Medição de tensão em aplicações de aquisição de dados

O que é tensão?

A tensão é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Às vezes também é chamado de tensão ou pressão, devido à analogia entre água e eletricidade.

Pense em um sistema fechado de canos de água que inclui uma bomba. A bomba conduz a água ao redor e ao redor dos canos, criando uma diferença na pressão que conduz a água. Essa pressão empurrando a água permite que ela faça um trabalho, como girar uma turbina, por exemplo.

Nesta analogia, a água representa eletricidade. A bomba representa uma fonte de alimentação. A pressão que a fonte de alimentação cria no circuito é o potencial de tensão, e a taxa na qual a água se move representa a corrente.

Mas vamos nos concentrar na tensão neste artigo.

Tensão AC vs. Tensão DC

A tensão pode ser DC ou AC, dependendo da corrente que está sendo transmitida. Em sistemas DC, a corrente nunca muda de direção. É unidirecional, ou seja, não muda a polaridade.

Mas em sistemas AC, a corrente alterna as direções, cruzando 0 V em uma direção positiva, então girando e cruzando 0 V novamente em uma direção negativa. Você pode ver as tensões DC e AC (e corrente) representadas nos gráficos abaixo:

As fontes mais conhecidas de Tensão DC são as baterias AAA comum ou as baterias de automóveis. A fonte mais conhecida de tensão AC é 127 VAC ou 220 VAC que alimenta nossas casas e empresas.

A Terminologia de Medição de Tensão

Você pode ter ouvido termos como "referência única", "extremidade única, não referenciada" e "diferencial" e se perguntou o que eles realmente significam em termos de medições de tensão. Bem, é tudo sobre o ponto de referência. Lembre-se disso, logo no início deste artigo estabelecemos que tensão é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos.

Medições de terminação única

Medições de terminação única são aquelas feitas em relação ao solo. O sinal é transportado apenas no fio positivo e o outro fio é referenciado ao aterramento. Mas quem fornece essa base?

Se o instrumento de medição fornece a referência de aterramento, então a medição é classificada como "referenciada, terminação única". Geralmente é abreviado como RSE.

Por outro lado, se o próprio sinal fornece a referência de aterramento, a medição é classificada como “não referenciada, terminação única”, abreviado como NRSE.

Medições Diferenciais

Se ignorarmos o aterramento e medirmos entre dois pontos em um circuito, estaremos fazendo uma medição diferencial. É chamado de diferencial porque estamos medindo a DIFERENÇA entre esses dois pontos. Na verdade, estamos medindo dois sinais em vez de um em um cenário de ponta única. Cada canal diferencial realmente tem dois pré-amplificadores dentro dele, e essas entradas estão flutuando em relação ao terra.

Fontes de sinal flutuante

Você também pode ouvir que uma fonte de sinal é “flutuante”. Isso significa simplesmente que não está diretamente relacionado ao terra. Um exemplo comum de tal fonte seria uma bateria. No caso de medição a partir dos termminais de fontes de sinal flutuantes, o sistema de medição precisa fornecer a referência de aterramento.

O que são os termos: média, RMS, média de pico a pico?

A tensão pode ser quantificada de várias maneiras. Vamos dar uma olhada em cada um desses termos comuns e o que isso significa.

A tensão média ($V_{AV}$) é, como o nome já indica, o valor médio durante um período. Para sinais senoidais puros, a média será zero, porque a quantidade de corrente na primeira metade positiva da forma de onda é igual à corrente na metade negativa do ciclo. Essas correntes se cancelam resultando em zero. Portanto, tomando apenas metade de um ciclo, podemos definir a média tomando o valor de pico (máximo) e multiplicando-o por 0,637.

A tensão RMS (root-mean-square  $V_{RMS}$) é a raiz quadrada da média aritmética dos valores da função quadrada que definem a forma de onda contínua. Uma maneira comum de calcular RMS é multiplicar o valor de pico por 0,707. RMS é a forma mais comum de expressar tensões CA.

A tensão de pico ($V_{PK}$ ou $V_{MAX}$) descreve a tensão mais alta em um período.

