¿Son necesarias las fuentes de conexión a tierra en estrella para este sistema de adquisición de datos?

Question

Varios transductores de salida simple y alimentados por una fuente de alimentación están a decenas de metros de distancia unos de otros emitiendo voltajes similares a los de 0 a 10V DC.

Algunos son transductores de temperatura, otros de fuerza, etc. Todas sus salidas van a una única tarjeta DAQ que esencialmente multiplexa estos canales y registra los datos.

La tarjeta DAQ también es de un solo extremo y con conexión a tierra no referenciada y se denomina NRSE en la siguiente ilustración. Las señales de los transductores se transmiten a través de cables coaxiales BNC. Tr representa los transductores abajo:

Estoy planeando conectar en estrella todos los terminales negativos de la fuente de alimentación y los escudos de los sensores en un solo punto y conectarlos a tierra. Así que ninguna de las fuentes estará flotando con respecto a la tierra. Como el DAQ es NRSE su tierra analógica será flotante con respecto a la tierra.

Sólo he encontrado este documento relacionado con el tema http://www.ni.com/white-paper/3344/en/ .

Y el mío es el que está rodeado de rojo:

En mi caso, como he explicado con mi primera ilustración muchas entradas en realidad nueve entradas de los transductores aparte se acoplará a la DAQ en la configuración NRSE.

¿Realmente necesito conectar en estrella los terminales negativos de CC y los blindajes de los transductores en un solo punto? SG es la señal Ret son los cables de retorno que van al AISENSE. (En un caso particular obtuve un mejor resultado conectando a tierra el terminal de CC en lugar del cable de retorno; era una interferencia de CM debido al transformador SMPS), por eso conecté a tierra los transductores desde su terminal negativo de alimentación en mi ilustración.

Editar:

Básicamente, lo que pregunto es si el nodo conectado en estrella (signo de interrogación rojo) debe estar conectado a tierra también:

Editar:

AI SENSE es como una diferencia terminada con rendimientos comunes.

AI GND y AI SENSE no deberían estar conectados, eso es lo que he oído del fabricante para el esquema AI SENSE utilizado. El esquema SE de la figura 1 no debe utilizarse, ya que provoca bucles de tierra acoplados parasitariamente.

Ahora los transductores son alimentados por fuentes de alimentación y la tierra de la fuente de alimentación y la tierra del transductor no están aisladas.

En la figura 2, si utilizo AI SENSE y si también dirijo la tierra de la PSU a AIGND o a la tierra más cercana, obtengo muy buenos resultados. Así que me parece que si utilizo el esquema AI SENSE y un tercer cable desde el punto rojo (la tierra de la PSU) a la tierra más cercana (amarillo) o a AIGND (verde) las cosas van bien.

Pero como tengo muchos de estos me preguntaba si debo usar la ruta verde o amarilla de la figura 2. También hay 10 entradas en ese caso, ¿dónde deberían estar estos cables amarillos o verdes conectados a tierra en estrella?

Pero te puedo asegurar que el esquema SE y la vinculación de AI GND a AI SENSE no se puede hacer. Así que por favor, la respuesta es ninguno de los dos. AI GND siempre se conecta a tierra a través de la placa base del PC. AI SENSE no debe ser conectado a AI GND. Por favor, proporcione un dibujo simple en la respuesta para que las cosas sean más fáciles de seguir.

Answer 1

En primer lugar, los diseños de sistemas como éste son un arte, no una ciencia. Es un arte porque hay muchos parámetros del diseño del sistema que son desconocidos (o no tenemos tiempo para encontrarlos). Se podría recorrer todo el sistema y modelarlo como un circuito gigante. Para ello habría que medir/estimar los cables y las fuentes de ruido (RFI y emisiones conducidas a través de la red de corriente alterna), lo que lleva más tiempo que utilizar las mejores prácticas.

Respuesta corta:

Básicamente lo que estoy preguntando es el nodo conectado en estrella (signo de interrogación rojo rojo) tiene que estar conectado a tierra también?

