Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados Show
Neste artigo, discutiremos como a corrente elétrica é medida em relação às aplicações de aquisição de dados (DAQ) hoje, com detalhes suficientes para que você:
Você está pronto para começar? Vamos lá! IntroduçãoComo a tensão, a corrente pode ser corrente alternada (AC) ou corrente contínua (DC). A corrente elétrica é a intensidade ou taxa de fluxo de uma carga elétrica. Semelhante à medição da tensão, às vezes precisamos medir correntes muito pequenas, ou seja, na faixa de microamp, enquanto outras vezes podemos precisar medir correntes muito altas na casa dos milhares de amperes.  Para lidar com essa ampla gama de possibilidades, a Dewesoft oferece uma variedade de transdutores e sensores de corrente, que possuem uma saída de tensão ou corrente que é compatível com um dos condicionadores de sinal de tensão disponíveis para nosso equipamento de teste de aquisição de dados. Os sistemas Dewesoft DAQ podem medir as propriedades elétricas de todos os principais tipos, incluindo tensão, corrente e muito mais. Esta combinação de sensor e condicionador de sinal converte perfeitamente uma ampla gama de correntes em uma saída de baixo nível que pode ser digitalizada para exibição, armazenamento e análise. Mas qual sensor você deve escolher? O objetivo deste artigo é descrever os diferentes tipos de sensores de corrente disponíveis, seus prós e contras e quais aplicativos cada tipo lida melhor. O que é corrente elétrica?Como mencionado acima, a corrente é a intensidade ou taxa de fluxo de uma carga elétrica. Em sistemas DC, a corrente flui em uma direção, também conhecida como "unidirecional". Fontes comuns de corrente contínua incluem baterias e células solares. Corrente AC vs DC Em sistemas CA, a corrente inverte a direção em uma determinada frequência. Em nossas empresas e residências, temos alimentação CA com base em 50 ou 60 Hz (dependendo do seu país). Esta corrente alternada é tipicamente sinusoidal (por exemplo, na forma de uma onda sinusoidal). A fonte mais comum de CA é a sua usina de energia local. A corrente gerada pelas células fotovoltaicas é DC e deve ser invertida para AC para alimentar nossas casas. O mesmo é verdadeiro para um no-break, ou sistema de backup de bateria de computador - a energia é armazenada em uma bateria e deve ser invertida para CA para fornecer energia doméstica. A corrente alternada também é usada de forma não senoidal para modular informações no circuito, como em sinais de rádio e transmissão de som. O termo do Sistema Internacional de Unidades (SI) para corrente é Ampère, comumente abreviado para a palavra "amperes" e escrito com o símbolo A. Current também costuma ser escrita com a letra I. Isso remete à frase francesa intensité de courant (“intensidade atual” em inglês). Ambos A e I são abreviações aceitáveis para atual corrente. As correntes AC e DC são freqüentemente abreviadas como AAC e ADC, respectivamente. Um ampere é igual a um coulomb de carga elétrica passando por um determinado lugar em um segundo (um coulomb contém aproximadamente 6,242 × 1018 elétrons). Uma corrente sempre produz um campo magnético. Quanto mais forte a corrente, mais forte é o campo. Medindo este campo usando várias técnicas: efeito Hall, indução ou fluxo magnético, podemos medir o fluxo de elétrons (corrente) no circuito elétrico. Como podemos medir a corrente?Como a corrente sempre cria um campo magnético, existem o Efeito Hall e outros sensores que nos permitem medir esse campo e, assim, medir a corrente. Também é possível conectar um resistor shunt dentro do próprio circuito e medir diretamente a corrente, como no amperímetro clássico e no shunt de corrente. Veremos os dois métodos nas seções a seguir. Sensores de corrente de malha aberta vs. malha fechadaVocê pode ouvir sobre os sensores de corrente de malha aberta e malha fechada. Quais são as diferenças? Os sensores de corrente de malha aberta são mais baratos do que as variedades de malha fechada, como os sensores de corrente