A tensão pico a pico ($V_{PK}$) define toda a amplitude dos picos positivos e negativos em um período.

O fator de crista é uma proporção dos valores de pico máximos divididos pelo valor RMS de uma forma de onda AC. Uma vez que os níveis de voltagem DC e ondas quadradas não têm picos, eles têm um fator de crista de 1, onde uma onda senoidal pura tem um fator de crista de 1,414..

Observe que na maioria dos sistemas de medição, a Média, RMS, Pico e valores de fator de crista são normalmente calculados ao longo de um período de tempo, geralmente um subconjunto da taxa de amostra selecionada do sistema de aquisição de dados. Esta é uma forma muito útil de apresentar esses valores.

Por exemplo, no software de aquisição de dados DewesoftX, o usuário pode selecionar qualquer um desses valores e calculá-los em um divisor da taxa de amostragem selecionada. Aqui está um exemplo da tela de configuração, onde você pode selecionar quais valores estatísticos deseja exibir / registrar:

A imagem abaixo mostra como fica na tela. Os canais podem ser exibidos em uma variedade de displays gráficos, desde exibições numéricas simples até gráficos de tiras, gráficos de barras e muito mais.

O que é Tensão de Modo Comum? O que é Rejeição de Modo Comum?

As tensões de modo comum são sinais que estão presentes em ambos os terminais de uma fonte de sinal. Na realidade, não deve haver sinais idênticos em ambos os terminais, então o modo comum geralmente é o ruído que se infiltrou na cadeia de sinal.

A melhor maneira de eliminar ou reduzir as tensões de modo comum é fazer uma medição diferencial.

Para explicar, vamos recuar um pouco. Nas medições de terminação única mencionadas acima, estamos usando um pré-amplificador para medir a linha de sinal positiva. Se o ruído entrar no sinal, como podemos saber? Como podemos saber qual é o sinal real e qual é o ruído?

Talvez, por experiência, possamos ver a freqüência de 60 Hz em cima do sinal, mas é um desafio.

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

Rejeição de modo comum

O ruído elétrico circulando ao longo do cabo do nosso sensor deve estar presente em ambas as linhas - a linha positiva do sinal e a linha de aterramento (ou sinal negativo). Os sinais comuns às duas linhas serão rejeitados pelo amplificador diferencial, e apenas o sinal será transmitido, conforme mostrado no gráfico abaixo:

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

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

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

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

O que é um loop de terra?

A menos que sejam evitados, os loops de aterramento podem ser um problema sério para sistemas de medição. Às vezes chamado de “ruído”, um loop de aterramento é causado por referenciar inadvertidamente o equipamento elétrico a mais de um caminho para o terra - qualquer diferença de potencial nesses pontos de aterramento faz com que a corrente flua entre eles, induzindo um loop de corrente. Isso causa distorções no sinal que, se altas o suficiente, podem arruinar a medição.

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

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

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

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

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

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

Termos de isolamento importantes

Dadas todas as informações acima, parece claro que nossos sistemas de medição devem ter pelo menos entradas de sinais analógicos diferenciais e, de preferência, isoladas. 

Mas quando você está revisando as especificações de isolamento de vários sistemas de medição e condicionadores de sinal, você pode encontrá-lo especificado com termos como: 

• canal para terra,

• canal para canal  e

• banco isolado. 

O que esses termos significam e como eles se relacionam entre si?

Isolamento Canal para Terra

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

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

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

Isolamento canal a canal

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

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

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

Isolamento de Banco

O isolamento de banco é normalmente empregado por sistemas com grandes números de canais. Nesse cenário, os canais são isolados em grupos que compartilham isolamento comum. Isso pode ser feito para economizar dinheiro ou por necessidade. 

Os componentes de isolamento ocupam espaço e consomem energia. Em sistemas de medição de densidade muito alta, às vezes não há literalmente espaço suficiente para cada canal ser isolado separadamente.

Ao examinar os condicionadores de sinal compatíveis com Dewesoft para tensão posteriormente neste artigo, você verá que os condicionadores de sinal SIRIUS HD (alta densidade) são isolados em pares, onde cada dois canais compartilham um caminho de isolamento. Todos os outros condicionadores de sinal SIRIUS são isolados por canal.

