How-To, Effettuare misure di tensione

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Panoramica sulle misure di tensione

La tensione è la differenza di potenziale elettrico espressa in volt, tra due punti di un circuito elettrico o elettronico. Serve a misurare l'energia potenziale di un campo elettrico per generare una corrente elettrica all'interno di un conduttore. La maggior parte dei dispositivi di misura sono in grado di leggere o misurare la tensione prodotta sia da un flusso di corrente continua (DC) e cha alternata (AC). Sebbene le misure di tensione siano le più semplici tra i diversi tipi di misura analogica, esse devono sempre contrastare la presenza di rumore di ogni tipo.

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Come effettuare una misura di tensione in continua

Nonostante sia possibile avvalersi di sensori con uscita DC abbinati ad un dispositivo di acquisizione dati, questo articolo ha come scopo principale l’esame delle misure DC generali che non richiedono l'impostazione di un sensore intermediario.

Nozioni di base sulle misure di tensione

Per capire con effetture misure di tensione, è necessario avere una conoscenza di base di questo genere di misura. Sostanzialmente, la tensione è la differenza elettrica di potenziale tra due punti di interesse in un circuito elettrico. Tuttavia, un argomento fortemente dibattuto riguarda la determinazione di un punto di riferimento della misura, ovvero il livello di tensione a cui la misura fa riferimento.

Metodi per il ricavare il punto di riferimento

In generale esistono due metodi per misurare la tensione: con riferimento a massa e differenziale

Misure di tensione tramite messa a terra (massa)
Questo primo metodo prevede la misura del voltaggio tramite un punto comune, definito “massa”. Molto spesso, tali “masse” sono utilizzate come riferimento attorno ad un valore di 0 V. Storicamente, l’origine del termine massa deriva dal tentativo di assicurare una differenza di potenziale pari a 0V connettendo il segnale direttamente a terra.

È possibile utilizzare le connessioni in ingresso riferite a massa per qualunque sensore che soddisfi le seguenti condizioni:

• Livello elevato del segnale di input (maggiore di 1 V)
• Cavi di connessione tra la sorgente di segnale ed il dispositivo inferiori a 3 m
• Segnale di input in grado di condividere un punto di riferimento comune con altri segnali

Il riferimento di messa a terra è fornito sia dal dispositivo di misura, sia dal segnale esterno misurato. Quando la massa viena fornita dal dispositivo, tale impostazione viene definita come RSE (ground referenced single-ended mode) e quando viene fornita dal segnale, essa viene definita NRSE (nonreferenced single-ended mode).

La maggior parte degli strumenti di misura dispone di simili piedinature per misure di input analogico. Il seguente esempio dimostra la possibilità di effettuare questo tipo di misura mediante uno chassis NI CompactDAQ e un modulo di input analogico NI 9205 (vedi Figura 1).

Figura 1. Chassis NI CompactDAQ e modulo di input analogico NI 9205

La figura 2 mostra il diagramma della connessione per le misure di tensione per il riferimento single-ended (RSE) utilizzando uno chassis NI cDAQ-9172 con un modulo NI 9205 nonchè le pedinature per il modulo. Nella figura, il Pin 1 corrisponde al canale "Input analogico 0" e il Pin 17 corrisponde al terminale di terra comune.

 

Figura 2. Modalità Single-Ended con riferimento a terra

La figura 3 mostra il diagramma di connessione per le misure di tensione NRSE utilizzando un cDAQ-9172 con un NI 9205. Nella figura, il connettore 1 corrisponde al canale di “input analogico 0” e il connettore 35 corrisponde al canale di “input analogico di riferimento”. Questo canale, dedicato alle misure NRSE è in grado di rilevare la tensione di terra fornita dal segnale.

 

Figura 3. Modalità Single-Ended senza riferimento

Misure di tensione differenziale
Un altro metodo per la misura della tensione riguarda la determinazione del "differenziale" tra due punti separati in un circuito elettrico. Ad esempio, per la misura del tensione lungo un resistore singolo, è possibile misurare la tensione ad entrambi i capi del resistore. La differenza tra le due tensioni permette di ottenere la tensione lungo il resistore. Di solito, le misure di tensione differenziale sono utili per determinare la tensione esistente nei singoli elementi del circuito oppureper verificare la rumorosità delle sorgenti di segnale.

È possibile utilizzare gli input di connessione differenziale per qualunque canale che soddisfi le seguenti condizioni:

• Segnale di input a basso livello (inferiore a 1 V)
• Cavi di connessione tra la sorgente di segnale ed il dispositivo superiori a 3 m
• Il segnale di input necessita di un punto di riferimento di terra o segnale di ritorno separati
• Le connessioni vaggiano attraverso ambienti rumorosi

La figura 4 mostra il diagramma di connessione per le misure di tensione NRSE utilizzando un cDAQ9172 con un NI 9205. Nella figura, il connettore 1 corrisponde al canale di “input analogico 0” e il connettore 19 corrisponde al canale di “input analogico 8”.

In modalità differenziale, il segnale negativo è collegato al connettore analogico rivolto verso il canale analogico a sua volta connesso al segnale positivo. Ad esempio, il pin “input analogico 0” sarebbe connesso ai segnali positivi e il pin “Input analogico 8” sarebbe connesso ai segnali negativi così come il pin “input analogico 1" al positivo e il pin “input analogico 9 al negativo e così via. Lo svantaggio della modalità differenziale riguarda il dimezzamento del numero effettivo di canali disponibili per la misura dell’input analogico.

 

Figura 4. Modalità differenziale

Tipologie di sorgenti di segnale

Prima di configurare i canali di input ed effettuare connessioni di segnale, è necessario determinare se le sorgenti dei segnali stessi sono flottanti o riferite a massa.

Sorgenti flottanti di segnale
Una sorgente flottante di segnale non è connessa al sistema di terra ma ha un punto riferito a massa che rimane isolato. Alcuni esempi di sorgenti flottanti sono gli output di trasformatori, termocoppie, dispositivi alimentati a batteria, isolatori ottici ed amplificatori di isolamento. Uno strumento o dispositivo che non è dotato di output isolato è una sorgente flottante. Il riferimento di massa per un segnale flottante deve essere connesso al filo di terra del dispositivo per stabilire un riferimento del segnale locale o a bordo scheda. In caso contrario, il segnale di input misurato varia al variare dell’input di modo comune.

Sorgenti di segnale con riferimento a terra
Una sorgente di segnale con riferimento a terra ha un collegamento diretto al punto di “massa” della sorgente. Gli output non isolati di strumenti e dispositivi connessi al sistema di alimentazione rientrano in questa categoria. La differenza del potenziale di massa tra i due strumenti connessi allo stesso sistema di alimentazione si trova tipicamente tra 1 e 100 V. Talvolta questa è molto più alta se i circuiti di alimentazione sono connessi in maniera inadeguata. Se una sorgente di terra viene misurata in maniera errata, questa differenza può generare un errore. Seguire le corrette istruzioni di connessione per le sorgenti di terra consente di eliminare la differenza di potenziale di massa dal segnale misurato.

La figura 5 mostra i diversi tipi di sorgente nonchè i diagrammi per le connessioni ottimali sulla base del metodo di misura specifico. Si noti che, in base al tipo di segnale, l’utilizzo di un particolare metodo di misura della tensione può fornire migliori risultati rispetto ad altri.

Figura 5. Tipologie di sorgente comune versus Configurazioni di input raccomandate

Isolamento e misure di tensione elevata

Per la misura di tensioni più elevate è necessario prendere in considerazione alcuni fattori aggiuntivi. La prima domanda da porsi, specificando un sistema di acquisizione dati, riguarda la sicurezza. Effettuare misure ad elevata tensione può comportare rischi per gli strumenti, per l’unità sotto test, e per l’operatore. Per garantire la sicurezza del sistema, è necessario fornire una barriera di isolamento tra l’utente e la tensione utilizzando dispositivi di misura isolati.

L’isolamento, ovvero un processo che riguarda la separazione fisica ed elettrica di due parti di un dispositivo di misura, può essere definito come isolamento elettrico e di sicurezza. L’isolamento elettrico ha lo scopo di eleminare il passaggio delle cariche e delle correnti tra due sistemi elettrici. Grazie all’isolamento elettrico è possible spezzare i collegamenti tra le masse, incrementare la gamma di modo comune dei dispositivi di acquisizione e spostare il livello del riferimento del segnale di terra ad un sistema singolo di massa. L’isolamento di sicurezza fa riferemento ai requisiti specifici per isolare gli essere umani dal contatto con tensioni pericolose. Esso si riferisce inoltre alla capacità di un sistema elettrico di prevenire il passaggio di alte tensioni, superiori ai limiti consentiti, ad altri sistemi elettrici con i quali l’utente lavora.

Le tre funzioni principali dell’isolamento di un sistema di acquisizione dati sono: Prevenire i loop di massa, escludere la tensione di modo comune e garantire la sicurezza.

Anello di Massa (Ground Loop)

Gli anelli di massa (Ground Loop) sono la sorgente più comune di rumore nelle applicazioni di acquisizione dati. La loro presenza si manifest quando due terminali connessi in un circuito hanno diversi potenziali di massa, causando un flusso di corrente tra i due punti. È possibile che la massa puntuale di un sistema sia inferiore o superiore di parecchi volt rispetto alla massa dell’edificio più vicino. Essa può aumentare di centinaia o migliaia di volt nel caso di fulmini. Questo ulteriore aumento di tensione può causare errori significanti nella misura e la corrente generata può raddoppiare il voltaggio presente all’interno dei cavi. Questi errori posso essere transitori o periodici. Ad esempio, se un loop di massa è formato da linee di alimentazione AC a 60 Hz, il segnale AC indesiderato appare come un errore periodico di tensione nella misura.

In presenza di un loop di terra, la tensione misurata, Vm, è la somma della tensione del segnale Vs, e della differenza di potenziale, , Vg, esistente tra la massa del segnale sorgente e la massa del sistema di misura (vedi figura 6). In genere, questo potenziale non è a livello DC, quindi il risultato è un sistema di misura rumoroso che spesso mostra in fase di lettura componenti dotati di frequenza a 60 Hz

Figura 6. Una sorgente di segnale di massa misurato con un sistema riferito a massa genera loop di massa

Per evitare i loop di massa è necessario assicurare la presenza di un solo riferimento di terra nel sistema di misura, oppure utilizzare strumenti hardware per la misura isolati. L’utilizzo di hardware isolato elimina il percorso tra la massa del segnale sorgente e il dispositivo di misura impedendo il flusso di corrente tra i vari punti di messa a massa.

L’impostazione di NI CompactDAQ di cui sopra, il modulo di input analogico NI 9229 fornisce isolamento canale-canale a 250 V.

Figura 7. Modulo di input analogico isolato canale-canale NI 9229

Tensione di modo comune
Un sistema di misura differenziale risponde solo alla differenza potenziale tra due terminali, input (+) e (-). La tensione differenziale tra la coppia di circuito è il circuito desiderato. È possibile che esista ancora un segnale indesiderato comune ad entrambi i lati del coppia di circuito differenziale. Questa tensione è nota come tensione di modo comune. Un sistema ideale di misura differenziale non si occupama di misurare, piuttosto eliminana completamente la tensione di modo comune. I dispositivi reali, tuttavia, hanno diverse limitazioni descritte dai parametri quali voltaggio di modo comune e rapporto di reiezione di modo comune (CMRR).

La tensione di modo comune è definita come la massima oscillazione di tensione consentita su ciascun input rispetto al sistema di messa a terra. La violazione di questo limite non solo causa errori di misura ma anche eventuali danni ai componenti presenti sulla scheda.

Il rapporto di reiezione di modo comune descrive la capacità di un sistema di misura di escludere le tensioni di modo comune. Gli amplificatori dotati di rapporti di reiezione elevati sono più efficaci nell’esclusione di tensioni di modo comune.

In un sistema di misura differenziale non isolato, esiste ancora un percorso elettrico nel circuito tra l’input e l’output. Quindi, le caratteristiche elettriche dell’amplificatore limitano il livello del segnale di modo comune applicabile all’input. Utilizzando amplificatori ad isolamento, il percorso conduttore viene eliminato; questo favorisce l’aumento del rapporto di reiezione di modo comune.

Topologie di isolamento

È importante conoscere la topologia di isolamento di un dispositivo nella configurazione di un sistema di misura. A diverse topologie corrispondono varie considerazioni su costi e velocità.

Channel-to-Channel
La topologia di isolamento più consistente è quella channel-to-channel. In questa topologia, ciascun canale è isolato sia individualmente che da altri componenti non isolati del sistema. Ciascun canale dispone inoltre di una propria alimentazione isolata.

In termini di velocità, esistono molteplici architetture da poter scegliere. Utilizzando un amplificatore di isolamento con un convertitore ADC (analog-to-digital) per canale, è possibile incrementare la velocità in quanto esso raggiunge tutti i canali in parallelo. I moduli di input analogico NI 9229 e NI 9239 offrono isolamento channel-to-channel per fornire la migliore accuratezza nella misura.
Un’architettura più efficace in termini di costo ma dotata di velocità inferiore, implica il multiplexing di ciascun input isolato in un singolo convertore ADC.
Un altro metodo per fornire un isolamento channel-to-channel prevede l’utilizzo di un alimentatore isolato comune per tutti i canali. In questo caso, la tensione di modo comune degli amplificatori è limitata alla fornitura di rail dell’alimentatore, a meno che non si utilizzino attenutori front-end.

Bank
Un'altra tipologia di isolamento riguarda il banking, o il raggruppamento di diversi canali per la condivisione di un unico amplificatore di isolamento. In questa topologia, la differenza tra la tensione di modo comune tra i canali è limitata, ma è possibile che la tensione di modo comune tra il gruppo di canali e la parte non isolata del sistema della misura sia elevata. I canali individuali non sono isolati, ma i gruppi dei canali sono isolati da altri gruppi e da terra. Questa topologia è una soluzione di isolamento a basso costo in quanto condivide un singolo amplificatore di isolamento.
La maggior parte dei moduli di input analogico della serie C, quali NI 9201 and NI 9221, dispongono di isolamento a banchi e forniscono accurate misure analogiche ad un basso costo.

Visualizza le operazioni di misura: NI LabVIEW
Dopo aver connesso il sensore allo strumento di misura, è possibile utilizzare l’ambiente di programmazione grafica di LabVIEW per visualizzare e analizzare i dati quando richiesto (vedi figura 9).

 

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Figura 8. Misura di tensione con LabVIEW

 

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