de Fluxo Zero. Eles consistem em um sensor de efeito Hall montado na lacuna de um núcleo magnético. A saída do sensor de efeito Hall é amplificada e mede o campo criado pela corrente sem fazer nenhum contato com ela. Isso fornece isolamento galvânico entre o circuito e o sensor. Sensor de corrente de circuito aberto Alguns sensores de corrente de malha aberta têm componentes eletrônicos de compensação que ajudam a compensar o desvio causado por mudanças na temperatura ambiente. Comparados aos sensores de malha fechada, os sensores de malha aberta são menores e mais baratos. Eles têm requisitos de baixa potência e podem ser usados para medir correntes CA e CC. Ao mesmo tempo, eles não são tão precisos quanto seus primos de circuito fechado: eles estão sujeitos à saturação e fornecem compensação de temperatura e imunidade a ruídos inferiores. Os sensores de corrente de malha fechada empregam um circuito de controle de feedback para fornecer uma saída que é proporcional à entrada. Comparado aos sensores de malha aberta, este design de feedback de malha fechada fornece inerentemente precisão e linearidade aprimoradas, bem como melhor compensação de variação de temperatura e resistência ao ruído. Sensor de corrente de circuito fechado Com sensores de malha aberta, o desvio causado pela temperatura ou qualquer não linearidade no sensor causará um erro. Por outro lado, os sensores de circuito fechado empregam uma bobina que é ativamente acionada pela criação de um campo magnético que se opõe ao campo do condutor de corrente. Este é o “circuito fechado” que fornece o desempenho aprimorado na precisão e na saturação. Então, o que é melhor? Isso depende inteiramente do aplicativo. O menor custo, tamanho e requisitos de energia tornam os sensores de corrente de circuito aberto muito populares. Isso é compensado um pouco pelo fato de que sua suscetibilidade à saturação significa que eles devem ser “sobredimensionados” em algumas aplicações para evitar esse problema. Sensores de corrente de circuito fechado são os favoritos em aplicações que exigem a melhor precisão e resistência à saturação possíveis, ou que são usados em ambientes com extremos de temperatura amplos ou ruído elétrico. Sensores de corrente de circuito aberto são encontrados em aplicações como:
Sensores de corrente de circuito fechado são encontrados em aplicações como:
Como acontece com todo sensor, o resultado final desejado deve ser o fator determinante na escolha de um tipo de sensor. Aplicações de medição de corrente elétricaComo um componente fundamental da eletricidade, a medição precisa de corrente é essencial em inúmeras aplicações. Você pode imaginar uma empresa de energia sem saber quantos amperes está gerando? Ou que eles não saberiam quanta energia seus clientes estão usando? Isso seria absurdo, é claro. Mas existem milhões de outras finalidades e requisitos para a medição de corrente. Na verdade, esses requisitos podem ser categorizados como malha aberta ou malha fechada. Observe que isso não deve ser confundido com sensores de malha aberta ou de malha fechada, conforme descrito na seção anterior. Aqui, estamos falando sobre a própria aplicação de medição de corrente como sendo de malha aberta ou fechada. Em uma aplicação de medição de corrente em malha fechada, precisamos saber a corrente porque precisamos controlá-la em tempo real. As aplicações incluem:
Em aplicações de medição de corrente de malha aberta, não há requisito de controle em tempo real, mas precisamos saber o valor da corrente para uma variedade de finalidades, incluindo:
Principais tipos de sensor de correnteDiferentes sensores e transdutores de corrente estão, portanto, disponíveis para esses vários métodos, cada um adaptado ao ambiente de medição, bem como à faixa de corrente que se pretende medir. Por exemplo, os requisitos para medir microampères (µA) são muito diferentes daqueles exigidos para medir milhares de ampères. Veremos cada tipo de sensor e descreveremos sua teoria de operação, bem como sua aplicação.
