L'isolation améliore les résultats de mesure
Plusieurs facteurs peuvent influencer la qualité des résultats de mesure. Dans quelques application, une isolation galvanique est la clef d'améliorations importantes. Cet article vous présente les différentes topologies et vous informe de leurs avantages et de leurs limites.
Conditions d'application
Un problème typique de mesure peut facilement être illustré par l'exemple de grandes machines ou d'une chaîne de production. La figure 1 dépeint une situation où deux points de mesure (par exemple deux moteurs sur une ligne de production d'une bande de papier) sont distants l'un de l'autre de 50 mètres. Un utilisateur placerait très probablement le système de mesure au milieu et ferait courir les câbles de part et d’autre vers les deux points de mesure
Les deux dispositifs (DUT) en essais sont typiquement rélié à la terre et le système d'acquisition de données (DAQ) est également, par sa connexion, mis à la terre. On pourrait supposer que le potentiel de chaque connexion à la terre est identique.
Cette supposition n'est malheureusement pas toujours vraie, principalement en raison de la charge de commutation combinée avec le fil de masse inapproprié (diamètre du fil trop petit, connexions mauvaises, etc.). Le potentiel des prises de terre aux différents points de mesure peut changer pendant une courte période.
bien que ces différences puissent se produire seulement pendant une courte période et avec seulement une différence potentielle de quelques volts, l'effet produit est tout de même significatif.
Quand deux points, avec un potentiel différent, sont reliés en utilisant un câble de basse impédance (par exemple un câble de mesure), un courant commence à circuler et la différence potentielle est égalisée. En assurant une différence de tension de seulement 1 volt et un câble de mesure avec une résistance de 0.1 ohm, un courant de 10 ampères circulera.
Ce phénomène, appelé boucle de terre a la capacité d'endommager le matériel de mesure et les DUT mais aussi à interférer sur les mesures sensibles
Amplificateur avec isolation externe
L'approche la plus simple est d'utiliser des capteurs isolés ou des systèmes d'isolement (voir figure 2) entre la sonde et le système de mesure. On élimine ainsi les boucles de terre
Les avantages sont : continuer à utiliser les systèmes DAQ existants mais aussi la possibilité d'avoir des systèmes d’isolation relativement peu coûteux, modulaires et à usage universel sur différentes marques et caractéristiques disponibles sur le marché.
Limitations
Fondamentalement, les systèmes d'isolement externes ont trois types de limitations.
Tout d'abord, la manipulation d'un boîtier additionnel, qui doit être alimentée, est une limitation en termes de rentabilité dans une application portable (détermination de défaut, maintenance préventive, etc.).
En second lieu, les caractéristiques de la largeur de bande passante du signal analogique, la tension d'isolement et la précision sont des facteurs de limitation sur la qualité du signal global de la chaîne de mesure.
La troisième limitation est donnée par le fait que les amplificateurs d'isolement n'éliminent pas l'influence du long chemin parcouru par le signal analogique. Dans les applications décrites ci-dessus, l'environnement électromagnétique doit être considéré.
Plus les courants d'irruption et les charges inductives à commuter sont hauts, plus les perturbations se produisent. Les longues lignes de mesure agissent en tant qu'antennes et reçoivent toutes sortes d'énergie électromagnétique qui sont alors perçues dans le signal mesuré.
Isolation interne
Des améliorations en termes de rentabilité et de qualité sur le signal peuvent être réalisées en incorporant la partie isolation dans le système DAQ (voir figure 3).
Cette solution est souvent mise en application dans les matériels d'essai portatifs utilisé pour les travaux de maintenance comme pour les systèmes DAQ plus avancés.
Les amplificateurs avec isolation externe et autonome fournissent typiquement des largeurs de bande passante de quelques kHz jusqu'à environ 50 kHz au maximum, cela est donné par la technologie utilisée.
Les amplificateurs avec isolement interne emploient une technologie différente et peuvent atteindre des largeurs de bande jusqu'à quelques centaines de kHz.
Isolation externe par fibre optique
Fondamentalement, il y a deux solutions disponibles pour aborder le problème des longues lignes parcouru par le signal dans les environnements électromagnétiques défavorables. L'approche traditionnelle est d'employer des câbles de plus haute qualité (double blindage, triple blindage), des conduites de câbles blindées et de placer soigneusement les câbles par rapport aux sources de perturbation.
Une deuxième possibilité est d'employer des systèmes à fibres optiques pour effectuer l'isolement (voir figure 4). Ils offrent une architecture entrée analogique/sortie analogique, semblable aux systèmes d’isolation externes (figure 2); le signal d'entrée analogique est transmis au travers d’une barrière d'isolation et la sortie est encore un signal analogique.
La similitude va jusqu’à ceci ; la majeure partie est différente. Le système d'isolation à fibre optique se compose en amont d'une pile qui est placée près du point de mesure. Cela exige seulement un chemin très court du signal analogique et l'effet de la perturbation électromagnétique est ainsisensiblement réduit.
L'émetteur d'entrée (Tx) comporte aussi bien l'amplificateur d'entrée que le convertisseur analogique-numérique (A/D). Le signal mesuré est numérisé et l'information est transmise à un récepteur qui est placé près du système DAQ.
Dans le récepteur (Rx) les données sont traitées par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique-analogique et reconstruites en tant que signal de sortie analogique. Les systèmes d’isolation à fibre optique pour la mesure proposent des largeurs de bande passante d'environ 20 MHz au maximum;
Ils sont principalement employés pour ajouter un isolement aux systèmes de mesure existants (oscilloscopes, enregistreurs de transitoires, systèmes DAQ).
Isolation interne par fibre optique
Les deux solutions d’isolation externes (Figures 2 et 4) ont une chose en commun : un signal de sortie analogique est créé du signal d'entrée analogique qui est alors introduit dans l'entrée analogique du système DAQ.
Plusieurs caractéristiques sont importantes pour la précision de la mesure et l'utilisateur doit s'assurer que l'incertitude globale de la chaîne de mesure est toujours conforme aux conditions de l'application. Alors que le plus souvent, ce n'est pas un facteur dominant dans certains cas de mesure (détermination de défauts, maintenance préventive), il est l'un des éléments clé dans les applications de certification et de recherches.
C'est là que l’incertitude d'une mesure la meilleure possible est souvent exigée
La figure 5 montre une approche pour ces applications, où le récepteur (Rx) du système d'isolement à fibre optique est directement intégré dans le système DAQ.
La donnée transmise numériquement est directement stockée et n’est pas reconstruite en signal analogue et par conséquent ne doit pas être numérisé une deuxième fois.
Ce principe améliore la précision globale et réduit de manière significative l'incertitude de la chaîne de mesure.
Quelle la meilleure solution?
Quelle est la meilleure technologie ? La question devrait être reformulée ainsi : « Quelle topologie se conforme au mieux à mes exigences ? » Le niveau de performance est de pair avec l'effort exigé et se retrouve dans le prix.
La première question importante pour pouvoir répondre est de savoir si le système DAQ peut être remplacé ou doit être réutilisé. Alors la solution pour l'isolation doit être définie. Cela peut recouvrir la sécurité du personnel, l’élimination des boucles de masse, la tension élevée d'isolement pour permettre des mesures sur le potentiel aussi bien que la distance du pont entre le point de mesure et le DAQ.
En conclusion, les conditions en termes de largeur de bande, de précision et d’incertitude de mesure doivent être aussi bien définies. La dernière étape d'une évaluation est d'ajuster le placement pour permettre de rencontrer les conditions définies.
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