Trasmissione di una tensione analogica di 5 V su cavo 25 m

[vinscordium]

Ciao a tutti,
Spero possiate aiutarmi a trovare una soluzione al mio problema.
Il mio progetto prevede la misurazione di una temperatura con una termocoppia di tipo K e la trasmissione della tensione analogica ad essa collegata ad un PC attraverso un cavo lungo 25 m. La termocoppia e’ collegata ad un AD8495 piu TLVH125 precision voltage reference (alimentazione 3-18 Vdc) in modo da ottenere una tensione amplificata e scalata nel range [0; 5] Vdc. Il cavo e’ un twisted pair schermato, 22AWG con resistenza pari a 50 mOhm per metro.
Ritenete plausibile trasmettere questa tensione su un cavo cosi lungo senza incorrere in deterioramento del segnale a causa di rumore e lunghezza stessa del cavo?
C’e’ una soluzione alternativa?

Grazie in anticipo

Vins

[Candy]

Il segnale non si deteriora in senso di caduta di tensione. 25 m non è una lunghezza esagerata, considerando che il tutto è collegato ad un ingresso ad alta impedenza.
Ma è proprio il fatto che l'ingresso di lettura è ad alta impedenza che spaventa: la lunghezza del cavo farà introdurre parechio rumore, difficile poi da rimuovere.
Per una simile distanza, non ha alcun senso convertire il segnale in prossimità della sonda e trasmetterlo al trasduttore lontano. Il costo del cavo compensato non lo giustifica. Molto meglio portare direttamente il segnale della sonda al PC con un ingresso per termocopia dedicato, o, comunque effettuare la conversione vicino alla scheda di acquisizione.
Una via di mezzo potrebbe essere realizzare un trasmettitore di segnale in corrente e non in tensione.

Se poi tu avessi spiegato per bene la natura del problema, si poteva approfondire anche meglio. In fin dei conti, sarebbe molto più elegante convertire nei pressi della sonda il segnale in informazione numerica digitale e trasmettere il dato via rete. Non per eleganza, ma perché tutto il rumore elettrico della lunghezza del collegamente sarebbe brutalmente tagliato via.

[EcoTan]

cavo compensato

Giustamente stiamo parlando di un cavo compensato fino al giunto freddo.
Per quanto riguarda il rumore, essendo un segnale a lenta variazione, si potrebbe filtrare a software.

[IsidoroKZ]

Come alimenti il circuito? Poi non ho capito esattamente il ruolo del riferimento ti tensione. Serve per limitare l'uscita a 5V, corrispondenti a 1000C ?

Il problema, come ti hanno detto, sono i possibili rumori raccolti dalla connessione. Proverei con un loop 4mA-20mA, che ha anche il vantaggio che con gli stessi due fili alimenti il circuito.

[vinscordium]

Buongiorno ragazzi,

grazie per le vostre risposte, cerchero' di chiarire meglio il progetto e di rispondere a ciascuno di voi.
Il progetto prevede di misurare la temperatura dell’olio all’interno di un circuito idraulico tramite una termocoppia K e di trasmettere il segnale ad un computer sito ad una distanza di 25m dal sistema idraulico (da qui il requisito sulla lunghezza del cavo). La tolleranza sulla misura di temperature non e’ stringente, sono accettabili errori di +/- 15 gradi centigradi.
La termocoppia e’ lunga circa 3 metri (distanza giunto caldo-freddo).
La termocoppia e’ collegata ad un cicuito chiamato “Adafruit Analog Output K-Type Thermocouple Amplifier - AD8495 Breakout” Ie cui caratteristiche potete trovare al seguente indirizzo:

https://shop.pimoroni.com/products/adafruit-analog-output-k-type-thermocouple-amplifier-ad8495-breakout

in sostanza il circuito e’ alimentato con una tensione di 3-18 Vdc…io ho scelto di alimentarlo a 5Vdc in quanto ho bisogno di una tensione di uscita nel range [0;5] Vdc per poter misurare temperature nel range [-250; 750] gradi C. La tensione di 5 Vdc e' ricavata tramite un alimetatore da laboratorio.
Leggendo le vostre risposte vedo che confermate che il problema non e’ la lunghezza del cavo ma il rumore da esso raccolto. Considerando che il requisito di accuratezza del segnale e’ +/- 15 gradi mi chiedevo se tale rumore possa diventare trascurabile nella banda di errore richiesta.

Il cavo che collega il giunto freddo fino al Computer e’ il seguente: 55PC1223-22-6/9-9 e non sono sicuro se corrisponda o meno ai requisiti tali da poterlo classificare come cavo compensato.
Riguardo al loop 4mA-20mA suggerito da IsidoroKZ, potrebbe essere un’alternativa, il problema e’ che vorrei utilizzare il circuito adafruit a disposizione in quanto non ho risorse disponibili per costruire il loop di corrente.
Lo stesso vale per la soluzione proposta da Mauro di convertire il segnale in digitale, al momento non e' perseguibile.

