È possibile proteggere un processo industriale intervenendo a livello di acquisizione dati in campo? Sì se vengono opportunamente utilizzate le tecniche di isolamento galvanico.
Grazie all’isolamento galvanico è possibile eliminare le principali forme di interferenza e i rischi di guasto elettrico-circuitale, quando il segnale dal sensore viene acquisito dall’unità di controllo, sia in aree pericolose sia in aree non pericolose.
L’isolamento galvanico (dal nome del fisico Luigi Galvani, cui si deve la definizione dell’omonima corrente vagante) è una delle più importanti tecniche di condizionamento del segnale, nonché cost-effective e facile da implementare. Tali tecniche sono finalizzate a risolvere i problemi di implementazione di una interfaccia comune tra i sensori e le unità di controllo, allorché i segnali di uscita dei sensori non sono omogenei per natura elettrica (corrente, tensione, resistenza ecc.), per livello e per tipologia (tensione continua, alternata, impulsiva ecc.).
Nello specifico l’isolamento galvanico consente di far fluire il segnale dalla sorgente al dispositivo di misura tramite trasformatori o accoppiatori ottici o capacitivi.
L’isolamento galvanico permette inoltre di isolare un circuito a bassa tensione dalla rete elettrica (anche tra due o più circuiti nei quali non è possibile il passaggio di corrente continua) e di isolare la parte di potenza da quello di controllo, evitando picchi di tensione elevati e l’alta tensione di modo comune che potrebbero distruggere i circuiti elettronici, proteggendo gli operatori e i dispositivi di controllo e misura.
Gli isolatori consentono di eliminare i disturbi indotti dai punti comuni dei circuiti a diverso potenziale, isolando la parte di misura da quella di elaborazione del segnale.
Isolamento galvanico e collegamenti di terra
Un isolamento galvanico è indispensabile anche per eliminare i loop (circuiti ad anello) di terra dovuti alla presenza di masse comuni. In un circuito strumentale di misura, una singola connessione di terra in genere non crea problemi, ma in presenza di connessioni di terra multiple le cose si complicano. Ogni loop è legato a un diverso potenziale. Tale differenza di potenziale crea delle correnti di flusso tra i riferimenti di terra che si sommano ai segnali. L’uso dell’isolatore galvanico elimina questo tipo di disturbi, disaccoppia i circuiti di misura e preserva dunque l’integrità di apparati e impianti. Si noti che per massa si intende un nodo di riferimento rispetto al quale vengono misurate le tensioni negli altri nodi di un circuito.
Nelle installazioni le masse vengono normalmente collegate a terra per ragioni di sicurezza e per non lasciarne fluttuare la tensione, cioè per ancorarla a quella di terra. In assenza del collegamento a terra il potenziale di massa può raggiungere valori elevati e pericolosi (centinaia di volt). In un sistema di acquisizione relativo a un processo industriale è normale riscontrare una massa di campo (a livello di sensori e attuatori) e una dei circuiti di acquisizione. Entrambe le masse sono connesse localmente a terra. Ma la terra non è una superficie equipotenziale, inoltre i collegamenti di terra possono essere parzialmente in comune con correnti estranee anche elevate. Si ha quindi un collegamento tra le masse attraverso le terre, mentre le masse si trovano tipicamente a potenziale diverso.
Ecco perché il ricorso ad isolatori galvanici è una pratica di sicurezza imprescindibile, facile da implementare e ad alto ritorno dell’investimento.
È importate notare che gli isolatori galvanici sono in genere strumenti polivalenti che oltre all’isolamento circuitale del sensore svolgono altre funzioni di condizionamento dei segnali come le operazioni di filtraggio antialiasing (passivo o attivo), amplificazione, attenuazione, adattamento di impedenza, normalizzazioni di misura (in corrente, tensione, resistenza, frequenza), eccitazione con misure da termoresistenze, termocoppie, termistori, estensimetri, accelerometri ecc. Gli isolatori possono essere localizzati nei quadri elettrici, a bordo di sensori, attuatori o controllori, integrati nelle schede di conversione A/D o fieldbus e nei sistemi multiplexing.
L’offerta GMI
G.M. International fornisce a catalogo decine di modelli di isolatori galvanici in accordo alle normative IEC 61508 e IEC 61511 sia in versione a sicurezza intrinseca per applicazioni SIL2 (Serie D1000 e D5000) sia in versione non a sicurezza intrinseca per applicazioni SIL3 (Serie D6000). Gli isolatori D1000, D5000 e D6000 assicurano elevati livelli di accuratezza e ripetibilità del trasferimento di segnale. Sono inoltre progettati con una circuiteria avanzata offre basse dissipazioni di calore, assicurando che i moduli lavorino al fresco, nonostante l’alta densità e le funzionalità. La tecnica di produzione a montaggio superficiale SMD (Surface Mount Technology) ne massimizza la durata e l’affidabilità. La totale assenza di condensatori elettrolitici permette di portare la vita utile dei moduli a 20 anni.