Medición de Corriente con una Tensión de DAQ

Un sistema de adquisición de datos (DAQ) que mide la corriente típicamente, lo hace directamente. Sin embargo, los sistemas de DAQ que miden la tensión suelen ser más fácilmente disponibles para el usuario. Esta técnica requiere que la corriente se convierta en tensión para que el sistema de DAQ de tensión pueda leer la señal. Una derivación eléctrica puede realizar esta tarea, pero requiere un sistema con una alta impedancia de entrada. La mejor derivación para utilizar también requiere cálculos basados en fórmulas estándar.

La impedancia eléctrica es generalmente una medida de la oposición de un circuito a una corriente cuando se le aplica una tensión. La impedancia de entrada es la impedancia de una red de carga de una red de origen, incluyendo tanto la oposición estática como dinámica. La oposición estática es más conocida como resistencia, mientras que la oposición eléctrica dinámica se conoce como reactancia. Una red de carga es la parte de la red eléctrica que consume energía, mientras que una red de origen es la parta que transmite la energía. La impedancia de salida de la red de la fuente y la impedancia de entrada de carga de red determinan cómo la corriente y la tensión cambian cuando se transfiere energía de la fuente a la red de carga.

Se utiliza la impedancia a menudo para evaluar la eficiencia eléctrica de una red, que es generalmente la relación de la energía de salida útil a la entrada de energía total. Este proceso suele implicar la división de la red en etapas y la obtención de 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 a la impedancia total, que es la suma de la impedancia de entrada y la impedancia de salida.

El componente de la reactancia de la impedancia a menudo resulta en la pérdida de energía significativa para circuitos de corriente alternada. Estas pérdidas pueden dar lugar a un desequilibrio de fase, lo que significa que la corriente del circuito está fuera de fase con su tensión. La energía que se transmite a través del circuito es, por tanto, menor que lo que sería si la corriente y la tensión estuvieran en fase, puesto que la energía es el producto de la corriente y la tensión. Los circuitos de corriente directa no tienen reactancia, por lo que no sufren de este tipo de pérdida de energía.

La DAQ es el proceso de muestreo de señales eléctricas, por lo general aquellos que miden las condiciones físicas. Estos sistemas consisten en generalmente tres componentes como sensores, conjunto de circuito de acondicionamiento de señal y un convertidor analógico al digital. Los sensores convierten parámetros físicos en una señal análoga. El sistema de conjunto de circuito de acondicionamiento de señal convierte las señales procedentes de los sensores en una forma que se puede convertir en valores digitales. Un convertidor analógico al digital entonces convierte las señales analógicas condicionadas a valores digitales. Los sistemas de DAQ independientes típicamente se conocen específicamente como registradores de datos.

Los registradores de datos de baja impedancia de entrada por lo general tienen una impedancia de entrada del orden de 22 kΩ. El requisito para un registrador de datos con una alta impedancia de entrada significa que debe tener una impedancia de entrada de al menos 100 MΩ, que aumenta significativamente el costo de la unidad. Las características adicionales para este tipo de registrador de datos incluyen un convertidor analógico al digital (A/D) con aproximación sucesiva de 16 bits. También debe tiene 8 canales de una sola terminal con el individuo A/D en cada canal. Los rangos típicos para las entradas de tensión incluyen ± 1V, ± 2V, ± 5V y ± 10V.

Una derivación eléctrica es un dispositivo que pasa corriente alrededor de un punto en un circuito a través de un camino de baja resistencia. Tiene muchas aplicaciones posibles, como una derivación del amperímetro que permite que un amperímetro mida indirectamente la corriente que es demasiado grande para medirse directamente. Este tipo de derivación es un resistor con una resistencia de precisión conocida que es muy pequeña en comparación con la corriente en el circuito de carga. Se pone la derivación en serie con el circuito, lo que permite que la corriente pase a través de él. Un voltímetro puede conectarse entonces a cada extremo de la derivación para medir la caída de tensión a través de la derivación. Se puede calcular la corriente en el circuito después de esta caída de tensión y resistencia de la derivación.

