Consideraciones de Conexión a Tierra para Medidas Mejoradas

Visión General

Aprenda cómo conectar a tierra puede determinar cómo un sistema de medidas debe ser conectado para obtener las medidas más precisas. Los temas del artículo incluyen fuentes de señal a tierra, fuentes de señal flotante, medidas diferenciales, medidas de una sola terminal y la configuración adecuada de las señales y las medidas. Este tutorial es parte de la serie Fundamentos de Instrumentos.

Contenido

 

Conexión a Tierra y Medidas

Los sistemas de medida pueden tener la habilidad de utilizar diferentes configuraciones a tierra ya que las fuentes de señal también tienen diferentes configuraciones a tierra. Esta capacidad es esencial para garantizar la medida más precisa; sin embargo, esta flexibilidad añade algo de dificultad al momento de elegir la configuración de la conexión a tierra del sistema de medidas.

 

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de componentes usados para realizar una medida. A la derecha está un sistema de medidas compuesto de un instrumento y acondicionamiento de señales. Cabe señalar que el acondicionamiento de señales puede ser integrado en su instrumento o puede ser externo al instrumento. A la izquierda tenemos la fuente de la señal, que puede ser un solo transductor que produce un voltaje desde 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 medida y finalmente cómo elegir una configuración del sistema de medidas para garantizar mínimo ruido y error en las medidas.

 

Figura 1. Una fuente de señal es suministrada a un sistema de medida que se compone de un instrumento y acondicionamiento de señales.

 

Fuentes de Señal

Existen dos categorías principales de fuentes de señal que se deben considerar para esta discusión sobre conexiones a tierra; se muestran en manera esquemática en la Figura 2.

 

Figura 2. Es importante saber si su señal está conectada a tierra o es flotante.

 

Fuentes de Señal Conectadas a Tierra o Referenciadas a Tierra

Una fuente de señal conectada a tierra es cuando la señal de voltaje está referenciada a una tierra del sistema, como la tierra o la tierra del edificio. Esto está representado en el esquemático de la izquierda en la Figura 2 de arriba, porque la señal de voltaje tiene una trayectoria eléctrica directa a la tierra del sistema. Los ejemplos más comunes de fuentes a tierra son dispositivos que se conectan a la tierra del edificio a través de las tomas eléctrica triples, como generadores de señal y fuentes de alimentación.

 

Es importante saber que las tierras de dos fuentes de señal conectadas a tierra de manera independiente, normalmente no están en el mismo potencial. La diferencia en el potencial a tierra entre dos sistemas conectados a la misma tierra del edificio puede ser de 10 mV, 200 mV o más.

 

Fuentes de Señal sin Conexión a Tierra o Flotantes

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

 

Sistemas de Medidas

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

 

Sistemas de Medida Diferenciales

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

 

Figura 3. Un sistema ideal de adquisición diferencial responde no solamente a la diferencia del voltaje entre sus dos terminales.

 

Un sistema ideal de adquisición diferencial responde no solamente a la diferencia del voltaje entre sus dos terminales, la entrada positiva (+) y la 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 ideal de medida diferencial rechaza por completo, en lugar de medir el voltaje de modo común para obtener medidas más precisas. Los dispositivos prácticos, sin embargo, tienen limitaciones descritas por las especificaciones como el rango de voltaje de modo común y la relación de rechazo de modo común (CMRR).

El rango de voltaje de modo común es la oscilación de voltaje máxima permisible en cada entrada con respecto a la tierra del instrumento. Al violar esta restricción el resultado no solamente es error de medida, sino también posibles daños a los componentes del instrumento. Aquí está la fórmula para calcular el voltaje de modo común:

 

Ecuación 1. Cálculo de Voltaje de Modo Común

Donde:

  = Voltaje de modo común

 = Voltaje en la termina de entrada de no inversión con respecto a la tierra de la medida

 = Voltaje en la termina de entrada de inversión con respecto a la tierra de la medida

 

Un ejemplo de violar la especificación del rango de voltaje de modo común sería intentar una medida diferencial con una terminal a 110 V y la otra a 100 V. Aunque la medida diferencial es 10 V, que puede estar dentro de la especificación para el dispositivo, el voltaje de modo común sería 105 V y esto no estaría dentro de la especificación del instrumento.

CMRR describe la habilidad de un sistema de medida de 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 adecuados para medidas precisas. El CMRR se puede describir como una relación de la ganancia diferencial sobre la ganancia de modo común, que se ve en la Ecuación 2. CMRR también se puede describir en dB como se muestra en la Ecuación 3.

 

Ecuación 2. CMRR Expresado como una Relación

 


Ecuación 3. CMRR Expresado en dB

 

Por ejemplo, si el instrumento tiene un CMRR de 100,000:1 (o 100 dB) y el voltaje de modo común es 5 V, usted puede distinguir las diferencias de voltaje mayores a 50 µV en las terminales diferenciales.

 

El rechazo de modo común es crítico porque están presentes fuentes de ruido del entorno en ambas líneas de la medida diferencial. Sin embargo, si el ruido está presente en ambas líneas, es cancelado por la medida diferencial. Por esta razón, las configuraciones diferenciales permiten medidas más precisas en comparación con las medidas de una sola terminal, pero las medidas diferenciales requieren el doble de canales que las medidas de una sola terminal. 

 

Sistemas de Medidas de Una Sola Terminal

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

 

A continuación, están los dos diferentes tipos de sistemas de medidas de una sola terminal:

      • Los sistemas GRSE o RSE 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 AI GND.

