/LV
STGM
Universal/LV
ACC
IEPE, LV
Range di Input  ±200V, ±20V, ±10V, ±1V, ±100 mV ±1200 V, ±50 V ±50V, ±10V, ±1V, ±100mV ±10V, ±1V, ±100 mV, ±10 mV ±10 V, ±500 mV
Accoppiamento in ingresso DC, AC 1Hz (3, 10 Hz SW) DC DC, AC 1Hz (3, 10 Hz SW) DC DC, AC 0.1Hz, 1Hz
Tensione di eccitazione 2..30 V bipolar, 0..24 V unipolar, max. 0.2A/2W N/A 0..20 V max. 0.8W, 0..60mA max 0.5W 0..15V max. 44mA (IEPE only) 2,4,8,12,
Tensione di isolamento 1000 V CATII 1000V 1000 V 1000 V 1000 V

Nota: l'eccitazione del sensore nel modulo LV richiede il connettore di ingresso DB9.

SIRIUS HD - Moduli ad alta densità per misure di tensione

Modulo SIRIUS ad alta densità con fino a 16 canali per slice SIRIUS per applicazioni con elevato numero di canali.

  Moduli SIRIUS HD (High Density) (fino a 16 canali di ingresso per slice SIRIUS)
  HD-LV
Low voltage

HD-STGS
Universal/LV

HD-ACC
IEPE/LV
Range di Input  ±100V, ±10V, ±1V, ±100 mV ±10V, ±1V, ±100 mV, ±10 mV ±10 V, ±5V, ±1V, ±200mV
Accoppiamento in ingresso DC DC DC, AC 0.1 Hz, 1Hz
Tensione di eccitazione 2..30 V bipolare, 0..24 unipolare, max. 0.2A/2W 0..12V max. 44mA IEPE solo
4,8,12 mA
Tensione di isolamento 500 V a coppia 500 V a coppia 500 V a coppia

Nota: per l'alimentazione del trasduttore di corrente è necessario utilizzare il connettore DB9.

SIRIUS HS - Moduli ad alta velocità per misure di tensione

La tecnologia SAR a 16 bit a 1 MHz con filtro senza alias selezionabile tramite software è la scelta perfetta per la registrazione di transitori. Fino a 8 canali per modulo SIRIUS.

  Moduli SIRIUS HS (High Speed) (fino a 8 canali di ingresso per slice SIRIUS)
  HS-LV
Low voltage
HS-HV
High voltage
HS-STG
Universal/LV
HS-ACC
IEPE/LV
Range di Input  ±100V ... ±50 mV ±1600 V ... ±20 V ±50V ... ±20 mV ±10V ... ±100 mV
Accoppiamento in ingresso DC, AC 1Hz (3, 10 Hz SW) DC DC, AC 1Hz (3, 10 Hz SW) DC, AC 1Hz (3, 10 Hz SW)
Tensione di eccitazione 2..30 V bipolar, 0..24 V unipolar, max. 0.2A/2W N/A 0..20 V max. 0.8W, 0..60mA max 0.5W IEPE only
4,8,12 mA
Tensione di isolamento 1000 V CATII 1000V 1000 V 1000 V

Nota: per l'alimentazione del trasduttore di corrente è necessario utilizzare il connettore DB9.

Ulteriori informazioni sui sistemi SIRIUS DAQ.

Ulteriori informazioni sulle specifiche tecniche SIRIUS.

Sistemi DAQ DEWE-43A e MINITAURs

Il DEWE-43A è un sistema di acquisizione dati per uso generico estremamente portatile. Si collega al computer tramite un connettore USB bloccabile, dispone di otto ingressi analogici universali in grado di misurare direttamente tensioni basse e tensioni fino a ± 200 V utilizzando adattatori DSI-V-200.

Gli ingressi analogici sono differenziali, ma non isolati. Il "fratello maggiore" di questo strumento si chiama MINITAURs - questo è essenzialmente il DEWE-43A combinato con un computer e poche altre funzionalità, in un unico involucro altamente portatile. Gli ingressi universali di entrambi i sistemi sono compatibili con gli adattatori DSI di Dewesoft, consentendo di collegare un sensore RTD a uno o a tutti gli otto canali di ingresso.

DEWE-43A and MINITAURs data acquisition systems from DewesoftA sinistra: sistema DAQ portatile DEWE-43A
A destra: modello MINITAURs che include un computer integrato

Entrambi i modelli hanno ingressi universali differenziali, che sono fondamentalmente moduli full-bridge / a bassa tensione compatibili con gli adattatori della serie DSI, disponibili per diversi sensori e tensioni fino a ± 200V come menzionato sopra. Gli adattatori DSI utilizzano la tecnologia TEDS per configurarsi automaticamente nel software DAQ Dewesoft X. Basta collegare l'adattatore DSI all'ingresso DB9, verificare le impostazioni nella schermata di configurazione dell'hardware nel software Dewesoft X e sei pronto per iniziare a effettuare le misure.

