Un sistema de adquisición de datos (DAQ) que mide la corriente suele hacerlo directamente. Sin embargo, los sistemas DAQ que miden el voltaje suelen estar más fácilmente disponibles para el usuario. Esta técnica requiere que la corriente se convierta en voltaje para que el sistema DAQ de voltaje pueda leer la señal. Una derivación eléctrica puede realizar esta tarea, pero requiere un sistema con una alta impedancia de entrada. La mejor derivación que se puede utilizar también requiere cálculos basados en fórmulas estándar.
Entrada de tensión Impedancia de entrada
La impedancia eléctrica es, en general, una medida de la oposición de un circuito a la corriente cuando se le aplica tensión. La impedancia de entrada es la impedancia de una red de carga desde una red de fuente, incluyendo tanto la oposición estática como la dinámica.
La impedancia se utiliza a menudo para evaluar la eficiencia eléctrica de una red, que generalmente es la relación entre la potencia útil de salida y la potencia total de entrada. Este proceso suele implicar dividir la red en etapas y obtener la impedancia de entrada y salida entre las etapas. En el contexto de la impedancia, la eficiencia es la relación entre la impedancia de entrada y la impedancia total, que es la suma de la impedancia de entrada y la impedancia de salida. El componente de reactancia de la impedancia suele provocar pérdidas de potencia significativas en los circuitos de CA. Estas pérdidas pueden dar lugar a un desequilibrio de fase, lo que significa que la corriente del circuito es menor de lo que sería si la corriente y la tensión estuvieran en fase, ya que la potencia es el producto de la corriente y la tensión. Los circuitos de CC no tienen reactancia, por lo que no sufren este tipo de pérdida de potencia.
Sistemas DAQ
La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de muestreo de señales eléctricas, normalmente aquellas que miden condiciones físicas. Estos sistemas suelen constar de tres componentes:
- Sensores
- Circuitos de acondicionamiento de señales
- Convertidor analógico-digital
Los sensores convierten los parámetros físicos en una señal analógica. Los circuitos de acondicionamiento de señales convierten las señales de los sensores en una forma que puede transformarse en valores digitales. A continuación, un convertidor analógico-digital convierte las señales analógicas acondicionadas en valores digitales. Los sistemas DAQ autónomos se conocen normalmente como registradores de datos. Los registradores de datos de baja impedancia de entrada suelen tener una impedancia de entrada del orden de 22 kΩ. El requisito de un registrador de datos con una alta impedancia de entrada significa que debe tener una impedancia de entrada de al menos 100 MΩ, lo que aumenta significativamente el coste de la unidad. Las características adicionales de este tipo de registrador de datos incluyen un convertidor analógico-digital (A/D) con aproximación sucesiva de 16 bits. También debe tener 8 canales de un solo extremo con A/D individual en cada canal. Los rangos típicos para las entradas de tensión incluyen ± 1 V, ± 2 V, ± 5 V y ± 10 V.p>
Derivación eléctrica
Una derivación eléctrica es un dispositivo que hace pasar la corriente alrededor de un punto de un circuito a través de una ruta de baja resistencia. Tiene muchas aplicaciones posibles, como una derivación de amperímetro que permite a un amperímetro medir indirectamente una corriente que es demasiado grande para medirla directamente. Este tipo de derivación es una resistencia con una resistencia conocida con precisión que es muy pequeña en comparación con la corriente en el circuito de carga. La derivación se coloca en serie con el circuito, lo que permite que la corriente pase a través de ella. A continuación, se puede conectar un voltímetro a cada extremo de la derivación para medir la caída de tensión a través de la derivación. La corriente en el circuito se puede calcular a partir de esta caída de tensión y la resistencia de la derivación. La característica identificativa de una derivación es su caída de tensión a su corriente máxima, que suele ser de 50 mV, 75 mV o 100 mV por convención. También tienen un factor de reducción que debe aplicarse a la tensión después de que la derivación haya estado en uso durante un período de tiempo específico. Un factor de reducción del 66 % después de dos minutos de uso continuo es común para las derivaciones. La resistencia de una derivación también puede variar con respecto a sus especificaciones a medida que aumenta su temperatura, un fenómeno conocido como deriva térmica. Las derivaciones suelen empezar a experimentar deriva térmica a 80 °C (176 °F) y se dañan de forma permanente a 140 °C (284 °F).
Cálculos
Analógico simultáneo La fórmula general para calcular la corriente en un circuito es I = V/R, donde I es la corriente, V es el voltaje y R es la resistencia. Esta ecuación proporcionará:
- Corriente en unidades de amperios
- Voltaje en unidades de voltios
- Resistencia en unidades de ohmios
En el caso de una derivación, el voltaje es la diferencia de voltaje entre los terminales de entrada Vin+ y Vin- del voltímetro, y la resistencia es la resistencia nominal de la derivación.
La parte más crítica de este procedimiento es garantizar que la caída de tensión se encuentre dentro de un rango específico. Por lo general, se necesita una caída mínima de varios voltios para obtener una relación señal-ruido aceptable. Una resistencia de 1 kΩ entre los terminales Vin- y tierra puede reducir el ruido si la fuente de corriente está aislada del terminal de tierra. Sin embargo, la caída no puede ser tan grande como para que la fuente de corriente supere su tensión de salida nominal máxima. La caída de tensión también debe ser lo suficientemente pequeña como para evitar que la resistencia se sobrecaliente hasta el punto de que su resistencia cambie significativamente.
Medición de una entrada de 4 a 20 mA con un dispositivo de entrada de tensión
Es extremadamente sencillo y económico medir 4 a 20 mA con un dispositivo que solo mida la tensión. La mayoría de las tarjetas A/D aceptan una señal de 0 a 5 V CC, pero es posible que no acepten directamente una señal de 4-20 mA. La solución a este problema solo llevará unos minutos y unos pocos dólares. Básicamente, se utiliza la ley de Ohm para calcular el valor de una resistencia con el fin de convertir los 4-20 mA en voltaje.
El valor de resistencia más popular para este fin es 250 Ω, ya que producirá una señal de 1 a 5 V CC cuando fluyan 4-20 mA a través de él, y una entrada de 0 a 5 V CC es muy común para la mayoría de los sistemas DAQ y otros dispositivos de medición analógicos.
Sin embargo, hay casos donde se desean entradas de tensión distintas de 0 a 5 V CC, por lo que el siguiente ejemplo demostrará lo sencillo que es calcular el valor correcto de la resistencia para cualquier entrada de tensión.
Ejemplo
Para este ejemplo, supondremos que se utilizará una entrada de 0 a 2 V CC para medir 4-20 mA.
La ley de Ohm establece: R = V/I, donde V es el voltaje, I es la corriente y R es la resistencia.
R = 2 V/0,020 A = 100 Ω
Cuando 20 mA fluyen a través de una resistencia de 100 Ω, se producirá una caída de 2 voltios.
Al fluir 4 mA a través de una resistencia de 100 Ω, se producirá una caída de 0,4 voltios. Por lo tanto, 4-20 mA a través de una resistencia de 100 Ω producirán una caída de 0,4 a 2 voltios.
Otra cosa importante que hay que recordar es que la tolerancia de la resistencia debe ser del 1 % o menos; preferiblemente del 0,1 %, ya que los errores en la resistencia darán lugar a errores en la caída de tensión. No es conveniente utilizar una resistencia que fluctúe mucho con el tiempo o la temperatura, ya que esto afectará a la precisión. Una vez seleccionado el valor de la resistencia, debe verificar las lecturas y realizar los ajustes necesarios en el software para compensar cualquier error en la resistencia. Por ejemplo, una resistencia de 100 Ω puede ser en realidad de 99,5 Ω; por lo tanto, la salida de tensión será en realidad de 0,398 a 1,99 V, y no de 0,4 a 2 V como hemos calculado.
Simplemente conecte la resistencia a los terminales de entrada de voltaje de su sistema DAQ y, a continuación, conecte su señal de 4-20 mA a los mismos dos terminales, de modo que, a medida que la corriente fluye a través de la resistencia, se producirá una caída de voltaje que será medida por el dispositivo DAQ. Tenga en cuenta que puede ser necesario conectar a tierra la alimentación si la utiliza para alimentar un transmisor o un sensor de 2 hilos.
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