Consideraciones de conexión a tierra para medidas mejoradas

Los sistemas de medidas pueden tener la capacidad de usar diferentes configuraciones de conexión a tierra porque las fuentes de señal también pueden tener diferentes configuraciones de conexión a tierra. Esta capacidad es esencial para garantizar la medida más precisa; sin embargo, esta flexibilidad agrega cierta dificultad al elegir la configuración de conexión a tierra del sistema de medidas.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de los componentes utilizados para realizar una medida. A la derecha, un sistema de medidas se compone de un instrumento y acondicionamiento de señales. Cabe señalar que el acondicionamiento de señales puede estar integrado en su instrumento o podría ser externo al instrumento. A la izquierda tenemos la fuente de la señal, que podría ser un solo transductor que produzca un voltaje a partir de un fenómeno físico o podría ser un dispositivo bajo prueba. En este artículo hablaremos sobre la conexión a tierra en la fuente de la señal, la conexión a tierra en el sistema de medidas y, finalmente, cómo elegir una configuración del sistema de medidas para garantizar un mínimo de ruido y error de medidas.

Figura 1: Una fuente de señal se alimenta a un sistema de medidas que comprende un instrumento y acondicionamiento de señales.

Hay dos categorías principales de fuentes de señales que deben considerarse para esta discusión de conexión a tierra; se muestran en forma esquemática en la Figura 2.

Figura 2: Es importante saber si su señal está conectada a tierra o flotando.

Fuentes de señal conectadas a tierra o referenciadas a tierra

Una fuente de señal con conexión a tierra es cuando una señal de voltaje se refiere a la tierra del sistema, como la tierra o la tierra de un edificio. Esto está representado por el esquema a la izquierda de la Figura 2 anterior porque la señal de voltaje tiene una ruta eléctrica directa a la tierra del sistema. Los ejemplos más comunes de fuentes con conexión a tierra son los dispositivos que se conectan a la tierra del edificio a través de tomas de pared de tres puntas, como generadores de señales y fuentes de alimentación. Es importante saber que las tierras de dos fuentes de señal conectadas a tierra de forma independiente no suelen tener el mismo potencial. La diferencia en el potencial de tierra entre dos sistemas conectados a la misma tierra del edificio puede ser de 10 mV, 200 mV o más.

Fuentes de señales flotantes o sin conexión a tierra

Una fuente de señal sin conexión a tierra o flotante es aquella en la que la señal de voltaje no está referenciada a una tierra del sistema, como la tierra o la tierra de un edificio. Esto se representa a la derecha en la Figura 2. Tenga en cuenta que ni la terminal positiva ni la negativa tienen una ruta eléctrica directa a tierra. Algunas fuentes de señales flotantes comunes son baterías, termopares y transformadores.

Puede configurar los instrumentos en uno de los tres modos: diferencial (DIFF), referenciado de una sola terminal (RSE) o no referenciado de una sola terminal (NRSE).

Sistemas de medida diferencial

Un instrumento diferencial requiere dos entradas donde ninguna entrada al amplificador de instrumentación está referenciada a una tierra del sistema. Esto se ilustra en la Figura 3, donde CH0+ y CH0- están conectados a las terminales positiva y negativa del amplificador de instrumentación respectivamente, pero no están conectados a la tierra del sistema de medida (AI GND).

Figura 3: Un sistema de adquisición diferencial ideal responde solo a la diferencia de voltaje entre sus dos terminales.

Un sistema de adquisición diferencial ideal responde solo a la diferencia de voltaje entre sus dos terminales, las entradas positiva (+) y negativa (-). El voltaje diferencial en el par de circuitos es la señal deseada, no obstante, puede existir una señal no deseada que es común en ambos lados de un par de circuitos diferenciales. Este voltaje se conoce como voltaje de modo común. Un sistema de medida diferencial ideal rechaza completamente, en lugar de medir, el voltaje de modo común para obtener medidas más precisas. Los dispositivos prácticos, sin embargo, tienen limitaciones descritas por especificaciones como el rango de voltaje en modo común y la relación de rechazo en modo común (CMRR).

El rango de voltaje de modo común es la variación de voltaje máxima permitida en cada entrada con respecto a la tierra del instrumento. Violar esta restricción da como resultado no solo un error de medidas, sino también un posible daño a los componentes del instrumento. Aquí está la fórmula para calcular el voltaje en modo común:

^{Ecuación 1: Cálculo de voltaje en modo común}

Donde:

Un ejemplo de violación de la especificación del rango de voltaje en modo común sería intentar una medida diferencial con un cable a 110 V y el otro cable a 100 V. Aunque la medida diferencial es de 10 V, que puede estar dentro de las especificaciones del dispositivo, el voltaje de modo común sería de 105 V y esto puede no estar dentro de la especificación del instrumento.