DEWE-43A e MINITAURs per misure di tensione

  DEWE-43A MINITAURs
Range di tensione (dirette) ±10 V, ±1 V, ±100 mV, ±10 mV DualCoreADC range alto e basso:
±10V (500 mV), ±1V (50 mV), ±100mV (5 mV), ±10mV (0.5 mV)
Range di tensione utilizzando DSI-V-200 Fino a ±200 V Fino a ±200 V
Accoppiamento in ingresso DC DC
Tensione di eccitazione ±5 V ±0.1 % alimentazione del sensore in configurazione a ponte, limite di 70 mA (non disponibile quando si utilizza l'adattatore DSI) Da 0 a 12 VDC programmabile via software (DAC a 16 bit), max 44 mA (non disponibile quando si utilizza l'adattatore DSI)
Tipo di Input Differenziale Differenziale
Protezione sovratensione in input +70 V In+ a In-: 50V continua; 200 V picco (10 ms)

Ulteriori informazioni su DEWE-43A.

Ulteriori informazioni su MINITAURs.

Ulteriori informazioni su adattatori DSI.

Sistemi di Acquisizione Dati KRYPTON e KRYPTON ONE

KRYPTON è la gamma di prodotti più robusta disponibile in Dewesoft. Costruito per resistere a temperature estreme, urti e vibrazioni, KRYPTON è classificato IP67, con protezione da acqua, polvere e altro. I moduli KRYPTON possono essere collegati a qualsiasi computer Windows (incluso il modello KRYPTON-CPU IP67 rinforzato di Dewesoft) tramite EtherCAT e possono essere posizionati lungo la catena di misura fino a 100 metri (328 piedi) di distanza l'uno dall'altro. Ciò permette la localizzazione di ogni modulo il più vicino possibile alla sorgente del segnale da misurare. Come per i moduli SIRIUS, anche i moduli KRYPTON includono il software DAQ più potente sul mercato, Dewesoft X.

KRYPTON DAQ system with Dewesoft DSI adaptersUn tipico modulo KRYPTON multicanale con vari adattatori DSI collegati

Questi sistemi estremamente robusti sono disponibili anche in moduli a canale singolo chiamati KRYPTON-1. Sia il KRYPTON multicanale che quello monocanale offrono lo stesso livello di prestazioni e robustezza ambientale.

Moduli multicanale KRYPTON per misure di tensione

Moduli multicanale KRYPTON  
  KRYPTON LV
Alta tensione di isolamento
STG
Universale/Bassa tensione
ACC
Tensione/IEPE
Numero di canali 4 o 8 canali 3 o 6 canali 4 canali
Range di tensione ±50 V ±10V, ±1V, ±100mV, ±10mV ±10 V, ±5 V, ±1 V, ±200 mV
Accoppiamento in ingresso DC DC DC, AC 0.1 Hz, 1 Hz
Tensione di eccitazione N/A 0...15 V max. 0.4W/ch 
(45mA limit)
IEPE 4 mA, 8 mA
Tensione di isolamento 1000 V Differenziale Differenziale

Moduli KRYPTON ONE canale singolo per misure di tensione

Moduli singolo-canale KRYPTON-1
  LV
Low-voltage
HV
High-voltage
STG
Universale/LV
ACC
IEPE/LV
Range di tensione ±50 V, ±10 V, 
±1 V, ±100 mV
±1000 V ±50 V, ±10 V, 
±1 V, ±100 mV
±10 V, ±5 V, ±1 V, ±200 mV
Accoppiamento in ingresso DC, AC 1Hz DC DC, AC 1Hz DC, AC 0.1 Hz, 1 Hz
Tensione di eccitazione N/A N/A     Freely programmable
via 16-bit DAC)
IEPE only
4 mA, 8 mA @ 24 VDC
Tensione di isolamento 125 VRMS
CH, GND
CAT III 600 V
CAT II 1000 V
125 VRMS
CH, GND
125 VRMS
CH, GND

KRYPTON ONE HV module

A sinistra: modulo KRYPTON ONE HV
A destra: modulo KRYPTON ONE TH-HV

Ulteriori informazioni sugli strumenti DAQ KRYPTON.

Sistemi DAQ IOLITE

IOLITE è un prodotto unico che combina le capacità essenziali di un sistema di controllo industriale in tempo reale con un potente sistema DAQ. Con IOLITE, canali analogici e digitali possono essere registrati a piena velocità inviando simultaneamente dati in tempo reale a qualsiasi controller master EtherCAT di terze parti.

IOLITE data acquisition systemA sinistra: sistema di montaggio a rack IOLITEr con 12 slot per moduli di ingresso
A destra: sistema da banco IOLITE con 8 slot per moduli di ingresso

Moduli di ingresso multicanale IOLITE
  8xLV
Low Voltage
6xSTG
Universale/LV
Numero di canali 8 6
Range di tensione ±100 V, ±10 V
(±10 V, ±1V on request)
±50 V, ±10 V, ±1 V, ±100 mV
Accoppiamento in ingresso DC DC, AC 1 Hz
Tensione di eccitazione N/A 0 - 12 V (bipolare), 0..24 V (unipolare) max. 0.4 W/ch
Tensione di isolamento 1000 V Differenziale

Ulteriori informazioni sui sistemi di acquiszione e controllo IOLITE.