Ein Datenerfassungssystem (DAQ), das Strom misst, tut dies in der Regel direkt. Allerdings sind DAQ-Systeme, die Spannung messen, für den Anwender oft leichter verfügbar. Bei dieser Technik muss der Strom in Spannung umgewandelt werden, damit das Spannungs-DAQ-System das Signal lesen kann. Ein elektrischer Shunt kann diese Aufgabe übernehmen, erfordert jedoch ein System mit hoher Eingangsimpedanz. Der beste Shunt muss außerdem anhand von Standardformeln berechnet werden.
Spannungseingang Eingangsimpedanz
Die elektrische Impedanz ist im Allgemeinen ein Maß für den Widerstand eines Stromkreises gegen einen Strom, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Eingangsimpedanz ist die Impedanz eines Lastnetzwerks gegenüber einem Quellennetzwerk, einschließlich statischem und dynamischem Widerstand. Der statische Widerstand ist besser bekannt als Widerstand, während der dynamische elektrische Widerstand als Reaktanz bezeichnet wird. Ein Lastnetzwerk ist der Teil eines elektrischen Netzwerks, der Strom verbraucht, während ein Quellennetzwerk der Teil ist, der Strom überträgt. Die Ausgangsimpedanz des Quellennetzwerks und die Eingangsimpedanz des Lastnetzwerks bestimmen, wie sich Strom und Spannung ändern, wenn Strom von der Quelle zum Lastnetzwerk übertragen wird.
Die Impedanz wird häufig zur Bewertung der elektrischen Effizienz eines Netzwerks verwendet, die im Allgemeinen das Verhältnis der nutzbaren Ausgangsleistung zur gesamten Eingangsleistung ist. Bei diesem Verfahren wird das Netzwerk in der Regel in Stufen unterteilt und die Eingangs- und Ausgangsimpedanz zwischen den Stufen ermittelt. Im Zusammenhang mit der Impedanz ist die Effizienz das Verhältnis der Eingangsimpedanz zur Gesamtimpedanz, die sich aus der Summe der Eingangsimpedanz und der Ausgangsimpedanz ergibt. Die Reaktanzkomponente der Impedanz führt häufig zu erheblichen Leistungsverlusten in Wechselstromkreisen. Diese Verluste können zu einer Phasenunsymmetrie führen, was bedeutet, dass der Strom im Stromkreis geringer ist, als wenn Strom und Spannung phasengleich wären, da die Leistung das Produkt aus Strom und Spannung ist. Gleichstromkreise haben keine Reaktanz, sodass sie nicht unter dieser Art von Leistungsverlust leiden.
DAQ-Systeme
Datenerfassung (DAQ) ist der Prozess der Abtastung elektrischer Signale, in der Regel solcher, die physikalische Zustände messen. Diese Systeme bestehen in der Regel aus drei Komponenten:
- Sensoren
- Signalkonditionierungsschaltungen
- Analog-Digital-Wandler
Die Sensoren wandeln physikalische Parameter in ein analoges Signal um. Die Signalkonditionierungsschaltungen wandeln die Signale der Sensoren in eine Form um, die in digitale Werte umgewandelt werden kann. Ein Analog-Digital-Wandler wandelt dann die aufbereiteten analogen Signale in digitale Werte um. Eigenständige DAQ-Systeme sind in der Regel speziell als Datenlogger bekannt. Datenlogger mit niedriger Eingangsimpedanz haben in der Regel eine Eingangsimpedanz in der Größenordnung von 22 kΩ. Die Anforderung an einen Datenlogger mit hoher Eingangsimpedanz bedeutet, dass er eine Eingangsimpedanz von mindestens 100 MΩ haben sollte, was die Kosten des Geräts erheblich erhöht. Zu den zusätzlichen Funktionen für diesen Typ von Datenlogger gehört ein Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) mit 16-Bit-Sukzessivapproximation. Außerdem sollte er über 8 Single-Ended-Kanäle mit individuellem A/D-Wandler auf jedem Kanal verfügen. Typische Messbereiche für die Spannungseingänge sind ± 1 V, ± 2 V, ± 5 V und ± 10 V.p>
Elektrischer Shunt
Ein elektrischer Shunt ist ein Gerät, das Strom über einen niederohmigen Pfad um einen Punkt in einem Stromkreis herum leitet. Er hat viele mögliche Anwendungen, z. B. als Amperemeter-Shunt, mit dem ein Amperemeter indirekt Ströme messen kann, die für eine direkte Messung zu groß sind. Diese Art von Shunt ist ein Widerstand mit einem genau bekannten Widerstand, der im Vergleich zum Strom im Lastkreis sehr klein ist. Der Shunt wird in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet, sodass der Strom durch ihn fließen kann. Anschließend kann ein Voltmeter an jedes Ende des Shunts angeschlossen werden, um den Spannungsabfall über dem Shunt zu messen. Der Strom im Stromkreis kann dann aus diesem Spannungsabfall und dem Widerstand des Shunts berechnet werden. Das charakteristische Merkmal eines Shunts ist sein Spannungsabfall bei maximalem Strom – der üblicherweise 50 mV, 75 mV oder 100 mV beträgt. Sie haben auch einen Derating-Faktor, der auf die Spannung angewendet werden muss, nachdem der Shunt für einen bestimmten Zeitraum in Betrieb war. Ein Derating-Faktor von 66 Prozent nach zwei Minuten Dauerbetrieb ist für Shunts üblich. Der Widerstand eines Shunts kann mit steigender Temperatur auch von seiner Spezifikation abweichen, ein Phänomen, das als thermische Drift bekannt ist. Shunts beginnen typischerweise bei 80 °C (176 °F) mit thermischer Drift und werden bei 140 °C (284 °F) dauerhaft beschädigt.
Berechnungen
Simultaneous Analog Die allgemeine Formel zur Berechnung des Stroms in einem Stromkreis lautet I = V/R, wobei I der Strom, V die Spannung und R der Widerstand ist. Diese Gleichung liefert:
- Strom in Ampere
- Spannung in Volt
- Widerstand in Ohm
Bei einem Shunt ist die Spannung die Differenz zwischen den Eingangsanschlüssen Vin+ und Vin- des Voltmeters, und der Widerstand ist der Nennwiderstand des Shunts.
Der kritischste Teil dieses Verfahrens besteht darin, sicherzustellen, dass der Spannungsabfall innerhalb eines bestimmten Messbereichs liegt. Für ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis ist in der Regel ein Mindestabfall von mehreren Volt erforderlich. Ein 1-kΩ-Widerstand zwischen den Anschlüssen Vin- und Masse kann das Rauschen reduzieren, wenn die Stromquelle vom Masseanschluss isoliert ist. Der Abfall darf jedoch nicht so groß sein, dass die Stromquelle ihre maximale Nennausgangsspannung überschreitet. Der Spannungsabfall muss außerdem gering genug sein, damit der Widerstand nicht so stark überhitzt, dass sich sein Widerstand erheblich verändert.
Messen eines 4-20-mA-Eingangs mit einem Spannungsmessgerät
Es ist äußerst einfach und kostengünstig, 4-20 mA mit einem Gerät zu messen, das nur die Spannung misst. Die meisten A/D-Karten akzeptieren ein Signal von 0 bis 5 VDC, jedoch möglicherweise nicht direkt ein 4-20-mA-Signal. Die Lösung für dieses Problem kostet nur wenige Minuten und wenige Euro. Grundsätzlich wird der Widerstandswert nach dem Ohmschen Gesetz berechnet, um die 4-20 mA in eine Spannung umzuwandeln.
Der beliebteste Widerstandswert für diesen Zweck ist 250 Ω, da er ein Signal von 1 bis 5 VDC erzeugt, wenn 4-20 mA durch ihn fließen – und ein Eingang von 0 bis 5 VDC ist für die meisten DAQ-Systeme und andere analoge Messgeräte sehr verbreitet.
Es gibt jedoch Fälle, in denen andere Spannungseingänge als 0 bis 5 VDC gewünscht sind. Das folgende Beispiel zeigt, wie einfach es ist, den richtigen Widerstandswert für jeden Spannungseingang zu berechnen.
Beispiel
Für dieses Beispiel nehmen wir an, dass ein Eingang von 0 bis 2 VDC verwendet wird, um 4-20 mA zu messen.
Das Ohmsche Gesetz lautet: R = V/I – wobei V die Spannung, I der Strom und R der Widerstand ist.
R = 2 V/0,020 A = 100 Ω
Wenn 20 mA durch einen 100-Ω-Widerstand fließen, fällt die Spannung um 2 Volt ab.
Wenn 4 mA durch einen 100-Ω-Widerstand fließen, fällt die Spannung um 0,4 Volt. Daher fällt die Spannung bei 4–20 mA durch einen 100-Ω-Widerstand um 0,4 bis 2 Volt.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass die Toleranz des Widerstands 1 % oder weniger betragen sollte, vorzugsweise 0,1 %, da Fehler im Widerstand zu Fehlern im Spannungsabfall führen. Sie sollten keinen Widerstand verwenden, der mit der Zeit oder der Temperatur stark schwankt, da dies Ihre Genauigkeit beeinträchtigt. Nachdem Sie einen Widerstandswert ausgewählt haben, müssen Sie Ihre Messwerte überprüfen und in Ihrer Software Feinabstimmungen vornehmen, um etwaige Fehler im Widerstand auszugleichen. Beispielsweise kann ein Widerstand von 100 Ω tatsächlich 99,5 Ω betragen; daher beträgt Ihre Ausgangsspannung tatsächlich 0,398 bis 1,99 V – und nicht 0,4 bis 2 V, wie wir berechnet haben.
Sie schließen den Widerstand einfach an die Spannungseingangsanschlüsse Ihres DAQ-Systems an und verbinden dann Ihr 4-20-mA-Signal mit denselben beiden Anschlüssen, sodass beim Fließen des Stroms durch den Widerstand eine Spannung abfällt, die dann vom DAQ-Gerät gemessen wird. Beachten Sie, dass es möglicherweise erforderlich ist, die Stromversorgung zu erden, wenn Sie sie zur Stromversorgung eines Transmitters oder eines 2-Draht-Sensors verwenden.
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