Un sistema di acquisizione dei dati (DAQ) che misura la corrente lo fa in genere direttamente. Tuttavia, i sistemi DAQ che misurano la tensione sono spesso più facilmente disponibili per l'utente. Questa tecnica richiede che la corrente venga convertita in tensione in modo che il sistema DAQ di tensione possa leggere il segnale. Uno shunt elettrico può svolgere questo compito, ma richiede un sistema con un'alta impedenza in ingresso. Lo shunt migliore da utilizzare richiede anche calcoli basati su formule standard.
Ingresso tensione Impedenza in ingresso
L'impedenza elettrica è generalmente una misura dell'opposizione di un circuito alla corrente quando viene applicata una tensione. L'impedenza in ingresso è l'impedenza di una rete di carico da una rete di sorgenti, compresa sia l'opposizione statica che quella dinamica. L'opposizione statica è più comunemente nota come resistenza, mentre l'opposizione elettrica dinamica è nota come reattanza. Una rete di carico è la parte di una rete elettrica che consuma energia, mentre una rete di alimentazione è la parte che trasmette energia. L'impedenza di uscita della rete di alimentazione e l'impedenza in ingresso della rete di carico determinano come cambiano la corrente e la tensione quando l'energia viene trasferita dalla fonte alla rete di carico.
L'impedenza viene spesso utilizzata per valutare l'efficienza elettrica di una rete, che è generalmente il rapporto tra la potenza utile in uscita e la potenza totale in ingresso. Questo processo comporta tipicamente la suddivisione della rete in stadi e l'ottenimento dell'impedenza in ingresso e di uscita tra gli stadi. Nel contesto dell'impedenza, l'efficienza è il rapporto tra l'impedenza in ingresso e l'impedenza totale, che è la somma dell'impedenza in ingresso e dell'impedenza di uscita. La componente di reattanza dell'impedenza spesso comporta perdite di potenza significative per i circuiti CA. Queste perdite possono causare uno squilibrio di fase, il che significa che la corrente del circuito è quindi inferiore a quella che sarebbe se la corrente e la tensione fossero in fase, poiché la potenza è il prodotto della tensione di alimentazione. I circuiti CC non hanno reattanza, quindi non subiscono questo tipo di perdita di potenza.
Sistemi DAQ
L'acquisizione dei dati (DAQ) è il processo di campionamento dei segnali elettrici, in genere quelli che misurano le condizioni fisiche. Questi sistemi sono generalmente costituiti da tre componenti:
- Sensori
- Circuiti di condizionamento del segnale
- Convertitore analogico-digitale
I sensori convertono i parametri fisici in un segnale analogico. I circuiti di condizionamento del segnale convertono i segnali provenienti dai sensori in una forma che può essere convertita in valori digitali. Un convertitore analogico-digitale converte quindi i segnali analogici condizionati in valori digitali. I sistemi DAQ autonomi sono tipicamente noti come registratori di dati. I registratori di dati a bassa impedenza di ingresso hanno generalmente un'impedenza di ingresso dell'ordine di 22 kΩ. Il requisito di un registratore di dati con un'alta impedenza di ingresso significa che dovrebbe avere un'impedenza di ingresso di almeno 100 MΩ, il che aumenta significativamente il costo dell'unità. Altre funzioni aggiuntive di questo tipo di data logger includono un convertitore analogico-digitale (A/D) con approssimazione successiva a 16 bit. Dovrebbe inoltre avere 8 canali single-ended con A/D individuale su ciascun canale. Gli intervalli tipici per gli ingressi di tensione includono ± 1 V, ± 2 V, ± 5 V e ± 10 V.p>
Shunt elettrico
Uno shunt elettrico è un dispositivo che fa passare la corrente intorno a un punto in un circuito tramite un percorso a bassa resistenza. Ha molte possibili applicazioni, come uno shunt per amperometro che consente a un amperometro di misurare indirettamente una corrente troppo grande per essere misurata direttamente. Questo tipo di shunt è un resistore con una resistenza nota con precisione che è molto piccola rispetto alla corrente nel circuito di carico. Lo shunt è posto in serie con il circuito, consentendo alla corrente di attraversarlo. È quindi possibile collegare un voltmetro a ciascuna estremità dello shunt per misurare la caduta di tensione attraverso lo shunt. La corrente nel circuito può quindi essere calcolata da questa caduta di tensione e dalla resistenza dello shunt. La caratteristica identificativa di uno shunt è la sua caduta di tensione alla corrente massima, che in genere è di 50 mV, 75 mV o 100 mV per convenzione. Gli shunt hanno anche un fattore di declassamento che deve essere applicato alla tensione dopo che lo shunt è stato utilizzato per un determinato periodo di tempo. Un fattore di declassamento del 66% dopo due minuti di uso continuo è comune per gli shunt. La resistenza di uno shunt può anche variare rispetto alle specifiche con l'aumentare della temperatura, un fenomeno noto come deriva termica. Gli shunt iniziano tipicamente a subire una deriva termica a 80 °C (176 °F) e subiscono danni permanenti a 140 °C (284 °F).
