Types d’isolation et considérations lors de la prise de mesure

L’isolation est une méthode de séparation physique et électrique de deux parties distinctes d’un instrument. Lorsque le terme « isolation » est utilisé pour des instruments, il fait très probablement référence à l’isolation électrique. Cela signifie que le courant ne circule pas entre les deux parties du système qui sont isolées l’une de l’autre. L’isolation électrique présente plusieurs avantages, mais l’un des plus importants en ce qui concerne l’exactitude des mesures, c’est que l’isolation brise les boucles de masse.

L’isolation utilise également des barrières physiques et électriques pour fournir des avantages en matière de sécurité, en maintenant les hautes tensions ou tensions transitoires élevées à l’écart de l’utilisateur ou des composants de circuit critiques, ce que nous aborderons dans les sections suivantes.

Tout d’abord, voici un aperçu des boucles de masse, qui sont traitées plus en détail dans le livre blanc Considérations relatives à la mise à la masse pour l’amélioration des mesures de la série Principes fondamentaux des instruments.

Boucles de masse

Les boucles de masse constituent la source de bruit la plus courante dans les applications d’acquisition. Elles se produisent lorsque deux terminaux connectés dans un circuit présentent des potentiels de masse différents, provoquant ainsi la circulation du courant entre les deux points. Cette différence de potentiel entraîne une erreur dans la tension mesurée, V_m, qui peut être calculée à l’aide de l’Équation 1.

Équation 1 : Tension mesurée avec boucle de masse présente.

Où :

= Tension mesurée

  = Tension du signal

  = Différence de tension entre la masse de la source du signal et la masse de l’instrument.

Le livre blanc Considérations relatives à mise à la masse pour l’amélioration des mesures explique comment éliminer les boucles de masse en s’assurant qu’une seule référence à la masse existe dans la source du signal et la configuration du système de mesure. Toutefois, l’utilisation de matériel isolé élimine également les boucles de masse, car cela supprime le chemin du courant entre la masse de la source du signal et la masse du système de mesure.

En général, il existe trois types de topologies d’isolation différents, allant respectivement d’un niveau de protection bas à un niveau de protection élevé :

• Isolation voie-terre
• Isolation par banque (voie-bus)
• Isolation voie-voie

Isolation voie-terre

Il s’agit du niveau d’isolation de protection le plus bas pour un instrument. La Figure 1 présente un schéma de l’isolation voie-terre. Les tensions présentes aux entrées analogiques 1, 2 et Masse ne sont pas isolées l’une de l’autre. Cependant, elles sont isolées de la masse de l’instrument. Cette topologie d’isolation brise les boucles de masse entre l’entrée analogique 1 et la terre, mais il est possible qu’un courant présent sur l’entrée analogique 1 entraîne une tension sur l’entrée analogique 2, car elles ne sont pas isolées l’une de l’autre.

^{Figure 1 : L’isolation voie-terre n’isole pas les voies les unes des autres, mais les isole de la masse de l’instrument.}

Isolation par banque (voie-bus)

Dans l’isolation par banque, également connue sous le nom d’isolation voie-bus, plusieurs lignes physiques sont construites en groupes appelés « banques ». La Figure 2 illustre cette architecture. Étant donné que des barrières d’isolation existent entre les voies de différentes banques, la protection contre les boucles de masse est élevée entre les banques. Cependant, dans cette topologie, il est toujours possible que les signaux sur les voies d’une banque puissent s’affecter les uns les autres.

^{Figure 2 : Dans l’isolation par banque, la protection contre la boucle de masse est élevée entre les différentes banques.} 

Isolation voie-voie

Cette topologie fournit la protection la plus complète pour les signaux sur les lignes d’instrument car non seulement toutes les voies sont isolées de la terre, mais chacune est également isolée de toutes les autres voies individuelles. La Figure 3 illustre cette topologie.

