如何进行电流测量

电流基础

在固体导电金属中，有大量的电子是移动的或自由的。当金属导线被连接到直流电压源（如电池）的两端时，电压源会在导体的两端施加一个电场。一旦连接完成，在电场的作用下，导体内的自由电子将被迫流向正极端。

因此，在典型的固体导体中，自由电子是电流的载体。对于1安培的电流而言，每秒钟有1库仑的电荷（即约6.242 × 1018个电子）流过假想的导体平面。

图1. 电流示意图

在电学的早期历史中，常规电流被定义为正电荷的流动。在固体金属(如导线)中，正电荷载体是不移动的，只有带负电荷的电子流动。因为电子携带负电荷，所以电子流动的方向与常规电流的方向是相反的。

在解决电路问题时，流经特定电路元件的实际电流方向通常是未知的。因此，每个电路元件都将被分配一个电流变量和一个任意选定的参考方向。当电路问题被解决时，电路元件的电流值可能为正，也可能为负。负值意味着流经电路元件的实际电流方向与选定的参考方向是相反的。

电流测量方法

测量电流主要有两种方法：一种是基于电磁学的，与早期的动圈式（达松瓦尔）仪表有关；另一种是基于电学的，主要理论是欧姆定律。

达松瓦尔电流计/检流计

达松瓦尔电流计是一种电流表，用于检测和测量电流。它是一个模拟机电传感器，当电流经过线圈时，指针会在有限的弧形刻度上产生偏转。

如今，达松瓦尔电流计是用小型旋转线圈绕在永磁体外面制成的。线圈与指向刻度盘的细指针相连。一个小型扭转弹簧将线圈和指针拉至零位。

当有直流电流过线圈时，线圈会产生磁场。该磁场与永磁体的磁场方向相反。线圈发生扭曲，推动弹簧，使指针发生移动。指针指到显示当前电流值的刻度上。精心设计的磁极片确保磁场均匀，因此，指针偏转的角度与电流成正比。

其他电流表

现在，大多数安培表都是根据电学基本理论欧姆定律设计的。现代电流表本质上是由电压表和精密电阻组成的，利用欧姆定律，就可以进行精确且经济有效的测量。

欧姆定律 – 欧姆定律指出，在电路中，流过导体两点间的电流与两点间的电势差(又称为压降或电压)成正比，与两点间的电阻成反比。

描述这种关系的数学表达式为：

I=V/R

其中，I是以安培为单位的电流；V是以伏特为单位的两点间的电势差；R是电路参数，即电阻，以欧姆为单位(相当于伏特每安培)。

电流表工作原理 – 现在的电流表通过一个内部电阻来测量特定信号的电流。但是，当内部的电阻无法测量更大的电流时，就需要外部的配置了。

为测量更大的电流，可在电流表上并联一个被称为分流电阻的精密电阻。大部分电流流过分流电阻，只有一小部分电流经过电流表。这就使得电流表可以测量更大的电流。

只要期望的最大电流乘上电阻的值不超过电流表或数据采集设备的输入范围，那么任意的电阻都是可以接受的。

使用该方法测量电流时，应使用尽量小的电阻值，因为这对现有电路造成的干扰最小。但是，电阻越小，造成的电压降越小，因此您必须在分辨率和电路干扰间合理取舍。

图2显示了利用分流电阻进行电流测量的原理图

图2. 将分流电阻连接至测量电路

使用这种方法，电流不会直接输入电流表或数据采集电路板，而是经过外部分流电阻。因此，只要分流电阻上的电压降不超过电流表或数据采集板的工作电压范围，那么理论上可以测量无限大的电流值。

电流公约

常规电流

常规电流常见于当今的家用电器、电子电路以及传输线缆中。常规电流不符合传输标准，且取值范围可以从零到很大。

电流回路/4-20 mA公约

当设备需要通过一对导体进行远程监测或控制时，可使用模拟电流回路。任意时刻只可存在一个电流电平。

“4到20毫安的电流回路”，或者叫4-20 mA，是一种用于工业仪器和通信的模拟电气传输标准。对于电流回路信号而言，4 mA表示0%的信号，20 mA表示100%的信号。[1] mA是毫安培的缩写，即千分之一安培。

4毫安的"带电零位"允许接收仪器区分零信号和损坏的导线或仪器。[1] 虽然开发于20世纪50年代，今天这个标准仍然被广泛用于工业。4-20 mA公约的好处包括制造商的广泛使用、相对较低的实现成本以及抗电气噪声的能力。此外，利用带电零位，您可以直接利用电流回路为低功耗仪器供电，节省了额外的电线成本。

精确度考虑

分流电阻在电路中的放置位置是很重要的。如果外部电路与带有电流表或数据采集板的计算机共地，那么应当把分流电阻放置在尽可能接近电路地端的位置上。如果不这样的话，由分流电阻产生的共模电压可能超越电流表或数据采集板规格，这将导致不精确读数，甚至可能损坏电路板。图3显示了分流电阻正确和不正确的放置位置。

图3. 分流电阻的放置

数据采集设备测量

有三种测量模拟输入的方法。请参考《如何进行电压测量》，获取每种配置的详细信息。

例如，考虑NI CompactDAQ USB数据采集系统。图4显示了一个NI cDAQ-9178机箱和一个NI 9203模拟电流输入模块。由于NI 9203内部有一个精密电阻，所以不需要外接的分流电阻。

图4. NI cDAQ-9178机箱和NI 9203模拟电流输入模块

图5演示了使用带NI 9203模块的NI cDAQ-9178机箱进行参考单端(RSE)电压测量的连线图，以及模块的引脚。图中，引脚0对应“模拟输入0 (AI0)”通道，引脚9对应公共地(COM)。

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图5. RSE配置中的电流测量

除了NI 9203，通用模拟输入模块（如NI 9205）也可以利用外部分流电阻提供电流的输入功能。

查看您的测量结果：NI LabVIEW

一旦将传感器同测量仪器相连，就可以使用LabVIEW图形化编程软件对数据进行可视化处理及分析。

图6. LabVIEW中的电流测量

参考资料

Bolton, William (2004).Instrumentation and Control Systems. Elsevier. ISBN 0750664320.

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