Împământarea și măsurători

Sistemele de măsurare pot avea capacitatea de a utiliza diferite configurații de împământare deoarece sursele de semnal pot avea, de asemenea, diferite configurații de împământare. Această capacitate este esențială pentru a asigura măsurarea cea mai exactă; cu toate acestea, această flexibilitate adaugă unele dificultăți atunci când alegeți configurația de împământare a sistemului de măsurare.

Figura 1 prezintă o diagramă bloc a componentelor utilizate pentru a efectua o măsurare. În partea dreaptă, un sistem de măsurare cuprinde un instrument și o condiționare a semnalului. Trebuie remarcat faptul că condiționarea semnalului poate fi integrată în instrumentul dvs. sau poate fi externă instrumentului. În stânga avem sursa de semnal, care ar putea fi un singur traductor care produce o tensiune de la un fenomen fizic sau ar putea fi un dispozitiv testat. În acest articol vom vorbi despre legarea la pământ a sursei de semnale, legarea la pământ a sistemului de măsurare și, în sfârșit, cum să alegem o configurație a sistemului de măsurare pentru a asigura zgomotul și eroarea minime de măsurare.

Surse de semnal

Există două categorii principale de surse de semnal; ele sunt arătate în formă schematică în Figura 2.

a. Surse de semnal împământate sau cu referința la masă

O sursă de semnal legată la pământ este atunci când un semnal de tensiune este referit la o masă a sistemului, cum ar fi pământul sau masa clădirii. Aceasta este reprezentată de schema din stânga din figura 2 de mai sus, deoarece semnalul de tensiune are o cale electrică directă la masa sistemului. Cele mai frecvente exemple de surse legate la masă sunt dispozitivele care se cuplează la masa clădirii prin intermediul prizelor de perete cu trei faze, cum ar fi generatoarele de semnale și sursele de alimentare.

Este important să știm că masele a două surse de semnal împământate independent nu sunt de obicei la același potențial. Diferența potențialelor de împământare dintre două sisteme conectate la aceeași masă a clădirii poate fi de 10 mV, 200 mV sau mai mult.

b. Surse de semnal neîmpământate sau flotante

O sursă de semnal neîmpământată sau flotantă este una în care semnalul de tensiune nu este referit la o masă a sistemului, cum ar fi pământul sau masa clădirii. Aceasta este reprezentată în dreapta în figura 2. Rețineți că nici terminalul pozitiv, nici cel negativ nu au o cale electrică directă către o masă. Unele surse flotante comune de semnal sunt bateriile, termocuplele și transformatoarele.

Sisteme de măsurare

Puteți configura instrumentele într-unul din cele trei moduri: diferențial (DIFF), referenced single-ended (RSE) mono cu referință sau nonreferenced single-ended (NRSE) mono fără referință.

a. Sisteme de măsurare diferențiale

Un instrument diferențial necesită două intrări în care nici o intrare către amplificatorul de instrumentație nu se raportează la o masă a sistemului. Acest lucru este ilustrat în figura 3, unde CH0+ și CH0- sunt conectate la bornele pozitive și negative ale amplificatorului de instrumentație, dar nu sunt conectate la masa sistemului de măsurare (AI GND).

Un sistem ideal de achiziție diferențială răspunde doar la diferența de tensiune dintre cele două terminale, intrare pozitivă (+) și negativă (-). Tensiunea diferențială din perechea de circuite este semnalul dorit, dar poate exista un semnal nedorit care este comun pentru ambele părți ale unei perechi de circuite diferențiale. Această tensiune este cunoscută ca tensiune de mod-comun. Un sistem ideal de măsurare diferențială rejectează complet, fără participarea măsurărilor, tensiunea de mod-comun pentru măsurători mai exacte. Dispozitivele practice au, totuși, limitări descrise de specificații, cum ar fi gama tensiunii de mod-comun și rata de rejecție mod-comun (CMRR).

Gama tensiunii de mod-comun este oscilația maximă admisibilă de tensiune pe fiecare intrare în raport cu masa instrumentului. A încălca această constrângere rezultă nu numai eroarea de măsurare, ci și posibile deteriorări ale componentelor instrumentului. Iată formula pentru calcularea tensiunii de mod-comun:

Ecuația 1. Calcularea tensiunii de mod-comun

unde:

VCM = Tensiunea de mod-comun
VIN+ = Tensiunea la terminalul de intrare neinversoare raportată la masă
VIN- = Tensiunea la terminalul de intrare inversoare raportată la masă

Un exemplu de încălcare a specificației gamei de tensiune mod-comun ar fi încercarea unei măsurări diferențiale cu un conductor la 110 V și celălalt conductor la 100 V. Deși măsurarea diferențială este de 10 V, care poate fi în specificația de intrare a dispozitivului, tensiunea de mod-comun ar fi de 105 V și acest lucru nu este în limitele specificațiilor instrumentului.