No, una toma de tierra en estrella sólo va a añadir más bucles de tierra y más ruido, ya que es probable que ya tengas una buena configuración según este comentario:

En la figura 2, si utilizo AI SENSE y si también dirijo la tierra de la PSU a AIGND o a la tierra más cercana obtengo muy buenos resultados. Así que me parece que si Si utilizo el esquema AI SENSE y un tercer cable desde el punto rojo (la tierra de la fuente de alimentación) hasta la tierra más cercana (amarilla) o hasta AIGND, obtendré muy buenos resultados. PSU) a la tierra más cercana (amarillo) o a AIGND (verde) las cosas están bien.

La idea es hacer lo que funciona para los niveles de ruido que debe alcanzar el sistema. Si construyes el sistema, y el ruido es aceptable para las mediciones que se necesitan hacer, ¡entonces has terminado! La figura 1 sería preferible a la figura 2, recuerde que las figuras en el documento de NI son las mejores prácticas. El entorno o la configuración que usted tiene podría no tener tanto ruido, realmente tendría que tener un diagrama de la fuente de alimentación, cómo está conectado a cada transductor y un conocimiento de la conexión a tierra de la DAQ.

Ruido y bucles de tierra

Si el sistema tiene demasiado ruido, hay que tomar medidas para eliminarlo. Voy a exponer algunas de las mejores prácticas en caso de que experimentes ruido:

El primer concepto que hay que entender es el de bucle de tierra. El bucle de tierra comienza porque hay dos puntos de conexión a tierra con dos cables. Esto forma un gran bucle, si los campos magnéticos corren a través del bucle (de los motores y las líneas eléctricas) crea una corriente que corre alrededor del borde del bucle. Esto crea un problema incluso con los cables apantallados a través del acoplamiento inductivo (los cables apantallados sólo protegen contra los campos eléctricos acoplados capacitivamente y los bloquean, pero no los magnéticos), en el que una corriente en el exterior del cable también provoca una corriente en el interior. En la mayoría de los casos es mejor evitar los bucles de tierra.

Con un DAQ esto crea problemas porque podrías no tener un control total de la conexión a tierra de los cables del sensor o de la pantalla.

Si las corrientes de bucle de tierra son la mayor fuente de ruido (que depende de la \magnetic entorno en el que se encuentra el sistema) entonces lo mejor es romper el bucle. Esto se puede hacer eliminando una tierra (la mejor práctica) o desconectando el blindaje (preferiblemente junto al sensor.

Otra cosa que se puede hacer es añadir aislamiento a las señales analógicas para romper un bucle de tierra, esto puede ser más caro, pero es mejor.

Fuente: http://www.sensorland.com/HowPics/IPC07-004.gif
O esta página

También es bueno utilizar un cable de par trenzado para eliminar los bucles y mantener el ruido bajo (esta es la razón por la que la mayoría de las señales diferenciales como RS485 o ethernet tienen par trenzado.

Buenas prácticas

Si alguna vez vuelves a construir uno de estos sistemas, sería más conveniente desde el punto de vista del ruido poner las fuentes de alimentación en la misma ubicación que el DAQ. Tener una tierra en un extremo suele ser la mejor condición, a veces el cable puede convertirse en un radiador (antena), en ese caso una ferrita puede bloquear las señales de alta frecuencia en el cable. También sería bueno poner un apantallamiento alrededor del sensor/fuente/amplificador en el extremo del cable y atarlo al apantallamiento (si el apantallamiento no está conectado a tierra, si lo está se puede romper el apantallamiento).

Vigila la conexión a tierra en ambos extremos ya que esto genera corrientes si puedes evitarlo.

No es buena idea poner una fuente de alimentación en el extremo opuesto a menos que esté aislada.

Answer 2

No hay ninguna razón para tener las entradas analógicas conectadas a tierra. No hace nada, excepto ofrecer una vía para que el ruido entre en su señal analógica.

He montado algunos equipos ATE complejos con todo tipo de problemas. La primera regla es que cada fuente se mantiene por sí sola hasta que llega a un op-amp diferencial o ADC MUX.

Deshazte de todas tus líneas rojas y verdes. Los cables negros de señal están bien como están. Devuelve todos los cables azules al pin AIsense o utiliza un MUX de doble puerto. Conéctalo a la tierra común de la señal si la hoja de datos de la PGIA indica que es necesario.

