電流ロガーの動作原理／使用方法

電流を測定するデータ収集（DAQ）システムは、通常、直接測定はおこないません。ただし、電圧を測定するDAQシステムは、ユーザによる利用がより簡単です。この技術は、電圧DAQシステムが信号を読み取れるように、電流を電圧に変換する必要があります。シャント（分流器）がこの役割を果たせますが、入力インピーダンスの高いシステムが必要です。使用に最も適したシャントは、標準公式に基づく計算も必要です。

一般的に、インピーダンスは、回路に電圧を印加したときの、電流に対する回路の抵抗の尺度と考えられます。入力インピーダンスは、ソースネットワークからの負荷ネットワークのインピーダンスで、静的抵抗と動的抵抗の両方が含まれます。静的抵抗は、一般的にレジスタンス（抵抗）として知られ、動的抵抗はリアクタンスと呼ばれます。負荷ネットワークは、電力を消費する電気ネットワークの一部であり、一方、ソースネットワークは電力を伝達する一部です。ソースネットワークの出力インピーダンスと負荷ネットワークの入力インピーダンスが、ソースから負荷ネットワークに電力が伝達される際の電流と電圧の変化を決定します。

インピーダンスは、ネットワークの電気効率の評価に利用されることが多く、それは一般的に、総入力に対する有用な出力の比率です。このプロセスでは通常、ネットワークをいくつかのステージに分割し、ステージ間の入力と出力インピーダンスを取得します。インピーダンスという観点で、効率は、総インピーダンスに対する入力インピーダンスの比率で、入力インピーダンスと出力インピーダンスの和になります。

インピーダンスのリアクタンス成分は、しばしばAC回路において大幅な電力損失になります。これらの損失は、相の不平衡、つまり回路の電圧に対する電流の位相ずれを生じさせます。従って、回路を介して伝達されている電力が、電流と電圧の相が一致している場合と比べて低下します（電力は電流と電圧の積であるため）。DC回路はリアクタンスがありません。従って、このタイプの電力損失は発生しません。

DAQは、電気信号のサンプリングプロセスで、通常、物理的状況を測定します。これらのシステムは一般的に、センサ、信号調整回路、そしてA/Dコンバータの3つのコンポーネントで構成されます。センサは、物理パラメータをアナログ信号に変換します。信号調整回路は、センサからの信号を、デジタル値に変換可能な状態にします。A/Dコンバータは、調整されたアナログ信号をデジタル値に変換します。スタンドアローン型のDAQシステムは、通常、データロガーと呼ばれます。

低入力インピーダンスのデータロガーは、一般的に、およそ22 kΩの入力インピーダンスがあります。高入力インピーダンスのデータロガーの要件は、少なくとも100 MΩの入力インピーダンスが求められ、ユニットのコストが大幅に増加します。このタイプのデータロガーのもう一つの特徴として、16ビット逐次比較型のA/Dコンバータを含みます。この場合、各チャンネルにそれぞれA/Dコンバータを備える8個のシングル・エンド・チャンネルも必要です。電圧入力の一般的範囲は、±1V、±2V、±5V、および±10Vです。

シャントは、低抵抗のパスを介して、回路の所定ポイントで電流を通過させます。多くの用途が考えられ、例えば、電流計用シャントを使用すると、直接測定するには大きすぎる電流を、電流計で間接的に測定できます。このタイプのシャントは、負荷回路の電流と比較して、正確に知られた非常に小さなレジスタンスをもつ抵抗器です。シャントは回路と直列接続され、電流を通過させます。シャントの各端に電圧計を接続すると、シャントを介した電圧降下を測定できます。そして、この電圧降下とシャントのレジスタンスから回路の電流を計算できます。

シャントの特徴は、最大電流時の電圧降下で、通常、50 mV、75 mV、または100 mVです。また、指定時間にわたりシャントを使用した後に、電圧に適用しなければならないディレーティング係数というものがあります。2分間連続使用した後のディレーティング係数66%が、シャントに一般的です。シャントのレジスタンスも、温度の上昇とともに仕様から変化することがあり、この現象を熱ドリフトと言います。一般的に、シャントは80°Cで熱ドリフトが発生し始め、140°Cで永久的に損傷します。

回路の電流を計算する一般的公式は、I = V/Rで、Iは電流、Vは電圧、そしてRはレジスタンス（抵抗）です。この等式は、電圧がボルトでレジスタンス（抵抗）がオームの場合、アンペア単位の電流を導きます。シャントの場合、電圧の差は、電圧計のVin+とVin-入力端子間の電圧の差で、レジスタンス（抵抗）はシャントの定格レジスタンス（抵抗）です。

この手順で最も重要な点は、電圧降下を指定範囲に収めることです。妥当なSN比を得るために、一般的に、数ボルトの最小電圧降下が必要です。電流源を接地端子から絶縁している場合、Vin-端子と接地端子間に1 kΩ抵抗器を設置すると、ノイズを低減できる可能性があります。ただし、電流源がその最大定格電圧を超えるほど大きく低減することはできません。また、レジスタンス（抵抗）が著しく変化するほど抵抗器を過熱させないように、電圧降下も十分小さくする必要があります。

電圧入力デバイスによる、4～20 mA入力の測定

電圧のみを測定するデバイスで、4～20 mAを測定するのは、非常に簡単で安価です。ほとんどのA/D基板は、0～5 Vdc信号を受け入れますが、4～20 mA信号は直接受け入れないことがあります。この問題の解決策は、時間とお金をかけることです。基本的に、4～20 mAを電圧に変換するには、オームの法則により抵抗値を計算します。

この場合、最も人気のある抵抗値は250Ωですが、その理由は、4～20 mAが流れると1～5 Vdc信号を生成するからです。ほとんどのデータ収集システムとその他のアナログ測定デバイスについて、0～5 Vdc入力が非常に一般的です。

ただし、0～5 Vdc以外の電圧入力が必要な場合もあり、以下の例で、任意の電圧入力について、正しい抵抗値を簡単に計算できることを実証します。

4～20 mAを測定するために、0～2 Vdc入力を利用すると仮定します。

オームの法則：R=V/I、Vは電圧、Iは電流、Rは抵抗

R=2V/0.020A = 100Ω

100Ωの抵抗器に20 mAが流れると、2ボルト降下します。

100Ωの抵抗器に4 mAが流れると、0.4ボルト降下します。従って、100Ωの抵抗器に4～20 mAが流れると、0.4～2ボルト降下します。

もう一つ重要なことは、抵抗器の公差を1%以下、好ましくは0.1%に抑えることです。その理由は、レジスタンス（抵抗）の誤差は、電圧降下の誤差につながるからです。精度に影響を及ぼすので、時間や温度に対して抵抗を変化させないことが望ましいです。抵抗値を選択した後、読取り値を検証し、抵抗値の誤差を補正するために、ソフトウェアで微調整することが必要です。例えば、100Ωが実際には99.5Ωかも知れず、すると電圧出力は計算した0.4～2Vでなく、0.398～1.99Vになります。

お使いのデータ収集システム用の電圧入力端子間に抵抗器を接続し、4～20 mA信号をこの2つの端子に入力します。抵抗器に電流が流れると電圧が降下し、それをデータ収集システムが測定します。電源を使用してトランスミッタまたは2線式センサに給電する場合、電源の接地が必要になることがあります。

これの例を以下の図で説明します