CMRR descrie capacitatea unui sistem de măsurare de a rejecta tensiunile de mod-comun.

Amplificatoarele cu CMRR mai mari sunt mai eficiente la rejectarea tensiunilor de mod-comun și, prin urmare, sunt mai de dorit pentru măsurători exacte. CMRR poate fi descris ca un raport al câștigului diferențial față de câștigul de mod-comun, observat în ecuația 2. CMRR poate fi, de asemenea, descris în dB așa cum se arată în ecuația 3.

De exemplu, dacă instrumentul are un CMRR de 100.000:1 (sau 100 dB) și tensiunea de mod-comun este de 5 V, puteți evidenția diferențele de tensiune mai mari de 50 μV pe conductorii diferențiali.

Rejectarea de mod-comun este critică, deoarece sursele de zgomot din mediul înconjurător sunt prezente pe ambele linii ale măsurătorii diferențiale. Cu toate acestea, dacă zgomotul este prezent pe ambele linii, acesta este anulat prin măsurarea diferențială. Din acest motiv, configurațiile diferențiale conduc la măsurători mai exacte comparativ cu măsurătorile mono, însă măsurătorile diferențiale necesită un număr dublu de canale, față de măsurătorile mono.

b. Sisteme de măsurare mono (single-ended)

Configurațiile mono sunt de obicei configurația implicită pentru instrumente. Ele diferă de configurațiile diferențiale deoarece pentru măsurare este necesar un singur canal de intrare analogic. Toate canalele de pe instrument utilizează intrarea negativă a amplificatorului de instrumentație ca referință comună, ceea ce poate fi văzut în figura 4. Deoarece configurațiile mono utilizează doar o intrare, ele pot lua dublul numărului de măsurători comparativ cu un sistem de configurare diferențială cu același număr de canale fizice. Pe de altă parte, aceasta lasă măsurătorile mono susceptibile la buclele de masă, ceea ce poate reduce acuratețea măsurătorilor.

Mai jos sunt două tipuri diferite de sisteme de măsurare mono:

■ Sistemele cu masă RSE (GRSE) sau sisteme RSE au canalul de referință comun conectat la masa instrumentului. În exemplul sistemului RSE prezentat în figura 4, canalul de masă al instrumentului este marcat AI GND.

■ Instrumentele NRSE se referă la un punct comun; dar, punctul comun este tensiunea furnizată la borna negativă a amplificatorului de instrumentație. În exemplul NRSE prezentat în figura 5, referința comună este linia AI SENSE; prin urmare, tensiunea măsurată este diferența de potențial dintre CH X și tensiunea la canalul AI SENSE.

Configurații sursă de semnal-sistem de măsurare

După ce se caracterizează atât tipurile de împământare a surselor de semnal, cât și configurațiile instrumentului, vom discuta acum ce combinații de surse de semnal și configurații de instrumente pot obține rezultatele cele mai exacte.

a. Măsurarea surselor de semnal împământate

O sursă de semnal legată la pământ este măsurată cu cea mai mare precizie cu o configurație de instrument diferențială sau NRSE, deoarece nu se introduce o masă suplimentară în întregul sistem. O masă suplimentară adăugată la sistem poate duce la bucle de masă, care sunt surse comune de zgomot în aplicațiile de măsurare.

Buclele de masă apar când două terminale conectate într-un circuit sunt la potențiale diferite ale masei, determinând curgerea curentului între cele două puncte. Masa sursei de semnal poate fi câțiva volți deasupra sau dedesubtul masei instrumentului. Această tensiune adițională poate duce la eroare în măsurarea însăși, iar curgerea curentului poate, de asemenea, să inducă tensiuni pe firele din apropiere, provocând o eroare suplimentară de măsurare. Aceste erori pot apărea ca semnale scalare sau periodice adăugate semnalului măsurat. De exemplu, dacă se formează o buclă de masă cu o linie de curent alternativ de 60 Hz, frecvența standard a liniilor de alimentare în Statele Unite și în alte țări, semnalul AC de 60 Hz nedorit poate apărea ca o eroare de tensiune periodică în măsurare.

Pentru a calcula tensiunea măsurată, Vm, folosiți ecuația 4 de mai jos:

Ecuația 4. Tensiunea măsurată în prezența unei bucle de masă

unde:

Vm = Tensiunea măsurată
Vs = Tensiunea semnalului
ΔVg = Diferența de tensiune între masa sursei de semnal și masa sistemului de măsurare

Folosind matematic ecuația 4, vă oferă tensiunea măsurată atunci când există o buclă de masă. Dacă continuați să utilizați exemplul liniei de alimentare de 60 Hz, ΔVg este o valoare care se schimbă odată cu timpul, în loc de un offset scalar. Prin urmare, semnalul măsurat pare periodic, în loc să fie privit ca o eroare de offset simplă, pentru tensiunea măsurată.

Figura 6 arată un sistem cu bucla de masă în formă schematică. Dacă măsurați sursa de tensiune Vs cu un instrument care utilizează o configurație RSE, puteți simplifica schema din partea stângă a ecuației cu schema din dreapta ecuației din figura 6, care este de acord cu calculele din ecuația 4.

Pentru a evita buclele de masă, așa cum se arată în figura 6, asigurați-vă că există numai o referință la masă în sursa de semnal și în sistemul de măsurare prin utilizarea unei configurații de instrument diferențial sau NRSE sau prin utilizarea unui echipament izolat de măsurare, care este discutat în capitolul următor.

b. Măsurarea surselor de semnal flotante

Puteți măsura sursele de semnal flotante cu oricare dintre configurațiile de măsurare discutate: diferențial, GRSE/RSE sau NRSE. Rețineți că atunci când utilizați configurații de măsurare diferențiale sau NRSE cu o sursă flotantă, trebuie să includeți rezistențe de polarizare de la fiecare cablu, pozitiv (+) și negativ (-), la masa instrumentului (vezi figura 7).

Rezistoarele de polarizare asigură o cale de curent continuu de la intrările amplificatorului de instrumentație la masa amplificatorului. Rezistoarele de polarizare ar trebui să aibă o rezistență suficient de mare pentru a nu încărca sursa de semnal și pentru a permite sursei de semnal să floteze în raport cu referința instrumentului.

Dar, rezistențele de polarizare ar trebui să fie suficient de mici pentru a menține tensiunea în gama instrumentului. Rezultă, în mod obișnuit, rezistoare de polarizare cu o gamă de 10 kΩ la 100 kΩ pentru a satisface condițiile. Ar trebui să verificați întotdeauna ghidul de specificații al dispozitivului pentru a vă asigura că utilizați o valoare a rezistorului de polarizare care se încadrează în intervalul adecvat.

Dacă rezistențele de polarizare nu sunt utilizate într-o configurație diferențială sau NRSE atunci când se măsoară surse de semnal flotante, semnalele măsurate pot fi instabile sau la scara maximă pozitivă sau negativă a gamei instrumentului.

Când se utilizează o configurație GRSE/RSE pentru a măsura o sursă de semnal flotantă, nu sunt necesare rezistențe de polarizare. Pentru a obține cele mai bune rezultate ale măsurătorilor atunci când utilizați configurații de instrumente mono, se recomandă următoarele:

■ Semnalele de intrare sunt egale sau mai mari de 1 V.

■ Cablul de semnal este relativ scurt și trece printr-un mediu fără zgomot (sau este ecranat corespunzător).

■ Toate semnalele de intrare pot împărtăși un semnal de referință comun, stabil și cunoscut - în general un punct în sistem unde tensiunea este de 0 V.

Pentru un rezumat al combinațiilor recomandate de surse de semnal și de configurații ale instrumentului, consultați figura 8.

Rezumat

■ Sistemele de măsurare includ un instrument și condiționarea semnalului. În funcție de instrument, condiționarea semnalului poate fi o parte a instrumentului sau externă.

■ Două categorii principale de surse de semnal:

- Sursă de semnal legată la pământ: semnalul are o cale electrică directă la masă

- Sursa de semnal flotantă: Semnalul nu are o cale electrică directă la masă

■ Instrumentele pot avea trei configurații principale de măsurare:

- Diferențial: o măsurătoare care necesită două canale de intrare și este cea mai exactă configurație, deoarece elimină tensiunile de mod-comun

- Mono cu referință la masă (GRSE) sau mono cu referință (RSE): o măsurătoare care utilizează numai un canal și masa instrumentului; totuși, acest tip de măsurare mono este susceptibil la zgomot

- Mono fără referință (NRSE): Un tip de măsurare care utilizează numai un canal și un punct de referință comun, care nu este masa; cu toate acestea, acest sistem este mai susceptibil la zgomot în comparație cu măsurătorile diferențiale

■ Se recomandă configurarea instrumentului diferențial sau NRSE pentru a măsura o sursă de semnal legată la masă.

■ Configurațiile Diferențial, GRSE/RSE sau NRSE sunt configurații recomandate pentru a măsura o sursă de semnal flotantă.

- Rezistențele de polarizare trebuie utilizate în configurații de instrumente diferențiale sau NRSE pentru a măsura o sursă de semnal flotantă.