3 電力測定で使用される PCB Rogowski コイルの感度と ADC ノイズ性能の比較

PCB Rogowski コイルの感度は通常、マイクロボルト / アンペアで規定され、形状 (巻数、コイル寸法)、コア材料 (ある場合)、電流周波数、環境要因 (温度、湿度、外部の磁界) によって異なります[9]。一般的な感度は、1 アンペアあたり数十マイクロボルトから数百マイクロボルト[9]です。

住宅用電気メーターでは、250mA の 二乗平均平方根 (RMS) 位相電流を 2% の精度で測定することが一般的な精度要件となります[1]。たとえば、200μV/A の Rogowsk コイルの場合、この位相電流では、ADC の入力の信号はわずか 200μV/A × 0.250A = 50μV となります。この信号を 2% の精度で測定するために必要な ADC 性能 (つまり、実効分解能を決定するノイズ) は、式 1で定義されるように、0.02 × 200μV/A × 0.250A = 1μV と低い値です。

ここで、V_nADC は ADC に必要なノイズ レベル、tol は特定の位相電流、I_phase-rms (単位：アンペア) に対する指定測定精度 (パーセンテージ)、k は Rogowski コイルの感度定数 (単位：μV/A) です。

したがって、この例では、ADC の合計ノイズ (量子化ノイズとホワイトノイズ) は 1μV 未満である必要があります。

1μV ADC のノイズ要件を、テキサス インスツルメンツ (TI) ADS131M08[10] などの高精度 ADC の仕様と比較すると、意図した性能レベルを達成するには、ADC サンプルの平均化が追加で必要になる可能性があることは明らかです。表 2 に、この平均化を示し、オーバー サンプリング比 (OSR) で定義されるさまざまなゲイン設定およびデータ レートにおける ADC の合計ノイズ (RMS μV) を示します。ゲインが 1、サンプル レートが 4kSPS (OSR = 1,024) の場合、ADC のノイズは約 5μVrms です。平均化時間が 2 倍にすると、ノイズが √2 倍に改善されるため、1μV 未満の ADC ノイズという要件を実現するには、16ms 以上 の期間が必要です。これは、一般的に 20ms の更新レートを必要とするほとんどのエネルギー計量システムで許容されます[1]。この種の平均化は、デルタ シグマ ADC の内部オーバー サンプリング比 (OSR) 機能と外部平均化後の平均化を使用する ADC 内部オーバー サンプリングの組み合わせにより、実用的に実装できます。

表 2 で推奨される別のオプションは、入力[10]を基準とするノイズを低減するため、ADC 内部のプログラマブル ゲイン アンプ (PGA) のゲインをより高いゲインを選択することです。代わりに、信号が ADC に到着する前に、外部ゲイン段を使用して信号を事前調整することもできます。ただし、外部ゲイン段を使用すると、シグナル チェーンのコストが大幅に増加します。