電流測量的基本知識及NI的測量方式

關(guān)于溫度測量的方式，大家知道幾種呢？

在測試測量領(lǐng)域，有眾多測量儀器，例如電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、差壓流量計(jì)、磁翻板液位計(jì)等等。這些測量儀器都能輸出電流信號，使得工業(yè)生產(chǎn)的測試測量更加便捷。那么為何要選擇電流信號輸出呢？而且為什么都是4-20mA電流信號呢？如何進(jìn)行電流測量？電流環(huán)路是怎樣構(gòu)成的？NI的電流測量是如何進(jìn)行的？這些問題都將在這篇文章中獲得解答。

本文分享：

電流測量的基本知識及NI的測量

一、 為什么要選擇電流信號

工業(yè)級傳感器通常使用電流信號來傳輸數(shù)據(jù)。而大多數(shù)其他傳感器（如熱電偶和電阻式應(yīng)變計(jì)）則使用電壓信號。雖然基于電壓的傳感器足夠應(yīng)對許多環(huán)境，但在某些情況下基于電流的傳感器會更合適。在工業(yè)環(huán)境中通過電壓傳輸信號具有幾個(gè)缺點(diǎn)：由于導(dǎo)線存在電阻，在通過長線纜時(shí)會造成電壓降低，可以使用高輸入阻抗設(shè)備來規(guī)避信號損失。然而，這些設(shè)備對附近的電機(jī)、傳送帶和無線電傳輸引發(fā)的噪聲很敏感。

根據(jù)基爾霍夫電流定律(KCL)，流入某一節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和。從理論上來說，環(huán)路起點(diǎn)的所有電流都必然會到達(dá)終點(diǎn)，如下圖所示。

這是電流環(huán)路運(yùn)作的基本原理。在單個(gè)環(huán)路的任意位置測量電流都會得到相同的結(jié)果。通過使用電流信號和低阻抗數(shù)據(jù)采集設(shè)備，工業(yè)應(yīng)用將會獲得更好的抗噪能力，也可采用更長的傳輸線纜。

二、測量儀表為什么要用4-20mA電流信號

工業(yè)上最廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號是用4~20mA直流電流來傳輸模擬量。

采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時(shí)不會低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。

4-20mA標(biāo)準(zhǔn)是為2線制傳感器設(shè)定的，其中0-4mA的電流是為了供應(yīng)傳感器自身較小工作電流的需要，如果采用0-20mA，當(dāng)信號很小時(shí)，傳感器將無法取得足夠的工作能量。事實(shí)上，對于4~20MA信號,一般DCS系統(tǒng)把大于20.2mA小于3.8mA才算作故障。

三、 電流測量基礎(chǔ)

電流是電荷的流動(dòng)。電流的國際單位是安培(A)，等于每秒通過一庫侖的電量。

雖然有多種方法可以測量電流，但最常見的方法是間接測量，即先測量精密電阻上的電壓，然后使用歐姆定律來計(jì)算出流經(jīng)電阻的電流。

在固體導(dǎo)電金屬中，有大量的電子是移動(dòng)或自由的。當(dāng)金屬導(dǎo)線連接到直流電壓源（例如電池）的兩端時(shí)，電壓源會在導(dǎo)體的兩端施加一個(gè)電場。一旦連接完成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子會在電場的作用下被迫流向正極端。因此，在典型固體導(dǎo)體中，自由電子是電流的載體。當(dāng)電流為1安培率時(shí)，每秒鐘會有1庫侖的電荷（即約6.242 × 10^18個(gè)電子）流過假想的導(dǎo)體平面。

四、 電流測量回路

電流環(huán)路的主要組成部分包括直流電源、傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和將它們串聯(lián)在一起的導(dǎo)線，如圖下圖所示。

直流電源為該系統(tǒng)供電。傳感器控制電流以4至20 mA的大小流經(jīng)導(dǎo)線，其中4 mA代表非零最小輸出，20 mA代表最大信號。0 mA信號表示環(huán)路中存在斷點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備測量受控的電流。一個(gè)有效而準(zhǔn)確的電流測量方法是在數(shù)據(jù)采集設(shè)備放大器的導(dǎo)線之間放置一個(gè)精密的分流電阻（如上圖所示），將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓測量，最終再與傳感器的原始測量相關(guān)聯(lián)。

五、 如何進(jìn)行電流測量

測量電流主要有兩種方法：一種是基于電磁學(xué)，與早期的動(dòng)圈式（達(dá)松伐爾）儀表有關(guān)。另一種是基于電學(xué)的主要理論-歐姆定律。雖然有多種方法可以測量電流，但最常見的方法是間接測量，即先測量精密電阻上的電壓，然后使用歐姆定律來計(jì)算出流經(jīng)電阻的電流。

1.達(dá)松伐爾電流計(jì)

達(dá)松伐爾電流計(jì)是一種電流表，即用于檢測和測量電流的儀器。它是一個(gè)模擬機(jī)電傳感器，當(dāng)電流流經(jīng)其線圈時(shí)，會通過有限的電弧產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在使用的達(dá)松伐爾電流計(jì)是使用小型旋轉(zhuǎn)線圈繞在永磁體外面制作而成。線圈與指向刻度盤的細(xì)指針相連。一個(gè)小型的扭轉(zhuǎn)彈簧將線圈和指針拉至零位。

當(dāng)有直流電流過線圈時(shí)，線圈會產(chǎn)生磁場。該磁場與永磁體的磁場方向相反。線圈發(fā)生扭曲，推動(dòng)彈簧，使指針發(fā)生移動(dòng)。指針?biāo)傅目潭染褪钱?dāng)前的電流值。精心設(shè)計(jì)的磁極片使磁場均勻分布，這樣指針偏轉(zhuǎn)的角度便與電流成正比。

2.基于歐姆定律的電流表

基本上，現(xiàn)在大多數(shù)安培表都是根據(jù)電學(xué)基本理論歐姆定律設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)代電流表基本上由電壓表和精密電阻組成，利用歐姆定律，就可以進(jìn)行精確的測量，顯然對比復(fù)雜的磁線圈測量方式，這種方法非常的經(jīng)濟(jì)高效。 大家都知道歐姆定律吧，在電路中，流過導(dǎo)體兩點(diǎn)間的電流與兩點(diǎn)間的電勢差（或者說，壓降或電壓）成正比，與兩點(diǎn)間的阻抗成反比。也就是電學(xué)中耳熟能詳?shù)墓剑篒 = V/R。I是以安培為單位的電流，V是以伏特為單位的兩點(diǎn)間的電勢差，R是電路參數(shù)，以歐姆為單位（相當(dāng)于伏特每安培），稱為電阻。通過這個(gè)公式，就可以得出電流表的工作原理： 通過內(nèi)部電阻來測量特定信號的電流。 如果要測量大電流，可以在電流表上并聯(lián)一個(gè)精密電阻，該電阻稱為分流電阻。大部分電流流經(jīng)分流電阻，只有一小部分電流流經(jīng)儀表。這樣電流表便可測量更大的電流。只要期望的最大電流乘以電阻的值不超過電流表或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，便可使用任意電阻器。 分流電阻/采樣電阻(Shunt或CVR)分流器是基于最基本的歐姆定律，其體積是一個(gè)十分小巧的已知阻抗，串聯(lián)進(jìn)被測電路中，測量電流流經(jīng)分流器兩段所產(chǎn)生的壓降，可按照I=U/R的計(jì)算公式，運(yùn)算得出該電路中的電流。分流器屬于接觸式測量方法，通常應(yīng)用在電壓不高、電流相對較小的場合中。

使用這種方法，實(shí)際上并未將電流引導(dǎo)到電流表或數(shù)據(jù)采集板中，而是通過外部電阻進(jìn)行分流。因此理論上，可以測量的最大電流是無限的，只要分流電阻的電壓降不超過電流表或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作電壓范圍就可以。

六、 有源與無源

電流傳感器的有源和無源的區(qū)別是什么？

有源和無源是相對于變送器、開關(guān)傳感器來說的，變送器提供24V的為有源（四線制），變送器不提供24V的為無源（兩線制）。

有源是指各類變送器或都信號源等設(shè)備已經(jīng)有一組供電回路給它供電。直接輸出一組4-20mA正負(fù)兩線的信號回路，給采集設(shè)備直接測量或應(yīng)用。

無源是指各類變送器或者信號源等設(shè)備沒有供電回路給它供電。必須要有采集設(shè)備供給它工作電源，才可以輸出一組4-20mA正負(fù)兩線的信號回傳給采集設(shè)備直接測量。

故而，三線制儀表、四線制儀表的輸出信號為有源信號，二線制儀表輸出為無源信號。

七、 NI的電流測量

NI的電流測量板卡一般都是以分流電阻為基礎(chǔ)進(jìn)行測量的。

1.有內(nèi)置電阻

以NI CompactDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例。下圖顯示的是NI 9203模擬電流輸入模塊。由于NI9203內(nèi)部有一個(gè)精密電阻，因此不要求外接分流電阻。

下圖顯示了使用NI 9203進(jìn)行參考單端(RSE)電流測量的連接圖以及該模塊的引腳分布。在圖中，引腳0對應(yīng)“模擬輸入0”通道，引腳9對應(yīng)公共地。

2.無內(nèi)置電阻

相比NI 9203的內(nèi)置電阻，NI還有一批板卡是內(nèi)部沒有分流電阻的，比如NI 9218，這就需要外接電流分流適配器NI 9983。下圖所示為NI 9218測量±20mA模擬電路。

如果需要測試沒有內(nèi)置電阻的電流卡，則可以連接外部電阻，搭一個(gè)簡易的歐姆定律電路，并在測試面板設(shè)置分流電阻的阻值。

3.有源及無源的測量 電流傳感器分為有源及無源，故對于不同傳感器的測量，NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備也有著不同的接線方式。 以NI 9208為例，9208擁有著18路Vsup端。當(dāng)其中一路Vsup接入外部電源后，所有Vsup端將輸出電壓供給電流傳感器以提供電源驅(qū)動(dòng)。由此可以形成傳感器的電源回路。 下圖為NI 9208的內(nèi)部電路圖。

有源是指各類變送器或者信號源等設(shè)備已經(jīng)有一組供電回路給它供電。有源傳感器即可直接輸出一組4～20mA正負(fù)兩線的信號回路給采集設(shè)備直接測量。

以三線制傳感器為例，三線制傳感器除了電源回路的Vsup端、COM端，還專門引出AI輸出端用以連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備。NI 9208的有源信號（三線制傳感器）測量方法如下圖所示。

當(dāng)然如果該有源傳感器內(nèi)部已有電源或已連接外部電源，則無需將9208的Vsup端與其連接，只需要將主要的測量回路AI端和COM端與板卡相連即可。

同時(shí)，9208還可以進(jìn)行無源電流的測試。

無源電流源為二線制設(shè)備，兩線制儀表只有兩根線，是沒有接電源線的，即它們沒有獨(dú)立的工作電源接線，電源需要外部引入。它們的兩根線既要傳輸電源又要傳輸信號，它們輸出的信號稱為無源信號。這個(gè)電源可以是獨(dú)立電源，也可以是無源信號采集設(shè)備配電功能提供的。

對于二線制設(shè)備，Vsup端要與AI端形成回路，儀表內(nèi)回路擁有工作電壓后，才會有電流的無源信號產(chǎn)生，即從板卡的AI端流入板卡進(jìn)行無源電流信號的測量。NI 9208的無源信號（二線制傳感器）測量方法如下圖所示。

以上就是基于電流測量的基本知識及NI測量方式的知識分享啦。

審核編輯：湯梓紅