Medição de Corrente Elétrica com um Sistema de Aquisição de Dados de Tensão

Um sistema de aquisição de dados (DAQ) que mede corrente elétrica normalmente faz isso de forma direta. No entanto, os sistemas DAQ que medem tensão estão muitas vezes disponíveis de forma mais imediata para o usuário. Esta técnica requer que a corrente seja convertida em tensão para que a tensão do sistema DAQ possa ler o sinal. Uma derivação elétrica pode executar essa tarefa, mas requer um sistema com uma entrada de alta impedância. A melhor derivação também requer cálculos com base em fórmulas padrão.

A impedância elétrica geralmente é uma medida da oposição de um circuito a uma corrente quando uma tensão for aplicada a ele. A impedância de entrada é a impedância de uma rede de carga a partir de uma rede de origem, incluindo a oposição estática e dinâmica. A oposição estática é mais comumente conhecida como resistência, enquanto a oposição elétrica dinâmica é conhecida como reatância. Uma rede de carga é a parte de uma rede elétrica que consome energia, ao passo que uma rede de origem é a parte que transmite a potência. A impedância de saída da rede de origem e a impedância de entrada da rede de carga determinam como a corrente e a tensão mudam quando a força é transferida da fonte para a rede de carga.

A impedância é usada com frequência para avaliar a eficiência elétrica da rede, que geralmente é a relação entre a saída de potência útil para o total de entrada de força. Este processo normalmente implica na divisão da rede em estágios e obtenção da impedância de entrada e de saída entre os estágios. No contexto de impedância, a eficiência é a relação entre a impedância de entrada para a impedância total, que é a soma da impedância de entrada e de saída.

O componente de reatância de impedância muitas vezes resulta em perdas significativas de força para circuitos de corrente alternada. Estas perdas podem resultar em um desequilíbrio de fase, significando que a corrente do circuito está fora de fase com a tensão. A força sendo transmitida através do circuito é, portanto, menor do que seria se a tensão e a corrente estivessem em fase, já que a potência é o produto da corrente e da tensão. Os circuitos de corrente direta não têm reatância, assim não sofrem este tipo de perda de força.

O Sistema DAQ é o processo de amostragem de sinais elétricos, normalmente aqueles que medem as condições físicas. Esses sistemas geralmente consistem de três componentes, incluindo sensores, circuitos de condicionamento de sinal e um conversor analógico-digital. Os sensores convertem parâmetros físicos em um sinal analógico. O circuito de condicionamento de sinal converte os sinais dos sensores em uma forma que pode ser convertida em valores digitais. Um conversor analógico-digital então converte os sinais analógicos condicionados em valores digitais. Os sistemas de DAQ autônomos são normalmente conhecidos especificamente como registradores de dados.

Os registradores de dados de baixa impedância de entrada geralmente têm uma impedância de entrada na ordem de 22 kΩ. O requisito para um registrador de dados com uma alta impedância de entrada significa que deve ter uma impedância de entrada de, pelo menos, 100 MΩ, o que aumenta significativamente o custo da unidade. Os recursos adicionais para este tipo de registrador de dados incluem um conversor de analógico para digital (A/D) com aproximação sucessiva de 16 bits. Também deve ter 8 canais de um só terminal 8 com A/D individual em cada canal. Os intervalos típicos para as entradas de tensão incluem ±1V, ±2V, ±5V e ±10V.

Uma derivação elétrica é um dispositivo que passa a corrente em torno de um ponto em um circuito por meio de um caminho de baixa resistência. Tem muitas aplicações possíveis, tais como uma derivação do amperímetro que permite a um amperímetro medir indiretamente a corrente, grande demais para que possa medir diretamente. Este tipo de derivação é um resistor com uma resistência conhecida com precisão muito pequena se comparada com a corrente no circuito de carga. A derivação é colocada em série com o circuito, permitindo a passagem da corrente por ele. Um voltímetro pode então ser ligado a cada extremidade da derivação para medir a queda de tensão através da derivação. A corrente no circuito pode então ser calculada a partir desta queda de tensão e resistência da derivação.