^{Figure 3 : Dans l’isolation voie-voie, chaque voie est isolée de toutes les autres voies individuelles.}

Les voies d’entrée ou de sortie analogiques peuvent être isolées à l’aide de deux méthodes différentes, quelle que soit la topologie d’isolation de l’instrument. La différence entre les deux méthodes réside dans l’emplacement du circuit d’isolation dans l’instrument. L’isolation analogique fait référence à l’endroit où le circuit d’isolation se trouve dans le chemin avant le convertisseur analogique-numérique (C A/N) et elle agit sur le signal analogique. L’isolation numérique fait référence à l’endroit où le circuit d’isolation se trouve après le C A/N, car elle agit sur les données nouvellement numérisées.

Isolation analogique

Un amplificateur d’isolation est l’un des éléments les plus couramment utilisés pour fournir une isolation dans le front analogique d’un instrument. Comme illustré dans la Figure 4, les données analogiques passent du capteur au connecteur d’E/S dans l’amplificateur d’isolation via l’amplificateur de gain, puis vers le C A/N.

^{Figure 4 : Un amplificateur d’isolation est l’un des éléments les plus couramment utilisés pour fournir une isolation dans le front analogique d’un instrument.}

L’un des grands avantages de l’isolation analogique est qu’elle protège le C A/N. Comme l’isolation est fournie avant le C A/N, ce dernier est moins susceptible d’être endommagé par des tensions transitoires ou élevées. Cependant, l’isolation analogique présente des inconvénients. Tout d’abord, étant donné que l’isolation analogique n’est pas parfaite et qu’elle se situe avant le C A/N, cela peut ajouter une erreur de gain, non linéaire ou d’offset au signal analogique avant qu’il n’atteigne le C A/N. Ceci n’est pas idéal et peut réduire l’exactitude de la mesure. De plus, les composants d’isolation analogique peuvent introduire des temps de configuration plus longs et sont souvent plus chers que leurs équivalents d’isolation numérique.

Isolation numérique

Contrairement à l’isolation analogique, le circuit d’isolation numérique est placé après le C A/N dans l’instrument, comme illustré dans la Figure 5.

^{Figure 5 : Contrairement à l’isolation analogique, le circuit d’isolation numérique est placé après le C A/N dans l’instrument.}

L’isolation numérique peut améliorer les performances et l’exactitude par rapport aux circuits d’isolation analogique, car le signal mesuré est moins altéré avant d’être numérisé par le C A/N. Les circuits d’isolation numérique présentent également des avantages par rapport aux circuits d’isolation analogique, car ils sont généralement moins coûteux et fonctionnent à des vitesses de transfert de données plus rapides. Cependant, étant donné que le circuit d’isolation numérique se trouve après le C A/N, ce dernier est plus sensible aux dommages qu’un pic de tension peut causer.

Nous avons abordé les topologies d’isolation courantes pour les instruments et l’endroit où l’isolation peut être appliquée au signal dans l’instrument, mais nous n’avons pas parlé de la barrière d’isolation elle-même ou de la manière dont le signal traverse cette barrière. Dans cette section, nous couvrirons rapidement la barrière d’isolation, puis nous passerons à trois types d’isolation courants, qui utilisent différentes techniques pour transmettre les données du signal à travers la barrière d’isolation.

L’isolation physique constitue la forme d’isolation la plus élémentaire, ce qui signifie qu’il existe une barrière physique entre deux systèmes électriques. Cette barrière physique peut prendre la forme d’une isolation, d’un entrefer ou de tout chemin non conducteur entre deux systèmes électriques. Avec une isolation physique pure, vous pouvez supposer qu’aucun transfert de signal n’existe entre les systèmes électriques. Dans le cas des systèmes de mesure isolés, le signal concerné doit traverser la barrière d’isolation avec les avantages de l’élimination des boucles de masse. Par conséquent, vous devez disposer d’un transfert, ou d’un couplage, de l’énergie du signal à travers la barrière d’isolation. Trois techniques courantes de transfert du signal à travers l’isolation sont décrites ci-dessous.

