电流测量的基本知识及NI的测量方式

关于温度测量的方式，大家知道几种呢？

在测试测量领域，有众多测量仪器，例如电磁流量计、涡街流量计、差压流量计、磁翻板液位计等等。这些测量仪器都能输出电流信号，使得工业生产的测试测量更加便捷。那么为何要选择电流信号输出呢？而且为什么都是4-20mA电流信号呢？如何进行电流测量？电流环路是怎样构成的？NI的电流测量是如何进行的？这些问题都将在这篇文章中获得解答。

本文分享：

电流测量的基本知识及NI的测量

一、 为什么要选择电流信号

工业级传感器通常使用电流信号来传输数据。而大多数其他传感器（如热电偶和电阻式应变计）则使用电压信号。虽然基于电压的传感器足够应对许多环境，但在某些情况下基于电流的传感器会更合适。在工业环境中通过电压传输信号具有几个缺点：由于导线存在电阻，在通过长线缆时会造成电压降低，可以使用高输入阻抗设备来规避信号损失。然而，这些设备对附近的电机、传送带和无线电传输引发的噪声很敏感。

根据基尔霍夫电流定律(KCL)，流入某一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。从理论上来说，环路起点的所有电流都必然会到达终点，如下图所示。

这是电流环路运作的基本原理。在单个环路的任意位置测量电流都会得到相同的结果。通过使用电流信号和低阻抗数据采集设备，工业应用将会获得更好的抗噪能力，也可采用更长的传输线缆。      

二、 测量仪表为什么要用4-20mA电流信号

工业上最广泛采用的标准模拟量电信号是用4~20mA直流电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。

4-20mA标准是为2线制传感器设定的，其中0-4mA的电流是为了供应传感器自身较小工作电流的需要，如果采用0-20mA，当信号很小时，传感器将无法取得足够的工作能量。事实上，对于4~20MA信号,一般DCS系统把大于20.2mA小于3.8mA才算作故障。

三、 电流测量基础

电流是电荷的流动。电流的国际单位是安培(A)，等于每秒通过一库仑的电量。

虽然有多种方法可以测量电流，但最常见的方法是间接测量，即先测量精密电阻上的电压，然后使用欧姆定律来计算出流经电阻的电流。

在固体导电金属中，有大量的电子是移动或自由的。当金属导线连接到直流电压源（例如电池）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，导体内的自由电子会在电场的作用下被迫流向正极端。因此，在典型固体导体中，自由电子是电流的载体。当电流为1安培率时，每秒钟会有1库仑的电荷（即约6.242 × 10^18个电子）流过假想的导体平面。

四、 电流测量回路

电流环路的主要组成部分包括直流电源、传感器、数据采集设备和将它们串联在一起的导线，如图下图所示。

直流电源为该系统供电。传感器控制电流以4至20 mA的大小流经导线，其中4 mA代表非零最小输出，20 mA代表最大信号。0 mA信号表示环路中存在断点。数据采集设备测量受控的电流。一个有效而准确的电流测量方法是在数据采集设备放大器的导线之间放置一个精密的分流电阻（如上图所示），将电流信号转换为电压测量，最终再与传感器的原始测量相关联。

五、 如何进行电流测量

测量电流主要有两种方法：一种是基于电磁学，与早期的动圈式（达松伐尔）仪表有关。另一种是基于电学的主要理论 - 欧姆定律。虽然有多种方法可以测量电流，但最常见的方法是间接测量，即先测量精密电阻上的电压，然后使用欧姆定律来计算出流经电阻的电流。

1.达松伐尔电流计

达松伐尔电流计是一种电流表，即用于检测和测量电流的仪器。它是一个模拟机电传感器，当电流流经其线圈时，会通过有限的电弧产生偏转。

现在使用的达松伐尔电流计是使用小型旋转线圈绕在永磁体外面制作而成。线圈与指向刻度盘的细指针相连。一个小型的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。指针所指的刻度就是当前的电流值。精心设计的磁极片使磁场均匀分布，这样指针偏转的角度便与电流成正比。

2.基于欧姆定律的电流表

基本上，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。现代电流表基本上由电压表和精密电阻组成，利用欧姆定律，就可以进行精确的测量，显然对比复杂的磁线圈测量方式，这种方法非常的经济高效。 大家都知道欧姆定律吧，在电路中，流过导体两点间的电流与两点间的电势差（或者说，压降或电压）成正比，与两点间的阻抗成反比。也就是电学中耳熟能详的公式：I = V/R。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，以欧姆为单位（相当于伏特每安培），称为电阻。通过这个公式，就可以得出电流表的工作原理： 通过内部电阻来测量特定信号的电流。 如果要测量大电流，可以在电流表上并联一个精密电阻，该电阻称为分流电阻。大部分电流流经分流电阻，只有一小部分电流流经仪表。这样电流表便可测量更大的电流。只要期望的最大电流乘以电阻的值不超过电流表或数据采集设备的输入范围，便可使用任意电阻器。 分流电阻/采样电阻(Shunt或CVR)分流器是基于最基本的欧姆定律，其体积是一个十分小巧的已知阻抗，串联进被测电路中，测量电流流经分流器两段所产生的压降，可按照I=U/R的计算公式，运算得出该电路中的电流。分流器属于接触式测量方法，通常应用在电压不高、电流相对较小的场合中。

使用这种方法，实际上并未将电流引导到电流表或数据采集板中，而是通过外部电阻进行分流。因此理论上，可以测量的最大电流是无限的，只要分流电阻的电压降不超过电流表或数据采集设备的工作电压范围就可以。

六、 有源与无源

电流传感器的有源和无源的区别是什么？

有源和无源是相对于变送器、开关传感器来说的，变送器提供24V的为有源（四线制），变送器不提供24V的为无源（两线制）。

有源是指各类变送器或都信号源等设备已经有一组供电回路给它供电。直接输出一组4-20mA正负两线的信号回路，给采集设备直接测量或应用。

无源是指各类变送器或者信号源等设备没有供电回路给它供电。必须要有采集设备供给它工作电源，才可以输出一组4-20mA正负两线的信号回传给采集设备直接测量。

故而，三线制仪表、四线制仪表的输出信号为有源信号，二线制仪表输出为无源信号。

七、 NI的电流测量

NI的电流测量板卡一般都是以分流电阻为基础进行测量的。

1.有内置电阻

以NI CompactDAQ数据采集系统为例。下图显示的是NI 9203模拟电流输入模块。由于NI9203内部有一个精密电阻，因此不要求外接分流电阻。

下图显示了使用NI 9203进行参考单端(RSE)电流测量的连接图以及该模块的引脚分布。在图中，引脚0对应“模拟输入0”通道，引脚9对应公共地。

2.无内置电阻

相比NI 9203的内置电阻，NI还有一批板卡是内部没有分流电阻的，比如NI 9218，这就需要外接电流分流适配器NI 9983。下图所示为NI 9218测量±20mA模拟电路。

如果需要测试没有内置电阻的电流卡，则可以连接外部电阻，搭一个简易的欧姆定律电路，并在测试面板设置分流电阻的阻值。

3.有源及无源的测量 电流传感器分为有源及无源，故对于不同传感器的测量，NI的数据采集设备也有着不同的接线方式。 以NI 9208为例，9208拥有着18路Vsup端。当其中一路Vsup接入外部电源后，所有Vsup端将输出电压供给电流传感器以提供电源驱动。由此可以形成传感器的电源回路。 下图为NI 9208的内部电路图。  

有源是指各类变送器或者信号源等设备已经有一组供电回路给它供电。有源传感器即可直接输出一组4～20mA正负两线的信号回路给采集设备直接测量。

以三线制传感器为例，三线制传感器除了电源回路的Vsup端、COM端，还专门引出AI输出端用以连接数据采集设备。NI 9208的有源信号（三线制传感器）测量方法如下图所示。

当然如果该有源传感器内部已有电源或已连接外部电源，则无需将9208的Vsup端与其连接，只需要将主要的测量回路AI端和COM端与板卡相连即可。

同时，9208还可以进行无源电流的测试。

无源电流源为二线制设备，两线制仪表只有两根线，是没有接电源线的，即它们没有独立的工作电源接线，电源需要外部引入。它们的两根线既要传输电源又要传输信号，它们输出的信号称为无源信号。 这个电源可以是独立电源，也可以是无源信号采集设备配电功能提供的。

对于二线制设备，Vsup端要与AI端形成回路，仪表内回路拥有工作电压后，才会有电流的无源信号产生，即从板卡的AI端流入板卡进行无源电流信号的测量。NI 9208的无源信号（二线制传感器）测量方法如下图所示。

以上就是基于电流测量的基本知识及NI测量方式的知识分享啦。

审核编辑：汤梓红