Em breve:

A importância do isolamento nos sistemas de aquisição de dadosIsolamento elétrico é a separação de um circuito de outras fontes de potencial elétrico. Saiba mais sobre a importância do isolamento galvânico em sistemas DAQ.

O que são padrões de segurança “CAT”?

Olhando as especificações de instrumentação para entradas de alta tensão, você notará termos como “CAT II” e “CAT III”, com alguns níveis de tensão próximos a eles. O que isso significa?

“CAT” refere-se à categoria de medição IEC (International Electrotechnical Commission) de como e onde os instrumentos são usados ​​com respeito a circuitos ativos. Existem quatro categorias, listadas pelos algarismos romanos I, II, III e IV. 

Esses valores CAT referem-se essencialmente à localização do instrumento. O valor mais baixo disso significa que o instrumento estará localizado mais distante dos potenciais de alta tensão e transientes, enquanto CAT IV se refere a locais muito próximos à fonte de altas tensões e, portanto, transientes.

Então, dentro de cada um desses valores CAT, você freqüentemente verá valores de tensão que se referem à capacidade do instrumento de suportar transientes até aquele valor. Um instrumento classificado para CAT II-1000V é, obviamente, capaz de suportar muitos transientes de nível mais alto do que um instrumento classificado para CAT II-600V.

Localizações de exemplo de valor CAT

Basicamente, quanto mais próximo o equipamento estiver conectado da fonte primária de alimentação de tensão, maior a possibilidade de tensões transitórias perigosas entrarem no instrumento e, portanto, maior será o número CAT.

Proteção contra sobretensão transitória por tensão de trabalho e CAT

Na tabela acima, “tensão de trabalho” refere-se a CC ou CA RMS ao aterramento. O transiente de pico refere-se a 20 impulsos no nível de tensão fornecido. A impedância da fonte de teste vem de V / A.

Observe também que a impedância da fonte para CAT III e acima é 2 Ω contra 12 Ω para CAT II! 

De acordo com A = V / R (lei de Ohm - um princípio básico da engenharia elétrica), uma fonte de 2 Ω tem seis vezes a corrente fluindo do que uma fonte de 12 Ω. É por isso que o próprio número CAT é mais importante do que o valor de tensão que o segue. Por exemplo, um instrumento classificado como CAT II-1000V não é superior a um instrumento classificado para CAT III-600V devido a esta diferença de impedância da fonte.

Então, como você sabe qual nível e voltagem CAT exige para sua aplicação de alta voltagem? Como as altas tensões envolvem não apenas a segurança do seu equipamento, mas também a segurança dos operadores humanos, sempre considere o pior caso em termos de transientes de alta tensão perigosos e escolha um instrumento que proteja você e seus colegas.

Condicionadores de sinal Dewesoft com classificações CAT

O que é Sinal Overload / Sobremodulação?

Quando os níveis de sinal são maiores do que o esperado, eles são cortados pelo conversor ADC, resultando em medições erradas, o que significa que você tem que fazer o teste novamente. Isso é chamado de overload de sinal, corte e sobremodulação , entre outros termos.

Os engenheiros têm lutado com sinais de alta faixa dinâmica por décadas. A faixa dinâmica se refere à diferença entre a menor e a maior amplitude de um sinal. Imagine que você está fazendo uma medição e na maioria das vezes o sinal está na faixa de milivolts, mas ocasionalmente ele salta para 80 V. Se você definir a faixa de entrada para 100 V para evitar o corte quando o sinal aumentar, a resolução de o sinal quando está na faixa dos milivolts não será o ideal.

Os engenheiros resolveram isso inserindo o mesmo sinal em dois canais de seu sistema de medição e configurando os ganhos de forma diferente. Isso resolve mais ou menos o problema, mas cria mais dois problemas: 

1. Você precisa do dobro de canais de medição em seu sistema.

2. Analisar os dados é muito mais difícil porque você precisa combinar manualmente os conjuntos de dados dos dois canais após o teste para criar um conjunto composto de dados para cada canal. Essa é uma carga de trabalho enorme e uma carga de análise adicional, especialmente quando multiplicada por muitos canais.

Uma solução melhor seria um sistema DAQ em que cada canal de entrada realmente tivesse dois ADCs internos, cada um configurado com um ganho diferente, e um processador rápido que escolheria automaticamente aquele que melhor representasse o sinal e os combinaria em um único fluxo de dados. 

Isso parece bom demais para ser verdade? Isso já foi feito pela Dewesoft com sua tecnologia SIRIUS DualCore® ADC . Cada amplificador de canal tem dois ADCs que sempre medem o ganho alto e baixo do sinal de entrada. Isso resulta em toda a faixa de medição possível do sensor e evita que o sinal seja cortado.

Acima está um vídeo que mostra e explica mais sobre como funciona.

A tecnologia DualCoreADC® da Dewesoft atinge uma relação sinal / ruído de mais de 130 dB e mais de 160 dB na faixa dinâmica. Isso é 20 vezes melhor do que sistemas de 24 bits e 20 vezes menos ruído.

Transdutores de tensão

Cada instrumento que pode medir um sinal de tensão analógico pode fazer isso diretamente, certo? Então, por que precisaríamos de um transdutor de tensão?

Quase todos os sistemas DAQ e registradores de dados no mundo podem aceitar diretamente tensões baixas e médias nas faixas de 0-10V ou 0-50V, portanto, não precisamos de um sensor ou transdutor para reduzir ou converter essa tensão de qualquer forma. De 50 V a aproximadamente 1000 V existem condicionadores de sinal disponíveis para sistemas DAQ, como o módulo Dewesoft SIRIUS HV, que pode aceitar diretamente e com segurança essas tensões e reduzi- las internamente para que possam ser digitalizadas, exibidas e armazenadas.

Mas em tensões mais altas, ou em qualquer caso, quando correntes e tensões com risco de vida estão presentes, é essencial usar um transformador de alta tensão para diminuir a alta tensão e isolar o operador de teste humano de tensões e correntes perigosas. Esse dispositivo é chamado de transformador de tensão (VT) ou transformador de potencial (PT).

O sensor PT típico inclui um transformador para reduzir um potencial muito alto - até mesmo superior a 10kV - para um nível seguro. Ele pode ser colocado em série com ou através do circuito que está sendo monitorado. O enrolamento primário do transformador possui um grande número de voltas em comparação com o secundário. 

Como o dispositivo de aquisição de dados conectado normalmente tem uma impedância muito alta, muito pouca corrente fluirá, portanto, o enrolamento secundário do TP quase não experimenta nenhuma carga. A maioria dos PTs tem saída entre 50 e 200 V, o que quase todo sistema DAQ pode aceitar.

Os PTs estão disponíveis para uso externo e aqueles projetados para uso interno. Existem também aqueles projetados para aplicações de medição elétrica. Há também uma alternativa ao tipo de transformador puro, que usa um banco de capacitores após um transformador intermediário para reduzir ainda mais a tensão. Estes podem ser menos dispendiosos porque o transformador intermediário de razão de diminuição relativamente baixa é menos caro do que o transformador enrolado convencional com uma razão abaixadora alta. 

Uma terceira variante é o VT óptico. Os TPs ópticos são normalmente encontrados em subestações de energia e raramente em aplicações DAQ. Uma vez que operam no princípio do efeito Faraday, pelo qual a polarização da luz é afetada diretamente por um campo magnético, eles são inerentemente isolados. Eles também são extremamente precisos.

Aplicações de transdutor de tensão

• Teste de linha de alta tensão para produção e distribuição de energia, sincronizando geradores com a rede elétrica principal, 

• Aeroespacial - teste de motor e sistema de potência

• Automotivo - teste de sistema de circuito elétrico, híbrido e testes de motor elétrico

• Transporte - vagões elétricos do metrô, testes do terceiro trilho e pantógrafo, centros de distribuição de energia elétrica

Prós de transdutor de tensão

• They provide essential safety to the test engineer and technician

• Easy to use

• Most models do not require external power

• Long-life operation

Contras do transdutor de tensão

• Pode ser caro

O que é aliasing?

Digamos que sua tensão CA seja uma onda senoidal de 10 kHz, mas você só tira uma amostra a cada segundo. Obviamente, a gravação resultante ficará completamente errada. 

Entre cada amostra que você tira, 10.000 ondas senoidais terão passado. O “sinal” resultante parecerá uma forma de onda, mas estará completamente errado. Será um “alias” do sinal real. É perigoso porque você recebe algo que parece um sinal, mas, claro, está errado.

Vamos usar um exemplo prático. O gráfico abaixo representa o sinal real que estamos tentando medir:

Agora imagine que não estamos amostrando rápido o suficiente. Na verdade, estamos amostrando na taxa mostrada pelos pontos no gráfico abaixo:

Você provavelmente já pode ver como nosso “sinal” ficará após este processo:

Este é um resultado completamente errado: ele não se parece em nada com o sinal real. 

A solução mais óbvia para o aliasing é simplesmente amostrar mais rápido, para garantir que as frequências de seus sinais nunca serão mais altas do que a taxa de amostragem pode suportar.

Mas, em um sentido prático, isso nem sempre é possível. Às vezes, transientes inesperados acontecem, por exemplo. 

Se filtrarmos no domínio analógico antes do ADC, podemos evitar que o problema de aliasing ocorra. Observe que ainda é importante definir uma taxa de amostragem alta o suficiente para capturar a faixa de frequência de interesse, mas pelo menos com Filtros Anti-Aliasing (AAF) , evitaremos que sinais falsos ("alias") destruam a integridade de nossas medições . 

O AAF ideal teria uma banda passante muito plana E um corte muito nítido na frequência de Nyquist (essencialmente metade da taxa de amostragem). 

Configuração típica de AAF: um filtro analógico de passagem baixa íngreme antes do ADC impede a passagem de sinais de mais da metade da largura de banda máxima do ADC. Isso é o que Dewesoft faz com seus ADCs SAR de 16 bits encontrados nos módulos SIRIUS-HS.

No entanto, com seus ADCs Delta-sigma de 24 bits, como encontrados no sistema de aquisição de dados SIRIUS,  KRYPTON e IOLITE em quase toda a linha de produtos, os sistemas Dewesoft DAQ têm um filtro DSP adicional no próprio ADC que se ajusta automaticamente com base na taxa de amostragem que o usuário selecionou. Essa abordagem de vários estágios fornece a filtragem anti-aliasing mais robusta disponível nos sistemas DAQ hoje. 

A tecnologia ADC sigma-delta rápida da Dewesoft é a melhor abordagem possível para prevenir aliasing.

Dispositivos para medição de tensão comum

A tensão é um dos sinais registrados com mais frequência e praticamente todos os hardwares DAQ do mundo podem medi-la em um grau ou outro. Outros instrumentos também podem medir tensão, como osciloscópios e voltímetros de laboratório, só para citar alguns.

Os voltímetros são muito precisos, mas têm largura de banda baixa, enquanto os osciloscópios têm largura de banda muito alta, mas não são tão precisos, por exemplo. A tabela abaixo os divide em faixas baixas e altas, precisão e largura de banda:

Os números são apenas generalizações: existem muitos instrumentos no mercado e suas especificações podem variar muito.

Além disso, às vezes você precisa medir tensões muito pequenas, ou seja, na faixa de microvolts ... e até milhares de volts. Um pré-amplificador de tensão com várias faixas de entrada é necessário para converter esses níveis de sinal amplamente diferentes em uma saída normalizada que pode ser digitalizada. Às vezes, uma minúscula tensão está em cima de um grande desvio CC, que é outro desafio com o qual muitos sistemas de medição têm problemas.

Dispositivos Dewesoft compatíveis para medição de tensão por faixa de tensão

√ compativel (xxx) = requer modulos e/ou acessorios

PT = O transformador potenciométrico é absolutamente necessário para segurança, isolamento e divisão de tensão.

Saber mais:

A importância do isolamento nos sistemas de aquisição de dadosIsolamento elétrico é a separação de um circuito de outras fontes de potencial elétrico. Saiba mais sobre a importância do isolamento galvânico em sistemas DAQ.