In attesa di vostre risposte, ancora grazie

Vins

[EcoTan]

Va bene, è chiaro che nel caso che ci sia il trasduttore (Adafruit) non occorre che il cavo sia compensato a valle di esso. Direi che la trasmissione del segnale nel range 0-5V a distanza di 25 metri dovrebbe avvenire senza particolari problemi con qualsiasi cablaggio che non sia lunatico, altrimenti perché si affronta la spesa dei trasduttori? E comunque, c'è la possibilità di fare a software una media del segnale ricevuto?

[MarcoD]

Mi farò criticare dai progettisti di professione, perché la soluzione da tecnici installatori non è elegante.
Quanto è la banda passante del segnale di temperatura: 0,5 Hz ?, ossia di quanto può variare bruscamente la temperatura fornita da un sensore: 0,5 C° al secondo?
Per filtrare eventuali disturbi che saranno come minimo a 50 Hz basta mettere un filtro passa basso a RC da 10 Hz costituito da 100 ohm e 1000 uF, oppure solo il condensatore da 1000 uF in parallelo ai morsetti (confidando nella resistenza interna del generatore del segnale).

[Candy]

Mah, è ovvio che col senno di poi è tutto facile. Se ti puoi permetere un filtro passa basso, anche "forte", puoi farlo tranquillamente a livello software, senza dover aggiungere componenti esterni.
Mi pare di capire che il senso del thread sia: ho questi componenti! Vanno bene? Perché se non vanno bene tanto ho solo questi.
Dicevo col senno di poi perché fare tanto per fare e vedere se poi va bene è un azzardo che non sempre ci si può permettere. Progettare per tentare di giungere ad un risultato con parametri di riferimento definiti è invece molto, molto più complesso.

Allora, che senso ha il thread? Semmai preoccuparsi di imparare a scrivere i giusti filtri a livello software. Ultimamente ho imparato ad usare i decimatori. Con particolare soddisfazione tra l'altro. Può essere la strada giusta. E' inverosimile un processo termico che vari in modo apprezzabie nei millisecondi, quindi...
Attenzione però che se a lavoro finito scopri di avere valori non soddisfacenti, devi ricominciare da capo. Vedi tu cosa ti può "costare" di meno.

Infine mi fa strana la tua scelta dell'alimentazione a 5 V. Non ho letto i dati dell'hardware usato, è vero, ma questo componente convertitore non ha una c.d.t.? Il suo range di uscita varia proporzionalmente alla tensione di alimentazione? Questi punti mi sembrano strani. Mi pare che tu, OP, li interpreti in questo modo.

[BrunoValente]

Se l'impianto è destinato a funzionare in ambiente industriale è tassativo un filtro hardware più spinto possible.

I filtri software sono filtri adatti per le lumache non ne ho mai visto uno funzionare in ambienti industriali dove è facile che nelle vicinanze dell'impianto vi siano grossi teleruttori che commutano grandi potenze o azionamenti da svariati kW che irradiano armoniche a centinaia di kHz se non MHz.. frequenze comparabili o anche più alte di quella di campionamento del convertitore AD.

I filtri software sono adeguati per mediare le variazioni del segnale "regolamentare", non per sopprimere segnali indesiderati che possono mettere in crisi già il convertitore AD.

Piuttosto andrà posta molta attenzione al collegamento dei vari riferimenti: immagino che l'amplificatore della termocoppia abbia l'uscita del segnale, quella dove si collega il cavo, con il riferimento in comune con quello del suo alimentatore e che dall'altro capo del cavo, cioè nel controllore, il riferimento dell'ingresso analogico sia in comune con quello dell'alimentatore del controllore e, se i due alimentatori hanno i riferimenti collegati a terra o da qualche altra parte, è facile che possano scorrere correnti indesiderate nel cavo di collegamento tra i due riferimenti e creare delle cadute di tensione che sommandosi al segnale trasmesso lo sporcano.

So bene quanto spesso negli ambienti industriali il personale addetto prenda a cuor leggero questi aspetti.

Con il loop 4-20mA che propone IsidoroKZ, soprattutto se è del tipo che alimenta i circuiti in campo con la stessa corrente di loop e se i circuiti in campo sono ben isolati, questi problemi si eliminano.

Per evitare accoppiamenti magnetici con i circuiti circostanti è sufficiente un cavo twistato e, se occorre anche evitare accoppiamenti capacitivi, anche schermato con lo schermo messo a terra solo dal lato del controllore insieme al suo riferimento.

[Candy]

Non condivido del tutto, ma solo sulla base di mie valutazioni sentimentali non suffragate da conocenza precisa. Nel senso che da un punto di vista numerico, il filtro software è validissimo, mentre non fa nulla contro il transitorio che diventa distruttivo per l'elettronica, questo è ovvio, ma allora torno a quello che scrivevo: progettare bene è ben diverso dal tentare tanto per vedere come andrà a finire.