Se quiere evitar que AIsense tenga una conexión cruzada antes de llegar a la PGIA. Esto evita que las señales se filtren en otros canales.

NO conecte dispositivos de alta energía directamente a estas entradas o a AIsense. Puede dañar el PGIA y el MUX y el ADC. Utilice un módulo de aislamiento analógico (AD210KN) para dichos dispositivos.

Evite las tomas de tierra, es sólo un cable largo que actúa como fuente de captación de ruido de RF. Mantenga los cables que necesite cortos y trenzados si no puede apantallarlos usando STP (Pares Trenzados Apantallados). Si utiliza cables apantallados, la tierra del apantallamiento debe sólo conectar a la tierra de la señal en el PGIA o cerca de ella. El cable de apantallamiento debe ser silencioso y ese es un punto silencioso.

En el siguiente esquema, un mux dual 4:1 permite que la señal seleccione sólo un sensor a la vez. El canal 'B' no se utiliza. Dado que los sensores siempre tienen una conexión de sentido AI no 'flotan'. El CD4052 MUX es de muy bajo coste y tiene un alto aislamiento entre canales. Lea la hoja de datos antes de utilizarlo.

NO hay conexión a tierra y las fuentes de señal nunca comparten una conexión común hasta que llegan a la clavija de detección de la IA. Ese es su punto "estrella". Si no se selecciona las fuentes no tienen carga, pero eso no debería ser un problema para una fuente. Si los cables de los sensores tienen un recorrido largo, añada diodos de pinza a Vss y Vee (1N4148) que protegerán al CD4052 de picos de tensión superiores a 10 voltios, pero los cables de los sensores no deben estar cerca de las fuentes de alimentación de CA.

Tenga en cuenta que la figura 4 en sus documentos de NI es casi idéntica a esta configuración, excepto que sólo tiene una entrada SE de 4 canales en lugar de 8.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Enlace a la ficha técnica de CD4052

Answer 3

Es necesario que el AI SENSE no flote con respecto a la alimentación de la PGIA, evitando tener bucles de tierra.

Si AI SENSE está flotando, tendrás ruido de modo común que afectará a tu medición, por lo que necesitas atar AI Sense en el lado del DAQ.

También el amarre de AI Sense tiene que hacerse antes de un MUX, que es el caso en tu diseño ya que no haces MUX en el lado negativo pero solo lo menciono por si acaso.

En tu primer diagrama, puedes tener bucles de tierra si atas AI Sense a la tierra:

La mejor solución en este caso, para no tener un bucle de tierra y tener GND atado a AISense, sería:

• Conecte el PGIA GND al AI Sense.
• Si los cables tienen apantallamiento, conéctelos a la GND de la PGIA sólo en el lado de la DAQ.
• Deje los sensores GND de la PSU1,2,3 flotantes.

De esta manera, debería tener una referencia limpia PGIA GND libre de bucles de tierra.

Se puede mejorar aún más teniendo un cable de 3 hilos con 2 líneas de sentido que están trenzadas (AI Sense y AIx) + 1 cable de "alimentación" GND + un blindaje.

En esta situación, las líneas AI sólo llevan la señal, el cable GND lleva todo a la misma tierra y lleva las corrientes eventuales, el blindaje y la torsión reducen aún más el ruido inducido.

Une las GND de la fuente de alimentación a la línea de "alimentación" GND y a la GND de la IA, y une AISense a esta GND a través de una resistencia de 100 ohmios (puedes probar diferentes valores). La resistencia está ahí para limitar la corriente que fluye en la línea de sentido negativo.

Es importante conectar el blindaje sólo en el lado del DAQ, para evitar bucles de tierra de nuevo y evitar que la corriente fluya en el blindaje.

Answer 4

Creo que consideraría usar aisladores ópticos separados en cada entrada de la placa DAQ. Así conseguirías un aislamiento galvánico seguro (hasta unos pocos Kv), una buena protección EMC y no tendrías que preocuparte por los problemas de conexión a tierra.