Isolation capacitive

L’isolation capacitive, illustrée à la Figure 6, utilise un champ électrique comme forme d’énergie pour transférer le signal à travers la barrière d’isolation. Le champ électrique modifie le niveau de charge du condensateur. Cette charge est détectée à travers la barrière d’isolation. La charge détectée est proportionnelle au niveau du signal mesuré.

^{Figure 6 : L’isolation capacitive utilise un champ électrique comme forme d’énergie pour transférer le signal à travers la barrière d’isolation.} 

Isolation inductive

L’isolation inductive utilise un transformateur, illustré à la Figure 7, pour transférer un signal à travers une barrière d’isolation. Le transformateur génère un champ électromagnétique, proportionnel au signal mesuré, sous forme d’énergie pour traverser la barrière d’isolation.

^{Figure 7 : L’isolation inductive utilise un transformateur, indiqué par le symbole ci-dessus, pour transférer un signal à travers une barrière d’isolation.}

Comme dans le couplage capacitif, l’isolation inductive peut fournir des vitesses de transmission de données relativement rapides. En plus de la transmission haute vitesse, le couplage inductif utilise peu d’énergie pour la transmission de données. Toutefois, le couplage inductif est sensible aux interférences des champs magnétiques environnants car il utilise des champs électromagnétiques comme méthode pour traverser la barrière d’isolation. Si des champs magnétiques externes interfèrent avec le champ électromagnétique produit par le transformateur, cela peut affecter l’exactitude de la mesure.

Isolation optique

L’isolation optique utilise une LED et un photodétecteur pour transmettre les informations du signal à travers la barrière d’isolation. Dans l’isolation optique, la barrière d’isolation est généralement un entrefer et le signal est transmis à l’aide de la lumière. L’intensité lumineuse produite par la LED est proportionnelle au signal mesuré.

^{Figure 8 : L’isolation optique utilise une LED et un photodétecteur pour transmettre les informations du signal à travers la barrière d’isolation.}

Étant donné que l’isolation optique utilise la lumière comme énergie pour transférer le signal mesuré à travers la barrière d’isolation, elle bénéficie d’une immunité aux interférences de champ électrique et magnétique. Cela peut faire de l’isolation optique une technique efficace dans les zones industrielles où de forts champs électriques ou magnétiques peuvent être présents. Les avantages obtenus grâce à l’utilisation de la lumière sont contrebalancés par certains inconvénients. L’isolation optique a généralement des vitesses de transfert de données plus lentes, qui sont limitées à la vitesse de commutation des LED. Elle présente également une dissipation de puissance relativement élevée par rapport à l’isolation capacitive et inductive.

• L’isolation est une méthode de séparation physique et électrique de deux parties distinctes d’un instrument.
• L’un des principaux avantages des systèmes de mesure isolés est d’éliminer les boucles de masse afin de mesurer le signal d’intérêt avec plus d’exactitude.
• En fonction des exigences de l’application, il est possible de choisir la topologie d’isolation qui correspond le mieux aux besoins du système.
  • L’isolation voie-terre isole les voies de la masse de l’instrument.
  • L’isolation par banque (voie-bus) isole les groupes (banques) de lignes des autres groupes de lignes, ainsi que de la masse de l’instrument.
  • L’isolation voie-voie isole chaque ligne de toutes les autres lignes présentes et de la masse de l’instrument.
• Le circuit d’isolation analogique protège le C A/N des tensions élevées et transitoires, mais il peut ajouter des erreurs de gain, non linéaires et d’offset au signal avant qu’il n’atteigne le C A/N.
• Le circuit d’isolation numérique ne protège pas le C A/N et ses avantages par rapport à l’isolation analogique comprennent un coût moindre, des vitesses de transmission de données plus élevées et meilleure exactitude car le signal est moins altéré avant d’atteindre le C A/N.
• Aperçu des types d’isolation : 

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