CMRR describe la capacidad de un sistema de medidas para rechazar voltajes de modo común. Los amplificadores con CMRRs más altos son más efectivos para rechazar voltajes de modo común y, por lo tanto, son más deseables para medidas precisas. El CMRR se puede describir como una relación entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común, como se ve en la Ecuación 2. CMRR también se puede describir en dB como se muestra en la Ecuación 3.

^{Ecuación 3: CMRR expresado en dB}

Por ejemplo, si el instrumento tiene un CMRR de 100,000: 1 (o 100 dB) y el voltaje en modo común es de 5 V, puede distinguir diferencias de voltaje superiores a 50 μV en los cables diferenciales. El rechazo en modo común es fundamental porque las fuentes de ruido del entorno están presentes en ambas líneas de la medida diferencial. Sin embargo, si el ruido está presente en ambas líneas, se cancela mediante la medida diferencial. Por esta razón, las configuraciones diferenciales conducen a medidas más precisas en comparación con las medidas de una sola terminal, pero las medidas diferenciales requieren el doble de canales en comparación con las medidas de una sola terminal.

Sistemas de medida de una sola terminal

Las configuraciones de una sola terminal comúnmente son la configuración predeterminada para los instrumentos. Se diferencian de las configuraciones diferenciales porque solo se requiere un canal de entrada analógica para la medida. Todos los canales del instrumento utilizan la entrada negativa al amplificador de instrumentación como referencia común, que se puede ver en la Figura 4. Debido a que las configuraciones de una sola terminal usan solo una entrada, pueden tomar el doble de medidas en comparación con un sistema de configuración diferencial con el mismo número de canales físicos. Por otro lado, esto hace que las medidas de una sola terminal sean susceptibles a ciclos a tierra, lo que puede disminuir la precisión de las medidas.

A continuación se muestran dos tipos diferentes de sistemas de medida de una sola terminal:

• Los sistemas RSE (GRSE) o RSE de tierra tienen el canal de referencia común conectado a la tierra del instrumento. En el ejemplo del sistema RSE que se muestra en la Figura 4, el canal de tierra del instrumento está etiquetado como AI GND.

Figura 4: El canal de referencia común de un sistema GRSE o RSE está conectado a la tierra del instrumento.

• Los instrumentos NRSE hacen referencia a un punto común; sin embargo, el punto común es el voltaje proporcionado en la terminal negativa del amplificador de instrumentación. En el ejemplo de NRSE que se muestra en la Figura 5, la referencia común es la línea AI SENSE; por lo tanto, el voltaje medido es la diferencia de potencial entre CH X y el voltaje en el canal AI SENSE.

Figura 5: El punto común de un instrumento NRSE es el voltaje proporcionado en la terminal negativa del amplificador de instrumentación.

Después de caracterizar tanto los tipos de conexión a tierra de la fuente de señal como las configuraciones del instrumento, ahora discutiremos qué combinaciones de fuentes de señal y configuraciones de instrumentos pueden producir los resultados más precisos.

Medir fuentes de señal conectadas a tierra

Una fuente de señal conectada a tierra se mide con mayor precisión con una configuración de instrumento diferencial o NRSE porque no se introduce una conexión a tierra adicional en todo el sistema. Una tierra adicional agregada al sistema puede resultar en ciclos a tierra, que son fuentes comunes de ruido en las aplicaciones de medidas.

Los ciclos a tierra ocurren cuando dos terminales conectadas en un circuito están en potenciales a tierra distintos, provocando que la corriente fluya entre dos puntos. La fuente de la señal puede estar varios voltios por encima o por debajo del suelo del instrumento. Este voltaje adicional puede causar un error en la medida en sí y la corriente que fluye también puede inducir voltajes en los cables cercanos y causar un error de medida adicional. Estos errores pueden aparecer como señales escalares o periódicas agregadas a la señal medida. Por ejemplo, si se forma un medida a tierra con una línea de alimentación AC de 60 Hz, la frecuencia de la línea de alimentación estándar en los Estados Unidos y algunos otros países, la señal AC de 60 Hz no deseada puede aparecer como un error de voltaje periódico en la medida.

Para calcular el voltaje medido, V_m, use la Ecuación 4 a continuación:

Ecuación 4: Voltaje medido con un ciclo de tierra presente

Donde:

El uso de la Ecuación 4 anterior le da matemáticamente el voltaje medido cuando hay un ciclo a tierra. Si continúa utilizando el ejemplo de la línea de alimentación de 60 Hz, ΔV_g es un valor que cambia con el tiempo en lugar de un desplazamiento escalar. Por lo tanto, la señal medida parece periódica en lugar de un simple error de compensación para el voltaje medido.

La Figura 6 muestra cómo se ve un sistema con un circuito a tierra en forma esquemática. Si está midiendo la fuente de voltaje V_s con un instrumento que usa una configuración RSE, puede simplificar el esquema a la izquierda de la ecuación con el esquema a la derecha de la ecuación en la Figura 6, que concuerda con los cálculos en la Ecuación 4.

Figura 6: Una fuente de señal con conexión a tierra medida con un sistema referenciado a tierra introduce ciclos a tierra y error de medida.

Para evitar ciclos a tierra como se muestra en la Figura 6, asegúrese de que solo exista una referencia a tierra en la fuente de señal y el sistema de medida usando una configuración de instrumento diferencial o NRSE o usando hardware de medida aislado, que se discute en la nota técnica Tipos de aislamiento y consideraciones al realizar una medida sobre de la serie fundamentos de instrumentos.

Medidas de fuente de señales flotantes

Puede medir fuentes de señales flotantes con cualquiera de las configuraciones de medida discutidas: diferencial, GRSE/RSE o NRSE. Tenga en cuenta que al usar configuraciones de medida diferencial o NRSE con una fuente flotante, debe incluir resistencias de polarización de cada cable, positivo (+) y negativo (-), a la tierra del instrumento (consulte la Figura 7).

^{Figura 7: Al medir una fuente de señal flotante con una configuración de instrumento diferencial o NRSE, se necesitan resistencias de polarización.}

Las resistencias de polarización proporcionan una ruta de DC desde las entradas del amplificador del instrumento a la tierra del amplificador del instrumento. Las resistencias de polarización deben tener una resistencia lo suficientemente alta como para no cargar la fuente de señal y permitir que la fuente de señal flote con respecto a la referencia del instrumento. Sin embargo, las resistencias de polarización deben ser lo suficientemente pequeñas para mantener el voltaje dentro del rango del instrumento. Esto generalmente da como resultado resistencias de polarización con un rango de 10 kΩ a 100 kΩ para satisfacer las condiciones. Siempre debe verificar dos veces la guía de especificaciones de su dispositivo para asegurarse de usar un valor de resistencia de polarización que esté dentro del rango adecuado.

Si las resistencias de polarización no se utilizan en una configuración diferencial o NRSE al medir fuentes de señales flotantes, las señales medidas pueden ser inestables o en el rango de escala completa positivo o negativo del instrumento.

Cuando se utiliza una configuración GRSE / RSE para medir una fuente de señal flotante, las resistencias de polarización no son necesarias. Para obtener los mejores resultados de medidas cuando se utilizan configuraciones de instrumentos de una sola terminal, se recomienda lo siguiente:

• Las señales de entrada son iguales o superiores a 1 V.
• El cableado de señales es relativamente corto y viaja a través de un entorno libre de ruido (o está debidamente blindado).
• Todas las señales de entrada pueden compartir una señal de referencia común, estable y conocida, generalmente un punto en el sistema donde el voltaje es de 0 V.

Para obtener un resumen de las combinaciones recomendadas de fuentes de señal y configuraciones de instrumentos, consulte la Figura 8. Conexión a tierra y medidas

^{Figura 8: Resumen de la configuración del instrumento versus el tipo de fuente de señal.}

• Los sistemas de medida incluyen un instrumento y acondicionamiento de señales. Dependiendo del instrumento, el acondicionamiento de señales puede ser parte del instrumento o externo.
• Dos categorías principales de fuentes de señal:
  • Fuente de señal con conexión a tierra: La señal tiene un camino eléctrico directo a tierra.
  • Fuente de señal flotante La señal no tiene una ruta eléctrica directa a tierra.
• Los instrumentos pueden tener tres configuraciones de medida principales:
  • Diferencial: Una medida que toma dos canales de entrada y es la configuración más precisa porque elimina los voltajes de modo común.
  • de una sola terminal referenciada a tierra (GRSE) o de una sola terminal referenciada a tierra (RSE): Una medida que usa solo un canal y la tierra del instrumento; sin embargo, este tipo de medida de una sola terminal es susceptible al ruido.
  • No referenciado de una sola terminal (NRSE): Un tipo de medida que utiliza un solo canal y un punto de referencia común, que no es tierra; sin embargo, este sistema es más susceptible al ruido en comparación con las medidas diferenciales.
• Se recomiendan configuraciones de instrumentos diferenciales o NRSE para medir una fuente de señal conectada a tierra.
• Las configuraciones de instrumentos diferenciales, GRSE/RSE o NRSE son configuraciones recomendadas para medir una fuente de señal flotante.
  • Las resistencias de polarización deben usarse en configuraciones de instrumentos diferenciales o NRSE para medir una fuente de señal flotante.

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