La característica de identificación de una derivación es su caída de tensión en 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 estuvo en uso durante un período determinado de tiempo. Un factor de reducción del 66% después de dos minutos de uso continuo es común para las derivaciones. La resistencia de la derivación también puede variar de su especificación mientras su temperatura aumenta, un fenómeno conocido como desviación térmica. Las desviaciones típicamente comienzan a experimentar desviación térmica a 80°C (176°F) y a convertirse en daño permanente a 140°C (284°F).

La fórmula general para calcular la corriente en un circuito es I = V/R, donde I es corriente, V es tensión y R es la resistencia. Esta ecuación proporcionará la corriente en unidades de amperios, siempre y cuando la tensión sea en voltios y la resistencia sea en ohmios. En el caso de una desviación, el voltaje es la diferencia en tensión entre los terminales de entrada de Vin+ e Vin- del Voltímetro, y la resistencia es la resistencia nominal de la derivación.

La parte más crítica de este procedimiento es asegurar que la caída de tensión está dentro de un rango específico. Una caída mínima de varios voltios es generalmente necesaria para una relación aceptable de señal a ruido. Un resistor de 1 kΩ entre los terminales de Vin- y de tierra puede reducir el ruido si la fuente actual está aislada de la terminal de tierra. Sin embargo, la caída no puede ser lo suficientemente grande como para hacer que la fuente de corriente supere la tensión de salida nominal máxima. La caída de tensión debe ser lo suficientemente pequeña como para mantener la resistencia de calentamiento hasta el punto que su resistencia cambia significativamente.

Medición de entrada de 4 a 20 mA con una tensión de entrada de tensión

Es muy simple y barato medir del 4 a 20 mA con un dispositivo que medirá solo la tensión. La mayor parte de las tablas de A/D aceptan una señal del 0 a 5 Vdc, pero no pueden aceptar una señal del 4 a 20 mA señal directamente. La solución a este problema solo lleva unos minutos y unos pocos dólares. Básicamente, Ley de Ohms se utiliza para calcular un valor de resistencia con el fin de convertir el 4 a 20 mA a una tensión.

El valor de resistor más popular para este fin es 250Ω, ya que producirá una señal del 1 a 5 Vcc cuando el 4 a 20 mA fluyen a través de él y una entrada del 0 a 5 Vdc es muy común para la mayoría de sistemas de adquisición de datos y otros dispositivos de medición analógica.

Sin embargo, hay casos en los que se desean las entradas de tensión que no sea el 0 a 5 Vdc, por lo que en el ejemplo a continuación demostrará lo fácil que es calcular el resistor de valor correcto para cualquier entrada de tensión.

Para este ejemplo, asumimos que se utilizará una entrada del 0 a 2 Vdc para medir el 4 a 20 mA.

La ley de ohms afirma: R=V/I donde la V es la Tensión, la I es la corriente y la R es la resistencia

R=2V/0,020A = 100Ω

Cuando el 20 mA fluye a través de un resistor de 100Ω, él caerá 2 voltios.

Cuando el 4 mA fluye a través de un resistor de 100Ω, él caerá 0,4 voltios. Por lo tanto, el 4 a 20 mA a través de una resistencia de 100Ω caerá el 0,4 a 2 voltios.

Una cosa más importante a recordar es que la tolerancia de del resistor debe ser el 1% o menos; preferiblemente el 0,1%, ya que errores en la resistencia resultarán en errores en la caída de tensión. Si no quiere un resistor que varía mucho con el tiempo o la temperatura, ya que afectará su exactitud. Después de seleccionar un valor del resistor, se debe verificar las lecturas y hacer cualquier ajuste de sintonía fina en su software para compensar cualquier error en el resistor. Por ejemplo, una resistencia de 100Ω puede ser en realidad 99,5Ω, por lo tanto su salida de tensión en realidad será el 0,398 a 1.99V y no el 0,4 a 2 V como se calculó.

Solo tiene que conectar el resistor entre los terminales de entrada de tensión para el sistema de adquisición de datos y luego conecte su señal del 4 a 20 mA a los mismos dos terminales, de forma que mientras la corriente fluye a través del resistor, una tensión caerá y entonces se medirá por el dispositivo de adquisición de datos. Tenga en cuenta de que puede ser necesario conectar a tierra la fuente de energía si lo utiliza para alimentar un transmisor o un sensor de 2 cables.

El siguiente diagrama ilustra esto: