전류 측정하기
개요
전류는 전하의 흐름으로 전류계로 측정됩니다. 전류를 측정하는 SI 단위는 암페어 (A)이며, 이는 초당 1쿨롱의 전하 흐름과 같습니다.
전류를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있지만 가장 일반적인 방법은 간접적으로 정밀 저항기의 전압을 측정하고 옴의 법칙을 사용하여 저항기의 전류를 측정하는 것입니다.
내용
전류의 기초
단선 전도성 금속에서는 많은 전자가 이동할 수 있거나 자유롭게 움직입니다. 금속 도선이 배터리와 같은 DC 전압 소스의 두 단자에 연결되면 소스는 도체에 전기장을 생성합니다. 접촉하는 순간 도체의 자유 전자는 이 자기장의 영향으로 양극 단자 쪽으로 강제로 이동됩니다.
따라서 자유 전자는 일반적인 단선 도체에서 전류 캐리어입니다. 전류 속도가 1암페어인 경우, 도체가 통과하는 가상의 평면을 통해 매초마다 1쿨롱의 전하 (약 6.242 × 1018 전자로 구성)가 이동합니다.
그림 1. 전류 흐름의 그림
기존의 전류는 전기 과학의 역사 초기에 양전하의 흐름으로 정의되었습니다. 도선과 같은 하나의 금속에서는 양전하 담체가 움직이지 않고 음전하를 띤 전자만 흐릅니다. 전자는 음전하를 띠기 때문에 전자 전류는 기존 (또는 전기) 전류의 반대 방향으로 흐릅니다.
전기 회로를 풀 때 특정 회로 요소를 통과하는 전류의 실제 방향은 일반적으로 알려져 있지 않습니다. 그러므로, 각 회로 요소에는 임의로 선택된 기준 방향이 붙은 전류 변수가 할당됩니다. 회로의 해를 구하면 회로 요소의 전류가 양수 또는 음수 값으로 정해집니다. 음수 값은 해당 회로 요소를 통과하는 실제 전류 방향이 선택한 기준 방향의 방향과 반대임을 의미합니다.
전류 측정 방법
전류 측정 방법
전류를 측정하는 데는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 하나는 전자기를 기반으로 하며 초기 가동 코일 (d'Arsonval) 미터와 관련이 있고 다른 하나는 주요 전기 이론인 옴의 법칙을 기반으로 합니다.
다르송발 (D’Arsonval) 검류계
다르송발 검류계는 전류계의 일종으로 전류를 감지하고 측정하는 기기입니다. 코일을 통해 흐르는 전류에 응답하여 제한된 아크를 통해 회전 편향을 생성하는 아날로그 전자 기계 트랜스듀서입니다.
오늘날 사용되는 다르송발 형태는 영구 자석장 내의 작은 회전 코일 도선으로 구성됩니다. 코일은 교정된 눈금을 가로지르는 얇은 바늘에 부착됩니다. 작은 비틀림 스프링이 코일과 포인터를 0의 위치로 당깁니다.
코일에 직류 (DC)가 흐르면 코일이 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 영구 자석에 작용합니다. 코일은 비틀려 스프링을 밀고 바늘이 움직입니다. 바늘은 전류를 나타내는 눈금을 가리킵니다. 자극 조각의 세심한 설계는 자기장이 균일하도록 하여 바늘의 회전 편향이 전류에 비례하도록 합니다.
기타 전류계
기본적으로 오늘날 대부분의 전류계는 전기의 기본 이론인 옴의 법칙을 기반으로 합니다. 최신 전류계는 기본적으로 정밀 저항기가 있는 전압계이며, 옴의 법칙을 사용하여 정확하면서도 비용 효율적인 측정이 가능합니다.
옴의 법칙 – 옴의 법칙에 따르면 전기 회로에서 두 지점 사이의 도체를 통과하는 전류는 두 지점의 전위차 (즉, 전압 강하 또는 전압)에 정비례하고 저항에 반비례합니다.
이 관계를 설명하는 수학 방정식은 다음과 같습니다.
I = V/R
여기서 I는 전류 (암페어), V는 두 지점 간의 전위차 (볼트), R은 옴 (암페어당 볼트)으로 측정되는 저항으로, 회로 파라미터입니다.
전류계 작동 – 오늘날의 전류계에는 특정 신호의 전류를 측정하기 위한 내부 저항이 있습니다. 그러나 내부 저항이 더 큰 전류를 측정하기에 충분하지 않은 경우 외부 구성이 필요합니다.
더 큰 전류를 측정하려면 분류기라는 정밀 저항기를 미터와 병렬로 배치하면 됩니다. 대부분의 전류는 분류기를 통해 흐르고 소량만 전류계를 통해 흐릅니다. 이를 통해 전류계는 더 큰 전류를 측정할 수 있습니다.
최대 예상 전류에 저항을 곱한 값이 전류계 또는 데이터 수집 장치의 입력 범위를 초과하지 않는 한 어떤 저항이라도 사용할 수 있습니다.
이러한 방식으로 전류를 측정할 때는 기존 회로와의 간섭이 가장 작도록 가능한 가장 작은 값의 저항을 사용해야 합니다. 그러나 저항이 작을수록 전압 강하가 작아지므로 분해능과 회로 간섭 사이에서 절충안을 택해야 합니다.
그림 2는 분류기를 포함하는 전류 측정의 일반적인 회로도를 보여줍니다.
그림 2. 분류기를 측정에 연결하기
이 방식을 사용하면 전류가 실제로 전류계/데이터 수집 보드로 전달되지 않고 대신 외부 분류기를 통해 전달됩니다. 분류기의 전압 강하가 전류계/데이터 수집 보드의 작동 전압 범위를 초과하지 않는 한 측정할 수 있는 최대 전류는 이론적으로 제한이 없습니다.
전류 형식
기존 전류
보통 전류는 오늘날 전자, 전기 회로, 전송선 등에서 일반적으로 사용되는 전류 측정입니다. 이는 어떤 하나의 전송 표준을 준수하지 않으며 0에서 큰 암페어 값까지의 범위를 가질 수 있습니다.
전류 루프/4-20 mA 형식
아날로그 전류 루프는 한 쌍의 도체를 통해 원격으로 장치를 모니터링하거나 제어해야 하는 모든 경우에 사용됩니다. 한 번에 하나의 전류 수준만 존재할 수 있습니다.
"4~20 mA 전류 루프" 또는 4~20 mA는 산업 계측 및 통신을 위한 아날로그 전기 전송 표준입니다. 신호는 4 mA가 0퍼센트 신호를 나타내고 20 mA가 100퍼센트 신호를 나타내는 전류 루프입니다.[1] "mA"는 밀리암페어 또는 암페어의 1/1000을 나타냅니다.
4 mA에서의 "라이브 제로" 신호는 수신 기기가 제로 신호와 끊어진 선 또는 죽은 계측기를 구별할 수 있도록 합니다.[1] 1950년대에 개발된 이 표준은 오늘날에도 여전히 업계에서 널리 사용됩니다. 4-20 mA 형식의 이점에는 제조업체들에서의 폭넓은 사용, 상대적으로 낮은 구현 비용, 다양한 형태의 전기 노이즈를 제거할 수 있는 기능이 있습니다. 또한 라이브 제로를 사용하면 루프에서 저전력 기기에 직접 전원을 공급할 수 있으므로 추가 배선 비용을 절약할 수 있습니다.
정확도 고려 사항
회로 내 분류기 위치는 중요합니다. 외부 회로가 전류계/데이터 수집 보드가 포함된 컴퓨터와 공통 접지를 공유하는 경우 분류기를 회로의 접지에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 그렇지 않은 경우 분류기에서 생성된 공통 모드 전압이 전류계/데이터 수집 보드의 스펙을 벗어날 수 있으며 이로 인해 판독값이 부정확하거나 보드가 손상될 수 있습니다. 그림 3은 분류기의 올바른 위치와 잘못된 위치를 보여줍니다.
그림 3. 분류기 배치
데이터 수집 디바이스 측정
아날로그 입력을 측정하는 방법에는 세 가지가 있습니다. 각 설정에 대한 추가 정보는 "전압 측정 방법" 문서를 참조하십시오.
예를 들어, NI CompactDAQ USB 데이터 수집 시스템을 고려해 보십시오. 그림 4는 NI cDAQ-9178 섀시와 NI 9203 아날로그 전류 입력 모듈을 보여줍니다. NI 9203은 내부 정밀 저항이 있기 때문에 외부 분류기가 필요하지 않습니다.
그림 4. NI cDAQ-9178 섀시 및 NI 9203 Analog Current Input Module
그림 5는 NI 9203과 함께 NI cDAQ-9178 섀시를 사용한 참조 단일 종단형 (RSE) 전류 측정의 연결 다이어그램과 모듈의 핀아웃을 보여줍니다. 그림에서 핀 0은 "아날로그 입력 0" 채널에 해당하고 핀 9는 공통 접지에 해당합니다.
그림 5. RSE 구성의 전류 측정
NI 9203 외에도 NI 9205와 같은 범용 아날로그 입력 모듈은 외부 분류기를 사용하여 전류 입력 기능을 제공할 수 있습니다.
측정 보기: NI LabVIEW
센서를 측정 장비에 연결하면 LabVIEW 그래픽 프로그래밍 소프트웨어를 사용하여 필요에 따라 데이터를 시각화하고 분석할 수 있습니다.
그림 6. LabVIEW 전류 측정
참조 문헌
Bolton, William (2004). Instrumentation and Control Systems. Elsevier. ISBN 0750664320.