4 Rogowski コイルをベースとする電流センサにおける ADC シグナル チェーンの感度分析

低コストの PCB Rogowski 電流センサを使用するシステムにとって主要な懸念事項は、センサ出力における信号振幅が通常非常に小さく、ほとんどの場合はわずか数 μV であることです。計量規格の要求精度を満たすために、シグナル チェーンを注意深く設計する必要があります。このような小信号のシグナル コンディショニングは、内部ゲインを持つ高分解能 ADC を選択するか、センサと ADC の間に外部ゲイン段をカスケード接続することで、大きな差動ゲインを含める必要があります。外部ゲイン段を追加すると、合計コストが増加するため、多くの場合は有害です。そのため、外部ゲイン段を必要とするソリューションと、それらを回避できるソリューションを定量化する方が適切です。

表 3 外部ゲイン段の有効性を分析するために、3 種類の Rogowski コイルを導入しました。

• コイル A は、PCB Rogowski コイル センサ[11]を使用した高精度 AC 電流測定リファレンス デザインをベースとする PCB Rogowski コイルです。感度は約 20μV/A です。
• コイル B は、約 100μV/A の感度を持つ独自の Rogowski コイルの 1 つです。
• コイル C は、約 500μV/A の感度を持つ市販のバルク Rogowski コイル (Pulse PA3209NL) [12]です。

図 2 に、感度分析の測定設定を示します。表 3 に示す、個別の Rogowski コイルそれぞれの出力は、シグナル コンディショニング インターフェイス ボードに接続します。このボードは、4 個のジャンパを使用して、TI の INA188 ベースのゲイン段[13]を選択またはバイパスすることができます。ゲイン定義抵抗 R_G(図 2を参照) は 390Ωであり、オプションとして外部ゲインは 128 になります。

計測アンプ (INA) インターフェイス ボードの出力は、スタンドアロン ADC 使用、3 相電流トランス ベース e メーターのリファレンス デザインの位相 1 電流入力に接続します[3]。このリファレンス デザインには負荷抵抗 R37 と R38 が含まれています。これは、電流トランスに接続する場合にのみ必要とされるもので、この分析で物理的に取り外したものです。E メーター リファレンス デザインに搭載された ADC は TI ADS131M08 です。この ADC は、高精度、8 チャネル、同時サンプリング デルタシグマ ADC で、1 ～ 128 の範囲の内部ゲイン オプションがあります。

図 3 および 図 4 に 、MTE の PTS3.3C ソース ジェネレータおよび基準メータを使用した 50Hz のライン電流で 100mA から 10A までの電流測定精度を示します。[3]と同じテスト手順を使用して、電流とエネルギーのサンプルは、20ms の期間にわたって平均化されます。[11]で概説した手順に従って、デジタル領域でロゴウォスキー信号統合を実装します。代わりに、[14]に示すようなアナログ アクティブ積分を使用することもできますが、今回の分析ではこの 2 つの方法は通常同様の結果を得るため、この手法は無視されます。

感度が非常に低い (例：20μV/A) PCB コイルでは、INA 段をカスケード接続することで、外部ゲイン 128 の場合は大幅に改善されます (図 3を参照)。ADS131M08 の内部 PGA ゲイン (ゲインが 128 でも) だけでは、すでに説明したように、量子化ノイズ レベルを超える小さな入力信号を十分に上昇させることはできません。

感度が 100μV/A 以上の PCB コイルを使用する場合 (図 4を参照)、内部ゲインと外部ゲインの選択によって比較可能な誤差が生じ、該当する位相電流範囲の量子化ノイズ レベルをセンサの出力振幅が十分に上回っていることを示します。0.5% 以下の精度を目標とした、結果として発生する誤差の絶対値が、一部の収益グレードの電力計測システムでは許容範囲よりも高くなっています。この誤差の増加は、このセットアップで適用される単純化された較正手順、シングルポイント (ゲイン) 較正の結果です。標準的な計量設計では、最大 3 つの較正ステップ (オフセット較正、ゲイン較正、位相キャリブレーション) を適用することで、絶対誤差をさらに低減できます。

図 5 および 図 6 に、表 3 示す 3 つの異なるコイルにおける Rogowski コイルの感度に対する測定誤差の依存性を示します。

位相電流が小さい (200mA、図 5) 場合と中レベル位相電流 (5A、図 6) の場合の両方で 、20μV/A の Rogowski コイルは外部ゲイン段を採用することで大幅な改善 (誤差の低減) を達成します。予想どおり、大きなライン電流値 (5A、図 6) を検出すると、すべての誤差は小さい値にスケーリングされます。100μV/A および 500μV/A の Rogowski コイルについては、128 の外部ゲインを適用するのに対して、内部 ADC ゲインを使用すると、同等の精度が得られます。