 

Figura 4. El canal de referencia común del 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 del instrumento. 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 potencial entre CH X y el voltaje en el canal AI SENSE.

 

Figura 5. Un punto común del instrumento NRSE es el voltaje proporcionado en la terminal negativa del amplificador del instrumento.

 

Fuente de Señal — Configuraciones del Sistema de Medida

Después de caracterizar los tipos de conexión a tierra de la fuente de señal y las configuraciones del instrumento, ahora vamos a hablar sobre las combinaciones de fuentes de señal y configuraciones del instrumento que pueden producir los resultados más precios.

 

Medir Fuentes de Señal Conectadas a Tierra

Una fuente de señal conectada a tierra se mide con mayor precisión con una configuración del instrumento diferencial o NRSE debido a que una tierra adicional no es introducida en todo el sistema. Una tierra adicional que es agregada al sistema puede resultar en lazos a tierra, los cuales son fuentes de ruido comunes en aplicaciones de medidas.

Los lazos 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 tierra de la fuente de señal puede ser de varios volts por arriba o por debajo de la tierra del instrumento. Este voltaje adicional puede causar error en la medida en sí y la corriente que fluye también puede inducir voltajes en cables cercanos, causando otros errores de medida. Estos errores pueden aparecer como señales escalares o periódicas añadidas a la señal medida. Por ejemplo, si un lazo a tierra se forma con una línea de potencia AC de 60 Hz, la frecuencia de línea de potencia estándar en los Estados Unidos y algunos otros países, en la medida puede aparecer la señal AC de 60 Hz no deseada como un error de voltaje periódico.

 

Para calcular el voltaje medido, Vm, utilice la Ecuación 4 a continuación:

 

Ecuación 4. Voltaje Medido con un Ciclo a Tierra Presente

Donde:

              V m   =   Voltaje medido

              Vs    =   Señal medida

                         ΔVg   =   Diferencia de voltaje entre la tierra de la fuente de señal y la tierra del sistema de medida

 

Al usar la Ecuación 4 de arriba, matemáticamente le da el voltaje medido cuando está presente un lazo a tierra. Si usted continúa usando el ejemplo de línea de potencia de 60 Hz, es un valor que cambia con el tiempo en lugar de un desfase escalar. Por lo tanto, la señal medida se ve periódica en lugar de como un simple error de desfase para el voltaje medido.

 

La Figura 6 muestra de manera esquemática como se ve un sistema con un lazo a tierra. Si usted está midiendo la fuente de voltaje Vs con un instrumento que usa una configuración RSE, puede simplificar el esquemático a la izquierda de la ecuación con el esquemático a la derecha de la ecuación en la Figura 6, el cual concuerda con los cálculos de la Ecuación 4.

 

Figura 6. Una fuente de señal conectada a tierra medida con un sistema referenciado a tierra introduce lazos a tierra y error en la medida.


Para evitar lazos a tierra como se muestra en la Figura 6, asegúrese que solamente existe una referencia a tierra en la fuente de señal y el sistema de medida al usar una configuración de instrumento NRSE o diferencial o al usar hardware de medida aislado, del cual se habla en la nota técnica Tipos de Aislamiento y Consideraciones al Realizar una Medida de la serie Fundamentos de Instrumentos.

 

Medir Fuentes de Señal Flotantes

Usted puede medir fuentes de señal flotantes con cualquiera de las configuraciones de medida mencionadas: diferencial, GRSE/RSE o NRSE. Tome en cuenta que al usar configuraciones de medias diferenciales o NRSE con una fuente flotante, debe incluir resistores de polarización desde cada terminal, positiva (+) y negativa (-), a la tierra del instrumento (ver Figura 7).

 

Figura 7. Al medir una fuente de señal flotante con una configuración del instrumento diferencial o NRSE, son necesarios resistores de polarización.

 

Los resistores de polarización proporcionan una trayectoria de DC desde las entradas del amplificador del instrumento a la tierra del amplificador del instrumento. Los resistores de polarización deben tener una resistencia lo suficientemente alta para no cargar la fuente de señal y para permitir que la fuente de señal flote con respecto a la referencia del instrumento. Sin embargo, los resistores de polarización deben ser lo suficientemente pequeños para mantener el voltaje dentro del rango del instrumento. Esto generalmente resulta en resistores de polarización con un rango de 10 kΩ a 100 kΩ para cumplir con las condiciones. Siempre debe verificar la guía de especificaciones de su dispositivo para asegurarse de utilizar un valor de resistor de polarización que esté dentro del rango adecuado.

 

Los resistores de polarización no son usados en una configuración diferencial o NRSE al medir fuentes de señal flotante, las señales medidas pueden ser inestables o en un rango del instrumento de escala completa positivo o negativo.

 

Cuando una configuración GRSE/RSE es usada para medir una fuente de señal flotante, los resistores de polarización no son necesarios. Para obtener los mejores resultados de medidas al usar configuraciones de instrumento de una sola terminal, se recomienda lo siguiente:

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

 

El criterio anterior reduce el efecto que el ruido tiene en la precisión de la medida. Si el ruido de modo común es alto en comparación con la señal medida, usted debe usar una configuración de medida diferencial.

Para un resumen de las combinaciones recomendadas de las fuentes de señal y configuraciones de instrumentos, vea la Figura 8.

 

Figura 8. Resumen del Tipo de Fuente de Señal Versus Configuración del Instrumento

 

5. Resumen

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

 

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