1) Os shunts podem ser isolados por meio de um condicionador de sinal interno ou externo, mas não são inerentemente isolados Conforme mencionado anteriormente, existem dois métodos principais de medição de corrente:
A maneira mais comum de medir a corrente é conectar o amperímetro (um medidor para medir a corrente) ou o resistor de derivação em série com o circuito. Um amperímetro ou shunt de amperímetro nada mais é do que um resistor de alta precisão. Quando colocamos um resistor de precisão em um circuito, ocorre uma queda de tensão nele. A saída do sensor de shunt é medida pelo sistema de aquisição de dados, que aplica a lei de Ohm para determinar a amperagem que flui através do circuito. Observe que a faixa de corrente máxima que um determinado amperímetro é capaz de medir é limitada pelo valor de seu resistor. Portanto, uma prática comum é adicionar um resistor shunt adicional em paralelo para aumentar a faixa máxima de medição de nosso equipamento de teste. Essa limitação é a razão pela qual a conexão direta com os condutores elétricos de um circuito é mais amplamente usada em aplicações de baixa corrente, mas raramente em aplicações de alta corrente, onde sensores de medição indireta como pinças de corrente e bobinas flex são muito mais prevalentes. Medição de Corrente ShuntQuando você conecta um resistor de baixo ohm em série com um circuito, a corrente flui através do resistor shunt -R- e gera uma queda de tensão. Conexão de medição de shunt típica em um circuito simples Podemos medir essa queda e aplicar a lei de Ohm para calcular a corrente. Representação gráfica da Lei de Ohm A lei de Ohm descreve a relação entre tensão (V), corrente (I) e resistência (R). Se conhecermos dois desses três, podemos calcular facilmente o terceiro por meio da aritmética simples. O diagrama acima ilustra as três maneiras pelas quais a lei de Ohm pode ser expressa: I = V/R OU V = IR OU R = V/I Portanto, se conhecermos a tensão (queda) e a resistência, podemos calcular a corrente usando I = V / R. O resistor shunt deve ser escolhido para a faixa de tensão e corrente apropriada, porque uma resistência muito alta afetará a medição e também desperdiçará energia e distorcerá a medição conforme o resistor aquece. Esta perda de energia é igual a: I2 * R Além disso, a precisão do resistor é um fator importante, uma vez que afeta diretamente a precisão da própria medição. A Dewesoft oferece vários shunts de corrente de tamanho compacto, cada um projetado com um resistor diferente dentro, destinado a medir diferentes faixas de corrente. Esses shunts foram projetados para ter o menor efeito possível no próprio circuito. Os adaptadores DSI podem ser conectados a praticamente todos os dispositivos de aquisição de dados Dewesoft. As entradas analógicas isoladas dos amplificadores Dewesoft são um fator importante para garantir medições precisas, uma vez que o shunt é conectado diretamente ao circuito sendo medido e o isolamento entre o circuito e o sistema de medição é sempre importante. Entradas isoladas significam que você pode colocar seu shunt no lado baixo ou no lado alto do circuito e não se preocupar com um loop de aterramento ou erros de medição de modo comum. Verificação de saída Sistemas modernos de aquisição de dados digitais da Dewesoft
IOLITE STG com Shunt de Corrente IntegradoCertos condicionadores de sinal Dewesoft têm um shunt integrado para medir pequenas correntes. Tome por exemplo o condicionador de sinal STG das séries de aquisição de dados IOLITE e IOLITEd. Este módulo é um tipo universal, o que significa que pode lidar com uma ampla gama de sensores e tipos de entrada. Por exemplo, ele pode lidar com strain gages em configurações de ponte completa, meia ponte e quarto de ponte, tensões de até 50 V, sensores potenciométricos e correntes de até 20 mA. Além disso, os adaptadores da série DSI podem ser usados para permitir o manuseio de termopares, sensores RTD, sensores de posição LVDT, tensões de até 200 V, correntes de até 5 A, acelerômetros IEPE e muito mais. (6xSTG com 6 entradas analógicas universais nos primeiros dois slots) O IOLITE 6xSTG possui seis entradas diferenciais com proteção contra sobretensão e alimentação do sensor de cada uma de suas entradas universais e taxas de amostragem de até 20 kS / s / ch. Para medições de corrente, ele possui um resistor shunt de 50 Ω integrado que pode ser aplicado no software, permitindo que os engenheiros meçam correntes de até 2 mA ou 20 mA, selecionáveis pelo usuário. Os chassis IOLITE estão disponíveis no modelo de bancada “IOLITEs”, que aceita até 8 módulos multicanais (visto na imagem acima). Para instalações permanentes, existe o modelo “IOLITEr”, feito para montagem em rack padrão de 19 ”. Este modelo possui 12 slots para módulos: Ambos os modelos IOLITE apresentam fontes de alimentação redundantes duplas para desempenho confiável em aplicações críticas. Ambos também têm barramentos EtherCAT duplos operando em paralelo. O barramento principal é usado para aquisição de dados em buffer de velocidade total para um disco rígido de computador PC executando o software DEWESoft X. O barramento secundário é usado principalmente para alimentação de dados de baixa latência em tempo real para qualquer sistema de controle baseado em EtherCAT de terceiros. IOLITE é um sistema DAQ exclusivo que faz a ponte entre os mundos do controle em tempo real e da aquisição de dados em alta velocidade, combinando-os em um instrumento confiável. Medindo o campo eletromagnético ou fluxo da correnteComo a corrente sempre gera um campo magnético proporcional à quantidade de corrente, podemos medir esse campo usando uma variedade de sensores e, assim, medir a corrente. Agora vamos dar uma olhada em alguns dos sensores e transdutores de corrente mais comuns, seus princípios básicos de funcionamento e como eles são mais bem usados. Medição do sensor de efeito HallSensores de efeito Hall operam, em princípio, medindo campos magnéticos. Em 1879, vinte anos antes da descoberta do elétron, o físico americano Edwin Hall observou que, quando a corrente flui através de um condutor, os elétrons se movem em linha reta. No entanto, quando esse condutor é exposto a um campo magnético, a força de Lorentz age sobre ele e o caminho dos elétrons se curva. Além disso, quando os elétrons são empurrados mais para um lado do condutor do que para o outro, cria-se uma diferença de potencial entre os dois lados do condutor. Hall observou que essa diferença de potencial era direta e linearmente proporcional à intensidade do campo magnético. Essa diferença de tensão potencial, medida entre os lados (ou “planos”) do condutor, é chamada de tensão Hall. O efeito Hall foi adotado para milhares de aplicações, incluindo interruptores de proximidade, circuitos de controle de velocidade do motor, tacômetros, sensores LVDT e até mesmo como um sensor de nível de combustível em automóveis. Mas vamos nos concentrar em sua aplicação especificamente com sensores de corrente. Sensor de corrente de efeito Hall típico As pinças de corrente de efeito Hall funcionam passando o condutor através de seu núcleo aberto. Eles, portanto, fornecem um método sem contato de medição de correntes CA e CC. Eles exigem muito pouca energia, portanto podem ser alimentados diretamente de um pré-amplificador SIRIUS com um conector DSUB9. Nenhuma fonte de alimentação adicional é necessária. Eles não são tão precisos quanto os grampos de corrente de porta de fluxo ou transdutores de fluxo zero, mas oferecem uma faixa de medição muito mais ampla. Os sensores de efeito Hall estão disponíveis nas variedades de malha aberta e fechada. Sensores de malha fechada adicionam um enrolamento de compensação e condicionamento de sinal integrado aprimorado, tornando-os mais precisos do que seus irmãos de malha aberta.
Sensores de corrente de efeito Hall da marca Dewesoft O DS-CLAMP 150DC e 150DCS pode ser conectado diretamente a um amplificador Sirius® LV ou Sirius® HS-LV com um conector DSUB9. O DS-CLAMP-1800DC pode ser conectado diretamente a todos os amplificadores DEWESoft® com conector DSUB9 (por exemplo, Sirius® LV-DB9). Especificações detalhadas sobre os sensores atuais da Dewesoft. Medições com Transformadores de Corrente (CT)Os transformadores de corrente (TCs) são usados para medir a corrente alternada (CA). Eles são sensores indutivos que consistem em um enrolamento primário, um núcleo magnético e um enrolamento secundário. Essencialmente, uma corrente alta é transformada em uma baixa usando um núcleo magnético, portanto, correntes muito altas podem ser medidas com segurança e eficiência. Na maioria dos TCs, o enrolamento primário tem muito poucas voltas, enquanto o enrolamento secundário tem muito mais voltas. Esta relação de voltas entre o primário e o secundário determina o quanto a magnitude da corrente é reduzida. Transformador de corrente típico A CA detectada pelo enrolamento primário produz um campo magnético no núcleo, que induz uma corrente no enrolamento secundário. Esta corrente é convertida na saída do sensor. Eles estão disponíveis na configuração split-core da Dewesoft, o que permite possibilidades convenientes de conexão, uma vez que o circuito não precisa ser alterado de forma alguma. Você pode simplesmente abrir as garras e soltá-las ao redor do fio, tornando esses grampos de corrente CA especialmente convenientes de usar. Transformadores de corrente CT da marca Dewesoft
Os sensores de corrente Iron Core AC oferecem a conveniência de exigir muito pouca energia, então eles podem ser alimentados diretamente de um pré-amplificador SIRIUS com um conector DSUB9. Nenhuma fonte de alimentação adicional é necessária. Eles têm larguras de banda de 2 Hz a 10 kHz (2 Hz a 5 kHz para o DS-CLAMP-5AC) e até 10 kHz para os outros modelos da série). Esses grampos podem ser conectados diretamente a todos os amplificadores Dewesoft com conectores DSUB9 (como o Sirius-LV). Especificações detalhadas sobre os sensores atuais da Dewesoft. Medição do sensor de corrente de bobina Rogowski “FLEX” da DewesoftOs sensores Rogowski têm a vantagem de contornar grandes feixes de cabos, barramentos e condutores de formato irregular de uma forma que as pinças regulares não conseguem. Eles são feitos para medições CA e sua baixa indutância significa que eles podem responder a correntes que mudam rapidamente. E a falta de um núcleo de ferro os torna altamente lineares, mesmo quando sujeitos a correntes muito grandes. Eles fornecem excelente desempenho ao medir o conteúdo harmônico. Um pequeno integrador e circuito de alimentação são necessários e são integrados a cada sensor DS-FLEX. Esquema Típico da Bobina Rogowski O número no nome do modelo, como 300, 3000 ou 30.000, refere-se à amperagem máxima que eles podem ler. O número final se refere ao comprimento da “corda” em cm. Assim, por exemplo, o DS-FLEX-3000-80 pode ler até 3000 AAC e tem um comprimento de "corda" de 80 cm (ou seja, 800 mm ou 31 polegadas). Sensores de corrente “FLEX” da bobina de Dewesoft Rogowski
Esses grampos podem ser conectados diretamente a todos os amplificadores DEWESoft® com conectores DSUB9 (por exemplo, SIRIUSi LV). Observe que a corrente CA é normalmente emitida como uma leitura RMS verdadeira, e a corrente CC é emitida como um valor discreto. Especificações detalhadas sobre os sensores atuais da Dewesoft. Medição de sensores de fluxo zeroUm sensor de corrente Zero Flux também conhecido como “FluxGate” é semelhante a um sensor de corrente de efeito Hall, exceto que usa uma bobina magnética em vez de um sistema de efeito Hall. A maior precisão resultante torna esses sensores ideais para aplicações industriais, aeroespaciais e outras que requerem medições de alta precisão. Os transdutores de corrente de fluxo zero medem a corrente com isolamento galvânico. Eles reduzem as correntes de alta tensão a níveis muito mais baixos que podem ser facilmente lidos por qualquer sistema de medição. Sensor Zero Flux / FluxGate típico Eles possuem dois enrolamentos que são operados em saturação para medir a corrente DC, um enrolamento para a corrente AC e um enrolamento adicional para compensação. Este tipo de medição de corrente é muito preciso por causa da compensação de fluxo zero. Por quê? Normalmente, um núcleo magnético retém um fluxo magnético residual, o que prejudica a precisão da medição. Em transdutores de fluxo zero, no entanto, esse fluxo parasita é compensado. Os transdutores de fluxo zero são ideais para alta precisão AC / DC e / ou largura de banda alta (até 1 MHz). Eles são muito lineares e têm um baixo erro de fase e deslocamento. Mas eles não são tão úteis para fazer medições mais simples que não requerem tanta precisão ou largura de banda. Para essas aplicações, os sensores atuais nas seções anteriores são recomendados. A tecnologia de fluxo estende este princípio usando uma bobina magnética como um elemento de detecção em vez de um elemento Hall. Além disso, este é um sensor de malha fechada, o que significa que um enrolamento secundário é usado para eliminar desvios que podem levar a imprecisões de medição. Os sensores de fluxo podem lidar com formas de onda CA e CC muito complexas e geralmente são considerados por fornecer excelente precisão, linearidade e largura de banda, e são uma parte essencial de qualquer analisador de qualidade de energia ou analisador de energia. Pinças de corrente Dewesoft FluxGateA Dewesoft oferece vários grampos de corrente FluxGate que foram emparelhados com nossos sistemas SIRIUS, incluindo cabos de alimentação e acoplamento. Essas pinças FluxGate devem ser alimentadas pela unidade de fonte de alimentação SIRIUSi-PWR-MCTS2.
Especificações detalhadas sobre os sensores atuais da Dewesoft. Transformadores de corrente de fluxo zero DewesoftA Dewesoft oferece vários transformadores de corrente Zero Flux que foram emparelhados com nossos sistemas SIRIUS DAQ, incluindo cabos de alimentação e acoplamento. Esses sensores devem ser operados com as unidades de fonte de alimentação SIRIUSi-PWR-MCTS2 ou SIRIUSir-PWR-MCTS2.
Especificações detalhadas sobre os sensores atuais da Dewesoft. Isolamento e FiltragemO isolamento e a filtragem são aspectos críticos de qualquer instrumento de aquisição de dados ou sistema de teste. IsolamentoO isolamento é especialmente crítico ao fazer medições diretas do circuito, ou seja, usando o método shunt. O isolamento embutido em praticamente todos os condicionadores de sinal Dewesoft e pré-amplificadores é bastante alto e suficiente para isolar adequadamente o sistema de medição do objeto em teste. Isso garante a integridade de suas medições e protege contra curtos-circuitos. Além disso, permite que você posicione o shunt tanto no lado baixo quanto no lado alto do circuito na maior parte do tempo, proporcionando flexibilidade adicional. As medições de shunt do lado inferior são normalmente preferidas porque a queda de corrente relativamente baixa através do shunt significa que uma saída de alta impedância é fornecida ao condicionador de sinal. Mas existem duas desvantagens na medição do lado inferior:
Portanto, às vezes, a medição de corrente de derivação do lado alto é às vezes necessária, usando o diferencial de Dewesoft e pré-amplificadores isolados. FiltragemA filtragem é outra função crítica de qualquer sistema de aquisição de dados de alto desempenho. Ruído elétrico e interferência são desafios diários para engenheiros de teste. Pode ser induzido por lâmpadas fluorescentes, outros equipamentos elétricos e inúmeras outras fontes. Os condicionadores de sinal Dewesoft fornecem uma filtragem passa-baixa poderosa no hardware que permite aos engenheiros suprimir as frequências acima de um determinado nível. E no software DEWESoft, uma ampla gama de filtros passa-baixo, passa-alto, passa-banda e parada-banda está disponível - e pode ser aplicada em tempo real ou após a medição. Qual aparelho utilizado para medir a intensidade da corrente elétrica?Multímetro. Como o seu nome já indica, o multímetro é um instrumento de medição que afere uma série de grandezas elétricas, como resistência, tensão e corrente.
O que mede a intensidade da corrente elétrica?A intensidade de corrente é medida com aparelhos que se designam amperímetros que podem ser analógicos ou digitais. Estes aparelhos instalam-se sempre em série e nunca podem ser ligados diretamente a um gerador. A carga elétrica consiste na quantidade de cargas elétricas elementares que existem no interior de u...
Quais são os instrumentos de medição elétrica?TIPOS DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO ELÉTRICA. Alicate amperímetro digital;. Multímetro digital;. Micrôhmimetro digital;. Megôhmetro digital e analógico;. Terrometro digital;. Voltímetro;. Alicate Wattímetro;. Detector de Alta tensão;. São exemplos de dispositivos elétricos de controle?Dispositivos de controle: são usados para medir diferentes parâmetros do circuito, como tensão elétrica e corrente elétrica. Os amperímetros, voltímetros e multímetros são exemplos de dispositivos de controle.
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Quais os dispositivos de controle mais utilizados para medir a intensidade da corrente elétrica?
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