A característica de identificação de uma derivação é sua queda de tensão em sua corrente máxima, que é tipicamente 50 mV, 75 mV ou 100 mV por convenção. Também apresentam um fator de classificação que deve ser aplicado para a tensão após a derivação ter sido usada por um período especificado de tempo. Um fator de classificação de 66% após dois minutos de uso contínuo é comum para as derivações. A resistência de uma derivação também pode variar de sua especificação como seus aumentos de temperatura, um fenômeno conhecido como deriva térmica. As derivações costumam começar a experimentar deriva térmica a 80°C (176°F) e danificar permanentemente a 140°C (284°F).

A fórmula geral para calcular a corrente em um circuito é I = V/R, onde I é a corrente, V é a tensão e R é a resistência. Esta equação fornecerá a corrente em unidades de amperes, desde que a tensão seja em volts e a resistência seja em ohms. No caso de uma derivação, a tensão é a diferença na tensão entre os terminais de entrada Vin+ e Vin- do voltímetro, e a resistência é a nominal da derivação.

A parte mais crítica deste procedimento é garantir que a queda de tensão esteja dentro de um intervalo específico. Uma queda mínima de vários volts é geralmente necessária para uma relação aceitável de sinal para ruído. Um 1 resistor de kΩ entre os terminais terra Vin- pode reduzir o ruído se a fonte de corrente for isolada a partir do terminal terra. No entanto, a queda não pode ser grande o suficiente para fazer com que a fonte atual exceda sua tensão máxima nominal de saída. A queda de tensão deve também ser suficientemente pequena para manter a resistência do sobreaquecimento a tal ponto que a sua resistência mude significativamente.

Medição de uma entrada de 4 a 20 mA com um dispositivo de entrada de tensão

É extremamente simples e de baixo custo medir 4 a 20 mA com um dispositivo que medirá apenas a tensão. A maioria das placas A/D aceitarão o sinal de 0 a 5 VCC, mas não pode aceitar um sinal de 4 a 20 mA diretamente. A solução para este problema só levará alguns minutos e uns poucos dólares. Basicamente, a lei de Ohms é usada para calcular um valor de resistor para converter o 4 a 20 mA para uma tensão.

O valor de resistor mais popular para esta finalidade é 250Ω, uma vez que produzirá um sinal de Vcc de 1 a 5 quando 4 a 20 mA passa por ele e uma entrada de 0 a 5 VCC é muito comum para a maioria dos sistemas de aquisição de dados e outros dispositivos de medição analógica.

No entanto, há casos onde as entradas de tensão que não sejam 0 a 5 VCC são desejadas, então o exemplo a seguir demonstrará como é simples calcular o valor de resistor correto para qualquer entrada de tensão.

Para este exemplo, assumiremos que uma entrada de 0 a 2 VCC seja usada para medir 4 a 20 mA.

A Lei de Ohm afirma: R = V / I onde V é a tensão, I é a corrente, e R é a resistência

R = 2V / 0,020A = 100Ω mA

Quando 20 mA fluem através de um resistor de 100Ω, cairá 2 volts.

Quando 4 mA fluem através de um resistor de 100Ω, cairá 0,4 volts. Portanto, 4 a 20 mA através de um resistor de 100Ω cairá 0,4 a 2 volts.

É importante lembrar também que a tolerância do resistor deve ser 1% ou menos; de preferência 0,1%, já que erros na resistência resultarão em erros na queda de tensão. Você não deseja um resistor que oscile muito com o tempo ou temperatura, ou isso afetará sua precisão. Depois que tiver selecionado um valor de resistor, é necessário verificar suas leituras e fazer quaisquer ajustes de sintonia fina em seu software para compensar erros no resistor. Por exemplo, uma resistência de 100Ω pode ser 99.5Ω realmente, portanto sua saída de tensão será realmente 0,398 para 1,99V e não de 0,4 para 2V como calculamos.

Você simplesmente conecta o resistor entre os terminais de entrada de tensão ao seu sistema de aquisição de dados e então conecta seu sinal de 4 a 20 mA para os mesmos dois terminais, assim como a corrente flui através do resistor, uma tensão será descartada e então medida pelo dispositivo de aquisição de dados. Lembre-se de que pode ser necessário aterrar o cabo de alimentação, se o estiver usando para alimentar um transmissor ou sensor de 2 cabos.

O diagrama a seguir ilustra isto: