Un système d'acquisition de données (DAQ) qui mesure le courant le fait généralement directement. Cependant, les systèmes DAQ qui mesurent la tension sont souvent plus facilement disponibles pour l'utilisateur. Cette technique nécessite que le courant soit converti en tension afin que le système DAQ de tension puisse lire le signal. Un shunt électrique peut effectuer cette tâche, mais il nécessite un système à haute impédance d'entrée. Le meilleur shunt à utiliser nécessite également des calculs basés sur des formules standard.
Entrée tension Impédance d'entrée
L'impédance électrique est généralement une mesure de l'opposition d'un circuit à un courant lorsqu'une tension lui est appliquée. L'impédance d'entrée est l'impédance d'un réseau de charge à partir d'un réseau source, y compris l'opposition statique et dynamique. L'opposition statique est plus communément appelée résistance, tandis que l'opposition électrique dynamique est appelée réactance. Un réseau de charge est la partie d'un réseau électrique qui consomme de l'énergie, tandis qu'un réseau source est la partie qui transmet l'énergie. L'impédance de sortie du réseau source et l'impédance d'entrée du réseau de charge déterminent la façon dont le courant et la tension changent lorsque l'énergie est transférée de la source au réseau de charge.
L'impédance est souvent utilisée pour évaluer l'efficacité électrique d'un réseau, qui est généralement le rapport entre la puissance utile en sortie et la puissance totale en entrée. Ce processus consiste généralement à diviser le réseau en étapes et à obtenir l'impédance d'entrée et de sortie entre les étapes. Dans le contexte de l'impédance, l'efficacité est le rapport entre l'impédance d'entrée et l'impédance totale, qui est la somme de l'impédance d'entrée et de l'impédance de sortie. La composante réactive de l'impédance entraîne souvent des pertes de puissance importantes pour les circuits à courant alternatif. Ces pertes peuvent entraîner un déséquilibre de phase, ce qui signifie que le courant du circuit est alors inférieur à ce qu'il serait si le courant et la tension étaient en phase, puisque la puissance est le produit du courant et de la tension. Les circuits à courant continu n'ont pas de réactance, ils ne souffrent donc pas de ce type de perte de puissance.
Systèmes d'acquisition de données
L'acquisition de données (DAQ) est le processus d'échantillonnage de signaux électriques, généralement ceux qui mesurent des conditions physiques. Ces systèmes se composent généralement de trois éléments :
- Capteurs
- Circuits de conditionnement des signaux
- Convertisseur analogique-numérique
Les capteurs convertissent les paramètres physiques en un signal analogique. Les circuits de conditionnement des signaux convertissent les signaux provenant des capteurs en une forme qui peut être convertie en valeurs numériques. Un convertisseur analogique-numérique convertit ensuite les signaux analogiques conditionnés en valeurs numériques. Les systèmes DAQ autonomes sont généralement connus sous le nom spécifique d'enregistreurs de données. Les enregistreurs de données à faible impédance d'entrée ont généralement une impédance d'entrée de l'ordre de 22 kΩ. La nécessité d'un enregistreur de données à haute impédance d'entrée signifie qu'il doit avoir une impédance d'entrée d'au moins 100 MΩ, ce qui augmente considérablement le coût de l'appareil. Les caractéristiques supplémentaires de ce type d'enregistreur de données comprennent un convertisseur analogique-numérique (A/N) avec approximation successive sur 16 bits. Il doit également disposer de 8 canaux asymétriques avec un convertisseur A/N individuel sur chaque canal. Les plages typiques pour les entrées de tension comprennent ± 1 V, ± 2 V, ± 5 V et ± 10 V.p>
Shunt électrique
Un shunt électrique est un dispositif qui fait passer le courant autour d'un point d'un circuit via un chemin à faible résistance. Il a de nombreuses applications possibles, comme un shunt d'ampèremètre qui permet à un ampèremètre de mesurer indirectement un courant trop important pour être mesuré directement. Ce type de shunt est une résistance dont la valeur est connue avec précision et qui est très faible par rapport au courant dans le circuit de charge. Le shunt est placé en série avec le circuit, ce qui permet au courant de le traverser. Un voltmètre peut alors être connecté à chaque extrémité du shunt pour mesurer la chute de tension aux bornes du shunt. Le courant dans le circuit peut alors être calculé à partir de cette chute de tension et de la résistance du shunt. La caractéristique distinctive d'un shunt est sa chute de tension à son courant maximum, qui est généralement de 50 mV, 75 mV ou 100 mV selon la convention. Ils ont également un facteur de déclassement qui doit être appliqué à la tension après que le shunt a été utilisé pendant une période de temps spécifiée. Un facteur de déclassement de 66 % après deux minutes d'utilisation continue est courant pour les shunts. La résistance d'un shunt peut également varier par rapport à ses spécifications techniques lorsque sa température augmente, un phénomène connu sous le nom de dérive thermique. Les shunts commencent généralement à subir une dérive thermique à 80 °C (176 °F) et sont définitivement endommagés à 140 °C (284 °F).
Calculs
Analogique simultané La formule générale pour calculer le courant dans un circuit est I = V/R, où I est le courant, V est la tension et R est la résistance. Cette équation fournit :
- Le courant en ampères
- La tension en volts
- La résistance en ohms
Dans le cas d'un shunt, la tension est la différence de tension entre les bornes d'entrée Vin+ et Vin- du voltmètre, et la résistance est la résistance nominale du shunt.
La partie la plus critique de cette procédure consiste à s'assurer que la chute de tension se situe dans une plage spécifique. Une chute minimale de plusieurs volts est généralement nécessaire pour obtenir un rapport signal/bruit acceptable. Une résistance de 1 kΩ entre les bornes Vin- et de masse peut réduire le bruit si la source de courant est isolée de la borne de masse. Cependant, la chute ne doit pas être trop importante au point de faire dépasser à la source de courant sa tension de sortie nominale maximale. La chute de tension doit également être suffisamment faible pour éviter que la résistance ne surchauffe au point que sa résistance change de manière significative.
Mesure d'une entrée 4-20 mA avec une entrée tension
Il est extrêmement simple et peu coûteux de mesurer 4-20 mA avec un dispositif qui ne mesure que la tension. La plupart des cartes A/N acceptent un signal de 0 à 5 Vcc, mais peuvent ne pas accepter directement un signal de 4-20 mA. La solution à ce problème ne prendra que quelques minutes et ne coûtera que quelques dollars. En gros, la loi d'Ohm est utilisée pour calculer la valeur d'une résistance afin de convertir le courant de 4-20 mA en tension.
La valeur de résistance la plus populaire à cette fin est 250 Ω, car elle produit un signal de 1 à 5 Vcc lors de la traversée d'un courant de 4-20 mA. De plus, une entrée de 0 à 5 Vcc est très courante pour la plupart des systèmes DAQ et autres appareils de mesure analogiques.
Cependant, dans certains cas, des entrées tension autres que 0 à 5 Vcc sont souhaitées. L'exemple suivant montre à quel point il est simple de calculer la valeur correcte de la résistance pour n'importe quelle entrée tension.
Exemple
Pour cet exemple, nous supposerons qu'une entrée de 0 à 2 Vcc sera utilisée pour mesurer 4-20 mA.
La loi d'Ohm stipule : R = V/I – où V est la tension, I est le courant et R est la résistance.
R = 2 V/0,020 A = 100 Ω
Lorsque 20 mA circulent à travers une résistance de 100 Ω, la tension chute de 2 volts.
Lorsque 4 mA circulent à travers une résistance de 100 Ω, la chute de tension est de 0,4 volt. Par conséquent, 4-20 mA circulant à travers une résistance de 100 Ω entraîneront une chute de tension comprise entre 0,4 et 2 volts.
Il est également important de garder à l'esprit que la tolérance de la résistance doit être inférieure ou égale à 1 %, de préférence 0,1 %, car les erreurs de résistance entraîneront des erreurs de chute de tension. Il est préférable d'éviter les résistances qui fluctuent beaucoup avec le temps ou la température, car cela affectera votre précision. Après avoir sélectionné une valeur de résistance, vous devez vérifier vos lectures et effectuer des réglages précis dans votre logiciel afin de compenser les erreurs éventuelles de la résistance. Par exemple, une résistance de 100 Ω peut en réalité être de 99,5 Ω ; par conséquent, votre tension de sortie sera en réalité comprise entre 0,398 et 1,99 V, et non entre 0,4 et 2 V comme nous l'avons calculé.
Il vous suffit de connecter la résistance aux bornes d'entrée de tension de votre système DAQ, puis de connecter votre signal 4-20 mA aux deux mêmes bornes, de sorte que lorsque le courant traverse la résistance, une tension chute et est ensuite mesurée par le dispositif DAQ. N'oubliez pas qu'il peut être nécessaire de mettre à la terre l'alimentation électrique si vous l'utilisez pour alimenter un transmetteur ou un capteur à 2 fils.
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