Calcoli
Analogico simultaneo La formula generale per calcolare la corrente in un circuito è I = V/R, dove I è la corrente, V è la tensione e R è la resistenza. Questa equazione fornirà:
- Corrente in unità di ampere
- Tensione in unità di volt
- Resistenza in unità di ohm
Nel caso di uno shunt, la tensione è la differenza di tensione tra i terminali di ingresso Vin+ e Vin- del voltmetro, mentre la resistenza è la resistenza nominale dello shunt.
La parte più critica di questa procedura è garantire che la caduta di tensione rientri in un intervallo specifico. In genere è necessaria una caduta minima di diversi volt per ottenere un rapporto segnale/rumore accettabile. Un resistore da 1 kΩ tra i terminali Vin- e di terra può ridurre il rumore se la sorgente di corrente è isolata dal terminale di terra. Tuttavia, la caduta non può essere così grande da causare il superamento della tensione di uscita nominale massima da parte della sorgente di corrente. La caduta di tensione deve anche essere sufficientemente piccola da impedire il surriscaldamento del resistore al punto da modificarne significativamente la resistenza.
Misurazione di un ingresso da 4-20 mA con un dispositivo di ingresso tensione
È estremamente semplice ed economico misurare 4-20 mA con un dispositivo che misura solo la tensione. La maggior parte delle schede A/D accetta un segnale da 0 a 5 V cc, ma potrebbe non accettare direttamente un segnale da 4-20 mA. La soluzione a questo problema richiede solo pochi minuti e pochi euro. In sostanza, si utilizza la legge di Ohm per calcolare il valore di un resistore al fine di convertire i 4-20 mA in tensione.
Il valore di resistenza più diffuso per questo scopo è 250 Ω, poiché produce un segnale da 1 a 5 Vcc quando lo attraversa una corrente da 4-20 mA, e un ingresso da 0 a 5 V cc è molto comune per la maggior parte dei sistemi DAQ e altri dispositivi di misurazione analogici.
Tuttavia, ci sono casi in cui sono desiderati ingressi di tensione diversi da Da 0 a 5 V cc, quindi l'esempio seguente dimostrerà quanto sia semplice calcolare il valore corretto del resistore per qualsiasi ingresso di tensione.
Esempio
Per questo esempio, supponiamo che venga utilizzato un ingresso da 0 a 2 Vcc per misurare 4-20 mA.
La legge di Ohm afferma: R = V/I – dove V è la tensione, I è la corrente e R è la resistenza.
R = 2 V/0,020 A = 100 Ω
In caso di flusso di 20 mA attraverso un resistore da 100 Ω, si avrà una caduta di tensione di 2 volt.
In caso di flusso di 4 mA attraverso un resistore da 100 Ω, si verifica una caduta di tensione di 0,4 volt. Pertanto, 4-20 mA attraverso un resistore da 100 Ω causeranno una caduta di tensione compresa tra 0,4 e 2 volt.
Un altro aspetto importante da ricordare è che la tolleranza del resistore deve essere pari o inferiore all'1%; preferibilmente allo 0,1%, poiché gli errori nella resistenza comporteranno errori nella caduta di tensione. È preferibile evitare resistori che fluttuano molto con il tempo o la temperatura, poiché ciò influirà sull'accuratezza. Dopo aver selezionato il valore del resistore, è necessario verificare le letture ed effettuare eventuali regolazioni di precisione nel software per compensare eventuali errori nel resistore. Ad esempio, una resistenza di 100 Ω potrebbe essere in realtà di 99,5 Ω; pertanto, l'uscita di tensione sarà in realtà compresa tra 0,398 e 1,99 V e non tra 0,4 e 2 V come calcolato.
È sufficiente collegare il resistore ai terminali di ingresso della tensione del sistema DAQ, quindi collegare il segnale da 4-20 mA agli stessi due terminali, in modo che quando la corrente attraversa il resistore, si verifichi una caduta di tensione che verrà misurata dal dispositivo DAQ. Tenere presente che potrebbe essere necessario collegare a terra l'alimentatore se lo si utilizza per alimentare un trasmettitore o un sensore a 2 fili.
Registratori grafici Introduzione ai registratori grafici