Ist für dieses Datenerfassungssystem eine Sternerdung erforderlich?

Zunächst einmal sind Systemdesigns wie dieses eine Kunst, keine Wissenschaft. Es ist eine Kunst, weil es viele Parameter des Systemdesigns gibt, die nicht bekannt sind (oder wir keine Zeit haben, sie zu finden). Man könnte das ganze System durchgehen und es als riesigen Kreislauf modellieren. Dazu müsste man die Kabel und die Rauschquellen (RFI und leitungsgebundene Emissionen durch Wechselstrom) messen/schätzen, was mehr Zeit in Anspruch nimmt als die Verwendung bewährter Verfahren.

Kurze Antwort:

Grundsätzlich frage ich, ob der mit dem Stern verbundene Knoten (rotes Fragezeichen) ebenfalls geerdet sein muss.

Nein, eine Sternerde wird nur mehr Erdschleifen und mehr Rauschen hinzufügen, da Sie gemäß diesem Kommentar wahrscheinlich bereits in einer guten Konfiguration sind:

In Abbildung 2 erhalte ich sehr gute Ergebnisse, wenn ich AI SENSE verwende und auch die PSU-Masse zu AIGND oder zur nächsten Erde verlege. Es scheint mir also, wenn ich das AI SENSE-Schema und einen dritten Draht vom roten Punkt (die Masse des Netzteils) zur nächsten Erde (gelb) oder zu AIGND (grün) verwende, sind die Dinge in Ordnung.

Die Idee ist, das zu tun, was für die Geräuschpegel funktioniert, die das System erreichen muss. Wenn Sie das System bauen und das Rauschen für die durchzuführenden Messungen akzeptabel ist, dann sind Sie fertig! Abbildung 1 wäre Abbildung 2 vorzuziehen, denken Sie daran, dass die Abbildungen im NI-Dokument Best Practices sind. Die Umgebung oder Einrichtung, die Sie haben, hat möglicherweise nicht so viel Rauschen, Sie müssten wirklich ein Diagramm der Stromversorgung haben, wie sie mit jedem Wandler verbunden ist, und Kenntnisse über die Erdung des DAQ.

Rauschen und Masseschleifen

Wenn das System zu viel Rauschen hat, ergreifen Sie Maßnahmen, um es zu beseitigen. Ich werde einige der bewährten Verfahren für den Fall aufzeigen, dass Sie Lärm bemerken:

Das erste zu verstehende Konzept ist das einer Masseschleife. Die Masseschleife beginnt, weil es zwei Erdungspunkte mit zwei Kabeln gibt. Dies bildet eine große Schleife, wenn Magnetfelder durch die Schleife laufen (von Motoren und Stromleitungen), entsteht ein Strom, der um den Rand der Schleife fließt. Dadurch entsteht auch bei geschirmten Kabeln durch induktive Kopplung (geschirmte Kabel schützen nur vor kapazitiv eingekoppelten elektrischen Feldern und blockieren diese, aber nicht magnetisch) ein Problem, bei dem ein Strom auf der Außenseite des Kabels auch einen Strom auf der Innenseite verursacht. In den meisten Fällen ist es am besten, Masseschleifen zu vermeiden.

Bei einem DAQ führt dies zu Problemen, da Sie möglicherweise keine vollständige Kontrolle über die Erdung der Sensordrähte oder der Abschirmung haben.

Wenn Masseschleifenströme die größte Rauschquelle sind (was von der elektrischen/magnetischen Umgebung abhängt, in der sich das System befindet), ist es am besten, die Schleife zu unterbrechen. Dies kann durch Entfernen einer Erdung (Best Practice) oder durch Abklemmen der Abschirmung (vorzugsweise neben dem Sensor) erfolgen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die analogen Signale zu isolieren, um eine Masseschleife zu unterbrechen. Dies kann teurer sein, ist aber besser.

Quelle: http://www.sensorland.com/HowPics/IPC07-004.gif
Oder diese Seite

Es ist auch gut, Twisted-Pair-Kabel zu verwenden, um Schleifen zu eliminieren und Rauschen niedrig zu halten (aus diesem Grund haben die meisten Differenzsignale wie RS485 oder Ethernet Twisted-Pair-Kabel).

Gute Praktiken

Wenn Sie eines dieser Systeme jemals wieder aufbauen, wäre es aus Rauschgesichtspunkten bequemer, die Netzteile an der gleichen Stelle wie das DAQ zu platzieren. Eine Erdung an einem Ende ist normalerweise die beste Bedingung, manchmal kann sich das Kabel in einen Strahler (Antenne) verwandeln, in diesem Fall kann ein Ferrit Hochfrequenzsignale auf dem Kabel blockieren. Es wäre auch gut, eine Abschirmung um den Sensor / die Quelle / den Verstärker am Ende des Kabels bereitzustellen und an der Abschirmung zu befestigen (wenn die Abschirmung nicht geerdet ist, können Sie die Abschirmung brechen, wenn dies der Fall ist).

Achten Sie auf die Erdung an beiden Enden, da dies Ströme erzeugt, wenn Sie es vermeiden können.

Es ist keine gute Idee, ein Netzteil an das andere Ende anzuschließen, es sei denn, es ist isoliert.

Es gibt keinen Grund, Ihre analogen Eingänge zu erden. Es tut nichts, außer einen Weg für Rauschen zu bieten, um in Ihr analoges Signal zu gelangen.

Ich habe einige komplexe ATE-Geräte mit allen Arten von Problemen zusammengebaut. Die erste Regel lautet, dass jede Quelle für sich alleine steht, bis sie einen differenziellen Operationsverstärker oder ADC MUX erreicht.

Befreien Sie sich von all Ihren roten und grünen Linien. Die schwarzen Signaldrähte sind so wie sie sind in Ordnung. Führen Sie alle blauen Drähte zum AIsense-Pin zurück oder verwenden Sie einen Dual-Port-MUX. Verbinden Sie es mit der gemeinsamen Signalerde, wenn das PGIA-Datenblatt dies als notwendig angibt.

Sie möchten vermeiden, dass AIsense querverbunden wird, bevor Sie die PGIA erreichen. Dadurch wird verhindert, dass Signale in andere Kanäle gelangen.

Schließen Sie KEINE Hochenergiegeräte direkt an diese Eingänge oder AIsense an. Es kann PGIA, MUX und ADC beschädigen. Verwenden Sie für solche Geräte ein analoges Isolationsmodul (AD210KN).

Vermeiden Sie Erdungen, es ist nur ein langer Draht, der als Quelle für die Aufnahme von HF-Rauschen dient. Halten Sie die benötigten Drähte kurz und verdrillt, wenn Sie sie nicht mit STP (Shielded Twisted Pairs) abschirmen können. Wenn Sie abgeschirmte Kabel verwenden, sollte die Erdung der Abschirmung nur mit der Signalmasse am PGIA oder in der Nähe davon verbunden werden. Der Schirmdraht muss ruhig sein und das ist eine ruhige Stelle.

Im folgenden Schema ermöglicht ein dualer 4:1-Mux, dass das Signal jeweils nur 1 Sensor auswählt. Kanal 'B' wird nicht verwendet. Da die Sensoren immer eine AI-Sense-Verbindung haben, „schweben“ sie nicht. Der CD4052 MUX ist sehr kostengünstig und hat eine hohe Kanal-zu-Kanal-Isolierung. Lesen Sie das Datenblatt, bevor Sie es verwenden.

Es besteht KEINE Verbindung zur Erdung und Signalquellen teilen niemals eine gemeinsame Verbindung, bis sie den AI-Erkennungsstift erreichen. Das ist Ihr 'Star'-Punkt. Wenn nicht ausgewählt, haben die Quellen keine Last, aber das sollte für eine Quelle kein Problem sein. Wenn Sensordrähte einen langen Lauf haben, fügen Sie Klemmdioden zu Vss und Vee (1N4148) hinzu, die den CD4052 vor Spannungsspitzen über 10 Volt schützen, aber Sensordrähte sollten nicht in der Nähe von Wechselstromversorgungen verlaufen.

Beachten Sie, dass Abbildung 4 in Ihren NI-Dokumenten fast identisch mit diesem Aufbau ist, außer dass Sie nur einen 4-Kanal-SE-Eingang anstelle von 8 haben.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Link zum Datenblatt CD4052

Sie müssen den AI SENSE in Bezug auf die PGIA-Versorgung nicht schweben lassen, während Sie Erdschleifen vermeiden.

Wenn AI SENSE schwebend ist, haben Sie Gleichtaktrauschen, das Ihre Messung beeinflusst, sodass Sie AI Sense auf der DAQ-Seite festbinden müssen.

Auch die Bindung von AI Sense muss vor einem MUX erfolgen, was in Ihrem Design der Fall ist, da Sie die negative Seite nicht MUXen, aber ich erwähne dies nur für den Fall.

In Ihrem ersten Diagramm können Sie Erdschleifen haben, wenn Sie AI Sense am Boden festbinden:

Die beste Lösung in diesem Fall, keine Erdschleife zu haben und GND mit AISense zu verbinden, wäre:

• Verbinden Sie den PGIA GND mit dem AI Sense.
• Wenn die Kabel abgeschirmt sind, schließen Sie sie nur auf der DAQ-Seite an PGIA GND an.
• Lassen Sie die Sensoren GND der PSU1,2,3 potentialfrei.

Auf diese Weise sollten Sie einen sauberen Referenz-PGIA-GND ohne Erdschleifen haben.

Sie können sich weiter verbessern, indem Sie ein 3-adriges Kabel mit 2 verdrillten Sense-Leitungen (AI Sense und AIx) + 1 GND-„Strom“-Kabel + eine Abschirmung verwenden.

In dieser Situation führen AI-Leitungen nur Signale, das GND-Kabel bringt alles auf die gleiche Masse und trägt eventuelle Ströme, Abschirmung und Verdrillung reduzieren induziertes Rauschen weiter.

Verbinden Sie die GNDs des Netzteils mit der GND-Stromleitung und dem AI-GND und binden Sie AISense über einen 100-Ohm-Widerstand an diesen GND (möglicherweise möchten Sie andere Werte ausprobieren). Der Widerstand dient dazu, den Strom zu begrenzen, der auf der negativen Erfassungsleitung fließt.

Es ist wichtig, die Abschirmung nur auf der Seite des DAQ anzuschließen, um erneute Masseschleifen zu vermeiden und zu vermeiden, dass Strom auf der Abschirmung fließt.